Ravageurs dans l'agriculture : Weizmann (Israël) explique comment les plantes se défendent pour les renforcer
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Une tache brune sur une feuille de plante peut être un signe que les défenses de la plante sont à pied d’œuvre : lorsqu’une plante est infectée par un virus, un champignon ou une bactérie, sa réponse immunitaire empêche la maladie de se propager en tuant la cellule infectée, ainsi que quelques autres environnantes. La nouvelle étude de l’institut Weizmann des Sciences pointe les origines de l’évolution de ce mécanisme immunitaire végétal.
L’étude peut aider à expliquer comment fonctionnent les principales défenses des plantes et comment elles peuvent un jour être renforcées pour augmenter la résilience contre les maladies des plantes qui causent chaque année des milliards de dollars de pertes de récoltes dans le monde. Il y a environ deux ans, des scientifiques aux États-Unis et en Australie ont découvert que lorsque le système immunitaire d’une plante tue les cellules infectées pour contenir la maladie, cette action implique une protéine avec un segment appelé TIR qui produit une certaine molécule de signal.
Dans cette étude dirigée par le Pr Rotem Sorek du département de génétique moléculaire de Weizmann et le Dr Gal Ofir, alors étudiant diplômé, l’équipe de Rotem Sorek a montré que les bactéries utilisent également le TIR comme mécanisme immunitaire et qu’il permet d’obtenir une immunité chez les plantes et les bactéries dans manières similaires. Les bactéries mènent une bataille continue contre les virus appelés phages – de minuscules sosies de modules d’atterrissage sur la Lune – qui insèrent leurs propres génomes dans la cellule bactérienne, obligeant cette cellule à créer de nouvelles copies de phage jusqu’à ce qu’elle explose et meure. Ofir et ses collègues ont découvert que dès qu’une bactérie est infectée par un phage, la protéine contenant le TIR détecte l’invasion et génère un signal qui alerte une seconde protéine.
Cette seconde protéine détruit une molécule qui joue un rôle vital dans le métabolisme bactérien. Épuisée de cette molécule, la bactérie meurt avant que le phage n’ait une chance de se multiplier, supprimant ainsi l’infection. Après avoir révélé le fonctionnement de la défense TIR chez les bactéries, les chercheurs ont montré que les molécules signal générées par le TIR chez les bactéries et chez les plantes sont similaires. En fait, lorsque les scientifiques de Weizmann ont transféré cette molécule signal d’une plante à une bactérie, cela a déclenché la mort bactérienne. Le rôle de la molécule de signalisation produite par le TIR chez les plantes n’a pas encore été entièrement révélé, mais il fonctionne probablement de la même manière que chez les bactéries.
Dans les deux cas, le mécanisme immunitaire se déroule comme suit : la protéine contenant le TIR détecte l’invasion, génère une molécule signal et provoque la destruction de la cellule infectée – la bactérie entière dans un cas, une cellule végétale dans l’autre. « Nos découvertes ont établi un lien évolutif direct entre l’immunité des plantes et celle des bactéries », explique Sorek. « En outre, ils fournissent une base pour étudier comment un système de défense majeur, impliquant le TIR, fonctionne dans les usines. » De telles investigations peuvent conduire à de nouvelles façons d’améliorer le système immunitaire des plantes pour les rendre plus résistantes à l’infection.
C’est un problème urgent, compte tenu de l’ampleur des pertes de récoltes agricoles et du manque de solutions efficaces. Un exemple poignant est le greening des agrumes, une infection bactérienne qui tue les orangers dans le monde entier, y compris en Floride, où elle a récemment réduit de moitié les rendements d’agrumes. Il n’existe actuellement aucun remède contre cette maladie, mais de nouvelles connaissances sur l’immunité des plantes pourraient à l’avenir aider à développer des moyens de protéger les vergers du monde contre cette menace.
Les participants à l’étude comprenaient le Dr Ehud Herbst, Maya Baroz, Daniel Cohen, Adi Millman, le Dr Shany Doron, Nitzan Tal et le Dr Gil Amitai du département de génétique moléculaire de Weizmann ; Daniel B. A. Malheiro de MS-Omics, Danemark ; et le Dr Sergey Malitsky du département des installations centrales des sciences de la vie de Weizmann.
Les recherches du Pr Rotem Sorek sont soutenues par le Knell Family Center for Microbiology ; le Willner Family Leadership Institute pour le Weizmann Institute of Science ; l’Institut Dr Barry Sherman de chimie médicinale; le programme de passerelle Sagol Weizmann-MIT ; le programme scientifique collaboratif Schwartz/Reisman; la Fondation Ben B. et Joyce E. Eisenberg ; et Miel de Botton.
Publication dans Nature
Traduit et adapté par Esther Amar pour Israël Science Info
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A brown blotch on a plant leaf may be a sign that the plant’s defenses are hard at work: When a plant is infected by a virus, fungus or bacterium, its immune response keeps the disease from spreading by killing the infected cell, as well as a few surrounding ones. A new study at the Weizmann Institute of Science, published today in Nature, points to the evolutionary origins of this plant immune mechanism. The study may help explain how major plant defenses work and how they may one day be strengthened to increase resilience against plant diseases that each year cause billions of dollars of crop losses worldwide.
About two years ago, scientists in the United States and Australia discovered that when a plant’s immune system kills infected cells to contain disease, this action involves a protein with a segment called TIR that produces a certain signal molecule. In a new study led by Prof. Rotem Sorek of Weizmann’s Molecular Genetics Department and Dr. Gal Ofir, then a graduate student, Sorek’s team has revealed that bacteria also use TIR as an immune mechanism, and that TIR achieves immunity in plants and bacteria in similar ways.
Bacteria wage an ongoing battle against viruses called phages – tiny Moon-landing module look-alikes – which insert their own genomes into the bacterial cell, causing that cell to make new phage copies until it explodes and dies. Ofir and colleagues found that as soon as a bacterium is infected by a phage, the TIR-containing protein senses the invasion and generates a signal that alerts a second protein. This second protein destroys a molecule that plays a vital role in the bacterial metabolism. Depleted of this molecule, the bacterium dies before the phage has a chance to multiply, suppressing the infection.
After revealing how the TIR defense works in bacteria, the researchers showed that the signal molecules generated by TIR in bacteria and in plants are similar. In fact, when the Weizmann scientists transferred this signal molecule from a plant to a bacterium, it triggered bacterial death. The role of the TIR-produced signaling molecule in plants is yet to be fully revealed, but it probably works along the same lines as it does in bacteria. In both cases, the immune mechanism proceeds as follows: The TIR-containing protein senses the invasion, generates a signal molecule and causes the infected cell to destroy itself – the entire bacterium in one case, a plant cell in the other.
“Our findings have established a direct evolutionary link between the immunity of plants and that of bacteria,” Sorek says. “Moreover, they provide a basis for investigating how a major defense system, one involving TIR, works in plants.”
Such investigations may lead to new ways of enhancing the immune system of plants to make them more resistant to infection. That’s an urgent issue, considering the scale of losses in agricultural crops and the shortage of effective solutions. One poignant example is citrus greening, a bacterial infection that is killing orange trees worldwide, including in Florida, where it has recently halved citrus yields. There is currently no cure for this disease, but new insights into plant immunity may in the future help develop ways of protecting the world’s orchards from this threat.
Study participants included Dr. Ehud Herbst, Maya Baroz, Daniel Cohen, Adi Millman, Dr. Shany Doron, Nitzan Tal and Dr. Gil Amitai of Weizmann’s Molecular Genetics Department; Daniel B. A. Malheiro of MS-Omics, Denmark; and Dr. Sergey Malitsky of Weizmann’s Life Sciences Core Facilities Department.
Prof. Rotem Sorek’s research is supported by the Knell Family Center for Microbiology; the Willner Family Leadership Institute for the Weizmann Institute of Science; the Dr. Barry Sherman Institute for Medicinal Chemistry; the Sagol Weizmann-MIT Bridge Program; the Schwartz/Reisman Collaborative Science Program; the Ben B. and Joyce E. Eisenberg Foundation; and Miel de Botton.
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