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Vers un maïs nain plus productif, avec seulement un organe femelle.

 
Mercredi, 01 Février 2012

Burkhard Schulz et Gurmukh Johal et l’équipe de chercheurs de l’Université Purdue dans l’Indiana (USA), ont étudié sur le maïs les relations entre brassinostéroïdes naturels (une hormone végétale naturelle de la famille des stéroïdes produite par la plante) et l’architecture de la plante, en particulier sa taille et son sexe. La carence en cette hormone rend le maïs nain et le prive d’organe mâle, ce qui était inattendu, avec évidemment absence de pollen. En devenant plus court le maïs serait plus robuste et plus productif en n’utilisant pas d’énergie pour la croissance de l’organe mâle. Les futures variétés, qu’il s’agira d’obtenir, auront pour but d’optimiser les ressources nécessaires à la croissance des plantes (occupation des sols, intrants, eau). Les chercheurs de l’Université de Purdue vont maintenant vérifier si ce mécanisme original, qu’ils ont découvert, est spécial au maïs ou s’il se retrouve chez d’autres plantes pérennes ou annuelles.

 

> Le rôle des brassinostéroïdes chez le maïs.

Le maïs est une plante monoïque, c’est-à-dire qu’elle a à la fois une fleur mâle et une fleur femelle localisées à des endroits différents : pour la fleur mâle, c’est au sommet de la plante au niveau de la panicule et pour la fleur femelle au niveau de l’épi. Un mutant de maïs qui ne peut pas produire de brassinostéroïdes développe des organes sexuels féminisés, là où les fleurs de la panicule apparaitraient normalement.

B. Schulz a utilisé un processus d’approche à multi étapes pour déterminer le rôle des brassinostéroïdes dans la hauteur de la plante et ensuite dans la détermination du sexe. Il voulait être sûr que la lumière et l’addition d’acide gibbérellique, une hormone qui provoque la croissance des cellules et l’élongation, n’éliminerait pas le nanisme. Il a récolté les mutants connus de maïs avec des mésocotyles courts, le premier nœud de la tige de maïs. Il soupçonnait que même les plantes naines qui produisaient des brassinostéroïdes pourraient allonger le mésocotyle si elles croissaient dans l’obscurité car elles tendraient vers la lumière, un trait typique de tous les mutants brassinostéroïdes. Il a ajouté aussi de l’acide gibbérellique aux plantes pour s’assurer qu’une déficience de cette hormone ne causerait pas le nanisme. Les plantes naines qui ne croissaient pas dans l’obscurité ou avec addition d’acide gibérellique étaient comparées à des plantes de maïs normales qui avaient été nanisées en les soumettant à un produit chimique qui interrompt la création de brassinostéroïdes. Les deux montraient des tiges courtes avec des feuilles tordues et montraient la féminisation de la fleur de panicule mâle.

Schutz a utilisé ensuite une information, déjà connue par la recherche sur la plante Arabidopsis au sujet des gènes qui contrôlent la production de brassinostéroïdes. Il a trouvé les mêmes gènes dans le génome du maïs. Dans les plants de maïs nains, ces gènes avaient muté, interrompant la biosynthèse des stéroïdes. Une analyse chimique montrait que les composés produits durant le parcours du gène au stéroïde avaient beaucoup diminués dans les maïs nains. Le clonage du gène a révélé qu’une enzyme du parcours du brassinostéroïde était manquante dans les plantes mutantes. Une enzyme apparentée chez les humains avait été rapportée comme essentielle dans la production de la testostérone hormone sexuelle stéroïde. La mutation de cette enzyme chez les humains provoque la féminisation. Tandis que Schutz s’attend à ce que les brassinostéroïdes affectent la hauteur de la plante, il dit qu’il ne s’attendait pas à ce que ces stéroïdes affectent la détermination du sexe

Il souligne que si l’on peut trouver une mutation naturelle ou un mécanisme qui donne ce que l’on recherche, c’est meilleur que d’utiliser des techniques transgéniques dont l’obtention de l’autorisation pourrait être difficile.

Pour l’industrie des semences de maïs, castrer les maïs (supprimer la panicule avant l’émission de pollen) pour éviter la pollinisation lors de la création d’hybrides est une opération manuelle couteuse, qui pourrait être supprimée par la sélection de plantes naines sans organe mâle.

 

> Comprendre la production de stéroïdes et la détermination du sexe de la plante.

Johal a identifié, il y a plusieurs années le mutant utilisé dans la recherche, nana plant1. Il dit que mieux comprendre la voie de la production de stéroïdes pouvait être important pour rendre le maïs robuste et accroître les rendements. Le maïs produit trop de pollen et il gaspille une quantité d’énergie pour cela. Ce qui implique qu’en utilisant ce gène ou le contrôle du cheminement du mécanisme, nous pouvons manipuler les plantes pour améliorer leurs qualités. Shulz dit que les chercheurs vont étudier d’autres plantes, telle que le sorgho, pour déterminer si les mêmes gènes et cheminement contrôlent la détermination de leur sexe et leur hauteur.

(Ndlr : Nous reproduisons ci-après le résumé de la communication de Shuck et al, « Brassinostéroid Control of Sex Determination in Maize »).

Les brassinostéroïdes (BRs) sont des hormones des plantes qui régulent leur croissance et leur développement. Ils partagent une structure similaire à ceux des stéroïdes des animaux, qui sont des facteurs décisifs de la détermination du sexe. Les BRs sont connus pour réguler la morphogénèse et les réponses aux stress environnementaux, mais leur implication dans la détermination du sexe des plantes avait été seulement une spéculation. Les auteurs ont montré que les BRs contrôlent la détermination du sexe chez le maïs, révélée à travers la caractérisation du mutant nain classique nan plant1, qui féminise aussi les fleurs mâles. Les plantes na1 supportent une mutation de perte de fonction dans un gène homologue DET2 lors de la voie de la biosynthèse de BR. Le mutant accumule le substrat spécifique DET2 (24R)-24-methylcholest-4-en-3-un avec une diminution concomitante en aval de métabolites BR. Le traitement de plant de maïs sauvage typiques avec des inhibiteurs de la biosynthèse de BR reproduit à la fois les phénotypes du nanisme et des graines des panicules des mutants nal. L’expression na1 de tissus spécifiques dans les anthères à travers leur développement soutien l’hypothèse que les BRs procurent la « masculanité » des inflorescences mâles. Ces découvertes suggèrent que, dans les plants monoïques de maïs, les BRs avaient été cooptés pour accomplir la fonction de détermination du sexe qui ne se trouvait pas dans les plantes avec des fleurs bisexuellles.

 

Source : Wallheimer B (Rédacteur « Stronger corn ? Take it off steroids, make it all female”, PURDUE University, 30/11/201, 4p (en anglais)
http://www.purdue.edu/newsroom/research/2011/111130SchulzSteroids.html

 

Burkhard Schulz et Gurmukh Johal et l’équipe de chercheurs de l’Université Purdue dans l’Indiana (USA), ont étudié sur le maïs les relations entre brassinostéroïdes naturels (une hormone végétale naturelle de la famille des stéroïdes produite par la plante) et l’architecture de la plante, en particulier sa taille et son sexe. La carence en cette hormone rend le maïs nain et le prive d’organe mâle, ce qui était inattendu, avec évidemment absence de pollen. En devenant plus court le maïs serait plus robuste et plus productif en n’utilisant pas d’énergie pour la croissance de l’organe mâle. Les futures variétés, qu’il s’agira d’obtenir, auront pour but d’optimiser les ressources nécessaires à la croissance des plantes (occupation des sols, intrants, eau). Les chercheurs de l’Université de Purdue vont maintenant vérifier si ce mécanisme original, qu’ils ont découvert, est spécial au maïs ou s’il se retrouve chez d’autres plantes pérennes ou annuelles.

>Le rôle des brassinostéroïdes chez le maïs.
Le maïs est une plante monoïque, c’est-à-dire qu’elle a à la fois une fleur mâle et une fleur femelle localisées à des endroits différents : pour la fleur mâle, c’est au sommet de la plante au niveau de la panicule et pour la fleur femelle au niveau de l’épi. Un mutant de maïs qui ne peut pas produire de brassinostéroïdes développe des organes sexuels féminisés, là où les fleurs de la panicule apparaitraient normalement.
B. Schulz a utilisé un processus d’approche à multi étapes pour déterminer le rôle des brassinostéroïdes dans la hauteur de la plante et ensuite dans la détermination du sexe. Il voulait être sûr que la lumière et l’addition d’acide gibbérellique, une hormone qui provoque la croissance des cellules et l’élongation, n’éliminerait pas le nanisme. Il a récolté les mutants connus de maïs avec des mésocotyles courts, le premier nœud de la tige de maïs. Il soupçonnait que même les plantes naines qui produisaient des brassinostéroïdes pourraient allonger le mésocotyle si elles croissaient dans l’obscurité car elles tendraient vers la lumière, un trait typique de tous les mutants brassinostéroïdes. Il a ajouté aussi de l’acide gibbérellique aux plantes pour s’assurer qu’une déficience de cette hormone ne causerait pas le nanisme. Les plantes naines qui ne croissaient pas dans l’obscurité ou avec addition d’acide gibérellique étaient comparées à des plantes de maïs normales qui avaient été nanisées en les soumettant à un produit chimique qui interrompt la création de brassinostéroïdes. Les deux montraient des tiges courtes avec des feuilles tordues et montraient la féminisation de la fleur de panicule mâle.
Schutz a utilisé ensuite une information, déjà connue par la recherche sur la plante Arabidopsis au sujet des gènes qui contrôlent la production de brassinostéroïdes. Il a trouvé les mêmes gènes dans le génome du maïs. Dans les plants de maïs nains, ces gènes avaient muté, interrompant la biosynthèse des stéroïdes. Une analyse chimique montrait que les composés produits durant le parcours du gène au stéroïde avaient beaucoup diminués dans les maïs nains. Le clonage du gène a révélé qu’une enzyme du parcours du brassinostéroïde était manquante dans les plantes mutantes. Une enzyme apparentée chez les humains avait été rapportée comme essentielle dans la production de la testostérone hormone sexuelle stéroïde. La mutation de cette enzyme chez les humains provoque la féminisation. Tandis que Schutz s’attend à ce que les brassinostéroïdes affectent la hauteur de la plante, il dit qu’il ne  s’attendait pas à ce que ces stéroïdes affectent la détermination du sexe
Il souligne que si l’on peut trouver une mutation naturelle ou un mécanisme qui donne ce que l’on recherche, c’est meilleur que d’utiliser des techniques transgéniques dont l’obtention de l’autorisation pourrait être difficile.
Pour l’industrie des semences de maïs, castrer les maïs (supprimer la panicule avant l’émission de pollen) pour éviter la pollinisation lors de la création d’hybrides est une opération manuelle couteuse, qui pourrait être supprimée par la sélection de plantes naines sans organe mâle.

>Comprendre la production de stéroïdes et la détermination du sexe de la plante.
Johal a identifié, il y a plusieurs années le mutant utilisé dans la recherche, nana plant1. Il dit que mieux comprendre la voie de la production de stéroïdes pouvait être important pour rendre le maïs robuste et accroître les rendements. Le maïs produit trop de pollen et il gaspille une quantité d’énergie pour cela. Ce qui implique qu’en utilisant ce gène ou le contrôle du cheminement du mécanisme, nous pouvons manipuler les plantes pour améliorer leurs qualités. Shulz dit que les chercheurs vont étudier d’autres plantes, telle que le sorgho, pour déterminer si les mêmes gènes et cheminement contrôlent  la détermination de leur sexe et leur hauteur.

(Ndlr : Nous reproduisons ci-après le résumé de la communication de Shuck et al, « Brassinostéroid Control of Sex Determination in Maize »).
Les brassinostéroïdes (BRs) sont des hormones des plantes qui régulent leur croissance et leur développement. Ils partagent une structure similaire à ceux des stéroïdes des animaux, qui sont des facteurs décisifs de la détermination du sexe. Les BRs sont connus pour réguler la morphogénèse et les réponses aux stress environnementaux, mais leur implication dans la détermination du sexe des plantes avait été seulement une spéculation. Les auteurs ont montré que les BRs contrôlent la détermination du sexe chez le maïs, révélée à travers la caractérisation du mutant nain classique nan plant1, qui féminise aussi les fleurs mâles. Les plantes na1 supportent une mutation de perte de fonction dans un gène homologue DET2 lors de la voie de la biosynthèse de BR. Le mutant accumule le substrat spécifique DET2 (24R)-24-methylcholest-4-en-3-un avec une diminution concomitante en aval de métabolites BR. Le traitement de plant de maïs sauvage typiques avec des inhibiteurs de la biosynthèse de BR reproduit à la fois les phénotypes du nanisme et des graines des panicules des mutants nal. L’expression na1 de tissus spécifiques dans les anthères à travers leur développement soutien l’hypothèse que les BRs procurent la  « masculanité » des inflorescences mâles. Ces découvertes suggèrent que, dans les plants monoïques de maïs, les BRs avaient été cooptés pour accomplir la fonction de détermination du sexe qui ne se trouvait pas dans les plantes avec des fleurs bisexuellles.  
Source : Wallheimer B (Rédacteur « Stronger corn ? Take it off steroids, make it all female”, PURDUE University, 30/11/201, 4p (en anglais)
http://www.purdue.edu/newsroom/resarch/2011/111130SchulzSteroids.html

 
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