À l'intérieur des cellules de plantes apparemment statiques se trouvent des populations dynamiques d'organites mobiles. Des centaines de mitochondries, fournisseurs d'énergie de la cellule, se déplacent selon leurs propres trajets individuels et interagissent les unes avec les autres au fur et à mesure. Ils font de petits pas pour explorer leur zone cellulaire locale et utilisent des «autoroutes» dans la cellule (filaments constitués de protéine d'actine) pour parcourir rapidement de longues distances. Bien que ce mouvement ait été bien caractérisé au fil des ans, le mystère demeure : pourquoi l'usine investit-elle de l'énergie dans le déplacement de ces centrales ?

En surface, les mitochondries végétales ont une tâche impossible. D'un côté, c'est bien qu'ils se retrouvent. Ils peuvent fusionner et échanger de l'ADN mitochondrial (ADNmt), des protéines et d'autres produits chimiques, dans une collaboration continue qui est importante pour la plante. Lorsque ce partage est compromis, par exemple par des mutations dans la machinerie responsable, les plantes poussent moins vite et moins vertes, et peuvent être stériles et connaître d'autres problèmes. D'autre part, il est bon que les mitochondries restent séparées. Une répartition uniforme des mitochondries à travers la cellule assure un apport d'énergie uniforme, limite l'accumulation locale de produits chimiques nocifs et permet aux mitochondries de rencontrer d'autres machines cellulaires. Nous pensions que le mouvement mitochondrial pourrait être un moyen d'obtenir le meilleur des deux mondes - permettant des rencontres occasionnelles mais aussi en gardant les mitochondries bien réparties dans la cellule. Mais pour explorer cette idée, nous devions comprendre à la fois comment les vraies mitochondries végétales se déplacent et comment différents types de mouvement pourraient aider à résoudre ce compromis.

Comment plonger dans ces communautés au sein des cellules végétales ? Commençons par le mouvement des mitochondries. Dans notre laboratoire de l'Université de Birmingham (notre groupe est basé à l'Université de Bergen mais nous sommes internationaux !), nous utilisons la microscopie laser à cellules vivantes pour observer les mitochondries dans les semis de Arabidopsis, une plante favorite pour les expériences en laboratoire. Le professeur David Logan, qui a façonné le domaine de la dynamique mitochondriale des plantes, a créé et nous a gentiment fourni une lignée de plantes avec des protéines fluorescentes attachées à leurs mitochondries. À partir de là, nous pouvons prendre des vidéos de la dynamique mitochondriale, comme le laps de temps ci-dessous à partir d'une seule cellule de l'hypocotyle (tige précoce).

À partir de ces vidéos, nous pouvons utiliser des algorithmes pour suivre les positions de toutes les mitochondries individuelles au fil du temps. L'ordinateur signale ensuite leur vitesse, les angles auxquels ils se déplacent, les distances qui les séparent et la zone qu'ils couvrent.

Comment ce mouvement affecte-t-il leur capacité à se rencontrer et à partager des contenus ? La réponse est venue d'un point de vue peut-être surprenant - réseaux sociaux. Les réseaux sociaux décrivent les interactions entre les individus - généralement des personnes, mais nous avons appliqué l'idée aux mitochondries. Lorsqu'une mitochondrie se trouve à une petite distance d'une autre (environ un micron, ce qui correspond à la longueur typique d'une mitochondrie), nous enregistrons cette "rencontre". Ces « rencontres » donnent aux mitochondries l'occasion de fusionner et d'échanger des contenus et des informations génétiques. Au fil du temps, ces rencontres se construisent et peuvent être représentées comme le réseau « social » de la population. Les nœuds du réseau sont des mitochondries individuelles, et les bords entre eux correspondent aux rencontres entre ces organites. Parce que la théorie des réseaux comme ceux-ci est si bien développée, nous pouvons utiliser la théorie établie pour nous aider à répondre à nos questions, notamment : dans quelle mesure les individus de cette cellule sont-ils connectés ? Les mitochondries forment-elles des « cliques » (groupes sociaux soudés) ? Quelle variation « sociale » y a-t-il entre les mitochondries ? Et quelle est l'efficacité de ces réseaux pour faire circuler l'information ?

Nous avons construit ces réseaux pour Arabidopsis semis, et les a comparés à un large éventail de simulations informatiques pour explorer ce que la plante pourrait théoriquement réaliser avec différents mouvements mitochondriaux. Ces simulations montrent qu'il y a effectivement une corde raide à marcher : une tension entre les mitochondries étant uniformément réparties et fortement connectées socialement. Aucune cellule végétale, même dans une simulation, ne peut réaliser les deux en même temps. Mais au fil du temps, nous avons constaté que les cellules végétales adoptent une résolution de cette tension qui est aussi, voire plus, efficace que n'importe laquelle de nos simulations. L'« efficacité » de ces réseaux sociaux - une mesure de la facilité avec laquelle le contenu peut être partagé entre les individus - est remarquablement élevé par rapport au comportement théorique. Cela suggère que la dynamique des mitochondries végétales a évolué pour partager efficacement le contenu - sans sacrifier leur diffusion uniforme à travers la cellule, et donc leur capacité à fournir un approvisionnement énergétique uniforme, à éviter l'accumulation locale de produits chimiques nocifs et à rencontrer d'autres machines cellulaires.

Pour étayer ces résultats, nous avons examiné les mitochondries chez un mutant Arabidopsis ligne appelée friendly (ainsi nommé parce que dans cette lignée végétale les mitochondries deviennent très "amies", restant ensemble plus longtemps, ce qui perturbe la propagation uniforme des mitochondries dans la cellule). Le professeur Logan a également créé et nous a fourni des plantes de cette lignée. Dans ces plantes, les mitochondries regroupées forment des cliques étroitement connectées, qui initialement ne rencontrent pas très souvent d'autres grappes, limitant ainsi leur capacité à partager des informations. Mais curieusement, ce défi à la résolution socio-physique n'a pas été maintenu au fil du temps. Nous avons observé que les mitochondries très sociales (populaires) voyagent d'un groupe à l'autre, d'une clique à l'autre, reliant ces communautés et donnant finalement au réseau global une efficacité similaire au cas non mutant.

L'observation de la connectivité sociale de ces organites dynamiques nous a aidés à découvrir un compromis auquel les mitochondries doivent faire face et à montrer qu'elles utilisent leur mouvement remarquable pour avoir le meilleur d'être bien réparties physiquement (pour une distribution d'énergie uniforme), et se jumeler (pour permettre l'échange bénéfique de contenus) quand ils en ont besoin. À l'avenir, nous examinons plus en profondeur les implications de ce compromis à la fois pour le métabolisme des plantes (où le positionnement mitochondrial façonne la diaphonie avec d'autres organites, essentielles pour la photosynthèse et la photorespiration) et la génétique (où l'échange mitochondrial influence le maintien et l'héritage de l'ADNmt ). Ces sujets présentent à la fois un intérêt biologique fondamental et une importance agricole, car le métabolisme des plantes nourrit le monde et les caractéristiques de l'ADNmt jouent un rôle important dans la production de cultures hybrides.

Pour plus d'informations et un regard plus coloré sur le monde des mitochondries végétales, consultezwww.mitochondriamove.com, et lisez l'article sur ce travail ici : https://www.cell.com/cell-systems/fulltext/S2405-4712(21)00133-2 

Joanna et Iain s'intéressent à la dynamique, à la génétique et à l'évolution des organites au cours de la vie, et en particulier chez les plantes. Le groupe de biologie stochastique, dirigé par Iain, travaille avec un mélange de données expérimentales et d'approches de modélisation pour comprendre les systèmes biologiques complexes et stochastiques. Joanna est doctorante à l'Université de Birmingham, au Royaume-Uni, et passionnée de communication scientifique. Iain est professeur agrégé à l'Université de Bergen, en Norvège. Suivez Jeanne, @ChusteckiSci, et Iain, @mitomaths, sur Twitter et découvrez-en plus sur le Stochastic Biology Group ici :https://org.uib.no/stochasticbiology/people.html. Vous pouvez trouver plus de leurs vidéos sur leur chaîne YouTube ici : https://www.youtube.com/channel/UCp-q3_8CbR2Lh5PcaCYSfNQ.