Effet de couche : une carte unicellulaire de la racine de maïs révèle un régulateur de la diversité cellulaire

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En assemblant un puzzle cellulaire, les chercheurs découvrent des instructions génétiques pour les types de cellules qui aident les cultures à tolérer la sécheresse et les inondations.


Une nouvelle étude utilise de nouvelles techniques de profilage à cellule unique pour révéler comment les plantes ajoutent de nouvelles couches cellulaires qui les aident à résister aux facteurs de stress climatiques comme la sécheresse ou les inondations. La recherche se concentre sur le maïs – une culture d’une importance critique dans le monde – dans le but de créer une carte cellule par cellule du système racinaire de la plante, qui médie le stress de la sécheresse et absorbe les nutriments et les engrais du sol.

Coupe médiane d’une racine de maïs montrant l’expression du gène SHR dans son point de “jumping off” inhabituel dans la couche intermédiaire de cellules appelée endoderme. À partir de ce point, SHR communique avec les couches externes pour générer plusieurs couches de cortex, qui ont des rôles connus dans la symbiose et le stress de la sécheresse et des inondations. Crédit photo: © Carlos Ortiz-Ramírez

La méthode et les résultats

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Pour créer une carte unicellulaire de la racine de maïs, les chercheurs ont d’abord séparé la racine en utilisant des enzymes de digestion de la paroi cellulaire pour générer des cellules uniques flottant librement. De nouvelles approches leur ont ensuite permis d’analyser le contenu en ARNm de cellules individuelles, en distinguant les caractéristiques moléculaires qui conduisent à des types spécifiques de cellules spécialisées, à l’aide de techniques de séquençage de cellule unique à base de gouttelettes miniaturisées. Ils ont ensuite cartographié les cellules jusqu’à leur emplacement dans la racine de maïs, ce qui revient à assembler un puzzle de 10 000 pièces sans guide.

Pour résoudre le casse-tête, les chercheurs ont utilisé des colorants fluorescents qui ont pénétré dans les tissus racinaires à des profondeurs variables pour marquer et isoler différentes couches, comme séparer les couches d’un oignon, leur donnant des repères génétiques pour cartographier les cellules individuelles.  “Cette deuxième couche d’informations nous a essentiellement fourni la boîte de puzzle qui nous a permis de cartographier avec précision les cellules à leur emplacement approprié afin de recréer un modèle 3D d’expression génique dans toute la racine de maïs”, a déclaré Carlos Ortiz-Ramírez du NYU Center for Genomics and Systems Biology et du UGA Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad au Mexique, qui était le premier auteur de l’étude. La nouvelle carte de la racine de maïs a révélé une spécialisation cellulaire non décrite auparavant dans le cortex de la racine.

Le cortex est particulièrement important car il comprend la majeure partie de la racine de maïs précoce et compte plus de 10 couches.  De plus, les sous-types cellulaires du cortex sont d’une importance critique pour les traits qui aident les plantes cultivées à faire face aux facteurs de stress environnementaux. Par exemple, la couche interne du cortex est l’endroit où les champignons symbiotiques échangent des nutriments avec la plante, et une coopération accrue pourrait aider à réduire l’empreinte carbone de l’agriculture. Les couches intermédiaires du cortex créent des tunnels d’air qui permettent l’échange de gaz pendant les inondations, tandis que l’expansion à la demande du cortex peut réduire la perte d’eau pendant le stress hydrique.

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“En utilisant notre modèle 3D de la racine de maïs, nous avons cartographié quatre signatures distinctes de la couche de cortex qui pourraient fournir des cibles génétiques importantes pour une amélioration supplémentaire de la symbiose, des inondations et de la sécheresse”, a déclaré Ortiz-Ramírez. De plus, le groupe a trouvé des indices dans la nouvelle carte de la racine sur la façon dont le maïs pourrait générer les couches supplémentaires de cortex. En particulier, le régulateur génique clé connu sous le nom de SHORT ROOT (SHR), dont la fonction est similaire entre différentes plantes, se trouvait dans une position intrigante différente des autres plantes avec une seule couche de cortex.

Chez Arabidopsis, une petite plante à fleurs couramment utilisée comme organisme modèle en biologie végétale, le SHR a été l’un des premiers facteurs de transcription à se déplacer d’une cellule à l’autre, permettant aux types de cellules internes de donner des instructions aux couches intermédiaires pour créer un nouveau tissu. Cela fait du SHR un type d’organisateur local, dirigeant les tissus racinaires à s’assembler autour d’un motif central. Cependant, dans le maïs, la carte à cellule unique a révélé que SHR était dans une nouvelle position juste à côté des multiples couches de cortex, un point de “jumping off” pratique pour étendre les multiples couches de cortex. En effet, les chercheurs ont suivi le mouvement de la protéine SHR et ont découvert qu’elle était hypermobile, se déplaçant non seulement d’une couche mais de plusieurs couches à travers le cortex.

De plus, les mutations qui ont perturbé la fonction SHR à la fois dans le maïs et le millet de la sétaire du maïs avaient un nombre considérablement réduit de couches de cortex. Cela démontre comment le SHR a conservé son rôle principal dans l’expansion des couches tissulaires et la génération de nouvelles identités cellulaires, mais a changé son emplacement pour ajouter de nouveaux types de cellules qui permettent finalement au maïs de faire face aux stress environnementaux.

Impacts de l’étude

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“Nous avons découvert comment le maïs étend son tissu cortical, qui constitue une grande partie du système racinaire de la culture. L’ajout de couches au tissu cortical est une caractéristique évolutive clé qui permet aux plantes de tolérer la sécheresse et les inondations et d’améliorer l’absorption des nutriments”, a déclaré Kenneth Birnbaum, professeur au département de biologie de l’Université de New York et au Centre de génomique et de biologie des systèmes et auteur de l’article publié dans la revue Science. “Ces caractéristiques seront des cibles essentielles pour permettre aux plantes de résister au réchauffement climatique et de réduire l’empreinte carbone des cultures”, a ajouté Birnbaum, dont le laboratoire de NYU a dirigé le projet en collaboration avec des chercheurs du Cold Spring Harbor Laboratory et de l’Université de Pennsylvanie.

“Identifier SHR a un régulateur clé de l’expansion du cortex est une première étape importante”, a déclaré Birnbaum. “À l’avenir, peaufiner ces régulateurs pourrait fournir des outils pour modifier le nombre de couches ou de sous-types de cortex qui pourraient améliorer leur capacité à résister aux facteurs de stress climatiques comme la sécheresse, ou améliorer l’absorption d’azote, permettant aux plantes d’utiliser moins d’engrais ou de pousser dans un sol pauvre en nutriments”.

Voir la publication

Ortiz-Ramírez et al. (2021). “Ground tissue circuitry regulates organ complexity in maize and Setaria”. Science, Vol 374, Issue 6572, pp. 1247-1252, DOI: 10.1126/science.abj2327

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