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La cuticule des mousses : ancêtre de la lignine des plantes vasculaires ?

par Frédéric Magné - publié le

L’évolution de deux biopolymères essentiels, la lignine et la cutine, a été nécessaire à la transition des plantes du milieu aquatique au milieu terrestre. En recherchant chez une mousse l’origine évolutive de la lignine, une équipe de l’Institut de biologie moléculaire des plantes, en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Freiburg (Allemagne), révèle une étape commune à l’évolution de ces deux biopolymères chez les plantes terrestres. Cette étude a été publiée le 8 mars 2017 dans la revue Nature Communications.

 
Les plantes ont colonisé le milieu terrestre il y a près de 450 millions d’années. Cette transition a consisté en une adaptation à un nouvel environnement plus hostile. Pour la réussir, les plantes ont développé des mécanismes de résistance à la gravité, à la sécheresse, aux radiations solaires (notamment aux UV-B) et aux températures extrêmes. L’un d’entre eux est la mise en place d’un système vasculaire permettant le transport à longue-distance de l’eau et des nutriments, ainsi qu’une rigidification des tissus. Ces adaptations ont nécessité des innovations métaboliques ad hoc.

Chez les plantes supérieures, le métabolisme phénolique est à l’origine de la synthèse d’un large répertoire de molécules spécialisées aux propriétés anti-UV et anti-oxydantes comme les flavonoïdes ou les esters phénoliques. Il génère également les précurseurs de biopolymères, en particulier ceux de la lignine qui jouent un rôle fondamental dans la formation du système vasculaire.

Selon les données génomiques actuelles, le métabolisme phénolique des plantes est apparu lors de leur transition du milieu aquatique vers le milieu terrestre. Son implication dans le processus de terrestrialisation a donc été proposée, jusqu’ici sans confirmation expérimentale.

L’équipe de Danièle Werck, en collaboration avec celle de Ralf Reski (Université de Freiburg, Allemagne), a choisi d’étudier les origines de la lignine dans la mousse Physcomitrella patens qui appartient au groupe des Bryophytes, les plus anciens végétaux terrestres. P. patens est dépourvue de lignine mais possède déjà une partie de la machinerie enzymatique qui permet sa biosynthèse chez les plantes supérieures. C’est en étudiant chez la mousse la fonction de l’une des enzymes intervenant dans ce métabolisme, le cytochrome P450 CYP98, que les chercheurs ont mis au jour l’un des mécanismes ancestraux d’adaptation des plantes à la dessiccation. Les plantes déficientes pour le gène CYP98 (∆CYP98) montrent un défaut de croissance très important (Figure) et une perméabilité de surface fortement accrue. Par des techniques de génétique, biochimie, et chimie analytique, les chercheurs ont pu démontrer que le métabolisme phénolique est requis pour la formation d’une cuticule associant précurseurs phénoliques et aliphatiques. Ce polymère cuticulaire permet une imperméabilisation de la plante, une protection contre les radiations UV, ainsi que la rigidification de ses parties érigées.
Cette étude apporte la première démonstration du rôle essentiel joué dans le développement par le métabolisme phénolique chez une mousse. Il révèle que l’une des fonctions ancestrales de ce métabolisme est la production d’une cuticule enrichie en précurseurs phénoliques. Cette fonction apparait fondamentale pour l’adaptation aux contraintes terrestres.
 

Figure : A gauche : Mousse Physcomitrella patens sauvage. A droite : Impact de la déficience (∆CYP98)
du gène codant l’enzyme CYP98 impliquée dans le métabolisme phénolique sur le développement.
© Hugues Renault

 
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"A phenol-enriched cuticle is ancestral to lignin evolution in land plants", Hugues Renault, Annette Alber, Nelly A. Horst, Alexandra Basilio Lopes, Eric A. Fich, Lucie Kriegshauser, Gertrud Wiedemann, Pascaline Ullmann, Laurence Herrgott, Mathieu Erhardt, Emmanuelle Pineau, Jürgen Ehlting, Martine Schmitt, Jocelyn K.C. Rose, Ralf Reski et Danièle Werck-Reichhart. Nature Communications, 8 Mars 2017.
 
Contact chercheur

Danièle Werck, Institut de Biologie Moléculaire des Plantes
CNRS UPR 2357 - Université de Strasbourg
12 rue du Général Zimmer
67000 Strasbourg
Tél : 03 67 15 52 72
Email : werck@unistra.fr
 
 
Source : CNRS INSB http://www.cnrs.fr/insb