Une grande partie de ce que nous savons sur les rythmes circadiens des plantes est le résultat d’expériences en laboratoire où des données telles que la lumière et la température peuvent être étroitement contrôlées.
On en sait moins sur la manière dont ces mécanismes de synchronisation biologique fonctionnent dans le monde naturel plus imprévisible où ils ont évolué pour aligner les êtres vivants sur les cycles quotidiens et saisonniers.
Une étude collaborative pionnière entre des chercheurs britanniques et japonais a contribué à rétablir l’équilibre grâce à une série d’expériences de terrain innovantes qui montrent comment les plantes combinent les signaux d’horloge avec les signaux environnementaux dans des conditions naturellement fluctuantes.
Cette équipe de recherche du Centre John Innes de l’Université de Kyoto et du Laboratoire Sainsbury de Cambridge a produit des modèles statistiques basés sur ces études sur le terrain qui pourraient nous aider à prédire comment les plantes, parmi lesquelles les principales cultures, pourraient réagir aux températures futures.
« Nos recherches soulignent l'importance de la collaboration internationale dans les progrès scientifiques interdisciplinaires », a déclaré le professeur Antony Dodd, auteur principal et chef de groupe au Centre John Innes. « Il est fascinant de voir comment les processus que nous avons identifiés en laboratoire agissent également sur les plantes dans des conditions naturelles. »
Le professeur Hiroshi Kudoh de l'université de Kyoto a déclaré : « Tout système vivant a évolué dans le contexte de son habitat naturel. Il reste beaucoup à faire pour évaluer le fonctionnement des systèmes génétiques dans des conditions naturelles. Cette étude a été conçue comme l'un des débuts d'une telle entreprise. »
Une étude précédente menée par le groupe du professeur Dodd a identifié une voie génétique sous le contrôle de l’horloge biologique qui agit pour protéger les plantes photosynthétiques des dommages cellulaires dans des conditions de grand froid.
Dans la présente étude, qui paraît dans PNASl'équipe de recherche a entrepris d'identifier ce même mécanisme dans la nature, en s'appuyant sur un solide corpus de recherches « in natura » dirigées par le professeur Hiroshi Kudoh.
Dans deux études de terrain autour des équinoxes de mars et de septembre, ils ont analysé une population naturelle de plantes Arabidopsis halleri sur un site de terrain rural japonais.
Ils ont surveillé la façon dont l’expression des gènes dans les plantes changeait au cours de cycles de 24 heures en fonction des variations de lumière et de température.
Les expériences consistaient à extraire l’ARN des plantes toutes les deux heures, à congeler ces échantillons et à les ramener au laboratoire pour analyse afin de pouvoir suivre les niveaux d’expression des gènes dans les tissus.
L’équipe a également construit un équipement qui leur a permis de manipuler les températures autour des plantes. Cela leur a permis de reproduire les conditions qu’ils avaient produites en laboratoire lors de leur étude précédente.
Les plantes sont très sensibles à la lumière rouge et bleue ; ainsi, pour éviter d'influencer les résultats expérimentaux, les chercheurs portaient des filtres verts sur leurs lampes frontales, ce qui signifiait qu'elles étaient invisibles pour les plantes lors de leurs visites nocturnes.
Il est surprenant de constater à quel point il est difficile d'identifier les plantes vertes avec une lampe frontale verte au milieu de la nuit, sous une pluie battante.
Professeur Antony Dodd, auteur principal
À l’aide des informations recueillies à partir d’échantillons, les chercheurs ont observé des modèles dans l’expression des gènes de la voie génétique découverte précédemment qui intègre les informations de l’horloge circadienne des plantes avec les signaux de lumière et de température.
Les données recueillies ont montré que les plantes des populations sauvages présentaient la même sensibilité aux conditions froides et lumineuses de l’aube, observée précédemment dans des expériences en laboratoire.
Sur la base de ces informations, l’équipe a développé des modèles statistiques qui prédisent avec précision comment l’activité d’expression génétique sous le contrôle de l’horloge circadienne répondra aux signaux environnementaux au cours d’une journée dans la nature.
« Nous pensons que c’est la première fois que quelqu’un modélise une voie de signalisation complète de l’horloge circadienne dans les plantes poussant à l’extérieur », a déclaré le professeur Dodd.
« Si nous pouvons produire des modèles capables de prédire avec précision l’expression des gènes en fonction des conditions environnementales, il sera alors possible de créer des plantes capables de s’adapter aux conditions climatiques futures. »
Le Dr Haruki Nishio de l'Université de Shiga, co-auteur principal de l'étude, a déclaré : « La flexibilité de la modélisation des séries temporelles bayésiennes nous a permis de démêler l'intégration complexe de signaux dans les environnements naturels. Cette approche s'est avérée particulièrement efficace pour les études menées dans des environnements complexes. »
Cette étude a examiné les réponses des plantes au niveau de l'expression des gènes. L'étape suivante de cette recherche consiste à appliquer les modèles statistiques produits dans cette étude à des fonctions de la physiologie végétale telles que le taux de photosynthèse ou l'adaptation à la température.
Le Dr Dora Cano-Ramirez, chercheuse sur l'horloge circadienne au Sainsbury Laboratory de l'Université de Cambridge et co-auteure principale de l'étude, a déclaré : « L'horloge circadienne régule de nombreux processus végétaux clés, comme le montrent des études en laboratoire. Cependant, nous ne savons pas jusqu'à présent dans quelle mesure ces processus se traduisent dans les conditions de terrain. »
« Comprendre comment les processus régulés par le rythme circadien s'alignent sur un environnement fluctuant en modélisant cette voie de signalisation pourrait être utile pour prédire les réponses des plantes dans un climat de plus en plus imprévisible. »
