Il était une fois, l’opinion scientifique dominante aurait pu prononcer des recherches récemment publiées dans Communication Nature par une équipe de scientifiques de l’Université Purdue comme inutile. Maintenant, les implications du changement climatique ont accru le besoin de cette ligne de recherche.
Les fleurs émettent des parfums chimiques appelés composés organiques volatils (COV). Plus tôt cette année, l’équipe de Purdue a publié l’article identifiant pour la première fois une protéine qui joue un rôle clé en aidant les pétunias à émettre des substances volatiles. L’article a été sélectionné pour la section « plantes et agriculture » de la page Web des faits saillants des éditeurs de la revue.
Natalia Dudareva, qui a dirigé l’étude, et son collaborateur de longue date John Morgan avaient suggéré il y a des années dans des propositions de subventions que des processus moléculaires pourraient être impliqués dans l’émission de COV. Les deux fois, les examinateurs des subventions ont dit qu’il n’y avait rien à rechercher parce que la simple diffusion était la réponse.
« Nous avons échoué deux fois parce que les gens ne nous croyaient pas », a déclaré Dudareva, directeur du Centre de biologie végétale et professeur émérite de biochimie. « Nous avons décidé que nous devions avoir la preuve que ce n’est pas une simple diffusion, que des mécanismes moléculaires sont impliqués. »
Les nouveaux travaux s’appuient sur les découvertes annoncées par la collaboration Dudareva-Morgan en 2015 et 2017, montrant comment la biologie aide à contrôler la libération de composés odorants par les plantes. Le dernier article, principalement financé par la National Science Foundation et le département américain de l’Agriculture, se concentre sur la façon dont les volatils traversent la paroi cellulaire, la barrière qui sépare l’intérieur cellulaire de la couche protectrice la plus externe d’une plante, la cuticule.
« Nous cherchions à savoir s’il existe ou non des protéines qui facilitent le transport de ces petites molécules organiques à travers la couche de paroi cellulaire », a déclaré Morgan, professeur de génie chimique.
« La meilleure analogie est le transport de l’oxygène dans les tissus musculaires par une protéine appelée myoglobine. »
Les produits chimiques organiques volatils sont de petites molécules qui ont une faible solubilité dans l’eau. La paroi cellulaire, cependant, est un environnement rempli d’eau. Cela ralentit la vitesse de diffusion des COV car leurs concentrations ne peuvent pas s’accumuler très haut.
« Ce qui se passe, c’est qu’une protéine peut lier un grand nombre de ces molécules à l’intérieur d’une cavité non aqueuse, et cela améliore ou augmente le taux de transport net », a expliqué Morgan.
Le travail a des implications pratiques importantes, allant de la santé de la planète aux opérations industrielles. Les plantes émettent désormais 10 milliards de tonnes métriques de carbone par an, une quantité qui augmentera avec la poursuite du réchauffement climatique. Les volatils floraux contribuent également à protéger les plantes contre les agressions environnementales et sont fortement utilisés dans l’industrie cosmétique et en aromathérapie.
« Et notre alimentation dépend des plantes pollinisées par les insectes », a déclaré Dudareva. Avec le réchauffement climatique, les fleurs peuvent commencer à fleurir plus tôt, avant que les insectes ne soient prêts à commencer la pollinisation.
L’article de 2015 de l’équipe publié dans la revue Trends in Plant Science a rapporté des calculs qui avaient déterminé la concentration de volatils nécessaire pour maintenir le taux d’émission florale mesuré expérimentalement. La concentration a atteint la gamme millimolaire, une échelle que les chimistes utilisent pour quantifier les substances contenant un grand nombre de molécules ou d’atomes.
« Ces composés s’accumuleront à l’intérieur des membranes et une concentration aussi élevée détruira les membranes et détruira la cellule », a déclaré Dudareva. Cela laissait une conclusion claire : une simple diffusion serait impossible.
Le travail initial avait été calculé pour les mufliers. Mais les chercheurs de Purdue se sont concentrés sur les pétunias pour leur dernière étude car, contrairement aux mufliers, ils peuvent être génétiquement modifiés pour étudier comment des gènes particuliers affectent le processus d’émission.
« Il est beaucoup plus facile de travailler avec des pétunias car les émissions sont élevées, surtout pendant la nuit », a déclaré Pan Liao, co-auteur principal et ancien chercheur postdoctoral de Purdue, maintenant professeur adjoint de biologie à l’Université baptiste de Hong Kong. « L’émission est fortement régulée selon un schéma diurne. »
Les co-auteurs supplémentaires étaient Itay Maoz, un ancien scientifique postdoctoral de Purdue maintenant de l’Organisation de recherche agricole d’Israël; Meng-Ling Shih, PhD 2022, génie chimique ; Xing-Qi Huang, un scientifique postdoctoral travaillant dans le laboratoire de Dudareva ; et Ji Hee Lee, étudiante diplômée en biochimie. Les co-auteurs ont apporté un mélange complémentaire de compétences et d’expertise au travail qui est devenu la marque de fabrique de la collaboration de longue date entre les groupes de recherche Dudareva et Morgan.
Le groupe de Dudareva a généré les plantes transgéniques et géré la biologie cellulaire nécessaire pour déterminer si une protéine donnée contribue aux émissions volatiles. Il n’y a aucun moyen, cependant, de détecter le niveau de protéines dans une cellule ou comment leur concentration change à travers une paroi cellulaire.
Il incombait ensuite au groupe de Morgan d’effectuer les calculs qui quantifiaient les apports en protéines et de mener des simulations informatiques pour vérifier les données expérimentales.
« Il est important d’avoir un retour d’information entre les prédictions de modélisation et les données réelles », a déclaré Morgan. « Parfois, cela commence par les données, puis nous faisons des calculs, puis nous revenons en arrière et comparons aux données. »
