Geneva, Switzerland
November 25, 2013
Les plantes entretiennent avec la lumière du soleil une relation d’amour et de haine. Tandis que certaines longueurs d’ondes leur sont indispensables pour effectuer la photosynthèse, d’autres, telles que les UV-B, sont délétères. Les végétaux se sont donc dotés de récepteurs pour détecter ces rayons hautement nocifs et monter leurs défenses. Une équipe menée par Roman Ulm, professeur à la Faculté des sciences de l’Université de Genève (UNIGE), a généré une plante transgénique qui s’acclimate de façon intrinsèque, quel que soit le niveau d’UV-B. Cette plante possède un récepteur continuellement actif, ce qui lui confère une résistance accrue aux UV et se traduit par une production élevée de flavonoïdes, des substances qu’elle emploie comme «crème solaire» et comme antioxydants. Les végétaux riches en flavonoïdes fournissent également une source d’antioxydants puissants pour l’humain. Décrite dans la revue PNAS, cette plante transgénique constitue un excellent modèle d’étude dans le cadre de recherches fondamentales, ainsi que celles visant à améliorer les produits agricoles.
Les plantes possèdent un arsenal de récepteurs pour profiter de toutes les composantes du rayonnement solaire. Tandis que l’énergie de certains photons est capturée par la chlorophylle pour élaborer du sucre, d’autres longueurs d’ondes régulent des processus essentiels, tels que la floraison, la germination des graines, l’évitement de l’ombre et le phototropisme. «Même les ultraviolets B, pourtant très nocifs, sont utilisés par les plantes comme stimulus environnemental et ils influencent la croissance et le développement des plantes», note Roman Ulm, professeur au Département de botanique et biologie végétale de l’UNIGE.
Une réponse de survie maximale
Les ultraviolets de type B (UV-B), qui comptent pour 0,5% de l’énergie lumineuse, sont dangereux pour les organismes vivants car ils entraînent la formation de radicaux libres dans les cellules et endommagent leur ADN. Ne pouvant leur échapper, les végétaux ont dû trouver le moyen de s’en protéger. Ils détectent les UV-B grâce à un récepteur nommé UVR8, ce qui déclenche une chaîne de réactions biochimiques au sein des cellules et leur permet de monter leurs défenses. Ces dernières sont notamment constituées de flavonoïdes, qui agissent comme «crème solaire» et comme antioxydants, mais également d’enzymes qui réparent les dégâts causés à l’ADN durant l’exposition à la lumière.
Avec ses collègues des universités de Gand (Belgique) et de Freiburg (Allemagne), l’équipe de Roman Ulm a généré une plante transgénique pourvue d’un récepteur UVR8 muté. «La substitution d’un seul acide-aminé par un autre a suffit pour que ce récepteur soit toujours activé, même en absence d’UV», détaille Marc Heijde, postdoctorant de l’équipe et premier auteur de l’article. Le fait que ce récepteur soit toujours sur la position «ON» se traduit par une stimulation continue de gènes nécessaires à l’élaboration des réponses de survie.
Un écran total aux UV
La plante transgénique s’acclimate donc de façon intrinsèque et ne souffre pas d’une exposition accrue aux UV-B. Elle doit également ceci à une production élevée de flavonoïdes, y compris des anthocyanines, des molécules aux puissantes propriétés antioxydantes pour les humains, comme pour les végétaux. «Cette plante est une variante d’Arabidopsis thaliana, un organisme-modèle couramment employé en laboratoire. Elle nous permet d’explorer en détails les processus intracellulaires impliqués dans l’acclimatation et constitue un excellent modèle d’étude dans le cadre de recherches visant à améliorer les produits agricoles», rapporte Roman Ulm.
A plant which acclimatizes with no exterior influence
The University of Geneva, Switzerland, has generated UV-resistant transgenic plants which produce high levels of antioxidants
Plants have a love-hate relationship with sunlight. While some wavelengths are indispensable to them for performing photosynthesis, others, such as UV-B, are deleterious. Therefore, plants are equipped to detect these highly toxic rays and mount their defences. A team led by Roman Ulm, Professor at the Faculty of Sciences at the University of Geneva (UNIGE), Switzerland, has generated a transgenic plant which acclimatises constitutively, regardless of the level of UV-B. This plant possesses a constantly active receptor, which endows it with a higher UV resistance, associated with increased flavonoid production, substances which function as a 'sunscreen' and as antioxidants. Flavonoid-rich plants also provide a powerful source of antioxidants for humans. As described in the journal PNAS, this transgenic plant is an excellent model system within the framework of basic research, as well as studies aiming at improving crop plants.
Plants have an arsenal of receptors that enable them to benefit from all components of solar radiation. While the energy of some photons is captured by chlorophyll to produce sugar, other wavelengths regulate essential processes, such as flowering, seed germination, shade avoidance and phototropism. 'Even ultraviolet B rays, despite their harmfulness, are used by plants as an environmental stimulus and influence plant growth and development', points out Roman Ulm, Professor at the UNIGE Department of Botany and Plant Biology.
A maximal survival response
Ultraviolet B rays (UV-B), which account for 0.5% of light energy, are dangerous for living organisms as they lead to the formation of free radicals in cells and damage their DNA. Unable to escape them, plants are forced to find a way to protect themselves. They detect UV-B rays thanks to a receptor knows as UVR8, thus triggering a biochemical chain reaction within the cells and allowing them to mount their defences. These are notably made up of flavonoids, which act as sunscreens and antioxidants, but also of enzymes which repair the damage caused to the DNA during light exposure.
In collaboration with his colleagues from the Universities of Ghent (Belgium) and Freiburg (Germany), Roman Ulm's team has generated a transgenic plant equipped with an UVR8 mutated receptor. 'The substitution of just one amino acid by another was enough for the receptor to remain constantly active, even without UV', describes Marc Heijde, postdoctoral fellow and one of the article's main authors. The fact that this receptor is always switched on results in a constant stimulation of the genes necessary for the development of survival responses'.
A complete UV shield
The transgenic plant acclimatises constitutively and does not suffer from over-exposure to UVB. This is also due to a high production of flavonoids, including anthocyanins, molecules with powerful antioxidant properties for both plants and humans. 'This plant is a variant of Arabidopsis thaliana, a model organism widely used in the laboratory. It allows us to explore in detail the intracellular processes involved in acclimatisation and makes for an excellent study model as part of the research aimed at improving crop plants', states Roman Ulm.
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