In silico identification and structural characterization of ClAPRR2 and ClPSY1 as independent genetic targets for a white-rinded, orange-fleshed watermelon (Citrullus lanatus) accessible to colour-vision-deficient consumers

La plupart des gens reconnaissent une pastèque grâce à son contraste familier : une écorce rayée d'un vert foncé protégeant un intérieur rouge éclatant. Cette signature visuelle est le résultat de deux processus biologiques distincts se produisant simultanément. Dans la peau extérieure, la plante produit de la chlorophylle, le pigment vert qui permet aux feuilles et aux tiges de capter la lumière du soleil. À l'intérieur du fruit, une autre voie crée du lycopène, un pigment rouge appartenant à une famille de composés appelés caroténoïdes. Pour la grande majorité des gens, cette combinaison de vert et de rouge est frappante et facile à distinguer. Cependant, pour les millions de personnes dans le monde souffrant d'une déficience de la vision des couleurs rouge-vert, ces deux couleurs se mélangent souvent en un brun ou un gris boueux similaire, ce qui rend difficile la distinction entre une pastèque mûre et sucrée et une pastrelle immature par la simple vue.

La solution à ce problème ne réside pas dans le changement du goût ou de la texture du fruit, mais dans l'altération de ses couleurs pour créer un aspect à haut contraste reposant sur la luminosité plutôt que sur la teinte. Imaginez une pastèque avec une écorce pâle, presque blanche, et une chair orange foncé. L'écorce blanche manquerait de chlorophylle verte, tandis que la chair orange serait riche en un autre caroténoïde appelé bêta-carotène. Cette combinaison de blanc et d'orange offre une différence de clarté marquée, facilement visible pour tout le monde, quel que soit le mode de perception des couleurs par les yeux. Obtenir cet aspect spécifique nécessite une ingénierie génétique précise, ciblant les gènes exacts qui contrôlent la production de peau verte et de chair rouge, et les remplaçant par des versions qui produisent une peau blanche et une chair orange à la place.

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission d'identifier et de comprendre les commutateurs génétiques spécifiques qui pourraient rendre possible ce nouveau type de pastèque. Ils se sont concentrés sur deux gènes connus pour jouer des rôages critiques dans le développement de la pastèque : l'un qui contrôle la couleur de l'écorce et un autre qui régit la couleur de la chair. Le premier gène, connu sous le nom de ClAPRR2, agit comme un régulateur principal pour le pigment vert de la peau. Lorsque ce gène fonctionne normalement, il active la machinerie qui construit la chlorophylle, ce qui donne une écorce verte. Si ce gène est brisé ou désactivé, la production de chlorophylle s'arrête, laissant l'écorce blanche ou très pâle. Le second gène, ClPSY1, est une enzyme qui déclenche la production de caroténoïdes à l'intérieur du fruit. Alors que la version standard de ce gène aide à produire le lycopène rouge présent dans la plupart des pastèques, une variation spécifique de celui-ci peut déplacer l'équilibre vers la production de bêta-carotène orange.

Pour observer comment ces gènes fonctionnent au niveau moléculaire, les chercheurs ont utilisé de puissants outils informatiques pour construire des modèles tridimensionnels des protéines que ces gènes créent. Comme il est difficile et chronophage de déterminer physiquement la forme de chaque protéine en laboratoire, les scientifiques utilisent souvent une méthode appelée modélisation par homologie. Ce processus consiste à trouver une protéine de forme connue qui est similaire à celle étudiée et à l'utiliser comme matrice pour prédire la structure de la protéine inconnue. L'équipe a récupéré les plans génétiques des protéines de la pastèque à partir d'une base de données publique et les a injectés dans un serveur de modélisation sophistiqué. Pour la protéine régulatrice de l'écorce, ils ont utilisé une matrice provenant d'une plante de courge étroitement apparentée. Pour l'enzyme de coloration de la chair, ils ont utilisé une matrice provenant d'une bactérie effectuant un travail chimique similaire.

Les modèles informatiques résultants ont révélé les rouages internes de ces protéines avec une clarté impressionnante. Le modèle pour la protéine de l'écorce a montré une structure en deux parties typique des commutateurs génétiques. Une extrémité de la protéine agit comme un récepteur, attendant un signal pour s'activer, tandis que l'autre extrémité est conçue pour se fixer à l'ADN et activer les gènes responsables de la fabrication de la chlorophylle. Cette structure soutient l'hypothèse selon laquelle une version défectueuse de ce gène conduit à une écorce blanche : sans un commutateur fonctionnel, les instructions pour le pigment vert ne sont jamais envoyées. Le modèle pour l'enzyme de la chair a montré une poche centrale où les réactions chimiques ont lieu. Crucialement, les chercheurs ont découvert que la variation génétique spécifique responsable de la chair orange est située juste à côté de cette poche active. Ce positionnement suggère que la variation modifie la façon dont l'enzyme saisit ses matières premières, altérant subtilement le résultat chimique du lycopène rouge vers le bêta-carotène orange.

Peut-être la découverte la plus significative de l'étude est que ces deux gènes semblent fonctionner indépendamment l'un de l'autre. Ils sont situés sur des chromosomes différents, ce qui signifie qu'ils sont brassés séparément lors de la reproduction et n'interfèrent pas dans leur travail respectif. De plus, ils fonctionnent dans des parties différentes du fruit : l'un travaille dans la peau, et l'autre dans la chair. Parce qu'ils sont séparés et distincts, il est théoriquement possible de combiner une version défectueuse du gène de l'écorce avec la version orange du gène de l'enzyme de la chair dans une seule plante. Cette combinaison donnerait une pastèque avec une écorce blanche et une chair orange, une variété visuellement accessible aux personnes souffrant de déficiences de la vision des couleurs.

Les chercheurs ont souligné que, bien que leurs modèles informatiques fournissent une hypothèse structurelle solide, il s'agit toujours de prédictions qui nécessitent des tests en conditions réelles. Les modèles ont été construits à partir de matrices d'autres espèces, donc les formes exactes pourraient légèrement varier dans la plante de pastèque réelle. De plus, le contrôle génétique de la couleur des fruits est complexe, et d'autres gènes peuvent influencer la nuance finale d'orange. Crucialement, l'étude note que l'absence de preuve d'interaction entre ces gènes dans la littérature existante n'est pas équivalente à une preuve expérimentale de leur indépendance. Cependant, l'étude a réussi à tracer une voie claire pour l'avenir. En proposant que ces deux cibles sont structurellement viables et fonctionnellement indépendantes, les chercheurs ont fourni un plan solide pour les sélectionneurs. Ils peuvent désormais utiliser ces connaissances pour développer de nouvelles variétés de pastèques par la sélection assistée par marqueurs ou l'édition génétique, créant ainsi un fruit qui est non seulement délicieux mais aussi inclusif pour tous les consommateurs, sous réserve de confirmations expérimentales supplémentaires.