Le secret des «sœurs Arabettes»

L’Arabette des Dames et l’Arabettes de Haller sont deux espèces sœurs. Génétiquement très proches, ces plantes se distinguent cependant par des comportements particuliers. Alors que la première ne tolère pas de fortes concentrations en métaux lourds, la seconde pousse sur des sols qui en sont riches. Dans une étude publiée dans Nature (1), des chercheurs allemands de l'Institut Max-Planck et belges de l’Université de Liège dévoilent le rôle crucial d’un gène, HMA4, dans l’évolution des plantes hyper-accumulatrices de métaux (2).

Arabidopsis thaliana ou l’Arabette des Dames est bien connue du monde scientifique. Cette petite plante à fleur constitue, en effet, un organisme modèle dans le domaine de la recherche en biologie végétale. Son succès, cette Brassicacée le doit notamment à son génome de petite taille. Ce dernier, composé de quelque 28000 gènes, est complètement séquencé depuis 2001.

Autre qualité appréciable d’A. thaliana : elle est facilement «transformable». Les scientifiques peuvent ainsi créer des plantes transgéniques chez lesquelles des gènes cibles sont volontairement éteints ou activés. De plus, le cycle de vie de cette plante est très rapide. En effet, pour passer d’une graine à une plante puis à une nouvelle graine, il ne lui faut que deux mois (contre plus de six mois pour le maïs par exemple).

Enfin, l’Arabette des Dames s’auto-fertilise. Cette propriété permet d’obtenir aisément des plantules homozygotes pour une mutation voulue. En effet, les deux allèles d’un gène, provenant dans ce cas-ci d’un seul et unique individu, seront identiques. Les Arabettes génétiquement modifiées expriment alors pleinement leur(s) mutation(s).

Chacune son chemin

Il y a cinq millions d’années, l’Arabette des Dames et l’Arabette de Haller (Arabidopsis halleri) ont pris des chemins évolutifs divergents. Si cela peut paraître une éternité à l’échelle d’une vie humaine, dans l’histoire de notre planète il s’agit d’un évènement très récent. Cette jeune séparation entre les deux espèces se traduit d’ailleurs par la grande similarité de leur génome : elles partagent 94% d’identité d’ADN au niveau de leurs séquences codantes.

Mais telles deux sœurs, comme pour se distinguer l’une de l’autre, ces Arabettes ont développé des «personnalités» bien spécifiques. Les habitats qu’elles colonisent et leur comportement sont en effet fort différents. A. halleri vit sur des sols contaminés en zinc et en cadmium. Elle accumule ces métaux et les stocke au niveau de ses feuilles. On qualifie ce type de plante de «métallophyte» ou encore «hyperaccumulatrice».

Les substances métalliques peuvent ainsi constituer jusqu’à 3% du poids sec des feuilles de l’Arabette de Haller alors que chez A.thaliana, ce pourcentage ne dépasse pas 0,01%. Cette dernière est une plante non-accumulatrice et ne tolère pas de fortes concentrations en zinc et cadmium.

Le cadmium n’a aucune fonction vitale connue à ce jour pour la plante. Ce métal peut d’ailleurs être très toxique si le végétal n’a pas les adaptations requises pour pouvoir le tolérer. Le zinc, par contre, est un micronutriment faisant partie du flux de métaux essentiel pour la nutrition des plantes.

(1) Marc Hanikenne, Ina N. Talke, Michael J. Haydon, Christa Lanz, Andrea Nolte, Patrick Motte, Juergen Kroymann, Detlef Weigel & Ute Krämer, Evolution of metal hyperaccumulation required cis-regulatory changes and triplication of HMA4, in Nature 453, 391-395 (15 May 2008).

(2) Ces travaux résultent d’une collaboration entre des laboratoires de la Société Max-Planck (MPI-Plant Molecular Physiology, Postdam ; MPI-Developmental Biology, Tuebingen et MPI-Chemical Ecology, Jena), de l’Université de Heidelberg (Heidelberg Institute of Plant Sciences ; et "BioQuant Center, the new center for systems biology at the University of Heidelberg") et de l’Université de Liège.

A la chasse aux «métallo-gènes»

C’est lors de son post-doctorat en Allemagne à l’Institut Max Planck de physiologie moléculaire végétale (Laboratoire du Dr. Ute Krämer) que Marc Hanikenne, premier auteur de l’étude récemment publiée dans Nature, a commencé à travailler sur les «sœurs Arabettes». Si la majeure partie de la présente recherche a d’ailleurs été réalisée en Allemagne, des résultats importants ont également été obtenus au laboratoire de Génomique fonctionnelle et d’imagerie moléculaire végétale de l’ULg dirigé par le Professeur Patrick Motte.

«Le génome d’A. thaliana étant complètement décrypté, cela représentait une ressource indéniable pour faire des analyses comparatives avec celui de l’Arabette de Haller», explique Marc Hanikenne. Quel est le but d’une telle opération ? Découvrir les gènes impliqués dans l’homéostasie des métaux. L’homéostasie est la capacité d’un être vivant à conserver l’équilibre de son milieu interne. Dans le cas de l’absorption des métaux, les limites physiologiques de la plante doivent être respectées faute de quoi ces substances peuvent devenir toxiques pour l’organisme.

L’équipe de l’Institut Max Planck s’est donc penchée sur l’expression des gènes des Arabettes. Pour ce faire, elle a utilisé la technique de «puces à ADN» ou «microarrays». Cette récente biotechnologie permet de quantifier le niveau d’expression des gènes dans une cellule d’un tissu donné, à un moment donné et dans un état donné. «Nous nous sommes alors rendus compte que chez A. halleri, beaucoup de gènes étaient surexprimés par rapport à A. thaliana, et un bon nombre de ces gènes codent pour des transporteurs de métaux», précise Marc Hanikenne.

Parmi une trentaine de gènes candidats, HMA4 a particulièrement retenu l’attention. En effet, de précédentes études sur l’Arabette des Dames soupçonnaient déjà le rôle de HMA4 dans l’homéostasie des métaux. Ce fragment de génome code pour un transporteur (également appelé HMA4) important pour la translocation du zinc et du cadmium des racines vers les feuilles.

Dépolluer les sols et améliorer la qualité nutritive des végétaux

Comprendre le processus naturel d’accumulation et de stockage des métaux pourrait permettre à terme de transférer ces propriétés à des plantes qui en sont dépourvues. Dans quel intérêt ? La capacité d’absorber les métaux montre un double intérêt : la phytoremédiation et la biofortification. La phytoremédiation consiste à dépolluer les sols, naturellement pollués ou contaminés par l’activité humaine, à l’aide de végétaux. Pour ce faire, l’idéal serait de transférer les capacités de l’Arabette de Haller à des plantes qui croissent très rapidement et en profondeur dans le sol.

Quant à la biofortification, il s’agit d’une recherche qui vise à produire des variétés de plantes enrichies en nutriments (en fer, en zinc et en vitamine A notamment) afin de bonifier leur qualité nutritive. Ce processus pourrait donc permettre d’améliorer l’alimentation et dès lors la santé humaine. Une opportunité non négligeable lorsqu’on sait, par exemple, que 30 à 40% de la population mondiale montre une carence en zinc.

Enfin, découvrir comment les plantes métallophytes absorbent et stockent les métaux dans leurs feuilles pourrait également mener à l’élimination des métaux toxiques, pour les végétaux et pour l’homme. A titre d’exemple : le tabac accumule beaucoup de cadmium au niveau de ses feuilles. Ainsi, un fumeur absorbe le double de ce métal par rapport à un non fumeur…

Les triplés hyperactifs de l’Arabette de Haller

Pour vérifier le rôle crucial du gène HMA4 dans l’accumulation du zinc et du cadmium chez A. halleri, Marc Hanikenne et ses collègues ont utilisé la technique de l’interférence ARN. «Cette technique consiste à créer un ARN interférent en boucle et complémentaire à l’ARN messager naturellement produit par la cellule pour traduire le gène en protéines», explique le chercheur. «Une fois introduit dans la cellule, l’expression de cet ARN en boucle, provoque alors la destruction par la cellule des ARN messager du gène cible. Son expression est par conséquent inhibée» précise-t-il.

Grâce à cette technique, les scientifiques ont pu diminuer l’expression d’HMA4 chez A. halleri de 90%. Résultat : l’Arabette de Haller ne tolérait et n’accumulait plus du tout les métaux. Un constat qui a permis de confirmer l’importance du gène HMA4 dans les mécanismes d’hypertolérance et d’hyperaccumulation chez cette plante.

La seconde étape de cette étude consistait à élucider les raisons de la surexpression de ce gène chez l’Arabette de Haller, puisque HMA4 est 50 fois plus exprimé chez celle-ci que chez l’Arabette des Dames.

En comparant le génome des deux «sœurs», Marc Hanikenne et ses collègues ont découvert que le fameux gène était tripliqué chez A. halleri. «Après le séquençage de 300.000 paires de bases du génome de A. halleri, nous avons observé qu’elle possédait 3 copies du gène HMA4 qui se succèdent en tandem, pour une unique copie chez A. thaliana», indique le biologiste.

Cette triplication explique donc pourquoi le gène pourrait être 3 fois plus exprimé chez l’Arabette de Haller. Mais quelle autre astuce cette plante a-t-elle trouvé pour atteindre un niveau d’expression tellement plus haut que sa frangine ?

En y regardant de plus près, au niveau des séquences de ces gènes, les scientifiques ont remarqué une région qui variait fortement d’une espèce à l’autre : le promoteur. Cette région, située à proximité de la séquence codante d’un gène, est indispensable à sa transcription. C’est elle qui permet de réguler l’expression du gène, en l’occurrence de HMA4 dans le cas présent.
«Ces régions se sont avérées être beaucoup plus actives chez A. halleri», reprend Marc Hanikenne. «Si on peut comparer la région du promoteur à un moteur de voiture, c’est un peu comme si on avait mis un moteur de Ferrari à la place de celui d’une Fiat».

D’autres acteurs toujours sous la loupe !

Les secrets de la surexpression de l’Arabette de Haller dévoilés, il ne restait plus qu’à tester le moteur de Ferrari dans la Fiat !
Les scientifiques ont alors introduit, à la place du promoteur de HMA4 de l’Arabette des Dames, un promoteur d’A. halleri. Les résultats ne se sont pas fait attendre : sous le contrôle du promoteur de sa sœur, l’expression du gène HMA4 est augmentée et l’Arabette des Dames devient hyperaccumulatrice de métaux ! Mais si elle augmente fortement sa capacité à absorber le zinc, elle ne le tolère pas. En effet, cela la rend sensible car elle ne possède pas les adaptations nécessaires pour stocker ces métaux au niveau de ses feuilles.

Ainsi, HMA4 permet déjà à lui seul de conférer le caractère «accumulateur de métal» à une plante. Les chercheurs espèrent maintenant mettre la main sur le ou les gènes responsables de l’hypertolérance de l’Arabette de Haller.
Comme mentionné plus haut, ces travaux pourraient permettre non seulement de faire un grand pas dans les domaines de la phytoremédiation et de la biofortification, deux nouvelles technologies visant à améliorer respectivement l’environnement et la santé. Mais la découverte révélée par la présente étude est avant tout une grande avancée pour la recherche fondamentale dans le domaine de l’homéostasie des métaux. Elle permet, en effet, de mieux comprendre comment une espèce s’est transformée en une autre et comment elle a acquis de nouvelles propriétés qui lui ont permis de coloniser de nouveaux habitats.