La multiplication végétative des plantes cultivées se rapproche

Les graines sont le produit final de la multiplication des plantes. Directement sous forme de nourriture ou indirectement sous forme d’aliments pour le bétail, elles fournissent environ 80 pour cent de la consommation de calories de l’humanité. Depuis que l’homme s’est sédentarisé, il a créé au fil des millénaires d’innombrables variétés de plantes présentant des caractéristiques avantageuses telles qu’un rendement accru, une amélioration de la qualité, une résistance aux parasites ou la rusticité.

Dans la mesure du possible, les agriculteurs utilisent des variétés hybrides, obtenues par croisement de deux lignées consanguines, qui sont plus résistantes et plus productives que les variétés normales. Le problème est que ces propriétés recherchées sont perdues lors de la multiplication et qu'il faut donc recréer des semences hybrides chaque année.

Un signal dérivé du sperme active la division cellulaire de la cellule germinale femelle
 

Si l’on parvenait à multiplier les plantes cultivées par reproduction asexuée - appelée apomixie - au moyen de graines, cela révolutionnerait l'agriculture. En effet, s'il était possible de contourner la fécondation des cellules germinales femelles par les spermatozoïdes mâles, les graines produites seraient génétiquement identiques à la plante mère. Des variétés de plantes aux propriétés souhaitées pourraient ainsi être multipliées beaucoup plus facilement, sous forme de clones de semences. Ueli Grossniklaus et son équipe du département de botanique et de microbiologie de l'université de Zurich (UZH) se sont rapprochés de cet objectif. « Nous avons découvert, dans la plante modèle qu'est l’arabette, le signal qui active la cellule germinale femelle lors de la fécondation afin de former une nouvelle graine », explique Ueli Grossniklaus.

Le processus de fécondation chez les plantes se déroule en deux temps. Deux spermatozoïdes fusionnent chacun avec une cellule germinale femelle : un spermatozoïde féconde l'ovule, ce qui donne naissance à l’embryon et, finalement, à la génération suivante, tandis que le second fusionne avec la cellule centrale, qui se transforme en un tissu nourricier tel le placenta, lequel fournit des nutriments à l'embryon. Ensemble, ils se développent en sperme. Pour que la fécondation réussisse, les spermatozoïdes et les cellules germinales femelles doivent se trouver dans la même phase du cycle cellulaire - en d'autres termes, ils doivent être « synchronisés » l'un avec l'autre.

La synchronisation précède la division des cellules germinales
 

Les scientifiques savaient que les spermatozoïdes de l’arabette des champs (Arabidopsis thaliana) se trouvaient en phase de préparation à la division cellulaire. L'équipe de Grossniklaus vient de montrer que l'ovule se trouve également dans cet état de repos. La cellule centrale, en revanche, reste bloquée au milieu de la phase précédente, au cours de laquelle le matériel génétique est dupliqué. Alors que le spermatozoïde et l’ovule se trouvent dans la même phase du cycle cellulaire, la cellule centrale doit d'abord achever la synthèse de l'ADN après la fécondation avant de pouvoir commencer la première division.

Cette interruption du cycle cellulaire est causée par une protéine qui n'est pas complètement dégradée dans la cellule centrale et qui est donc encore présente. Si le spermatozoïde féconde la cellule germinale, il introduit en même temps la protéine cycline, qui active alors la décomposition de la protéine inhibitrice. Ce n'est qu'à ce moment-là que la cellule centrale peut achever la duplication de l'ADN et passer à la phase suivante du cycle cellulaire.

« Pour la première fois, nous avons réussi à décrypter le mécanisme moléculaire par lequel le signal est délivré par le spermatozoïde à la cellule germinale afin de la faire sortir de son état de repos. Ce signal indique à la cellule centrale que la fécondation a réussi et que la division cellulaire peut maintenant avoir lieu », explique Sara Simonini, première auteure de l'étude.

Reproduction asexuée pour les cultures
 

Si l'arabette a été génétiquement modifiée de manière à ce que les cellules centrales produisent elles-mêmes la protéine cycline, les cellules germinales commencent à se diviser même en l'absence de fécondation. « Nous pouvons désormais déclencher cette activation de manière ciblée, même en l'absence de fécondation. Cela ouvre de nouvelles possibilités d'introduire l'apomixie dans les plantes cultivées, en particulier dans les variétés hybrides qui sont plus résistantes et qui obtiennent des rendements plus élevés que les variétés normales », explique Ueli Grossniklaus.

Si l'apomixie pouvait être utilisée dans les cultures, des millions de petits agriculteurs du Sud auraient pour la première fois accès à des semences hybrides, dont ils pourraient conserver les graines pour les semis suivants.

(UZH/wi)

Littérature :
Sara Simonini, Stefano Bencivenga et Ueli Grossniklaus. Un signal paternel induit la prolifération de l'endosperme lors de la fécondation chez Arabidopsis. Science. 9 février 2024. DOI : 10.1126/science.adj4996