mai 17, 2022

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La formation d’oiseaux glissants de protéines végétales peut conduire à de meilleures récoltes

résumé

Lorsque les pathogènes attaquent, la protéine NPR1 intervient pour contrôler la réponse immunitaire de la plante. Les scientifiques ont maintenant découvert à quoi ressemble la protéine et comment elle fonctionne – une aubaine potentielle pour l’agriculture.

Lorsqu’elle est exposée à des agents pathogènes, la plante de laboratoire commune A. thaliana Il repose sur une protéine de défense appelée NPR1 pour rester en bonne santé (à droite). Les plantes dépourvues de NPR1 (à gauche) sont infectées et développent des feuilles jaunes. Crédit : Raul Zavalev/Université Duke

un biologiste Xinyan Dong Elle dit que « le meilleur cadeau de Noël de tous les temps » est arrivé sous la forme d’un appel téléphonique. L’appel provenait de son vieil ami et collaborateur de l’Université Duke, Pei Zhou, qui a appelé avec des nouvelles tant attendues : ils avaient enfin pu résoudre la structure de la protéine végétale NPR1.

Dong, chercheur au Howard Hughes Medical Institute, a découvert NPR1 Il y a vingt-cinq ans. La protéine, dont le nom est inspiré de l’adoration de Dong pour la radio publique nationale, joue un rôle clé dans la protection des plantes à fleurs contre un large éventail d’agents pathogènes. Aujourd’hui, NPR1 est largement reconnu comme un régulateur maître contrôlant plus de 2 000 gènes impliqués dans l’immunité des plantes.

Malgré son rôle énorme dans la défense des plantes, la structure de NPR1 est restée insaisissable, à la consternation des chercheurs dans le domaine. Sans données structurelles détaillées, dit Zhou, les scientifiques ont eu du mal à comprendre comment la protéine contrôle la protection des plantes. « Ce qui est vraiment important et manquant, c’est une explication du fonctionnement de NPR1 au niveau moléculaire. »

Un nouveau travail révèle à quoi ressemble et se comporte NPR1L’équipe de Zhou et Dong a comblé cette lacune – une découverte qui pourrait changer le visage de la reproduction des plantes. Les deux groupes ont rapporté la structure de NPR1 de l’usine de laboratoire combinée Arabidopsis thaliana Le 11 mai 2022, dans le magazine tempérer la nature.

Pour Dong, le document marque la fin d’un voyage important de plusieurs décennies. « Quand j’ai vu le châssis NPR1 pour la première fois, cela m’a coupé le souffle », dit-elle. « Cela ressemblait à un oiseau planant, tout simplement magnifique. »

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Les chercheurs ont utilisé deux méthodes d’imagerie et de cristallographie pour révéler la structure d’une protéine clé de défense des plantes appelée NPR1, qui ressemble à un « oiseau qui glisse ». Crédit : Xinnian Dong/HHMI/Duke University

plantes de combat

Depuis que les humains cultivent, ils ont dû lutter contre de nombreux ravageurs et agents pathogènes qui retardent la croissance des plantes. moule à eau robe phytophthoraLui, par exemple, est l’un des pires méchants – responsable de la famine irlandaise de la pomme de terre qui a tué un million de personnes et deux millions de réfugiés. « C’est un énorme conflit qui a façonné notre monde », dit Dong.

Aujourd’hui, les agents pathogènes infectent encore les bananes, les avocats et d’autres cultures populaires. Mais résoudre le problème avec des approches traditionnelles peut être problématique. Les pesticides chimiques, par exemple, sont souvent toxiques pour l’environnement. C’est l’une des raisons pour lesquelles les phytogénéticiens recherchent désormais des solutions génétiques, telles que l’ingénierie des cellules végétales pour produire des niveaux élevés de NPR1. Cette approche s’est avérée efficace en laboratoire et dans des essais limités sur le terrain, mais avec un problème : à mesure que l’immunité augmente, la croissance diminue.

Jonathan Jones, biologiste végétal au Sainsbury’s Laboratory à Norwich, au Royaume-Uni, qui n’a pas participé à la recherche, affirme que les nouvelles connaissances sur la structure et le comportement de NPR1 pourraient aider les chercheurs à éviter ce problème et à concevoir de meilleures cultures. « Comprendre comment une protéine fonctionne et interagit avec d’autres molécules a un grand potentiel pour être très puissant dans la promotion de la résistance aux maladies chez les plantes », dit-il.

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Un oiseau aux ailes non pointues

Zhou, Dong et leurs collègues ont résolu la structure de NPR1 en utilisant la cristallographie aux rayons X et la technologie d’imagerie par cryo-microscopie électronique (cryo-EM). De nombreux laboratoires ont essayé et échoué au fil des ans, explique Gigi Chai, biologiste synthétique à l’Université de Cologne, qui n’a pas participé à ce travail. « NPR1 est connu pour être difficile à purifier pour l’imagerie », dit-il.

Le succès de l’équipe découle de l’utilisation intégrée des technologies. Cryo-EM a donné aux chercheurs une structure initiale de NPR1, qui a fourni des informations importantes sur la façon de préparer la protéine pour une cristallographie réussie. Le résultat : des images haute résolution de NPR1 et de ses principales régions fonctionnelles.

Bien que des études antérieures aient fourni un aperçu de certaines parties de la structure de NPR1, aucune n’a été « aussi complète que celle rapportée dans ce nouvel article », déclare Jones. Les nouvelles images révèlent que les deux protéines NPR1 se rejoignent, formant une structure ressemblant à un oiseau avec des ailes inégales. L’équipe de Dong a découvert qu’au bout des ailes, NPR1 se lie aux molécules du noyau cellulaire pour activer les gènes immunitaires des plantes. « Quatre ans d’essais valaient la peine d’attendre », dit-elle.

Maintenant, son équipe veut découvrir comment NPR1 se replie dans une nouvelle forme lorsque l’infection pousse la protéine à l’action. « Cette étude a non seulement abordé de nombreuses questions de longue date, mais indique également de nouvelles directions de recherche », a déclaré Dong. « C’est une période excitante. »

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la citation

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Shivsh Kumar et al. « Base structurelle de NPR1 dans l’activation immunitaire des plantes.  » tempérer la nature. Publié en ligne le 11 mai 2022. doi : 10.1038/s41586-022-04699-w