Overblog
Editer l'article Suivre ce blog Administration + Créer mon blog

Le N-oxyde de triméthylamine est une nouvelle molécule végétale qui favorise la tolérance au stress abiotique[1]. Chez l’homme, des niveaux élevés de cette molécule, promoteur potentiel de maladies chroniques, ont été associés à une consommation élevée de produits animaux riches en carnitine et en choline.[2]

Les scientifiques ont découvert dans Science Advances que les plantes contiennent un composé de stabilisation des protéines signalé auparavant uniquement chez les animaux - et également associé à de graves maladies chroniques chez l'homme.

Des conditions environnementales défavorables, telles qu'une température basse, une carence en eau ou une teneur élevée en sel provoquent l'augmentation ultérieure des niveaux de TMAO, une nouvelle molécule végétale, qui, à leur tour, contribueraient à minimiser l'impact des conditions de stress abiotique chez les plantes.

Le TMAO est devenu un promoteur potentiel de maladies chroniques chez l'homme, notamment l'athérosclérose et le diabète. Des niveaux élevés de TMAO dans le plasma ont été associés à des régimes entraînant une consommation élevée de produits animaux riches en carnitine et en choline.

Résumé

Le N-oxyde de triméthylamine (TMAO) est un osmolyte naturel bien connu chez les animaux qui contrecarre l'effet de différents dénaturants liés au stress environnemental et a récemment été associé à de graves maladies chroniques humaines. Dans les plantes, cependant, la présence de TMAO n'a pas encore été signalée. Dans cette étude, nous démontrons que les plantes contiennent des niveaux endogènes de TMAO, qu'il est synthétisé par des monooxygénases contenant de la flavine et que ses niveaux augmentent en réponse aux conditions de stress abiotique. De plus, nos résultats révèlent que le TMAO fonctionne comme un osmolyte protecteur dans les plantes, favorisant le repliement approprié des protéines et comme activateur de l'expression génique induite par le stress abiotique. Conformément à ces fonctions, nous montrons que le TMAO améliore l'adaptation des plantes aux basses températures, à la sécheresse et à une forte teneur en sel. Nous avons ainsi découvert une molécule végétale non identifiée auparavant qui régule positivement la tolérance au stress abiotique.

INTRODUCTION

En raison de leur nature sessile[3], les plantes doivent être exposées en permanence aux changements de leur environnement. Cette contrainte devient particulièrement difficile face à des conditions environnementales défavorables telles que des températures extrêmes, une carence en eau ou une forte teneur en sel dans les sols. Pour survivre et se reproduire dans ces conditions, les plantes activent des réponses adaptatives allant de mécanismes de protection rapides, tels que l'accumulation d'osmolytes, à des modifications du développement, telles que la réduction du rapport pousses / racines, qui favorisent finalement la tolérance et la survie. Au cours des dernières années, des preuves expérimentales ont montré que la plupart de ces réponses adaptatives sont contrôlées par une reprogrammation extensive de l'expression génique, et de nombreux gènes impliqués dans la tolérance des plantes aux stress abiotiques ont été identifiés et caractérisés.

Les osmolytes sont des composés de faible poids moléculaire, très solubles, généralement non toxiques à des concentrations cellulaires élevées. Dans les plantes, l'accumulation d'osmolytes est le résultat de différentes voies de signalisation et est nécessaire à la survie dans des conditions de stress abiotique. Les osmolytes végétaux les mieux caractérisés, c'est-à-dire les composés de saccharose, de tréhalose, de proline et de méthylammonium tels que la glycine bétaïne, ont été décrits pour protéger les plantes de plusieurs manières, y compris l'ajustement et la stabilisation osmotique cellulaire, la détoxification des espèces réactives de l'oxygène et la protection de l'intégrité de la membrane. Les osmolytes agissent également comme chaperons[4] préservant le statut de repliement des protéines dans des conditions de stress, maintenant ainsi leur stabilité et leur fonction. Certains osmolytes ont été utilisés pour le génie génétique des plantes afin d'améliorer leur tolérance aux stress abiotiques. De plus, ils ont également été appliqués de manière exogène à des plantes poussant dans des conditions de stress. Dans les deux cas, les résultats obtenus ont été très divers, selon les osmolytes et les plantes utilisés dans les expériences.

Chez les animaux, le N-oxyde de triméthylamine (TMAO) est l'osmolyte stabilisant les protéines par excellence. Il est généré par N-oxygénation de la triméthylamine (TMA) par des monooxygénases contenant de la flavine (FMO) et fonctionne comme un chaperon qui conserve le statut de repliement des protéines et empêche l'effet des dénaturants tels que le pH, l'urée, la haute pression, la haute teneur en sel et la basse température. Le TMAO a récemment attiré beaucoup d'attention en raison de son rôle potentiel en tant que promoteur de l'athérosclérose, qui provoque des maladies cardiovasculaires et rénales, ainsi que le diabète chez l'homme. Curieusement, la présence de TMAO dans les plantes n'a pas encore été signalée. Dans cette étude, nous démontrons que les plantes contiennent également des niveaux endogènes de TMAO, qu'il est synthétisé par les FMO végétaux, et que ses niveaux augmentent dans des conditions de stress abiotique. De plus, nos résultats indiquent que le TMAO favorise le repliement adéquat des protéines dans les plantes et déclenche une régulation à la hausse de l'expression génique induite par le stress abiotique. Comme prévu à partir de ces résultats, nous montrons que le TMAO améliore la tolérance des plantes aux températures de congélation, à la sécheresse et à une forte teneur en sel.

DISCUSSION

Dans cette étude, nous rapportons l'identification et la caractérisation fonctionnelle d'une molécule végétale jusqu'alors inconnue, le TMAO. Nous avons trouvé que FMOGS-OX5, FMOGS-OX6 et, selon toute vraisemblance, d'autres protéines FMO se regroupant dans le même sous-clade médiatisent l'accumulation de TMAO chez Arabidopsis. Contrairement à d'autres osmolytes végétaux (par exemple, la glycine bétaïne), le TMAO est largement distribué parmi les plantes, ce qui suggère qu'il devrait jouer un rôle substantiel dans la physiologie des plantes. En ce sens, les niveaux de TMAO augmentent de manière significative dans toutes les espèces analysées lorsqu'elles sont confrontées à une température basse, une carence en eau ou une teneur élevée en sel, et des niveaux accrus de TMAO dans les plantes génétiquement modifiées ou dans les plantes traitées de manière exogène avec l'osmolyte entraînent une tolérance accrue à ces situations défavorables. Ces résultats indiquent que le TMAO joue un rôle essentiel dans la physiologie des plantes, en particulier dans l'adaptation des plantes au stress abiotique. Chez les animaux, le TMAO neutralise l'effet de différents dénaturants en conservant le statut de repliement des protéines. Nos données indiquent que le TMAO agit également comme un chaperon dans les cellules végétales, favorisant le repliement adéquat des protéines, et, par conséquent, que la capacité du TMAO à fonctionner comme un osmolyte stabilisant les protéines a été conservée de manière évolutive entre les plantes et les animaux. Cette fonction doit en outre être prise en compte dans la capacité de cette molécule à améliorer la tolérance des plantes au stress abiotique.

 

L'accumulation d'osmolytes est une réponse importante chez les plantes pour s'adapter et survivre dans des conditions de stress abiotique et, par conséquent, les osmolytes ont longtemps été considérés comme des outils biotechnologiques potentiels pour améliorer la tolérance des cultures à de telles situations environnementales défavorables. Il a été démontré que des niveaux accrus de certains osmolytes dans les plantes, soit par génie génétique, soit par application exogène, améliorent leur tolérance aux stress abiotiques. Dans ce contexte, il est à noter que la surexpression d'un seul gène est suffisante pour le génie génétique des plantes contenant des niveaux élevés de TMAO et affichant une tolérance accrue aux températures de congélation, à la sécheresse et à une forte teneur en sel. De plus, le TMAO peut être appliqué de manière exogène par pulvérisation ou irrigation, les deux types d'administration déclenchant des réponses adaptatives similaires. Bien qu'à ce stade, nous ne pouvons pas conclure que le TMAO appliqué de manière exogène est importé dans les cellules végétales, le fait que (i) l'application de TMAO aux plantes Arabidopsis reproduit tous les effets physiologiques et moléculaires causés par des niveaux élevés de TMAO intracellulaire, (ii ) la glycine bétaïne étant appliquée de manière exogène, une amine quaternaire végétale comme le TMAO qui fonctionne également comme un osmolyte, est importée dans les cellules de tomate (33), et (iii) le TMAO appliqué de manière exogène peut entrer dans les cellules HeLa ce qui suggère fortement que cela peut être le cas. D'autre part, il convient de noter que des niveaux élevés de TMAO n'ont pas d'effet notable sur la croissance et le développement des plantes. Toutes ces caractéristiques font du TMAO une molécule très appropriée pour améliorer la tolérance des cultures au stress abiotique.

Nos analyses du transcriptome indiquent que le TMAO favorise l'expression génique induite par le stress abiotique, ce qui contribuerait également à sa capacité à améliorer la tolérance des plantes aux stress abiotiques. Plusieurs gènes induits par le stress abiotique dont l'expression est régulée à la hausse dans les plantes Arabidopsis ayant des niveaux élevés de TMAO (c'est-à-dire les lignées FMO5-OE et les plantes traitées de manière exogène avec l'osmolyte), comme ERF6, WRKY33, ACS6, STZ, CZF1 ou NAC3 , ont été signalés pour coder des régulateurs positifs de la tolérance des plantes aux basses températures, à la sécheresse et/ou à une forte teneur en sel. D'autres osmolytes végétaux, en plus de leur fonction protectrice, agissent également comme des molécules de signalisation pour moduler l'expression génique spécifique liée au stress abiotique qui peut être essentielle pour l'adaptation des plantes, ce qui suggère que cela pourrait être un rôle plutôt généralisé parmi ces types de molécules. Les niveaux de glycine bétaïne augmentent dans des situations de stress abiotique dans une variété d'espèces végétales, affectant les modèles d'expression de nombreux gènes régulés par le stress. De même, le tréhalose-6-phosphate et la proline sont également apparus comme d'importants osmolytes végétaux dont les niveaux s'accumulent dans différentes espèces en réponse aux stress abiotiques et contrôlent l'expression de nombreux gènes impliqués dans la tolérance au stress abiotique. Les mécanismes moléculaires et les voies de signalisation par lesquels les osmolytes favorisent l'expression génique restent cependant pratiquement inconnus.

Le TMAO est devenu un promoteur potentiel de maladies chroniques chez l'homme, notamment l'athérosclérose et le diabète. Néanmoins, un lien mécaniste clair entre le TMAO et ces maladies n'a pas encore été établi et la question de savoir si les concentrations accrues de TMAO en sont la cause ou le résultat est encore en discussion. Des niveaux élevés de TMAO dans le plasma ont été associés à des régimes entraînant une consommation élevée de produits animaux riches en carnitine et en choline, tandis que les régimes végétaliens et végétariens ont été suggérés pour réduire les taux plasmatiques de TMAO. Nos résultats devraient contribuer à mieux comprendre l'influence des régimes alimentaires sur les taux de TMAO dans le plasma humain.

Sur la base des données décrites dans cette étude, un modèle hypothétique de la fonction TMAO dans la tolérance d'Arabidopsis aux stress abiotiques est proposé dans la Fig.6. Des conditions environnementales défavorables, telles qu'une température basse, une carence en eau ou une teneur élevée en sel, provoqueraient un dépliage et, par conséquent, une dénaturation des protéines protoplasmiques. En même temps, l'expression de plusieurs gènes FMOGS-OX serait induite, provoquant l'accumulation des protéines FMO correspondantes et l'augmentation ultérieure des niveaux de TMAO qui, à leur tour, contribueraient à minimiser l'impact des conditions de stress en récupérant l'état de repliement de protéines. En outre, le TMAO interviendrait dans l'expression génétique induite par le stress abiotique par des voies non encore identifiées, ce qui contribuerait également à garantir le développement précis de la tolérance d'Arabidopsis aux températures de congélation, à la sécheresse et à une forte teneur en sel. Identifier les voies de signalisation par lesquelles le TMAO médie l'expression génique induite par le stress constitue un défi remarquable pour les études futures qui fourniront de nouvelles informations sur la façon dont les plantes réagissent et s'adaptent aux environnements défavorables.

Fig. 6 Modèle proposé pour la fonction du TMAO en réponse au stress abiotique.

Les flèches et les lignes de fin indiquent respectivement une régulation positive et négative.

 

[1] L'adjectif abiotique signifie « sans présence (ou sans intervention) de la vie ».

  • Les zones terrestres abiotiques sont les terres émergées qui, en raison de leurs facteurs climatiques extrêmes, n'hébergent aucune forme de vie (glaciers, et inlandsis, principalement).
  • L'origine d'un objet ou d'un événement est abiotique si elle n'est pas due à des êtres vivants. On a ainsi longtemps cru à une origine abiotique du pétrole.
  • En écologie, les facteurs abiotiques sont les facteurs purement physico-chimiques qui agissent sur un écosystème, par opposition aux facteurs biotiques qui sont le fait d'êtres vivants.
  • Un stress abiotique est un stress résultant de changements purement physico-chimiques de l'environnement (carence en azote, dessication, rayons UV, pression osmotique, etc.), par opposition au stress biotique qui est l'action néfaste d'un organisme vivant sur un autre (attaque d'un agent infectieux, par exemple).

https://fr.wikipedia.org/wiki/Abiotique

[2] Rafael Catalá, Rosa López-Cobollo, M. Álvaro Berbís, Jesús Jiménez-Barbero, Julio Salinas, Trimethylamine N-oxide is a new plant molecule that promotes abiotic stress tolerance, Science Advances,  19 May 2021: Vol. 7, no. 21, eabd9296, DOI: 10.1126/sciadv.abd9296.

https://advances.sciencemag.org/content/7/21/eabd9296

[3] Qui ne possède pas d’attache apparente et semble donc directement fixé au support sans l’intermédiaire d’un pied, d’un stipe, d’un pétiole ou d’un pédicelle.

https://fr.wiktionary.org/wiki/sessile

[4] Les protéines chaperons participent au repliement de plus de la moitié de toutes les protéines de mammifères. En biologie moléculaire, les chaperons moléculaires sont des protéines qui aident au repliement ou au dépliage conformationnel et à l'assemblage ou au désassemblage d'autres structures macromoléculaires. Les chaperons sont présents lorsque les macromolécules remplissent leurs fonctions biologiques normales et ont correctement achevé les processus de pliage et / ou d'assemblage. Les chaperons sont principalement concernés par le repliement des protéines. La première protéine à être appelée chaperon aide à l'assemblage des nucléosomes à partir d'histones pliées et d'ADN et de tels chaperons d'assemblage, en particulier dans le noyau, sont concernés par l'assemblage de sous-unités repliées en structures oligomères.

 

Une fonction majeure des chaperons est d'empêcher à la fois les chaînes polypeptidiques nouvellement synthétisées et les sous-unités assemblées de s'agréger en structures non fonctionnelles. C'est pour cette raison que de nombreux chaperons, mais pas tous, sont des protéines de choc thermique car la tendance à s'agréger augmente à mesure que les protéines sont dénaturées par le stress. Dans ce cas, les chaperons ne transmettent aucune information stérique supplémentaire requise pour que les protéines se replient.

https://en.wikipedia.org/wiki/Chaperone_(protein)

Partager cet article
Repost0
Pour être informé des derniers articles, inscrivez vous :