Montréa, Québec, Canada
September 10, 2009
Contrairement aux humains, les plantes ne peuvent ni fuir ni se cacher lorsqu'elles sont exposées à des conditions de stress dans leur environnement. Comment font-elles alors pour survivre? Une nouvelle étude de l'Université de Montréal, dont les résultats sont publiés dans le journal Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, a permis de découvrir un mécanisme important de contrôle des mutations dangereuses des gènes qui assure la continuation des espèces vertes.
« Nous avons découvert un nouveau mécanisme qu'utilisent les plantes pour prévenir l'apparition de modifications dangereuses dans leurs gènes, mais qui pourrait en même temps donner lieu à certaines mutations utiles, a indiqué le Dr. Normand Brisson, professeur de biochimie à l'Université de Montréal, qui a fait cette découverte avec deux de ses étudiants diplômés, Alexandre Maréchal et Jean-Sébastien Parent (à gauche et à droite sur la photo).
« Les mutations ont joué un rôle essentiel dans l'évolution des plantes, permettant par exemple d'augmenter leur valeur nutritive, leur résistance aux maladies et aux conditions climatiques hostiles, poursuit le Dr. Brisson. Nos résultats ouvrent également de nouvelles voies de recherche pour l'étude de mécanismes similaires de réparation des gènes chez humain. »
La mutation des gènes chez les plantes
Tout être vivant est constamment exposé à des stress pouvant entraîner des mutations génétiques; si rien n'est fait, ces mutations peuvent avoir des conséquences désastreuses comme le développement de cancers chez l'humain ou la résistance des tumeurs aux médicaments de lutte contre le cancer. Les cellules ont développé un arsenal de mécanismes dans le but de corriger ces mutations, notamment en utilisant des stratégies découvertes récemment qui peuvent aussi modifier le nombre de copies de chacun des gènes. Ces mécanismes de correction ont attiré l'intérêt des chercheurs puisqu'ils pourraient jouer un rôle essentiel dans l'évolution des espèces. Par exemple, bien que les gènes du chimpanzé et de l'homme soient pratiquement identiques, des différences dans le nombre de copies des gènes pourraient expliquer certaines distinctions entre ces espèces.
Le Dr. Brisson soupçonnait qu'une famille de protéines qu'il a étudiée pendant des années, appelées Whirlies (du fait de leur structure particulière qui rappelle celle d'un petit moulin à vent) pourrait être importante pour la protection contre les mutations dans les cellules végétales, notamment dans le chloroplaste, le centre de la photosynthèse qui permet aux plantes de transformer le gaz carbonique en sucre et de dégager l'oxygène que nous respirons.
Avec ses étudiants et le Dr. Franz Lang, professeur de biochimie, il a démontré que les Whirlies sont essentiels à la prévention de réarrangements majeurs du matériel génétique pouvant entraîner la création de nombreuses copies de gènes. Cette découverte est importante étant donné que le nombre de copies de chaque gène doit respecter un équilibre précis avec les autres gènes afin que tous puissent bien fonctionner ensemble.
Même si d'un côté la multiplication des gènes peut être préjudiciable, elle peut aussi s'avérer un mécanisme d'adaptation important aux changements environnementaux; il est donc possible que, dans certains cas, ce type de mutations permette en fait aux êtres vivants de survivre dans un environnement en pleine évolution.
« Les effets des changements climatiques et de la pollution industrielle sur la santé des humains nous préoccupent et nous pouvons facilement oublier à quel point l'augmentation de la température moyenne et des concentrations de polluants nuit aussi aux plantes sur lesquelles nous dépendons pour notre survie, a souligné le Dr. Brisson. Ces changements rapides des conditions environnementales créent un stress important sur les cultures, les arbres et les plantes sauvages, et pourraient avoir des effets imprévus sur leurs gènes. »
Partenaires de recherche
La recherche du professeur Brisson est subventionnée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada et le Fonds québécois de la recherche sur la nature et les technologies.
Sur le Web :
Evolution coup: University of Montreal study reveals how plants protect their genes
Unlike animals and humans, plants can't run and hide when exposed to stressful environmental conditions. So how do plants survive? A new Université de Montréal study, published in the journal Proceedings of the National Academy of Sciences, has found a key mechanism that enables plants to keep dangerous gene alterations in check to ensure their continued existence.
“We've discovered a new pathway that plants use to protect their genes against dangerous alterations that could also allow some useful mutations to occur,” says Normand Brisson, a Université de Montréal biochemistry professor who made his discovery with graduate students Alexandre Maréchal and Jean-Sébastien Parent.
“Such mutations played an important role in the evolution of plants with high nutritional value, resistance to disease and harsh climate that are so important to modern agriculture,” adds Dr. Brisson. “Our results open new research avenues for the study of similar mechanisms of gene repair in humans that might be important for human evolution, our responses to stress and the prevention of devastating diseases.”
How do plant genes mutate?
All living things are constantly exposed to stressors that can provoke gene mutations, yet if uncorrected such mutations can have disastrous consequences such as the development of cancers in humans or cell resistance to cancer-fighting drugs. Cells have evolved a battery of mechanisms to correct mutations, including recently discovered strategies that can also modify the number of copies of individual genes. These corrective mechanisms have attracted a lot of scientific interest since they could play a key role in species evolution. For example, while chimps and humans have almost identical genes, differences present in the number of copies of individual genes could account for distinctions between these species.
Dr Brisson suspected that a protein family he has studied for years, called the “Whirlies” (because of their peculiar structure similar to a whirligig) might be important to protect against mutations in plant cells – specifically in the chloroplast – the engine of photosynthesis that allows plants to transform carbon dioxide into sugar and expel the oxygen we breathe.
Working with his students and Biochemistry Professor Franz Lang, they showed that Whirlies are key to preventing major rearrangements of genes that could result in the creation of multiple gene copies. The discovery is important, since the number of copies of a gene must be kept scrupulously in balance with other genes so they can function correctly together.
Even though gene multiplication can be thought of as detrimental, such multiplication can be an important adaptation to stressors and so keeping such mutations in check must be balanced against creating mutations that may actually help living things survive in changing conditions.
“As the effects of climate change and industrial pollution cause increasing concern for human health, we might overlook how increases in temperature and pollutants affect the plants we depend on for our survival,'' stresses Dr. Brisson. “These rapid changes in environmental conditions all cause great stress on crops, trees and wild plants and could have further unforeseen effects on their genes.”
Partners in research:
Professor Brisson's research is supported by the National Science and Engineering Research Council and the Fonds québécois de la recherche sur la nature et les technologies.
On the Web:
Topics
Species
