Le déterminisme génétique de la tolérance au gel

La résistance au gel implique un processus génétiquement programmé et intégré. Ce processus est multigénique mais peu de travaux se sont focalisés sur les gènes impliqués dans la résistance au gel des ligneux.

Un grand nombre de gènes induits durant l’acclimatation au gel codent des protéines pour lesquelles l’activité enzymatique est connue. Par exemple, chez Arabidopsisthaliana, le gène FAD8 code une désaturase pour la synthèse des acides gras insaturés qui pourrait contribuer à la tolérance au gel en modifiant la composition lipidique des chloroplastes (Gibson et al, 1994). Les gènes hsp70 de Spinacia oleracea L. (Anderson et al, 1994) et

hsp90 de Brassica napus L. (Krishna et al, 1995), codant pour des chaperones moléculaires,

pourraient participer à la résistance au gel de la plante en stabilisant les protéines, les protégeant des dénaturations induites par les températures gélives. D’autres gènes s’exprimant

C

Croissance active

Large vacuole

Mince couche de cytoplasme à la périphérie

Endurcissement

Fragmentation progressive de la vacuole Centralisation du noyau

Distribution plus homogène du cytoplasme Irrégularité du plasmalemme

Présence de 'paramural bodies'et 'myelin-like

bodies'

Disparition progressive des grains d'amidon

Maximum d'endurcissement

Quelques vacuoles un noyau central Plasmalemme semble lisse

en apparence sans invaginations

Rareté des 'paramural

bodies' et 'myelin-like bodies'

Désendurcissement

Réapparition progressive d'une large vacuole centrale

Invagination du plasmalemme Réapparition des myelin-like bodies' et 'paramural bodies' Agrégation de vésicules le

long du plasmalemme

Figure sb.20 : Schéma récapitulatif des changements structuraux qui se produisent pendant le cycle annuel de résistance au gel (‘paramural bodies’ : groupement de plusieurs vésicules entre la paroi et le plasmalemme ; ‘myelin-like bodies’ : structure membranaire complexe associée au plasmalemme) (d’après les résultats obtenus par Wisniewski et Ashworth, 1986).

~ 69 ~

durant l’acclimatation ont été mis en évidence, mais, tous ne sont pas caractérisés (Thomashow, 1999 ; Sung et al, 2003).

Certaines recherches sur les céréales ont mis en évidence des changements métaboliques dus à l’expression de gènes spécifiques de la réponse au froid, les gènes COR

(COld-Responsive or COld-Regulated). Ces gènes produisent des protéines COR

extrêmement hydrophiles et stables aux hautes températures (Tsvetanov et al, 2000). Leurs fonctions sont multiples : outres les désaturases déjà citées, on retrouve des protéines antigels, des protéines pour la synthèse de composés osmoprotecteurs (sucres, proline, etc.), des chaperones permettant de stabiliser les protéines, des protéines pour la protection des membranes, des enzymes antioxydantes. Les protéines COR les plus connues sont les DHN/LEA/RAB (Dehydrine/Late empbryogenesis abundant proteins/proteins responsive to

abscisic acid). Chez Arabidopsis thaliana, les gènes COR se divisent en quatre familles : les

gènes LTI (induit par les basses températures) (Nordin et al, 1991 ; Nordin et al, 1993), RD

(répondant à la déshydratation), ERD (induit en premier lors d’une déshydratation) (Thomashow, 1999) et KIN (induit par le froid) (Kurkela et Borg-Franck, 1990, 1992 ; Chinnusamy et al, 2006) (figure sb.21).

Le gel est ressenti par les cellules végétales au niveau de leur membrane (Sung et al, 2003 ; Chinnusamy et al, 2006). Les changements de fluidité de la membrane et de conformation des protéines membranaires semblent faire partie du stimulus initial. La voie de signalisation de la résistance au gel est donc complexe et fait intervenir de nombreux protagonistes.

Durant l’acclimatation au gel, les cellules et les tissus des plantes subissent des changements qui permettent le fonctionnement des cellules et leur survie aux basses températures. L’acclimatation est accompagnée d’une réduction du contenu en eau des tissus et de l’accumulation de certains composés pour lesquels des propriétés cryoprotectantes sont possibles (ex. sucres solubles et protéines). Les altérations biochimiques de la membrane plasmique incluent des changements qualitatifs des protéines concomitantes avec une augmentation de la fluidité de la membrane, un enrichissement des phospholipides et une insaturation des acides gras. Les changements structuraux impliquent par exemple une augmentation de la taille du cytoplasme et une réduction du volume de la vacuole. Les modifications qui se produisent pendant le désendurcissement ont pour objectif de défaire tous les changements qui se sont produit pendant l’acclimatation.

~ 70 ~

Un signal calcique, induit par le stress « gel », est nécessaire à l’endurcissement. Le gel active les protéines ICE1 lesquelles induisent la transcription de CBFs et d’autres facteurs de transcription. CBFs autorégulent leur transcription afin d’optimiser leurs niveaux d’expression.

AZF2/ZAT12/STZ (répresseurs transcriptionnels en doigt de zinc) sont positivement régulés par CBFs et négativement régulés par LOS2. Ces répresseurs modèrent l’expression des facteurs CBFs et leur cible (les

gènes COR).

(HOS2, gènes de type 2 s’exprimant fortement en réponse à un stress osmotique ; FRY1, inositol polyphosphate 1-phosphatase ; HOS1, gènes de type 1 s’exprimant fortement en réponse à un stress osmotique, ligase ubiquitine E3 à domaine ‘RING Finger’ ; IP3 : inositol 1, 4, 5 triphosphate ; ICE1, inducteur de l’expression de CBF, facteur de transcription MYC-type/bHLH ; CBF, C-repeat-binding factor, facteur de transcription se liant au motif CCGAC ; LOS2, gènes de type 2 s’exprimant faiblement à la suite d’un stress osmotique, une énolase (bi-fonctionnelle) avec une activité de répression transcriptionnelle ; AZF2, STZ, ZAT12, répresseurs transcriptionnels à doigt de zinc de type cystéine-2 et histidine-2 ; EP2, éléments cis identifié à l’origine dans les promoteurs de gènes de

5-enolpyruvyl-shikimate-3-phosphate synthase ; CRT, C-repeat elements, motif CCGAC ; DRE, éléments répondant à une

déshydratation ; MYCRS, séquence reconnu par le facteur de trans-cription MYC-type bHLH ; flèche pleine : induction de l’expression ; ligne finit par une barre : répression ; rectangle : activation).

~ 71 ~

Tableau récapitulatif des phénomènes intervenant au cours du cycle annuel de résistance au gel

Le végétal

L’environnemen

t

Modifications structurales

Modifications biochimiques

Modification de l’expression du génome Photopériode – Jours courts

Températures basses

Photopériode – Jours longs

Températures douces

Stress hydrique

Autres facteurs ?

Interconversion

Amidon → Sucres solubles

Augmentation des protéines non membranaires et des acides aminés

Insaturation des acides gras (AG) (Augmentation de la fluidité de la membrane) Augmentation d’[ABA] Excès d’N, Manque de Mg²⁺ et de K⁺, [CO2] élevée Autres facteurs ? Interconversion Sucres solubles → Amidon

Diminution du rapport

Diminution du rapport

Fragmentation de la vacuole,

Noyau central, Distribution homogène du cytoplasme,

Plasmalemme irrégulier qui devient lisse lorsque l’endurcissement est maximal, Disparition progressive des grains d’amidon, Présence de

paramural bodies et de myelin-like

bodies qui disparaissent par la suite

Réapparition progressive d’une large vacuole centrale

Mince couche de cytoplasme à la périphérie

Réapparition des paramural bodies

et des myelin-like bodies

Agrégation de vésicules le long du plasmalemme

~ 72 ~

Nous venons de voir que la résistance au gel est un processus complexe et indispensable pour la survie des espèces. Depuis quelques années, des modèles de prédiction se sont développés en biologie. La résistance au gel a fait l’objet de quelques travaux sur ce sujet.