Genome-wide Identification and Characterization of the 3- Dehydroquinate Dehydratase/Shikimate Dehydrogenase Gene Family in Rubus chingii Hu

Les plantes ne sont pas de simples végétaux passifs ; ce sont des usines chimiques qui fabriquent constamment une vaste gamme de composés pour survivre, croître et se défendre. Parmi ces usines les plus vitales figure une voie métabolique connue sous le nom de voie du shikimate, un itinéraire fondamental que les plantes utilisent pour construire les briques élémentaires des acides aminés et d'une multitude de substances protectrices. À un carrefour critique de cette voie se trouve une enzyme unique qui remplit une double fonction : elle aide à créer l'acide shikimique, un précurseur de nombreux éléments essentiels des plantes, et elle oriente également le processus vers la fabrication de l'acide gallique. L'acide gallique est un composé phénolique puissant présent dans de nombreux fruits et herbes, reconnu pour ses propriétés antioxydantes et son rôle de précurseur direct de l'acide ellagique, un autre composé bénéfique. Comprendre comment les plantes contrôlent cette enzyme spécifique est la clé pour comprendre comment elles régulent la production de ces substances précieuses, qui déterminent souvent la valeur nutritionnelle et médicinale de la plante.

Les chercheurs ont porté leur attention sur Rubus chingii, un arbuste grimpant originaire de Chine, prisé à la fois comme fruit et comme médecine traditionnelle. Les fruits non mûrs de cette plante sont utilisés pour traiter divers maux, tandis que les fruits mûrs sont consommés comme une délicatesse. La plante est particulièrement riche en acide gallique et en acide ellagique, mais les scientifiques ne comprenaient pas pleinement comment les gènes de la plante contrôlaient la production de ces composés. Pour résoudre ce puzzle, une équipe de scientifiques de l'Université de technologie de Zhejiang a mené une étude approfondie afin de cartographier les gènes spécifiques responsables de l'enzyme qui comble le fossé entre l'acide shikimique et l'acide gallique. Ils voulaient savoir combien de ces gènes la plante possède, où ils sont situés, comment ils sont structurés et quand ils sont activés ou désactivés au cours du cycle de vie de la plante.

L'équipe a commencé par scanner l'ensemble du génome de Rubus chingii pour trouver les gènes qui codent pour cette enzyme spécifique. Ils ont identifié exactement quatre gènes, qu'ils ont nommés RcDHD/SDH1 à RcDHD/SDH4. Ces gènes ne sont pas dispersés de manière aléatoire ; ils sont répartis uniformément sur seulement deux des chromosomes de la plante. Les chercheurs ont ensuite examiné les propriétés physiques des protéines que ces gènes créent. Ils ont découvert que les protéines varient en taille, certaines étant assez grandes, contenant plus de 1 300 acides aminés, tandis que d'autres sont plus petites. Malgré ces différences de taille, les quatre protéines partagent un noyau structurel commun qui leur permet de fonctionner comme des enzymes. L'étude a prédit que ces protéines opèrent principalement dans le noyau et le cytoplasme des cellules végétales, les deux compartiments principaux où se déroulent les activités cellulaires.

Pour comprendre comment ces gènes ont évolué, les scientifiques les ont comparés à des gènes similaires trouvés chez d'autres plantes, allant du riz et du maïs au soja et au raisin. L'analyse a révélé que les quatre gènes de Rubus chingii appartiennent à un groupe de familles spécifiques partagé avec d'autres plantes à feuilles larges, ou dicotylédones, comme le soja. Ils ne se regroupaient pas avec les gènes trouvés dans les graminées comme le riz ou le maïs, suggérant que ce groupe de gènes a suivi un chemin évolutif distinct dans les plantes à feuilles larges. Les chercheurs ont également examiné la structure des gènes eux-mêmes, notant qu'ils contiennent entre neuf et quatorze segments, appelés exons, qui sont les parties du gène portant les instructions pour la construction de la protéine. Cette variation structurelle suggère que, bien que les gènes soient apparentés, ils ont divergé suffisamment pour potentiellement remplir des rôles légèrement différents.

Une partie cruciale de l'enquête a consisté à examiner les « interrupteurs » situés à proximité de ces gènes. Ces interrupteurs, connus sous le nom d'éléments agissant en cis, sont des séquences d'ADN qui indiquent au gène quand s'activer. Les chercheurs ont découvert que les interrupteurs de ces quatre gènes sont sensibles à la lumière, à la température et à diverses hormones végétales. Cela signifie que la production de l'enzyme est probablement influencée par l'environnement, comme les changements de luminosité ou la présence de stress. Plus précisément, les gènes semblent posséder des interrupteurs qui répondent au jasmonate de méthyle, une hormone impliquée dans la défense, ainsi qu'à l'auxine et à l'acide abscissique, qui régulent la croissance et les réponses au stress.

L'équipe est ensuite passée de l'ordinateur à la serre pour voir comment ces gènes se comportent dans une plante vivante. Ils ont mesuré l'activité des gènes dans différentes parties de la plante, notamment les racines, les tiges, les feuilles, les fleurs et les fruits à différents stades de maturation. Ils ont découvert que les gères sont actifs partout, mais que leur intensité varie. Un gène, RcDHD/SDH4, était particulièrement actif dans les tiges et les feuilles, tandis que les autres montraient une activité plus constante dans les racines. Lorsqu'ils ont suivi les gènes pendant le développement du fruit, un schéma clair est apparu. Les gènes étaient plus actifs lorsque le fruit était petit et vert. À mesure que le fruit grandissait et commençait à changer de couleur, l'activité de ces gènes chutait considérablement.

Cette baisse de l'activité génique n'était pas aléatoire ; elle correspondait parfaitement aux niveaux des substances chimiques que les gènes aident à produire. Les chercheurs ont mesuré la quantité d'acide gallique et d'acide ellagique dans le fruit à chaque étape. Ils ont constaté que ces composés s'accumulaient rapidement lorsque le fruit était petit et vert, atteignant leurs niveaux records avant que le fruit ne devienne rouge. À mesure que le fruit mûrissait et que l'activité génique déclinait, les niveaux de ces substances se stabilisaient ou diminuaient. Cette corrélation étroite suggère que les gènes sont les plus critiques durant les premières étapes de la croissance du fruit, pilotant la production de ces composés protecteurs lorsque le fruit est le plus vulnérable.

Pour confirmer que ces gènes sont effectivement sensibles aux signaux internes de la plante, les chercheurs ont traité les feuilles avec différentes hormones. Lorsqu'ils ont appliqué du jasmonate de méthyle, l'activité des gènes a bondi, certains augmentant leur activité de plus de cinq fois. Cela a confirmé que la plante utilise ces gés comme faisant partie de son système de défense, intensifiant la production lorsqu'elle détecte une menace. De même, les gènes ont réagi à l'auxine et à l'acide abscissique, bien que de manières différentes, un gène montrant une augmentation massive de trente-deux fois de son activité lors de l'exposition à l'auxine. Ces résultats indiquent que la plante possède un système sophistiqué pour réguler ces gènes, les augmentant ou les diminuant selon qu'elle doit croître, se défendre ou gérer le stress.

L'étude conclut que les quatre gènes identifiés dans Rubus chingii sont les principaux contrôleurs de l'enzyme qui relie l'acide shikimique à l'acide gallique. Leur activité est la plus élevée durant les premières étapes du développement du fruit et dans les feuilles, ce qui correspond aux périodes où la plante a besoin de produire des niveaux élevés d'acide gallique et d'acide ellagique. La recherche fournit une carte détaillée de la structure de ces gènes, de leur localisation et de leur réponse à l'environnement. En comprenant cette machinerie génétique, les scientifiques peuvent mieux apprécier la façon dont cette plante produit ses composés médicinaux et pourraient un jour utiliser cette connaissance pour améliorer la qualité du fruit ou accroître la production de ces substances précieuses pour l'usage humain. Ce travail pose les bases de futures études qui pourraient explorer comment manipuler ces gènes pour renforcer les défenses naturelles de la plante ou augmenter le rendement de ses composés bénéfiques.