La lumière du soleil fournit l’énergie nécessaire à la photosynthèse et à la croissance, mais elle expose aussi les plantes aux rayonnements ultraviolets-B (UV-B), nocifs. Les plantes doivent donc trouver un équilibre délicat entre croissance et protection. En étudiant Marchantia polymorpha, une plante similaire aux premiers végétaux terrestres, une équipe internationale, dirigée par des scientifiques de l’Université de Genève (UNIGE), met en lumière l’évolution des mécanismes fondamentaux de perception des UV-B et des stratégies d’adaptation des plantes face au stress lumineux. À l’heure où les changements climatiques modifient les conditions d’exposition au rayonnement solaire, ces résultats, publiés dans la revue Plant Physiology, fournissent de précieuses informations.
Indispensable à la photosynthèse, qui permet aux plantes de fabriquer des molécules organiques (sucres) et d’induire la production d’oxygène, la lumière peut aussi avoir des effets délétères sur elles. Tout comme chez les êtres humains, les UV-B peuvent provoquer des lésions au niveau de l’ADN ou des membranes cellulaires, et par ailleurs endommager les mécanismes responsables de la photosynthèse. Au cours de l’évolution, les plantes ont mis en place un système reposant sur un photorécepteur clé, UVR8, pour se protéger des rayons UV-B. Lorsque ce capteur les absorbe, il déclenche une cascade de réactions moléculaires qui modifient l’expression de nombreux gènes et la production de molécules impliquées dans la protection et l’acclimatation.
Chez les plantes à fleurs récentes, notamment l’Arabette des dames, cette voie de signalisation implique plusieurs protéines régulatrices qui contrôlent l’expression de nombreux gènes liés à la croissance et à la tolérance au stress lumineux. Mais comment ce mécanisme de défense s'est-il développé au cours de l'évolution? Le laboratoire de Roman Ulm, professeur ordinaire au Département des sciences végétales de la Section de biologie de la Faculté des sciences de l’UNIGE, s’est intéressé à l’hépatique des fontaines (Marchantia polymorpha), une espèce issue d’une lignée apparue il y a plus de 400 millions d’années, au moment où les premiers végétaux ont commencé à coloniser les terres émergées.
Un système de défense ancestral
Les scientifiques montrent que le mécanisme fondamental d’activation d’UVR8 est remarquablement conservé entre Marchantia et les plantes à fleurs actuelles. Ce noyau ancestral comprend notamment l’activation du photorécepteur UVR8 par les UV-B ainsi que son mécanisme de désactivation.
Cependant, l’étude met également en évidence une évolution importante des interactions entre ces composants. «Nos travaux montrent que chez Marchantia polymorpha, certaines protéines régulatrices jouent des rôles différents de ceux observés chez les plantes plus récentes. Par exemple, la protéine SPA, qui agit avec le régulateur central COP1 dans le contrôle de la croissance des plantes chez l’Arabette, joue un rôle très différent chez Marchantia. Alors qu’elle participe fortement à la régulation du développement chez les plantes à fleurs, son influence apparaît beaucoup plus limitée dans cette hépatique ancestrale. Les mutants de Marchantia dépourvus de SPA présentent même une tolérance accrue aux UV-B, suggérant que cette protéine agit ici comme un frein à la réponse protectrice», expliquent Yuanke Liang et Roman Podolec, postdoctorants dans le laboratoire de Roman Ulm et co-premiers auteurs de l’étude.
«Nos résultats suggèrent que, si les ‘‘briques’’ fondamentales du système étaient déjà en place très tôt dans l’évolution des plantes, leur organisation et leur régulation ont été progressivement remodelées», résume Roman Ulm.
En apportant un éclairage nouveau sur l’évolution des mécanismes d’adaptation à la lumière, cette étude contribue à une meilleure compréhension de la résilience des plantes face aux stress environnementaux. Dans un contexte de changements climatiques, ces connaissances pourraient aider à anticiper les réponses des végétaux à l’évolution des conditions lumineuses.