Geneva and Neuchatel, Switzerland
August 2, 2018
When a seed germinates, it only has two days to turn into a seedling capable of photosynthesis, before having exhausted its reserves. Swiss researchers reveal the underlying mechanism of this process.
Proplastid (yellow) in a seed embryo cell. The wall (brown) separates two cells, their vacuoles (light grey) and their cytoplasm (blue). © Sylvain Loubéry, UNIGE.
Précurseur de chloroplaste (jaune) dans une cellule d’embryon de graine. La paroi (brun) sépare deux cellules, leurs vacuoles (gris clair) et leur cytoplasme (bleu). © Sylvain Loubéry, UNIGE.
During germination, the embryo within the seed must develop into a young seedling capable of photosynthesis in less than 48 hours. During this time, it relies solely on its internal reserves, which are quickly consumed. It must therefore rapidly create functional chloroplasts, cellular organelles that will enable it to produce sugars to ensure its survival. Researchers from the University of Geneva (UNIGE) and the University of Neuchâtel (UniNE), Switzerland, have revealed in the journal Current Biology the key elements that control the formation of chloroplasts from proplastids, hitherto poorly studied organelles. Such a mechanism ensures a rapid transition to autonomous growth, as soon as the seed decides to germinate.
The surprising propagation and diversification of flowering plants in terrestrial environments are mainly due to the appearance of seeds during evolution. The embryo, which is dormant, is encapsulated and protected in a very resistant structure, which facilitates its dispersion. At this stage, it cannot perform photosynthesis and, during germination, it will thus consume the nutritive reserves stored in the seed. This process induces the transformation of a strong embryo into a fragile seedling. “This is a critical stage in the life of a plant, which is closely regulated, notably by the growth hormone gibberellic acid (GA). The production of this hormone is repressed when external conditions are unfavorable”, explains Luis Lopez-Molina, Professor at the Department of Botany and Plant Biology of the UNIGE Faculty of Science.
Import proteins submitted to the cell shredder
The awakening of the embryo causes the differentiation of its proplastids into chloroplasts, biological factories capable of producing sugar thanks to photosynthesis. “Thousands of different proteins must be imported into the developing chloroplasts, and this process can only take place in the presence of a protein called TOC159. If it is lacking, the plant will be depleted in chloroplasts and will remain albino”, explains Felix Kessler, Director of the Plant Physiology Lab and Vice-Rector of the UniNE.
How does the seed decide whether to keep the embryo in a protected state or, on the contrary, to take a chance and let it germinate? “We have discovered that, as long as GA is suppressed, a mechanism is set up, which ensures that TOC159 proteins are transported to the cellular waste bin in order to be degraded”, explains Venkatasalam Shanmugabalaji, researcher within the Neuchâtel group and first author of the study. In addition, other proteins needed for photosynthesis, of which TOC159 facilitates importation, suffer the same fate.
A high-performance biomechanism
When external conditions become favorable for germination, the GA concentration increases in the seed. The biologists discovered that high concentrations of this hormone indirectly block the degradation of TOC159 proteins. The latter can therefore be inserted into the membrane of the proplastids and enable the import of photosynthetic proteins cargoes, which also escape the cellular waste bin.
The genesis of the first functional chloroplasts, implemented in less than 48 hours, therefore ensures a rapid transition from a growth depending on the embryo’s reserves to an autonomous development. This high-performance mechanism contributes to the survival of the seedling in an inhospitable environment, in which it will have to face many challenges.
This research is published in Current Biology
DOI: 10.1016/j.cub.2018.06.006
Lorsque la graine devient plante, elle a 48 heures pour survivre
Lorsqu’une graine germe, elle n’a que deux jours avant d’avoir épuisé ses réserves pour se transformer en plantule capable de photosynthèse. Des chercheurs romands en dévoilent le mécanisme.
Lors de la germination, l’embryon doit se transformer en jeune plantule capable de photosynthèse en moins de 48 heures. Pendant ce temps, il compte uniquement sur ses réserves internes, qui sont rapidement consommées. Il doit donc créer en un temps record des chloroplastes fonctionnels, des organites cellulaires qui lui permettront de produire des sucres pour assurer sa survie. Des chercheurs de l’Université de Genève (UNIGE) et de l’Université de Neuchâtel (UniNE) ont révélé dans la revue Current Biology les éléments-clés qui président à la formation de chloroplastes à partir de proplastes, jusqu’alors peu étudiés. Un tel mécanisme assure une transition rapide vers une croissance autonome, dès que la graine se décide à germer.
L’étonnante propagation et diversification des plantes à fleurs en milieu terrestre sont principalement dues à l’apparition des graines au cours de l’évolution. L’embryon, dormant, est encapsulé et protégé dans une structure très résistante, ce qui facilite sa dispersion. A ce stade, il ne peut pas faire de photosynthèse et devra donc consommer les réserves nutritives emmagasinées dans la graine, au cours de la germination. Ce processus, quant à lui, induit la transformation d’un embryon robuste en une jeune pousse fragile. «Il s’agit d’une étape critique dans la vie d’une plante, qui est étroitement réglementée, notamment par l’hormone de croissance acide gibbérellique (GA). La production de cette hormone est réprimée lorsque les conditions extérieures sont défavorables», explique Luis Lopez-Molina, professeur au Département de botanique et biologie végétale de la Faculté des sciences de l’UNIGE.
Des protéines d’importation soumises au broyeur cellulaire
Le réveil de l’embryon provoque la différenciation de ses proplastes en chloroplastes, de véritables usines capables de produire du sucre grâce à la photosynthèse. «Des milliers de protéines différentes doivent être importées dans les chloroplastes en formation, et ce processus ne peut se dérouler qu’en présence d’une protéine appelée TOC159. Si celle-ci fait défaut, la plante sera dépourvue de chloroplastes et demeurera albinos», explique Felix Kessler, directeur du Laboratoire de physiologie végétale et vice-recteur de l’UniNE.
Quel est le dialogue qui s’établit au cœur de la graine pour qu’elle demeure dans un état protégé ou, au contraire, se décide à germer? «Nous avons découvert que, tant que l’hormone GA est réprimée, un mécanisme se met en place pour que les protéines TOC159 soient acheminées vers la voirie cellulaire afin d’y être dégradées», détaille Venkatasalam Shanmugabalaji, chercheur au sein du groupe neuchâtelois et premier auteur de l’étude. Par ailleurs, d’autres protéines nécessaires à la photosynthèse, et dont TOC159 facilite l’importation, subissent le même sort.
Un biomécanisme ultraperformant
Lorsque les conditions extérieures deviennent favorables à une germination, la concentration d’hormone GA augmente dans la graine. Les biologistes ont démontré qu’elle bloque indirectement la dégradation des protéines TOC159. Celles-ci peuvent donc s’insérer dans la membrane des proplastes et permettre l’importation des cargaisons de protéines photosynthétiques qui échappent, elles aussi, à la voirie cellulaire.
La genèse des premiers chloroplastes fonctionnels, mise en place en moins de 48 heures, assure dès lors un passage rapide d’une croissance dépendante des réserves de l’embryon à un développement autonome. Ce mécanisme ultraperformant contribue à la survie de la jeune pousse dans un environnement inhospitalier, dans lequel elle va devoir affronter de nombreux défis.
Reference:
- Venkatasalam Shanmugabalaji, Hicham Chahtane, Sonia Accossato, Michèle Rahire, Guillaume Gouzerh, Luis Lopez-Molina, Felix Kessler. Chloroplast Biogenesis Controlled by DELLA-TOC159 Interaction in Early Plant Development. Current Biology, 2018; DOI: 10.1016/j.cub.2018.06.006
Topics
Species
