Notes de recherche | La voie vers le développement de plantes luminescentes

L'article suivant provient de Mol Plant Plant Science , auteurs Ge Jieyu et Du Hao

Sur la planète Pandora et dans le paysage marin époustouflant présentés dans le film de science-fiction Avatar, nous pouvons admirer la beauté éblouissante des plantes bioluminescentes telles que la fougère War Feather, l'herbe méduse et le jonc à feuilles velues, révélant des merveilles nocturnes et des secrets sous-marins. Les scientifiques s'efforcent de transformer la science-fiction en réalité, réalisant une fusion parfaite entre la science naturelle et l'art, créant un environnement de vie plus harmonieux et beau pour l'humanité.

Dans la nature, il existe des méduses, des bactéries, des champignons et des lucioles luminescents. Malheureusement, les plantes qui fournissent aux humains nourriture, vêtements, logement, transport et réconfort spirituel ne peuvent pas éclairer l'obscurité de la nuit pour nous. Lorsque la nuit tombe, les gens habillent généralement les plantes avec des « manteaux lumineux » à LED ou les éclairent avec des phares puissants pour créer un effet esthétique, mais cela consomme une grande quantité d'électricité. Selon les statistiques, l'éclairage représente environ 25 % de toute la consommation d'électricité. Dans le contexte actuel de pénurie énergétique extrême et de pollution environnementale croissante, réduire la consommation d'électricité pour l'éclairage est un moyen important de promouvoir l'économie d'énergie et la réduction des émissions. Avec le développement rapide de la biotechnologie, la création de plantes lumineuses devient progressivement possible, ce qui peut non seulement apporter un plaisir esthétique aux humains, mais aussi économiser de l'énergie et favoriser un développement vert et bas carbone.

À cette fin, les scientifiques ont entrepris une exploration de quarante ans. En 1986, des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego ont publié dans science, démontrant qu'en exprimant le gène codant pour la luciférase de luciole dans des plants de tabac et en ajoutant un substrat exogène, les plants de tabac pouvaient émettre une lumière extrêmement faible (Figure 1). En raison de la lumière très faible et de la nécessité d'ajouter des substrats coûteux pour produire de la luminescence, ce système d'éclairage est actuellement principalement utilisé dans la recherche fondamentale.

Figure 1

En 2017, des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis ont publié un article de recherche dans Nano Letters, introduisant la technologie de nano-chargement pour livrer les composants du système de luciférase de luciole aux plantes. Les plantes injectées avec de la luciférase pouvaient émettre une lueur faible pendant jusqu'à 4 heures, éclairant même le texte d'une page de livre (Figure 2) . Cependant, ce système de luminescence nécessite également des substrats exogènes et des nanoparticules, et l'émission de lumière n'est pas durable, ce qui limite l'application de cette méthode.

Figure 2

Il existe également dans la forêt certains champignons bioluminescents, principalement répartis dans les zones tropicales et subtropicales où la lumière est relativement faible. Le plus connu est Mycena chlorophosMycena chlorophos (Figure 3), également appelé champignon fluorescent ou champignon nocturne. Selon la légende, les anciens Grecs utilisaient ces champignons comme veilleuses, mais leur durée de vie n’est généralement que de trois jours. S’ils sont déplacés dans un endroit sombre pendant la journée, ils n’émettent pas de lumière ; ce n’est qu’au crépuscule qu’ils émettent une faible lueur verte, ce qui indique que leur bioluminescence est périodique.

Figure 3

En 2018, des scientifiques de Russie, ainsi que des chercheurs du Royaume-Uni, d'Espagne, du Brésil, du Japon et d'Autriche, ont décrit de manière exhaustive le mécanisme de la bioluminescence fongique dans les Actes de l'Académie nationale des sciences. Ils ont découvert que les champignons n'utilisent que quatre enzymes clés pour convertir l'acide caféique en luciférine, réalisant ainsi la luminescence, et que le transfert de ces enzymes vers d'autres organismes permet également l'émission de lumière. En 2020, l'équipe a publié un article dans Nature Biotechnology, où ils ont introduit les gènes codants correspondant à ces quatre enzymes dans le génome du tabac, créant avec succès du tabac lumineux. Étant donné que le substrat luminescent de ce système est l'acide caféique, un métabolite endogène de la plante, il peut émettre continuellement une lumière visible à l'œil nu (Figure 4) , les fleurs les plus brillantes produisant 6.47×10¹⁰ photons/min/cm². En mars de la même année, l'Université du Minnesota aux États-Unis a publié un article intitulé "Building customizable auto-luminescent luciferase-based reporters in plants" dans eLife. Cette étude a démontré l'expression transitoire du système de luminescence fongique chez différentes espèces, validant l'hypothèse d'une luminescence spontanée dans une certaine plage et indiquant de larges perspectives d'application pour ce système chez les plantes. Cependant, l'intensité lumineuse de ces études reste relativement faible, limitant sévèrement l'application de ce système de luminescence.

Figure 4

Le 8 mai 2023, l'équipe de recherche dirigée par le chercheur Du Hao du Collège d'agriculture et de biotechnologie de l'Université du Zhejiang a publié un article de recherche intitulé "Metabolic engineering and mechanical investigation of enhanced plant autoluminescence" en ligne dans la revue internationale de renom Plant Biotechnology Journal. L'étude a présenté les dernières avancées dans le domaine des plantes luminescentes, créant avec succès des plantes autoluminescentes dont la lueur est considérablement améliorée (Figure 5). L'intensité lumineuse a atteint 3×10¹² photons/min/cm², et l'article a fourni une explication détaillée des caractéristiques biologiques et des mécanismes de luminescence de ces plantes.

Figure 5

Les chercheurs ont découvert que la teneur en substrats luminescents tels que l'acide caféique (Caffeic acid) et l'hispidine (Hispidin) est un facteur limitant pour l'amélioration de la bioluminescence des plantes. L'équipe de recherche a criblé et identifié des gènes qui favorisent la synthèse de substrats luminescents endogènes chez les plantes. Ils ont introduit le gène BnC3’H1 de Brassica napus et le gène AnNPGA d'Aspergillus nidulans dans le système de luminescence fongique, créant avec succès des plantes dont la luminescence est considérablement améliorée. Les données LC-MS/MS ont indiqué que l'introduction de ces deux gènes était essentielle pour augmenter les substrats luminescents et ainsi améliorer la luminescence.

Considérant que les plantes luminescentes ont un large éventail d'applications potentielles, de la recherche biologique fondamentale à la décoration paysagère, l'équipe a étudié l'impact de l'environnement de croissance des plantes sur les systèmes luminescents. L'intensité lumineuse répond différemment à divers stress abiotiques, et son mode de réponse reflète les changements dans les niveaux d'expression des gènes clés de la voie biosynthétique des substrats luminescents endogènes au sein des plantes. Grâce à une série d'expériences de traitement, l'équipe de recherche a découvert que l'énergie initiale de la luminescence des plantes provient des sucres (Figure 6) . De plus, en tant qu'organismes photoautotrophes, les plantes présentent des avantages uniques par rapport aux animaux et aux micro-organismes ; elles peuvent produire tous les substrats et cofacteurs nécessaires au fonctionnement du système luminescent, y compris le coenzyme A, le malonyl-CoA, le NADPH, l'ATP, les protons et l'oxygène (Figure 6) , grâce à la photosynthèse et à la respiration.

Figure 6

Les auteurs ont également testé ce système luminescent sur d'autres plantes ornementales, confirmant davantage l'applicabilité étendue du système de bioluminescence fongique dans les plantes herbacées et ligneuses pérennes. Ils ont sélectionné le peuplier, un arbre de rue courant en Chine, pour la transformation génétique, et ont réussi à créer des peupliers luminescents grâce à des analyses phénotypiques et moléculaires. Les chercheurs de l'équipe du Dr Du Hao ont présenté que ce système luminescent a de larges applications et peut être développé comme un outil pour détecter les macromolécules biologiques de base chez les animaux et les plantes à l'avenir. Il permettra la détection sans dépendre d'instruments grands et coûteux, permettant l'observation visuelle ou l'utilisation de caméras de niveau grand public pour atteindre les objectifs de détection. De plus, le processus de luminescence de ce système ne nécessite pas l'ajout de substrats exogènes, ce qui le rend adapté à la détection in vivo à haut débit avec un faible coût et une grande commodité. En outre, ce système peut être utilisé comme biocapteur pour la détection des cultures, offrant des applications étendues dans les domaines de l'agriculture saine et de l'agriculture intelligente. Selon les informations, l'équipe de recherche continue de développer des méthodes pour augmenter la luminance des plantes luminescentes et de créer des outils pour la recherche biologique. Bientôt, ils apporteront plus de surprises à tous.

Dans un avenir proche, de nouveaux modèles d'utilisation de la bioénergie émergeront dans nos vies, à savoir un nouveau modèle de conversion et d'utilisation de la bioénergie composé de plantes luminescentes—le jour, elles peuvent convertir l'énergie solaire en matière organique par photosynthèse et fixer le CO₂ de l'air ; la nuit, elles libèrent de l'énergie lumineuse par catabolisme pour un éclairage à faible luminance. Cela permet d'économiser de l'électricité, de réduire les émissions de carbone, offre de nouvelles stratégies pour atteindre les objectifs du « double carbone » et nous permet de vivre la merveilleuse diversité et la beauté saisissante de la vie dans le monde réel d'« Avatar ».

Zheng Peng, chercheur postdoctoral au Collège d'agriculture et de biotechnologie de l'Université du Zhejiang et au Centre international d'innovation de Hangzhou de l'Université du Zhejiang, et Ge Jieyu, étudiante en master au Collège d'agriculture et de biotechnologie de l'Université du Zhejiang, sont les premiers auteurs conjoints de cet article. Le chercheur Du Hao du Collège d'agriculture et de biotechnologie de l'Université du Zhejiang et du Centre international d'innovation de Hangzhou de l'Université du Zhejiang est l'auteur correspondant. Le chercheur Wu Jianping de l'Université Westlake, le professeur Lu Mengzhu de l'Université agricole et forestière du Zhejiang, le docteur Ma Siqi de l'Institut de recherche sur le tabac de Qingdao de l'Académie chinoise des sciences agricoles, et les chercheurs Fan Pengxiang et Pan Ronghui du Collège d'agriculture et de biotechnologie de l'Université du Zhejiang, ont apporté une aide significative à cette étude. La professeure Jen Sheen de l'Université Harvard a fourni de nombreuses suggestions pour la rédaction de l'article. Les vecteurs squelettes utilisés dans l'étude proviennent de l'équipe de l'académicien Liu Yaoguang et du chercheur Zhu Qinlong de l'Université agricole du Sud de la Chine. Cette recherche a été soutenue par le Programme clé de R&D de la province du Zhejiang (2020C02002), la Fondation des sciences naturelles de la province du Zhejiang (Y21C020015 et LQ22C020002), le Programme de coopération internationale de l'Université du Zhejiang et les Fonds spéciaux pour les opérations de recherche de base des universités centrales (K20200168).

Le lien original est le suivant :

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14068

Références

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Auteurs | Ge Jieyu, Du Hao

Source : Mol Plant Plant Science