Explorer les signaux de cellule à cellule dans les plantes qui déclenchent la photosynthèse et les mécanismes de défense

Les feux de circulation signalent aux voitures et aux bus quand s’arrêter, ralentir et repartir. Tout comme les feux de circulation, les cellules végétales s’envoient des signaux pour effectuer la photosynthèse afin de se développer ou de combattre les virus et agents pathogènes destructeurs.

Les cellules végétales produisent des plasmodesmes, de minuscules tubes qui agissent comme des canaux de communication, permettant à ces signaux de se déplacer d’une cellule à l’autre. Les plasmodesmes s’ouvriront et se fermeront en réponse à divers signaux qui activent les régulateurs protéiques tels que PDLP5.

“Nous savions que cette protéine est essentielle à la défense des plantes”, a déclaré Jung-Youn Lee, professeur de biologie moléculaire et cellulaire végétale à l’Université du Delaware et directeur par intérim du Delaware Biotechnology Institute. “Mais comment cette protéine parvient-elle aux plasmodesmes ?”

La question – comment ces régulateurs protéiques trouvent leur destination pour remplir leur objectif et aider une cellule à fonctionner – tourmentait les scientifiques. Jusqu’à ce que l’Université du Delaware s’implique.

Dans une nouvelle recherche qui a fait la couverture de la revue La cellule végétaleles chercheurs de l’UD ont découvert que la protéine PDLP5 qui aide à protéger les plantes de l’invasion de virus et de bactéries possède non pas un, mais deux signaux de ciblage spéciaux, ou « codes postaux » comme les appelle Lee, stationnés de manière inattendue à l’extérieur des cellules.

“C’est presque comme si vous aviez un code postal caché sur un côté inhabituel de l’enveloppe”, a déclaré Lee. “Nous avons fait plus que simplement localiser le code postal : nous l’avons déchiffré. Nous comprenons désormais où se trouve le code postal et à quoi il ressemble.”

Une équipe de recherche interdisciplinaire composée de biologistes et d’informaticiens a développé des algorithmes d’apprentissage automatique et introduit des mutations dans la séquence protéique de PDLP5 et réintroduite dans les espèces végétales Arabidopsis thaliana et Nicotiana benthamiana pour examiner si PDLP5 irait ou non vers les plasmodesmes de ces plantes et pour trouver où le deuxième code postal est. L’équipe a découvert que même si elle se débarrassait d’un code postal, PDLP5 irait toujours très bien aux plasmodesmes.

“Cela nous a donné beaucoup de maux de tête”, a déclaré Lee. “Au départ, nous n’avions jamais vraiment pensé qu’il y avait deux codes postaux côte à côte.”

Deux « codes postaux »

Historiquement, les plantes soumises à une attaque virale étaient considérées comme des « perdants impuissants », a déclaré Lee. Mais en 2011, Lee et son équipe de chercheurs ont découvert que les plantes envoient des signaux via les plasmodesmes aux cellules pour qu’elles « ferment leurs frontières » afin de se défendre contre les agents pathogènes. Cette nouvelle idée a été rendue possible grâce à leur étude de la protéine alors nouvellement identifiée, PDLP5.

Ils voulaient savoir comment les plantes dirigent ces protéines PDLP5 pour aider les plasmodesmes à fermer leurs canaux.

Il y a plusieurs années, Xu Wang, ancien étudiant de Lee et diplômé de l’UD 2017, travaillait sur sa thèse de doctorat étudiant la communication de cellule à cellule végétale et la fonction des protéines qui iraient aux plasmodesmes.

“J’essayais de déterminer quelle partie de la protéine localisée dans les plasmodesmes est importante”, a déclaré Wang, “et si cette partie contient une caractéristique plus universelle ou commune qui peut nous aider à comprendre les mécanismes de localisation d’autres protéines, non seulement pour les protéines que nous étudions.

Lorsque Wang a introduit diverses mutations dans PDLP5 pour tenter de le découper, il a été stupéfait par ce qui s’est passé ensuite.

“Rien n’a changé”, a déclaré Wang. “La forme mutée, ou une forme abrégée, allait toujours aux plasmodesmes.”

Wang sentit son étude et le dernier morceau de sa thèse bloqués.

Après l’obtention du diplôme de Wang, Lee a fait appel à des informaticiens pour développer des algorithmes d’apprentissage automatique afin d’aider à résoudre le mystère.

Li Liao, professeur agrégé d’informatique et de sciences de l’information, qui a travaillé avec Lee et son postdoctorant nouvellement recruté Gabriel Robles Luna (actuellement membre du corps professoral d’une université en Argentine) sur la recherche, a déclaré qu’un modèle informatique a entraîné les algorithmes d’apprentissage automatique à faire deux types de prédictions.

Le modèle prédirait si une séquence protéique était une protéine ciblant PDLP5 qui irait ou non aux plasmodesmes et prédirait où se trouvent les signaux de ciblage dans la séquence protéique.

“L’un des défis était le fait que nous disposions de données d’entraînement très limitées, seulement huit séquences protéiques de ce type”, a déclaré Liao. « Désormais, l’apprentissage automatique est puissant car il peut s’entraîner sur de grandes quantités de données. Ce ne sera pas facile si vous disposez d’une petite quantité de données pour entraîner un modèle.

Pour surmonter cela, Liao et son nouveau doctorant Jiefu Li, diplômé de l’UD 2021, ont dû former le modèle d’une nouvelle manière.

“Nous avons développé de nouveaux mécanismes, notamment la révision de l’algorithme de formation standard pour gérer les signaux partiels”, a déclaré Liao. “Si nous connaissons des modèles provisoires, nous pouvons les intégrer dans l’algorithme de formation. Cela nous permettra, plus important encore, de procéder à un apprentissage actif.”

Comprendre la régulation des protéines dans les cellules végétales peut à terme aider les scientifiques à créer génétiquement de nouvelles cultures capables de combattre rapidement les virus et autres agents pathogènes microbiens, a déclaré Lee. C’est une façon supplémentaire d’améliorer le fonctionnement des plantes et des cultures.

“Cela devient une nouvelle boîte à outils intéressante pour les scientifiques”, a déclaré Lee. “Nous disposons de mécanismes et de molécules que nous pouvons manipuler.”

Wang a accepté, ajoutant que le génie génétique des plantes avec des protéines localisées dans les plasmodesmes qui peuvent ouvrir et fermer les canaux aidera à « manipuler la condition physique globale de la plante ou la défense de la plante pour potentiellement avoir certains avantages agricoles ».

La recherche ne s’arrête pas là. Les chercheurs ont soumis une autre proposition de subvention à la National Science Foundation pour poursuivre leurs recherches. Désormais, l’équipe souhaite utiliser des algorithmes d’apprentissage automatique pour savoir comment les signaux protéiques sont utilisés. Comme la façon dont un chauffeur UPS peut utiliser un code postal pour livrer un colis. Lee a déclaré que l’équipe souhaitait connaître les tenants et les aboutissants de l’ensemble du « système de distribution », y compris les protéines impliquées et les acteurs inconnus.

“Si nous manipulons simplement le code postal, cela pourrait fonctionner 50 % du temps”, a déclaré Lee. “Mais si nous savons qui est le livreur et améliorons ou modifions le livreur pour qu’un virus ne puisse plus être transféré aux plasmodesmes, si nous pouvons changer le système, les plantes reconnaîtront mieux les envahisseurs et sauront ne pas les livrer aux plasmodesmes. “.