Un nouveau réseau d’expression génique peut aider à comprendre le mécanisme derrière l’activité continue des cellules souches chez les plantes

Un groupe de recherche interuniversitaire a réussi à construire le réseau d’expression génique à l’origine du processus de développement vasculaire chez les plantes.

Ils y sont parvenus en effectuant une analyse bioinformatique à l’aide de la plate-forme de culture tissulaire « VISUAL », qui génère des cellules souches vasculaires à partir de cellules foliaires. Dans ce réseau, ils ont également découvert un nouveau facteur de transcription BES/BZR, BEH3, qui régule les cellules souches vasculaires. En outre, ils ont mis en lumière un nouveau système de maintenance des cellules vasculaires dans lequel BEH3 entre en compétition avec d’autres facteurs de transcription de la même famille BES/BZR afin de stabiliser la multiplication et la différenciation des cellules souches vasculaires.

Le groupe de recherche conjoint était composé du chercheur scientifique FURUYA Tomoyuki et du professeur agrégé KONDO Yuki et al. (de la Graduate School of Science de l’Université de Kobe), le professeur SATAKE Akiko de l’Université de Kyushu, le professeur spécialement nommé TANOKURA Masaru et le professeur agrégé spécialement nommé MIYAKAWA Takuya (de la Graduate School of Agricultural and Life Sciences de l’Université de Tokyo) et le professeur agrégé YAMORI Wataru (de l’Institut pour les services agro-écosystémiques durables de l’Université de Tokyo).

Les chercheurs espèrent identifier davantage de facteurs régulateurs pour les cellules souches, ce qui contribuera à notre compréhension de la base moléculaire derrière l’activité continue des cellules souches chez les plantes.

Ces résultats de recherche ont été publiés dans la revue américaine des sciences végétales La cellule végétale le 1er juin 2021.

Points principaux

• Les chercheurs ont extrait un total de 394 gènes spécifiques aux cellules souches vasculaires à partir de vastes ensembles de données d’expression génique. Parmi ceux-ci, ils ont découvert BEH3, un nouveau facteur de régulation des cellules souches appartenant à la famille de facteurs de transcription BES/BZR.
• Ils ont découvert que contrairement aux autres facteurs de transcription BES/BZR, BEH3 n’a presque pas de domaines fonctionnels et inhibe de manière compétitive l’activité de ces autres facteurs.
• Le groupe de recherche a montré que cette relation compétitive entre les facteurs de transcription BES/BZR stabilise la multiplication et la différenciation des cellules souches vasculaires, éclairant le système de régulation qui maintient l’activité continue des cellules souches vasculaires.

Fond de recherche

Les plantes prennent forme en auto-répliquant leurs cellules souches et en différenciant ces cellules souches afin qu’elles aient des fonctions spécialisées pour construire des parties de la plante, telles que ses organes et ses tissus. Contrairement aux animaux, les plantes continuent de se régénérer et de croître en produisant des cellules souches tout au long de leur vie. Par exemple, des arbres tels que la cryptomeria peuvent avoir une longue durée de vie (le cèdre de Jomon sur l’île japonaise de Yakushima a au moins 2000 ans), et chaque année, ils favorisent une croissance secondaire qui se traduit par un autre anneau d’arbre autour de leurs troncs.

Cette croissance secondaire se produit à l’intérieur d’une région du tissu méristémique appelée la couche de cambium où les cellules souches vasculaires se multiplient et se différencient en cellules du xylème et en cellules du phloème, permettant au tronc de s’élargir. En d’autres termes, les plantes doivent produire en continu des cellules souches vasculaires tout au long de leur vie pour continuer à croître, et il est vital pour elles de maintenir l’équilibre entre la multiplication et la différenciation des cellules souches.

Ces dernières années, des études utilisant la plante modèle Arabidopsis thaliana ont été menées sur la façon dont la multiplication et la différenciation des cellules souches sont régulées du point de vue de la génétique, des sciences de la vie et de la recherche informatique. Cependant, le mécanisme par lequel les plantes régulent et maintiennent l’équilibre approprié des cellules souches n’a pas encore été compris.

Méthodologie et résultats de la recherche

Afin d’analyser le processus par lequel les cellules souches vasculaires se différencient en cellules de xylème et en cellules de phloème (Figure 1), le groupe de recherche du professeur agrégé Kondo et al. a développé le système de culture tissulaire « VISUAL » pour générer artificiellement des cellules souches à partir de cellules foliaires.

VISUAL présente de nombreux avantages qui le rendent adapté à la recherche sur les cellules souches vasculaires, par exemple, il est facile d’analyser génétiquement des plantes dont une fonction génique particulière a été supprimée (c’est-à-dire des mutants) et il est également possible d’observer la progression temporelle des cellules souches vasculaires. différenciation. Dans cette étude, les chercheurs ont collecté des données sur plusieurs mutants et effectué des analyses à grande échelle de l’expression des gènes à différents moments.

Ils ont mené une analyse du réseau de co-expression génique sur les similitudes dans les modèles d’expression afin d’évaluer la relation entre les différents gènes. À partir de cette analyse, ils ont réussi à identifier les groupes distinctifs de gènes dans les cellules du xylème, les cellules du phloème et les cellules souches vasculaires (Figure 1). En utilisant VISUAL, ce groupe de recherche a précédemment révélé que les facteurs de transcription BES/BZR BES1 et BZR1 jouent un rôle important dans la différenciation des cellules souches vasculaires. Cette fois, ils ont identifié un autre facteur de transcription BES/BZR, BEH3, dans le groupe de gènes des cellules souches vasculaires grâce à une analyse de réseau, et ont également examiné sa fonction de suppression des cellules souches vasculaires.

Ensuite, les chercheurs ont étudié la formation vasculaire à l’aide de mutants dont la fonction de BEH3 a été supprimée. Ils ont constaté que les mutants présentaient de grandes variations de taille vasculaire par rapport au type sauvage (plante non mutante) et ont conclu que BEH3 stabilise les cellules souches vasculaires.

Le groupe de recherche avait précédemment découvert que le renforcement de la fonction de BES1 (qui favorise la différenciation des cellules vasculaires) entraînait une diminution du nombre de cellules vasculaires.

Après avoir approfondi ces recherches, le groupe de recherche a découvert que même si BEH3 pouvait se lier au même motif d’ADN (motif BRRE) que les autres facteurs de transcription BES/BZR, la capacité de BEH3 à réguler l’expression des gènes en aval était significativement plus faible. Ces résultats ont montré que BEH3 entrave l’activité d’autres facteurs de transcription BES/BZR (Figure 2), et les chercheurs ont déduit de cette relation que la fonction de BEH3 dans les cellules souches vasculaires est opposée à celle des facteurs de la même famille, dont BES1.

Un modèle mathématique a été utilisé pour vérifier et simuler cette relation compétitive entre BEH3 et les autres facteurs de transcription BES/BZR, et les résultats ont indiqué que la présence de BEH3 dans les cellules souches vasculaires contribue à stabiliser la taille vasculaire (Figure 3).

Développements ultérieurs

On pense qu’il existe de nombreux gènes candidats importants dans le réseau d’expression génique des cellules souches vasculaires de ce groupe de recherche qui contribueront à la compréhension du développement et des fonctions vasculaires. On espère que les informations précieuses obtenues grâce à cette étude accéléreront la recherche vasculaire. En outre, éclairer davantage les relations entre BEH3 et d’autres facteurs de transcription BES/BZR et leurs différences respectives approfondira notre compréhension du mécanisme par lequel les plantes maintiennent l’équilibre entre la multiplication et la différenciation des cellules souches.

À l’avenir, ces connaissances pourraient contribuer aux techniques de production de biomasse et à d’autres domaines nécessitant une croissance végétale stable à grande échelle.