Une équipe de phytologues du Sainsbury Laboratory Cambridge College (SLCU) aimerait transformer cette science-fiction en réalité en utilisant des messages basés sur la lumière pour « parler » aux plantes.
Les premières expériences en laboratoire sur le tabac (Nicotiana benthamiana) ont démontré qu’il pouvait activer le mécanisme de défense naturel de la plante (réponse immunitaire) en utilisant la lumière comme stimulus (messager).
La lumière est un moyen universel de interaction humaine quotidienne, par exemple la signalisation aux feux tricolores, aux passages pour piétons ou l’état ouvert-fermé d’un magasin.
L’équipe de recherche d’Alexander Jones utilise la lumière comme messager dans le développement d’outils permettant aux plantes de communiquer avec les humains et aux humains de communiquer avec les plantes.
L’équipe de l’Université de Cambridge a précédemment conçu une série de biocapteurs utilisant une lumière fluorescente pour communiquer visuellement en temps réel ce qui se passe au niveau cellulaire des plantes, révélant ainsi la dynamique des hormones végétales critiques. Ces biocapteurs peuvent nous indiquer comment les plantes réagissent aux anxiety environnementaux : les plantes « parlent » aux humains.
Leur dernière recherche publiée dans PLOS Biology décrit un nouvel outil appelé Highlighter, qui utilise des situations d’éclairage spécifiques pour activer l’expression d’un gène cible dans les plantes, par exemple pour déclencher leurs mécanismes de défense – les humains « parlent » aux plantes.
L’idée selon laquelle les humains sont capables de communiquer de manière significative avec les plantes a longtemps captivé l’imagination des gens. Si une telle capacité était possible, elle pourrait révolutionner l’agriculture et notre relation avec les plantes.
« Si nous pouvions avertir les plantes d’une épidémie imminente de maladie ou d’une attaque de ravageurs, les plantes pourraient alors activer leurs mécanismes de défense naturels pour éviter des dommages généralisés », a déclaré le Dr Jones. « Nous pourrions également informer les plantes de l’approche d’événements météorologiques extrêmes, tels que des vagues de chaleur ou des sécheresses, leur permettant ainsi d’ajuster leurs modèles de croissance ou de conserver l’eau. Cela pourrait conduire à des pratiques agricoles furthermore efficaces et durables et réduire le besoin de produits chimiques. »
Bo Larsen, qui a conçu Highlighter alors qu’il était au SLCU, nous a fait faire un pas de additionally vers cet objectif de « parler » avec les plantes en concevant un système d’expression génique contrôlé par la lumière (système optogénétique) d’un système procaryote à un système eucaryote adapté. pour les plantes.
L’optogénétique peut mettre en lumière les processus biomoléculaires chez les plantes
Pour comprendre l’activité cellulaire, les biologistes doivent être capables de contrôler les processus biomoléculaires au niveau cellulaire. L’optogénétique est une procedure scientifique qui utilise un stimulus lumineux pour activer ou désactiver un processus spécifique. « Les stimuli lumineux sont bon marché, réversibles, non toxiques et peuvent être délivrés en haute résolution », a déclaré le Dr Jones.
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Pour ce faire, les scientifiques conçoivent des protéines sensibles à la lumière (photorécepteurs) pour contrôler un processus cible, puis délivrent ces « actionneurs » optogénétiques aux cellules qu’ils souhaitent contrôler.
L’optogénétique a révolutionné de nombreux domaines, notamment les neurosciences, où les biologistes peuvent isoler les fonctions de neurones individuels.
Cependant, l’optogénétique s’avère difficile à appliquer aux plantes. En effet, les plantes contiennent déjà de nombreux photorécepteurs et ont besoin d’un huge spectre de lumière pour se développer. Passer de l’obscurité à la lumière lively également les photorécepteurs des plantes indigènes et une myriade de systèmes cellulaires.
Ce problème est exacerbé par le fait que bon nombre des actionneurs optogénétiques les furthermore performants utilisent des events génétiques de plantes, ce qui signifie qu’ils pourraient interagir avec les photorécepteurs natifs s’ils étaient utilisés dans les plantes.
L’histoire derrière la recherche
Le Dr Jones, à la recherche d’un commutateur optogénétique d’expression génique qui pourrait être appliqué dans des disorders normales de lumière horticole sans effect sur la physiologie et le développement des plantes endogènes, a demandé conseil à J. Clark Lagarias, de l’UC Davis, specialist en lumière phytochrome et cyanobactériochrome. interrupteurs.
Il a suggéré de réutiliser le système optogénétique procaryote CcaS-CcaR, qui provenait à l’origine de microbes photosynthétiques et qui utilise le rapport entre les signaux lumineux vert (allumé) et rouge (éteint). En modulant le spectre de lumière blanche dont les plantes ont besoin pour croître, les gènes pourraient être activés ou désactivés à l’aide d’un stimulus peu invasif.
Mais lors du développement de Highlighter dans un système optogénétique eucaryote, le Dr Larsen a détecté un comportement inattendu de bleuissement. La conversion aurait-elle pu modifier les propriétés spectrales vert-rouge du photorécepteur CcaS ?
En collaboration avec Alex Jones, Ines Camacho et Richard Clarke du Laboratoire countrywide de physique (NPL), ils ont détecté que le nouveau système était toujours able d’utiliser la lumière verte et rouge, tout comme le système d’origine. Mais l’analyse spectroscopique au NPL a également montré une détection indépendante de la lumière bleue. Le co-auteur Roberto Hofmann a remarqué qu’en moreover du domaine de détection rouge-vert, CcaS possédait un domaine homologique avec les photocapteurs à lumière bleue appelé phototropines. Il semble que les initiatives d’ingénierie aient par inadvertance déverrouillé un comportement latent de détection du bleu CcaS, offrant ainsi un autre moyen de contrôler l’activité CcaS-CcaR.
Le surligneur est un outil optogénétique pour les plantes
Lorsqu’il est déployé dans les plantes, Highlighter utilise des signaux lumineux peu invasifs pour l’activation et l’inactivation, et n’est pas affecté par le cycle lumière-obscurité dans les chambres de croissance.
Le système de surligneur actuel est inactif dans des circumstances de lumière bleue et actif dans l’obscurité et sous des conditions de lumière blanche, de lumière verte et, mystérieusement, de lumière rouge. Des travaux supplémentaires sont prévus pour faire progresser le développement du surligneur, mais l’équipe a déjà démontré un contrôle optogénétique sur l’immunité des plantes, la creation de pigments et une protéine fluorescente jaune, cette dernière à résolution cellulaire.
« Highlighter constitue une avancée importante dans le développement d’outils optogénétiques chez les plantes et son contrôle génétique à haute résolution pourrait être appliqué à l’étude d’un huge éventail de issues fondamentales en biologie végétale », a ajouté le Dr Jones. « Une boîte à outils de lifestyle de plantes, dotée de diverses propriétés optiques, ouvre également des opportunités passionnantes pour l’amélioration des cultures. Par exemple, à l’avenir, nous pourrions utiliser une issue d’éclairage pour déclencher une réponse immunitaire, puis une problem d’éclairage différente pour chronométrer avec précision un trait particulier. comme la floraison ou la maturation.
