Un composé de réponse au stress largement répandu chez les animaux se trouve dans les plantes

Une molécule rendue célèbre par son association avec les maladies cardiaques humaines et la capacité des animaux marins à survivre à des conditions de haute pression s’avère également être fabriquée par les plantes, rapportent des chercheurs cette semaine (19 mai) dans Science Advances. Comme il le fait chez les animaux, le N-oxyde de triméthylamine (TMAO) aide les plantes à faire face aux conditions de stress, selon l’étude. Les auteurs ont déjà concédé la découverte sous licence à une entreprise qui travaille à la commercialisation du TMAO comme moyen d’augmenter les rendements en agriculture.

« Personne n’avait publié auparavant que les plantes avaient du TMAO dans les tissus », déclare le coauteur de l’étude, Rafael Catalá, du Centro de Investigaciones Biológicas (CIB) Margarita Salas à Madrid.

La nouvelle étude est née de travaux antérieurs dans lesquels Catalá et ses collègues ont recherché des gènes dans la plante modèle Arabidopsis thaliana dont l’expression a été modifiée par l’exposition au froid. Un gène qu’ils ont découvert s’est avéré coder pour un type d’enzyme appelé monooxygénase contenant de la flavine (FMO) appelée FMOGS-OX5. Dans d’autres analyses, rapportées dans la présente étude, l’équipe a découvert que l’expression de plusieurs autres gènes FMO est également activée chez Arabidopsis en réponse au froid.

Les FMO sont connus pour produire du TMAO chez les animaux en réponse à divers facteurs de stress. Se demandant quel était le lien entre les FMO et la réponse au froid de la plante, l’équipe a utilisé la résonance magnétique nucléaire pour rechercher le TMAO dans Arabidopsis de type sauvage. Ils l’ont trouvé et confirmé sa présence par chromatographie liquide-spectrométrie de masse en tandem. L’équipe a également vérifié que FMOGS-OX5 peut générer du TMAO à partir de son précurseur, le TMA, in vitro.

Chez les animaux, le TMAO fonctionne comme un osmolyte, un type de molécule que les cellules utilisent pour maintenir les propriétés de leur fluide et empêcher les protéines de se replier lorsqu’elles sont confrontées à des conditions telles que des concentrations élevées de sel. Pour voir s’il joue un rôle similaire dans les plantes, Catalá et ses collègues ont traité les racines d’Arabidopsis avec de la tunicamycine, un composé qui fait se déployer les protéines, comme cela peut arriver dans des conditions de stress abiotique telles que le froid ou le manque d’eau. La tunicamycine faisait pousser les racines plus lentement, mais cet effet était atténué si les racines étaient cultivées dans un milieu supplémenté en TMAO, rapportent les chercheurs.

Lorsque les chercheurs ont conçu Arabidopsis pour surexprimer FMOGS-OX5, la plante a également augmenté l’expression de 184 autres gènes, dont beaucoup avaient déjà été liés à des réponses à des facteurs de stress abiotiques, rapportent les auteurs. L’application de TMAO à des plantes de type sauvage a eu un effet similaire sur l’expression des gènes, bien que cela n’ait pas modifié le niveau d’expression de FMOGS-OX5, suggérant que TMAO agit en aval de FMO pour améliorer l’expression des gènes de réponse au stress.

Pour savoir si le TMAO est répandu dans les espèces végétales, l’équipe l’a également recherché dans la tomate, le maïs, l’orge et un parent du tabac, et a découvert qu’il était présent dans chacun d’eux. De plus, leur teneur en TMAO augmentait lorsque les plantes étaient soumises à des conditions d’eau basse, de sel élevé ou de températures basses (sauf pour l’orge, dans laquelle le TMAO n’augmentait pas dans le test à haute teneur en sel mais augmentait dans les autres conditions). La pulvérisation ou l’arrosage des plants de tomates avec une solution contenant du TMAO les rendait visiblement plus sains, avec plus de feuilles, lorsqu’ils étaient exposés à chacune des trois conditions de stress.

Catalá dit que le TMAO appliqué à l’extérieur a le potentiel d’être « un outil très puissant pour l’agriculture ». Lui et l’auteur principal de l’article, Julio Salinas, également du CIB Margarita Salas, ont déposé des brevets sur l’utilisation agricole du TMAO, qui est commercialisé par la société Plant Response. Les tests sur le terrain de l’entreprise ont donné de bons résultats, ajoute Catalá.

Paul Verslues, qui étudie la réponse des plantes à la sécheresse à l’Academia Sinica à Taipei, Taiwan, se demande si le TMAO sera utile en agriculture. « La protection TMAO du repliement des protéines peut être pertinente pour la survie des plantes en cas de stress sévère, mais on ne sait pas si elle est également bénéfique pour protéger la croissance des plantes sous un stress moins sévère de sécheresse ou de salinité », écrit-il dans un e-mail à The Scientist. Les stress auxquels les chercheurs ont soumis les plantes étaient trop sévères pour refléter les conditions agricoles, et davantage d’expériences seraient nécessaires pour déterminer si le TMAO aide également les plantes à faire face à des conditions de stress plus douces.

Verslues note également d’autres réserves concernant les résultats de l’étude, notamment qu’Arabidopsis conçu pour surexprimer FMOGS-OX5 avait une plus grande tolérance au stress que les plantes de type sauvage, mais n’accumulait pas plus de TMAO, ce qui, selon lui, suggère que les FMO peuvent « également produire un autre composé qui favorise le stress. tolérance » en dehors de TMAO. De plus, les auteurs n’ont pas pris la décision d’éliminer tous les gènes FMO d’une plante pour tester si ces gènes sont vraiment nécessaires à la production de TMAO dans les plantes.

Catalá soutient que la principale conclusion de l’étude, à savoir que le TMAO existe dans les plantes et qu’il joue « un rôle clé dans la tolérance des plantes au stress abiotique », est valable sans tester de tels mutants. Et il dit qu’il est probable que les FMO produisent effectivement d’autres composés impliqués dans la réponse au stress, mais que l’article montre qu’ils sont impliqués dans la fabrication du TMAO et que le TMAO améliore la tolérance au stress.

Aleksandra Skirycz, biologiste des plantes à l’Institut Boyce Thompson qui n’a pas participé à l’étude, l’appelle « une histoire très bien conçue ». Pour elle, « l’aspect vraiment excitant de ce travail est que vous avez une molécule qui fonctionnerait comme un osmolyte pour la protection [et] en même temps aurait probablement d’autres fonctions de signalisation », un phénomène qu’elle appelle « le noir de la lune ». On ne sait pas encore comment TMAO influence l’expression des gènes, dit Catalá, et ce sera une voie à suivre pour le groupe à l’avenir.

Dans la littérature biomédicale, le TMAO a tendance à apparaître dans un contexte négatif plutôt que positif, car des niveaux élevés de celui-ci dans le sang des patients ont été liés à un risque élevé de caillots sanguins. Des études ont suggéré que les microbes intestinaux décomposent la choline, un nutriment présent à des niveaux élevés dans la viande, pour générer du TMAO et des composés apparentés, fournissant un lien mécanique entre un régime alimentaire riche en viande et le risque de crise cardiaque et d’accident vasculaire cérébral. Catalá dit qu’il n’est pas du tout clair quelles implications, le cas échéant, la découverte de TMAO dans les plantes pourrait avoir pour l’alimentation et la santé humaines.