Geneva, Switzerland
March 7, 2023
A University of Geneva team has discovered the mechanisms by which the seed decides to remain in «hibernation» or to trigger its germination depending on the outside temperature.
Section of a seed of Arabidopsis thaliana, a model organism widely used in plant sciences. © UNIGE / Sylvain Loubéry
Germination is a crucial stage in the life of a plant as it will leave the stage of seed resistant to various environmental constraints (climatic conditions, absence of nutritive elements, etc.) to become a seedling much more vulnerable. The survival of the young plant depends on the timing of this transition. It is therefore essential that this stage be finely controlled. A Swiss team, led by scientists from the University of Geneva (UNIGE), has discovered the internal thermometer of seeds that can delay or even block germination if temperatures are too high for the future seedling. This work could help optimize plant growth in a context of global warming. These results can be read in the journal Nature Communications.
Newly formed seeds are dormant: they are unable to germinate. After a few days (or even months, depending on the species), the seeds awaken and acquire the ability to germinate during the favorable season for seedling growth and new seed production. However, non-dormant seeds can still decide their fate. For example, a non-dormant seed that is suddenly subjected to excessively high temperatures (>28°C) can block germination. This mechanism of repression by temperature (thermo-inhibition) allows a very fine regulation. A variation of only 1 to 2°C can indeed delay the germination of a seed population and thus increase the chances of survival of future seedlings.
A key protein: phytochrome B
The group of Luis Lopez-Molina, professor at the Department of Plant Sciences of the Faculty of Science of the UNIGE, is interested in the control of germination in Arabidopsis thaliana, a plant species belonging to the Brassicaceae family and used as a model in many research projects. To understand the detection mechanisms that allow seeds to trigger thermo-inhibition, scientists explored the track of phenomena already described and quite similar in young plants, i.e. at a more advanced stage of development.
Indeed, temperature changes are also perceived by seedlings, in which a slight increase in temperature promotes stem growth. This adaptation is similar to the one observed when a plant finds itself in the shadow of another: it lengthens to escape the shadow in order to expose itself to the sunlight which is more favorable for photosynthesis. These variations are detected by a protein sensitive to light and temperature, phytochrome B, which normally acts as a brake on plant growth. An increase of 1 to 2°C promotes the inactivation of phytochrome B, which makes it less effective in preventing growth.
An internal thermometer
To understand whether phytochrome B also plays a role in thermo-inhibition during germination, the authors dissected the seeds to separate the two tissues inside the seed: the embryo (which will give the young plant) and the endosperm (nourishing tissue that also controls germination in Arabidopsis seed). Unlike embryos grown in contact with the endosperm, the researchers found that embryos deprived of their endosperm are unable to stop their growth under too high temperatures, which leads to their death.
‘‘We found that thermo-inhibition in Arabidopsis is not autonomously controlled by the embryo but implemented by the endosperm, revealing a new essential function for this tissue,’’ explains Urszula Piskurewicz, researcher at the Department of Plant Sciences of the UNIGE Faculty of Science and first author of the study. ‘‘In other words, in the absence of endosperm, the embryo within the seed would not perceive that the temperatures are too high and would begin its germination, which would be fatal’’.
Optimizing crop germination
Thermal inhibition of germination is a new example of the influence of climatic variations on certain cyclic phenomena in plant life (germination, flowering, etc.). ‘‘This trait is expected to have an impact on species distribution and plant agriculture and this impact will be greater as temperatures increase worldwide,’’ reports Luis Lopez-Molina, the study’s last author. A better understanding of how light and temperature trigger or delay seed germination could indeed help optimize the growth of plants exposed to a wide range of climatic conditions.
Grâce à un thermomètre interne, les graines savent quand germer
Une équipe de l’UNIGE a découvert comment la graine décide de rester en «hibernation» ou de déclencher sa germination selon les températures extérieures.
Coupe d’une graine d’Arabidopsis thaliana (Arabette des dames), organisme de référence largement utilisé dans les sciences végétales. © UNIGE / Sylvain Loubéry
La germination est une étape cruciale dans la vie d’une plante. C’est là qu’elle quitte le stade de graine résistante à différentes contraintes environnementales (conditions climatiques, absence d’éléments nutritifs, etc.) pour devenir une plantule beaucoup plus vulnérable. La survie de la jeune plante dépend notamment du moment opportun de cette transition. Il est donc essentiel que cette étape soit contrôlée finement. Une équipe suisse, dirigée par des scientifiques de l’Université de Genève (UNIGE), a découvert le thermomètre interne des graines capable de retarder voire bloquer la germination en cas de températures trop élevées pour la future plantule. Ces travaux pourraient permettre d’optimiser la croissance des plantes dans un contexte de réchauffement climatique global. Ils sont à lire dans la revue Nature Communications.
Les graines nouvellement formées sont dormantes: elles sont incapables de germer. Après quelques jours - voire quelques mois selon les espèces - les graines se réveillent et acquièrent la capacité de germer pendant la saison favorable pour la croissance de la plantule et la production de nouvelles graines. Cependant, les graines non-dormantes peuvent encore décider de leur sort. Ainsi, une graine non-dormante qui se retrouve soudainement soumise à des températures trop élevées (>28°C) peut bloquer sa germination. Ce mécanisme de répression par la température (thermo-inhibition) permet une régulation très fine. Une variation de seulement 1 à 2°C peut en effet retarder la germination d’une population de graines et ainsi augmenter les chances de survie des futures jeunes plantules.
Une protéine clé: le phytochrome B
Le groupe de Luis Lopez-Molina, professeur au Département des sciences végétales de la Faculté des sciences de l’UNIGE, s’intéresse au contrôle de la germination chez Arabidopsis thaliana (l’Arabette des dames), une espèce de plante appartenant à la famille des Brassicacées et utilisée comme modèle dans de nombreuses recherches. Pour comprendre les mécanismes de détection permettant aux graines de déclencher la thermo-inhibition, les scientifiques ont exploré la piste de phénomènes déjà décrits et assez similaires chez les jeunes plantes, c’est-à-dire à un stade de développement plus avancé.
En effet, les changements de température sont également perçus par les plantules, chez qui une légère augmentation de température favorise la croissance de la tige. Cette adaptation est similaire à celle observée lorsqu’une plante se retrouve dans l’ombre d’une autre: elle s’allonge pour échapper à l’ombre afin de s’exposer à la lumière du soleil qui est plus favorable pour la photosynthèse. Ces variations sont détectées par une protéine sensible à la lumière et à la température, le phytochrome B, qui agit normalement comme un frein sur la croissance de la plante. Une augmentation de 1 à 2°C promeut l’inactivation du phytochrome B ce qui le rend moins efficace pour empêcher la croissance.
Un thermomètre interne
Pour comprendre si le phytochrome B joue également un rôle dans la thermo-inhibition lors de la germination, les auteurs/rices ont disséqué les graines pour dissocier les deux tissus à l’intérieur de la graine: l’embryon (qui donnera la jeune plante) et l’albumen (tissu nourricier qui contrôle également la germination chez la graine d’Arabidopsis). Contrairement aux embryons cultivés au contact de l’albumen, les chercheurs/euses ont constaté que les embryons privés de leur albumen sont incapables de stopper leur croissance sous des températures trop élevées, ce qui entraîne leur mort.
«Nous avons découvert que la thermo-inhibition chez l’Arabette des dames n’est pas contrôlée de manière autonome par l’embryon mais mise en œuvre par l’albumen, révélant une nouvelle fonction essentielle pour ce tissu», explique Urszula Piskurewicz, chercheuse au Département de sciences végétales de la Faculté des sciences de l’UNIGE et première auteure de l’étude. «En d’autres termes, en l’absence d’albumen, l’embryon au sein de la graine ne percevrait pas que les températures sont trop élevées et débuterait sa germination, ce qui lui serait fatal».
Optimiser la germination des cultures
La thermo-inhibition de la germination est un nouvel exemple de l’influence des variations climatiques sur certains phénomènes périodiques de la vie des plantes (germination, floraison, etc.). «On s’attend à ce que cette caractéristique ait un impact sur la distribution des espèces et l’agriculture des plantes et cet impact sera d’autant plus grand que les températures augmentent dans le monde entier», rapporte Luis Lopez-Molina, dernier auteur de l’étude. Mieux comprendre comment la lumière et la température déclenchent ou retardent la germination des graines pourrait en effet permettre d’optimiser la croissance des plantes exposées à un large éventail de conditions climatiques.
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