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Canicule ou gel: comment les plantes survivent
-&E~HERCHE~ OE P~INTEI
Canicule Expe’rimentalement, rhistant PAR JULIO SALINAS*
ET
FRIEDRICH SCHOEFFL**
* Departement de biologie moleculaire et de virologie vegetale, CIT-INIA (Centro de Investrgacion y Tecnologia, lnstituto National de lnvestigaciones Agranas). 28040 Madrid, Espagne. E-mail : [email protected] ** Universite de Tiibingen, 72076 Tubingen, Allemagne. E-mail : friedrich.schoeffl@ uni-tuebingecde
(1) JH Lee et al (1995) P/a/Z J 8, 603-612. (2) JH Lee, F Schoeffl (1996) MolGen GenetZ52, 11-19. (3) JA Jarillo ef a/ (1994) P/ant MO/ B/o/A's, 693-704. (4) J Cape1 eta/ (1997) PlantPhysiol 115, sous presse.
usqu’a present, les experiences de transgenese n’ont guere servi h accroitre la tolerance des plantes cultivees aux nombreux t( stress )pde l’environnement qui les assaillent tout au long de leur existence, tels le froid, la chaleur ou la secheresse. C’est pourtant probablement de tels travaux que l’on peut attendre une amelioration sensible de la production agricole. D’autant plus que divers arguments plaident en faveur d’un changement climatique dans les decennies a venir. Justement, il se trouve que les mecanismes moleculaires participant aux processus d’adaptation a la chaleur et, inversement, au froid commencent a itre connus. Tout a commence voild plusieurs an&es. En leur appliquant un traitement thermique brutal (sub-lethal), plusieurs chercheurs se sont apercus qu’ils pouvaient conditionner des plantes pour qu’elles survivent h des temperatures extremement Clevees (plus de 40 “C). La chaleur entraine la synthese de differentes proteines de choc thermique (HSP, heat shock proteins). On sait maintenant que ces prottines sont Cgalement synthitisees dans les cellules exposees a la secheresse, au froid, h I’oxydation ou a des metaux lourds. Elles semblent done jouer un role majeur dans les mCc:anismes d’adaptation a l’ensemble des stress abiotiques. Les HSP sont des molecules chaperones (les chaperones aident au bon repliement des proteines dans l’espace). En interagissant avec les proteines denaturees par la chaleur, elles les cellules des effets protegent toxiques que peuvent avoir ces proteines. Cette reponse biologique est de la plus haute importance. En timoigne la conservation chez des organismes t&s divers de differentes classes de protiines de choc thermique (HSPZO, HSP60, HSP70, HSPSO, HSPlOO) et igalement d’une proteine regulatrice, le ccfacteur de transcription du choc thermique )) (HSF). UHSF est toujours present dans les cellules, mais reste dans une conformation inactive dans des conditions normales. En revanche, lorsque la temperature est tres elevi-e,
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52 BIOFUTUR172
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Novembre1997
ou gel : comment on sait fabriquer des plantes 2 la chaleur ou au fyoid.
autrement dit en cas de stress thermique, la proteine change de conformation et devient atztive : elle reconnait alors les genes codant les differentes HSI’ et stimule leur expression. Consequence : l’HSF, regulateur majeur de l’expression des genes de tolerance au stress thermique, est devenu la cle permettant de creer des plantes plus tolerantes a la chaleur. En 1995, grace au genie genetique, I’equipe de Pun d’entre nous (F Schoeffl) a pu faire synthetiser I’HSF dans sa forme active, a une temperature normale, par des cellules transgeniques d’arabette (Arabido,psis tbaliana), la plante de predilection en genetique kg&ale (1,2). Les plants transgeniques produisent alors, en I’absence de
Le seuil de tokrance A la chaleur de plants transgejniques d’arabette qui synthbtisent le c
stress, des protiines de choc thermique en quantites significatives (soit p&s de 20 % du taux de IHSP synthitise apres une exposition experimentale a la chaleur). Si on les soumet a une chaleur soudaine, saris traitement thermique prtalable, leur seuil de tolerance de la chaleur se revele lslus ClevP (de 2 a 4 “C) que celui des plantes temoins (voiv photo ci-contre). Fait interessant, il existe un lien entre les reponses des plantes a la chaleur et au froid. Par exemple, on sait qu’un traitement par la chaleur protege du froid les tomates et les hypocotyles (zones de croissance des jeunes pousses)
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Des plants d’Arabidopsis rbsistent au froid (- 7 “C) apr&s avoir QB expos& durant 7 jours $I 4 “C (a gauche). Sans prbexposition, ils meurent (a droite).
voie. Nous avons d’abord cherchi i isoler les &es dont I’expression est faiblement induite au tours de I’acclimatation au froid. Rtsultat : plusieurs &es, dCnommts RCI (rare cold inducible), ont CtP identifiis. Acti& par les basses temperatures ou d’autres facteurs tels que la dCshydratation ou I’ex& de sel, ils cadent des protiines aux fonctions variees : rigulateurs de protiines kinases (les kinases sont impliquPes dans la transmission des signaux dans les cellules), protCines membranaires, enzymes (dksaturases, mono-oxyginases, peroxydases) (3, 4). Afin de dCterminer jusqu’i quel point ces g&es contribuent 1 I’acclimatation au froid, nous avons concu des arabertes transgtniques surexprimant les ADN complkmentaires de ces gtnes, soit sous une forme i orientation normale soit sous la forme antisens. Ces plantes sont en tours d’analyse. Parall~lement i cette approche moltculaire, nous avons cherchC i identifier des mutants d’arabette moins aptes i s’adapter au froid. En provoquant des mutations L l’aide d’agents chimiques (kthylmithane sulfonate), nous avons fini par trouver un mutant nommC frsl (freezing sensitive I), dont la toltrance au gel et B la s&heresse est fortement diminuee. Le g&e mutC n’a pas encore et6 identifie. On sait cependant que la mutation en cause est rkcessive (un seul exemplaire mu& du g&e suffit h reduire la tolirance). Le mutant peut p&enter plusieurs aspects morphologiques, dont un phCnotype de plante dessCchic indiquant une incapacite g toI& rer la dishydratation. Contrairement aux plantes normales, le mutant frsl n’accumule pas les proteines RCI lorsqu’il est soumis au froid. Cela signifie que le gene en jeu (FRSI) est indispensable a I’activation des g&es RCI et done g l’acclimatation au froid. Une fois dCcouvert et clonC, il pourrait constituer un outil pour manipuler la tolkrance des plantes au gel et la Gcheresse. 8
Des pruniers i la maladie de la sharka
Point besoin de secouer ’ le prunier pour obtenir me belle rkolte de fruits. Un g&e antiviral powrait faire l’affaire. a sharka est une maladie des arbres de la capside du virus. En effet, la fruitiers g noyaux qui fut dPcouprotiine de capside recombinke s’acverte en Bulgarie, en 1932 (1). Endicumule dans le cytoplasme des celmique des pa);s balkaniques, elle s’est rapidement ripandue dans toute I’Europe. Le virus responsable, le plum pox virus (PPV), est Ghiculi par les pucerons et entraine des sympthmes qui rendent les fruits inconsommables : apparition de taches, dGformations, chute avant maturin? et altCration de’s qualit& organoleptiques. Associi i d’autreq virus d’arbres fruitiers tel celui du nanisme des Pruntls, il peut mCme provoquer la mort de son h&e. Dans certain’s pays oti sa prCsence est tr6s locali&e, I’Cradication des arbres malades reprCsente le meilleur moyen de lutte. Dans les autres ri:gions, la Le prunier transgbnique (clone C-5 ~3 droite) lutte contre la maladie r&iste au virus de la sharka, contrairement B un consiste 5 SCliectionner prunier sensible (clone C-6). des arbres tolCrants, c’est-&dire qui hCbergent le virus mais n’expriment pas la lules &g&ales et entrave la multiplimaladie. cation des virions par interaction protiine-protCine. Cette protection a l Le transghe : donni des rCsultats t&s encouraun gene de capside virale geants chez des plantes annuelles utiL’inconvCnient de cette dtmarche est h&es comme modPIe, telles que betqu’elle n’tvite pas la dissimination terave, concombre, piment, pomme de la maladie. Une autre approche de terre, riz, tabac et tomate. fondie sur I’utilisation d’outils bioPour notre part, nous avons men,? technologiques, en particulier de la nos expkriences prkliminaires sur uric plante herbacCe apparentke au tabac : transgCn&e, a Pti mise en place. DCveloppie pour la premikre fois par Nicotiana benthamiana. TransPatricia Powell-Abel B la Washington form&es avec le g&e codant la proUniversity a Saint-Louis (etats-Unis) t&ne de capside du PPV, ces plantes ont montrt une bonne rksistance au (2), elle consiste g rendre les plantes risitantes g la maladie en introduivirus de la sharka inoculC de mani?re expkrimentale (3). Puis, en associasant un g&ne qui code une proteine
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BIOFUTUR 172
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Novembre 1997 53
PAR MICHEL RAVEL0NANDR0
Stationde
pathologie v8gtYale. . Inra, Centre de recherches de Bordeaux, BP 81, 33883 Villenaved’0rnon cedex. E-mail : ravelona@ bordeaux.lnra.fr
(1) 0 Atanassov (1932) Ann univ sofit? fat Agric Silvic 11,49-69. (2) P Powell Abel et al (1986) Science 232 738-743. (3) M Ravelonandro et a/ (1993) Plant Sci91. 157-169. (4) R Scorza et a/ (1994) Plant Ce//,Reporfs14, 18-22. M Ravelonandro etal(l994) Biof 133,41-43.
Canicule Expe’rimentalement, rhistant PAR JULIO SALINAS*
ET
FRIEDRICH SCHOEFFL**
* Departement de biologie moleculaire et de virologie vegetale, CIT-INIA (Centro de Investrgacion y Tecnologia, lnstituto National de lnvestigaciones Agranas). 28040 Madrid, Espagne. E-mail : [email protected] ** Universite de Tiibingen, 72076 Tubingen, Allemagne. E-mail : friedrich.schoeffl@ uni-tuebingecde
(1) JH Lee et al (1995) P/a/Z J 8, 603-612. (2) JH Lee, F Schoeffl (1996) MolGen GenetZ52, 11-19. (3) JA Jarillo ef a/ (1994) P/ant MO/ B/o/A's, 693-704. (4) J Cape1 eta/ (1997) PlantPhysiol 115, sous presse.
usqu’a present, les experiences de transgenese n’ont guere servi h accroitre la tolerance des plantes cultivees aux nombreux t( stress )pde l’environnement qui les assaillent tout au long de leur existence, tels le froid, la chaleur ou la secheresse. C’est pourtant probablement de tels travaux que l’on peut attendre une amelioration sensible de la production agricole. D’autant plus que divers arguments plaident en faveur d’un changement climatique dans les decennies a venir. Justement, il se trouve que les mecanismes moleculaires participant aux processus d’adaptation a la chaleur et, inversement, au froid commencent a itre connus. Tout a commence voild plusieurs an&es. En leur appliquant un traitement thermique brutal (sub-lethal), plusieurs chercheurs se sont apercus qu’ils pouvaient conditionner des plantes pour qu’elles survivent h des temperatures extremement Clevees (plus de 40 “C). La chaleur entraine la synthese de differentes proteines de choc thermique (HSP, heat shock proteins). On sait maintenant que ces prottines sont Cgalement synthitisees dans les cellules exposees a la secheresse, au froid, h I’oxydation ou a des metaux lourds. Elles semblent done jouer un role majeur dans les mCc:anismes d’adaptation a l’ensemble des stress abiotiques. Les HSP sont des molecules chaperones (les chaperones aident au bon repliement des proteines dans l’espace). En interagissant avec les proteines denaturees par la chaleur, elles les cellules des effets protegent toxiques que peuvent avoir ces proteines. Cette reponse biologique est de la plus haute importance. En timoigne la conservation chez des organismes t&s divers de differentes classes de protiines de choc thermique (HSPZO, HSP60, HSP70, HSPSO, HSPlOO) et igalement d’une proteine regulatrice, le ccfacteur de transcription du choc thermique )) (HSF). UHSF est toujours present dans les cellules, mais reste dans une conformation inactive dans des conditions normales. En revanche, lorsque la temperature est tres elevi-e,
J
52 BIOFUTUR172
l
Novembre1997
ou gel : comment on sait fabriquer des plantes 2 la chaleur ou au fyoid.
autrement dit en cas de stress thermique, la proteine change de conformation et devient atztive : elle reconnait alors les genes codant les differentes HSI’ et stimule leur expression. Consequence : l’HSF, regulateur majeur de l’expression des genes de tolerance au stress thermique, est devenu la cle permettant de creer des plantes plus tolerantes a la chaleur. En 1995, grace au genie genetique, I’equipe de Pun d’entre nous (F Schoeffl) a pu faire synthetiser I’HSF dans sa forme active, a une temperature normale, par des cellules transgeniques d’arabette (Arabido,psis tbaliana), la plante de predilection en genetique kg&ale (1,2). Les plants transgeniques produisent alors, en I’absence de
Le seuil de tokrance A la chaleur de plants transgejniques d’arabette qui synthbtisent le c
stress, des protiines de choc thermique en quantites significatives (soit p&s de 20 % du taux de IHSP synthitise apres une exposition experimentale a la chaleur). Si on les soumet a une chaleur soudaine, saris traitement thermique prtalable, leur seuil de tolerance de la chaleur se revele lslus ClevP (de 2 a 4 “C) que celui des plantes temoins (voiv photo ci-contre). Fait interessant, il existe un lien entre les reponses des plantes a la chaleur et au froid. Par exemple, on sait qu’un traitement par la chaleur protege du froid les tomates et les hypocotyles (zones de croissance des jeunes pousses)
G? z3
Des plants d’Arabidopsis rbsistent au froid (- 7 “C) apr&s avoir QB expos& durant 7 jours $I 4 “C (a gauche). Sans prbexposition, ils meurent (a droite).
voie. Nous avons d’abord cherchi i isoler les &es dont I’expression est faiblement induite au tours de I’acclimatation au froid. Rtsultat : plusieurs &es, dCnommts RCI (rare cold inducible), ont CtP identifiis. Acti& par les basses temperatures ou d’autres facteurs tels que la dCshydratation ou I’ex& de sel, ils cadent des protiines aux fonctions variees : rigulateurs de protiines kinases (les kinases sont impliquPes dans la transmission des signaux dans les cellules), protCines membranaires, enzymes (dksaturases, mono-oxyginases, peroxydases) (3, 4). Afin de dCterminer jusqu’i quel point ces g&es contribuent 1 I’acclimatation au froid, nous avons concu des arabertes transgtniques surexprimant les ADN complkmentaires de ces gtnes, soit sous une forme i orientation normale soit sous la forme antisens. Ces plantes sont en tours d’analyse. Parall~lement i cette approche moltculaire, nous avons cherchC i identifier des mutants d’arabette moins aptes i s’adapter au froid. En provoquant des mutations L l’aide d’agents chimiques (kthylmithane sulfonate), nous avons fini par trouver un mutant nommC frsl (freezing sensitive I), dont la toltrance au gel et B la s&heresse est fortement diminuee. Le g&e mutC n’a pas encore et6 identifie. On sait cependant que la mutation en cause est rkcessive (un seul exemplaire mu& du g&e suffit h reduire la tolirance). Le mutant peut p&enter plusieurs aspects morphologiques, dont un phCnotype de plante dessCchic indiquant une incapacite g toI& rer la dishydratation. Contrairement aux plantes normales, le mutant frsl n’accumule pas les proteines RCI lorsqu’il est soumis au froid. Cela signifie que le gene en jeu (FRSI) est indispensable a I’activation des g&es RCI et done g l’acclimatation au froid. Une fois dCcouvert et clonC, il pourrait constituer un outil pour manipuler la tolkrance des plantes au gel et la Gcheresse. 8
Des pruniers i la maladie de la sharka
Point besoin de secouer ’ le prunier pour obtenir me belle rkolte de fruits. Un g&e antiviral powrait faire l’affaire. a sharka est une maladie des arbres de la capside du virus. En effet, la fruitiers g noyaux qui fut dPcouprotiine de capside recombinke s’acverte en Bulgarie, en 1932 (1). Endicumule dans le cytoplasme des celmique des pa);s balkaniques, elle s’est rapidement ripandue dans toute I’Europe. Le virus responsable, le plum pox virus (PPV), est Ghiculi par les pucerons et entraine des sympthmes qui rendent les fruits inconsommables : apparition de taches, dGformations, chute avant maturin? et altCration de’s qualit& organoleptiques. Associi i d’autreq virus d’arbres fruitiers tel celui du nanisme des Pruntls, il peut mCme provoquer la mort de son h&e. Dans certain’s pays oti sa prCsence est tr6s locali&e, I’Cradication des arbres malades reprCsente le meilleur moyen de lutte. Dans les autres ri:gions, la Le prunier transgbnique (clone C-5 ~3 droite) lutte contre la maladie r&iste au virus de la sharka, contrairement B un consiste 5 SCliectionner prunier sensible (clone C-6). des arbres tolCrants, c’est-&dire qui hCbergent le virus mais n’expriment pas la lules &g&ales et entrave la multiplimaladie. cation des virions par interaction protiine-protCine. Cette protection a l Le transghe : donni des rCsultats t&s encouraun gene de capside virale geants chez des plantes annuelles utiL’inconvCnient de cette dtmarche est h&es comme modPIe, telles que betqu’elle n’tvite pas la dissimination terave, concombre, piment, pomme de la maladie. Une autre approche de terre, riz, tabac et tomate. fondie sur I’utilisation d’outils bioPour notre part, nous avons men,? technologiques, en particulier de la nos expkriences prkliminaires sur uric plante herbacCe apparentke au tabac : transgCn&e, a Pti mise en place. DCveloppie pour la premikre fois par Nicotiana benthamiana. TransPatricia Powell-Abel B la Washington form&es avec le g&e codant la proUniversity a Saint-Louis (etats-Unis) t&ne de capside du PPV, ces plantes ont montrt une bonne rksistance au (2), elle consiste g rendre les plantes risitantes g la maladie en introduivirus de la sharka inoculC de mani?re expkrimentale (3). Puis, en associasant un g&ne qui code une proteine
L
BIOFUTUR 172
l
Novembre 1997 53
PAR MICHEL RAVEL0NANDR0
Stationde
pathologie v8gtYale. . Inra, Centre de recherches de Bordeaux, BP 81, 33883 Villenaved’0rnon cedex. E-mail : ravelona@ bordeaux.lnra.fr
(1) 0 Atanassov (1932) Ann univ sofit? fat Agric Silvic 11,49-69. (2) P Powell Abel et al (1986) Science 232 738-743. (3) M Ravelonandro et a/ (1993) Plant Sci91. 157-169. (4) R Scorza et a/ (1994) Plant Ce//,Reporfs14, 18-22. M Ravelonandro etal(l994) Biof 133,41-43.