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Comment émerge une nouvelle voie métabolique ?
Les gènes impliqués dans le développement des gamètes mâles évoluent plus rapidement que les autres. Une équipe de l’Institut de Biologie Moléculaire des Plantes (UPR2357) à Strasbourg vient de disséquer le mécanisme d’évolution d’une nouvelle voie du métabolisme nécessaire au développement du pollen chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. Ces résultats sont publiés le 25 septembre 2009 dans la revue Science.
Les cytochromes P450 forment la plus vaste famille d’enzymes, très étudiés ces vingt dernières années chez les mammifères en raison notamment de leur rôle dans la biosynthèse des hormones stéroïdes et dans le métabolisme des médicaments. Cette famille est beaucoup plus diversifiée chez les plantes que chez les animaux. Plusieurs centaines voire un millier de gènes codant des P450s ont ainsi évolué dans chaque espèce végétale. Cette diversification enzymatique paraît refléter directement la diversité chimique et métabolique des végétaux.
Les fonctions des cytochromes P450 végétaux ne sont, pour le moment, que très partiellement explorées. L’équipe « Cytochromes P450 végétaux » de l’Institut de Biologie Moléculaire des Plantes a mis en place une stratégie prédictive, basée sur une analyse in silico de co-expression, qui permet d’associer gène et fonction (voir le site CYPedia). Cette approche guide la caractérisation fonctionnelle des gènes orphelins en prédisant leurs fonctions biochimique et biologique. Appliquée à un groupe de gènes proches paralogues*1, elle permet également de mieux révéler les mécanismes évolutifs qui conduisent à l’émergence de nouvelles fonctions.
Les gènes impliqués dans la reproduction sexuée évoluent plus rapidement que les autres, en particulier ceux qui contribuent au développement des gamètes mâles. Cette évolution accélérée contribue à la compétitivité des espèces et à la spéciation. En appliquant son approche prédictive à la famille CYP98 d’Arabidopsis thaliana, les chercheurs ont décrit le processus de rétroposition d’un gène*2 suivi de son évolution accélérée puis de sa duplication ayant conduit à l’émergence d’une nouvelle branche du métabolisme phénolique nécessaire au développement du pollen chez les Brassicaceae*3. Cette nouvelle branche, qui utilise des conjugués de spermidine, suggère l’existence d’une voie alternative de synthèse des monomères phénoliques qui rentrent dans la composition de la lignine ou de la subérine (constituants des parois cellulaires des végétaux). Elle permet d’expliquer divers résultats paradoxaux décrits dans la littérature (notamment la production de monomères de lignine dans les mutants de la voie de biosynthèse décrite jusque là) et relance le débat sur le rôle des polyamines chez les végétaux.
Définitions
*1 : Des gènes paralogues sont des gènes homologues (dérivant d’un même gène ancestal) au sein d'une même espèce.
*2 : La rétroposition d’un gène est la duplication de ce gène par l’intermédiaire de l’ARN messager.
*3 : La famille des Brassicaceae, anciennement appelées Crucifères, est une importante famille de plantes dicotylédones (colza, choux, moutarde).
Modèle des mécanismes évolutifs de la famille CYP98
Une copie d’un gène commun ancestral (CYP98A3) générée à partir de son ARNm est intégrée au sein d’un autre chromosome (phénomène de rétroposition). Cette rétro-copie acquiert ainsi de nouvelles séquences régulatrices qui lui confèrent une expression dans les organes reproducteurs mâles. Ses fonctions évoluent sous l’effet de la pression sélective. Une duplication génique donne enfin naissance à deux gènes codant pour des enzymes aux fonctions distinctes et inédites. ©D. Werck
En savoir plus
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Evolution of a novel phenolic pathway for pollen development.
Matsuno M, Compagnon V, Schoch GA, Schmitt M, Debayle D, Bassard JE, Pollet B, Hehn A, Heintz D, Ullmann P, Lapierre C, Bernier F, Ehlting J, Werck-Reichhart D.
Science (2009), 325(5948):1688-1692.
Contact chercheur
Institut de Biologie Moléculaire des Plantes
CNRS UPR2357
Université de Strasbourg
28 Rue Goethe
67083 Strasbourg Cedex
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