Section 23 Biologie végétale intégrative

I. La place de la biologie végétale du CNRS dans la genèse de solutions pour l'avenir

A. La diversité des organismes photosynthétiques, une mine d'inspiration et des défis pour la chimie verte et la transition énergétique

1. Étudier et exploiter les origines complexes des organismes photosynthétiques

L'importante biodiversité des organismes photosynthétiques est une ressource inestimable dont l'exploitation est malheureusement freinée par notre retard de connaissance de ces organismes. Pour combler ce retard, de nouveaux organismes photosynthétiques modèles ont été récemment identifiés et sont en cours d'analyse par des approches génomiques. Ces organismes ont été sélectionnés en se basant sur la réforme profonde de la phylogénie des eucaryotes issus d'une endosymbiose simple avec une cyanobactérie ancestrale (par ex. les algues rouges, algues vertes et les plantes) ou de multiples symbioses (les protistes photosynthétiques parmi lesquels le groupe hétérogène des Chromalvéolés qui comprend le groupe autrefois qualifié d'algues brunes). Le CNRS a ainsi été à la première place dans la définition de nouveaux modèles photosynthétiques : l'algue verte unicellulaire et picoeucaryotique Ostreococcus tauri, l'algue rouge pluricellulaire Chondrus crispus, et des Chromalvéolés photosynthétiques, unicellulaires comme la diatomée Phaeodactylum tricornutum, ou pluricellulaires comme les Phéophycées Ectocarpus siliculosus et Laminaria digitata. Ces organismes modèles s'ajoutent à Chlamydomonas reinhardtii, Physcomitrella patens et Arabidopsis thaliana, comme de nouvelles références pour la production de connaissances couvrant des secteurs peu explorés de la biodiversité.

Une première retombée très positive de la mise en place de ces nouveaux modèles est notre capacité à aborder pour la première fois les conséquences biologiques de la présence au sein d'un même organisme d'au moins deux génomes eucaryotes très éloignés, suite à des événements d'endosymbiose successifs. Ainsi, la combinaison de gènes d'origine « végétale » avec des gènes de type plutôt « animal » conduit à la formation de voies métaboliques, de signalisation ou à des processus moléculaires hybrides, totalement originaux. Cette combinatoire a commencé à être étudiée par bioinformatique comparative notamment avec des résultats majeurs comme l'identification d'un cycle de l'urée chez les diatomées ou de voies de signalisation cellulaire non classiques chez les Chromalvéolés. D'autre part, la diversité des combinaisons de génomes existant chez les eucaryotes photosynthétiques constitue une richesse au sein du monde vivant qui ouvre de nouvelles pistes d'applications comme des usines cellulaires pour produire des composés valorisables.

Cependant, notre connaissance encore très parcellaire de la compartimentation subcellulaire introduite par les multiples endosymbioses limite sérieusement nos efforts de caractérisation fonctionnelle de ces nouveaux modèles photosynthétiques. En effet, la nature, la dynamique et la biogenèse des compartiments membranaires spécifiques des endosymbiontes secondaires, les systèmes de transport et de trafic de métabolites que leur présence implique, ainsi que leur impact sur la physiologie et le développement de ces organismes, sont tout simplement inconnus. Les unités de la section 23 ont été pionnières dans la caractérisation de la compartimentation subcellulaire, de la dynamique du métabolisme et du fonctionnement des organites spécifiques des plantes, en particulier les chloroplastes primaires. L'enjeu consiste donc désormais non seulement à approfondir la caractérisation structurale et fonctionnelle des compartiments membranaires chez les modèles représentatifs d'endosymbiontes primaires, mais également à étendre cette caractérisation aux eucaryotes à endosymbiose secondaire. Pour cela, il conviendra d'utiliser des approches intégratives et multidisciplinaires comprenant des études multi-échelles, depuis le compartiment isolé jusqu'à ses composants moléculaires (protéomes, métabolomes solubles et lipidomes), et à l'inverse, du compartiment isolé jusqu'à la cellule entière, dans ses contextes physiologiques et environnementaux. Combler ces lacunes dans nos connaissances conférera un cadre cellulaire aux études fondamentales menées sur la biologie de ces espèces, qui occupent une place déterminante dans les écosystèmes, en particulier marins. Cela permettra également de fonder de nouvelles démarches rationalisées visant à une meilleure maîtrise de leur culture, de façon à faciliter l'exploitation de leurs capacités métaboliques pour des applications biotechnologiques (voir plus loin).

2. Produire des connaissances comparatives sur la fonction photosynthétique et le métabolisme énergétique

Les avancées majeures en biochimie et biologie structurale ont conduit à une description très fine des relations entre structures et fonctions des composants essentiels de la chaîne de transfert d'électrons photosynthétique. Cette chaîne de transporteurs est aujourd'hui la voie naturelle de conversion d'énergie la mieux connue, toutes espèces confondues. Les mécanismes intimes du fonctionnement des complexes majeurs sont, en effet, hautement connus. Dans son ensemble, la connaissance de l'activité photosynthétique a bénéficié des études en nombre croissant portant sur cette fonction considérée comme une activité cellulaire autonome et, plus largement, intégrée dans le métabolisme cellulaire. Dans ce contexte, la multiplication des organismes modèles accessibles aux études fonctionnelles a été déterminante, puisqu'elle a permis l'exploration de la diversité des mécanismes régulateurs mis en œuvre dans différents écosystèmes. Ainsi, alors que les constituants essentiels du processus photosynthétique sont parfaitement conservés, les mécanismes par lesquels l'énergie lumineuse est collectée et transférée aux complexes photochimiques, ainsi que ceux prévalant à la régulation de cette collecte énergétique, montrent une grande diversité. En effet, ils présentent autant de variations des principes physico-chimiques que l'on trouve d'embranchements à l'arbre phylogénétique des organismes photosynthétiques. Les approches de biologie moléculaire et de génétique étant devenues accessibles pour des organismes photosynthétiques de plus en plus diversifiés, il a également été possible de révéler des voies alternatives de transfert d'électrons, éventuellement connectées à la voie principale, et dont les acteurs moléculaires, variables selon les espèces, ont été en partie caractérisés. Même si la signification fonctionnelle de ces voies n'est pas définitivement établie, leur contribution probable à l'équilibre énergétique de la cellule végétale, leur confère une grande importance dans un environnement naturel fluctuant.

Les mécanismes de signalisation contrôlant la réponse aux stress, et notamment aux stress oxydants, qui préludent à la mise en place des systèmes de protection de l'appareil photosynthétique, ont fait l'objet d'avancées notables ces dernières années. Ces analyses ont révélé des mécanismes moléculaires originaux, variables selon les espèces, supports de la plasticité phénotypique dans un environnement oxydant (tel que celui qui prévaut dans des écosystèmes où les organismes photosynthétiques sont particulièrement concentrés).

Enfin, la compréhension au niveau moléculaire des conséquences fonctionnelles de ce type de stress, et la détermination des chemins réactionnels impliqués, ont révélé que la maintenance de la machinerie photosynthétique, constamment soumise à des cycles de dégradations/réparations, représente l'un des postes les plus importants en termes de coût énergétique cellulaire et d'impact sur le rendement du processus photosynthétique, estimé par la production de biomasse. Ce questionnement, fondamental quant à l'économie métabolique de la cellule photosynthétique, prend une dimension toute particulière compte tenu de l'impérieuse nécessité de concevoir et de développer de nouvelles pratiques visant à résoudre la dépendance de nos sociétés vis-à-vis des combustibles fossiles.

3. Explorer le potentiel des eucaryotes photosynthétiques pour proposer des alternatives aux énergies fossiles et relever les défis de la chimie verte et bioinspirée

La biomasse générée par les organismes eucaryotes photosynthétiques provient de la réduction du CO2 atmosphérique au cours du processus photosynthétique. Cette propriété permet d'envisager l'exploitation de ces organismes avec un bilan carbone neutre, c'est-à-dire comme ressources renouvelables. Les eucaryotes photosynthétiques constituent ainsi une alternative aux composés organiques fossiles dont l'utilisation comme carburants ou en pétrochimie libère un excédent de CO2 contribuant à l'effet de serre.

La faculté à synthétiser en quantité des polysaccharides et des lipides diversifiés du point de vue de leur structure moléculaire fait des organismes photosynthétiques une ressource potentiellement importante pour la production de biocarburants et pour une chimie dite « verte ». La compétition entre surfaces de cultures dédiées aux bioénergies et celles indispensables à la nutrition animale et humaine conduit à rechercher des solutions nouvelles : au travers d'une meilleure exploitation des coproduits de l'agriculture, avec un contenu complexe ligno-cellulosique difficile à déconstruire, en favorisant l'accumulation du carbone vers les ressources amylifères facilement hydrolysables, ou encore en explorant de nouveaux gisements de biomasse. À ce propos, l'exploration des écosystèmes océaniques, par exemple au cours des campagnes de TARA Océans, a permis au CNRS de se doter de collections permettant de cribler la biodiversité océanique pour identifier des espèces remarquables pour la chimie dite « bleue » (chimie verte issue de la biodiversité marine). Pour une espèce donnée, la maîtrise simultanée de la quantité de biomasse et de la teneur en métabolites d'intérêt, en particulier sucres, lipides et métabolites secondaires, nécessite la compréhension fine de la physiologie cellulaire, de la photosynthèse et du métabolisme.

Les organismes photosynthétiques sont également une source inépuisable de nouvelles molécules aux propriétés physico-chimiques intéressantes avec un large spectre d'applications potentielles (cosmétique, médecine, agroalimentaire, etc.). Le CNRS contribue à l'identification de nouveaux métabolites, au décryptage de voies biosynthétiques et de leur régulation, ainsi qu'au développement par ingénierie métabolique de nouvelles technologies permettant d'accroître la diversité moléculaire. La modélisation et l'orientation du métabolisme, par exposition à des stress nutritifs ou par ingénierie moléculaire, représentent un enjeu majeur. Les eucaryotes photosynthétiques sont une source d'enzymes, non seulement capables de générer une palette de métabolites, dont la diversité moléculaire est inégalée dans le monde vivant, mais dont les mécanismes moléculaires pourraient inspirer des solutions nouvelles pour le développement de nouveaux biocatalyseurs. Enfin, de nouveaux matériaux, incluant les nanomatériaux, pourraient être conçus à partir de la connaissance de l'architecture cellulaire, de la structure pariétale et de sa dynamique, ou encore grâce à l'exploitation des ressources polysaccharidiques non cellulosiques et de leurs dérivés.

Dans ce contexte, les laboratoires de la section 23 jouent un rôle essentiel, au sein du dispositif national de recherche et d'innovation structuré avec les autres tutelles (INRA, CEA, IRD, CIRAD, IFP, Universités), et dont l'objectif est de relever les défis de la transition énergétique de la chimie verte et des développements bioinspirés.

B. Les organismes photosynthétiques permettent de mieux comprendre les bases moléculaires de la relation génotype/phénotype

L'évolution résulte de l'action de la sélection naturelle sur la variabilité génétique. L'émergence de nouvelles technologies de séquençage à grande échelle a permis des avancées majeures en ce qui concerne l'estimation des taux de mutation, de la variabilité épigénétique et de la variabilité structurale. À la description de ces patrons de variation à l'échelle génomique, a été associée une meilleure compréhension des mécanismes qui les façonnent. L'utilisation des outils et des concepts de génétique des populations, permettant en particulier l'exploitation des grandes masses de données de polymorphisme, a permis de reconstruire de plus en plus finement l'histoire des espèces et de proposer des déterminants génétiques et/ou épigénétiques qui contrôlent leur interaction avec les composantes biotiques et abiotiques de leur environnement. In fine, la sélection naturelle agit sur des phénotypes. Bien que la génétique quantitative ait fourni des modèles de prédiction de l'évolution de ces phénotypes en intégrant la dérive et la sélection naturelle, le lien entre la variation génétique et épigénétique d'une part, et la variation phénotypique d'autre part, reste encore mal compris. L'établissement de ce lien est crucial. Son étude requiert de comprendre comment les cellules perçoivent les signaux environnementaux et les transforment en cascades d'événements moléculaires permettant de modifier les processus physiologiques et développementaux. Ceci nécessite de recueillir, pour un même organisme, plusieurs sources de données différentes : polymorphismes génomiques et épigénomiques, variations transcriptomiques, protéomiques, interactomiques, métabolomiques et mesures phénotypiques. Nous illustrons ci-après, au travers de quelques exemples, la puissance apportée par l'utilisation combinée d'organismes photosynthétiques modèles et de technologies à haut débit dans l'établissement du lien entre génotype et phénotype.

1. Les bases moléculaires de la régulation et de la transmission de l'information génétique

Le séquençage massif a permis d'accéder à deux nouveaux constituants des génomes, jusqu'alors mal décrits. Le premier concerne les variants de structure causés par l'insertion-délétion des éléments transposables. Ces variants de structure constituent le plus souvent la fraction majoritaire du génome des plantes, et le nombre d'exemples, montrant l'implication de ces variations sur des changements de phénotype, ne cesse d'augmenter. Le second constituant concerne les variants de méthylation de l'ADN, de l'ARN ou des histones, et plus généralement les processus liés aux régulations épigénétiques. Des travaux récents indiquent qu'il existe, par exemple entre deux lignées de maïs, des centaines de régions ADN différentiellement méthylées, localisées préférentiellement dans les régions intergéniques, et souvent associées à la présence-absence d'éléments transposables. Ainsi, la méthylation de ces éléments, mise en place pour leur répression, induirait une diffusion de la méthylation dans les gènes adjacents qui conduirait à une réduction de leur expression en modifiant leur état chromatinien. Un tel phénomène a été décrit chez Arabidopsis. De façon générale, les spécificités des épimutations (taux et héritabilité), et leur impact sur le phénotype via la modulation de l'état chromatinien et de l'expression génique, en font des acteurs potentiellement importants de la réponse adaptative. Ce secteur fait l'objet de recherches intenses, utilisant pour l'essentiel des modèles végétaux.

L'épitranscriptomique est un autre domaine fortement émergent résultant de l'application des technologies de séquençage à haut débit à l'étude des patrons de méthylation des ARN messagers. Il semble maintenant probable que la méthylation des ARNm, tout comme la méthylation de l'ADN, constitue une étape clé de régulation de l'expression des gènes fortement influencée par les facteurs environnementaux. En effet, selon les conditions de croissance, les patrons de méthylation des ARNm peuvent être fortement modifiés. Ces patrons différentiels de méthylation, interprétés en recrutant des protéines de « lecture de code », vont se traduire par des modifications très importantes des propriétés des ARNm au niveau de leur biogenèse (épissage), leur transport (noyau/cytoplasme), leur stabilité et leur capacité à être traduits. Les mécanismes impliqués dans ce nouveau processus épigénétique, et ses conséquences sur la définition du phénotype, restent encore largement à déterminer, mais ils devront être pris en compte dans les futurs modèles prédictifs.

À plus large échelle, il sera nécessaire d'évaluer le rôle et l'ampleur des mécanismes modifiant de façon combinatoire les macromolécules et générant un niveau supplémentaire de variabilité (modification des acides nucléiques, modification des protéines). Encore une fois, les modèles végétaux devraient pouvoir apporter une contribution majeure à ce nouveau domaine de recherche dans les années à venir.

2. La polyploïdie comme moteur de l'adaptation des espèces végétales aux contraintes environnementales

Un des mécanismes évolutifs importants pour l'adaptation des espèces végétales aux contraintes environnementales est la polyploïdie (duplication du génome). En effet, toutes les espèces modernes de plantes travaillées en agronomie sont des paléo- (anciens) ou néo- (récents) polyploïdes. Cette évolution des plantes par duplication du génome a constamment fourni des copies de gènes surnuméraires (CNVs pour Copy Number Variation). Ces CNV constituent une source importante d'information génétiquement et épigénétiquement modulable, et donc potentiellement, une source majeure pour l'évolution de nouveaux phénotypes. Les mécanismes à l'origine du gain de fonction des copies de gènes dupliqués demeurent cependant encore largement inconnus. L'utilisation des techniques dites « à haut débit », soit conjointement sur des polyploïdes et leurs génomes parentaux, soit sur des polyploïdes « synthétiques » générés en laboratoire, comme chez le blé et le colza, doit fournir des informations originales sur les conditions de la néo- ou sous-fonctionnalisation des copies de gènes dupliqués en réponse à des contraintes biotiques et abiotiques. Ces approches permettront également de déceler les mécanismes moléculaires qu'il sera important de maîtriser pour le développement futur de nouvelles variétés adaptées aux changements climatiques actuels et à venir.

3. Vers une vision intégrée permettant de prédire le comportement agronomique des espèces dans un environnement changeant à partir de leur génome

Deux principaux types d'analyses sont actuellement utilisés pour estimer les effets phénotypiques de différences moléculaires entre génotypes : l'analyse des QTL (Quantitative Trait Loci) par analyse de liaison intra-famille (souvent appelée Linkage Analysis mapping) et la génétique d'association (souvent appelée Linkage Disequilibrium mapping). Le premier consiste à associer, de façon statistique, la variation de caractères observée avec les génotypes moléculaires dans une (des) descendance(s) de croisement(s) entre parents de phénotypes contrastés. Le deuxième consiste à réaliser cette association dans des collections larges d'individus peu apparentés et échantillonnés dans la distribution de l'espèce étudiée. Dans les années récentes, deux avancées majeures ont été réalisées : d'une part la création de dispositifs et de méthodes qui combinent les avantages de ces deux types d'analyses, en réalisant les tests d'association sur des génotypes issus de plusieurs descendances provenant du croisement d'un grand nombre de parents ; d'autre part, le séquençage massif de très larges collections de matériel (des centaines de génomes), permettant de construire véritablement un inventaire le plus exhaustif possible d'haplotypes d'une espèce. Cet inventaire permet à son tour de prédire le génotype d'individus présentant des données partielles de polymorphisme. Ces développements, conduits initialement chez le maïs cultivé qui a servi d'espèce « pionnière » avec Arabidopsis, sont maintenant mis en œuvre chez de nombreuses autres espèces cultivées. Ils ont déjà permis de disséquer de manière de plus en plus efficace, et dans un contexte naturel, les bases génétiques et moléculaires des caractères quantitatifs, tout en facilitant l'accès à la diversité allélique des espèces.

Ces analyses reposent sur la génération à haut débit de données à la fois génotypique et phénotypique. Le phénotypage reste très limitant. Dans le futur, il sera donc essentiel de proposer de nouvelles solutions au travers du développement des techniques de phénotypage à haut débit (cf. partie II, A3), et d'avancées conceptuelles et méthodologiques, par exemple en sélection génomique, une approche qui paraît particulièrement prometteuse. Celle-ci propose de prédire la valeur génétique d'individus non phénotypés, à partir de la somme des effets estimés au niveau de marqueurs moléculaires répartis sur l'ensemble du génome. De telles prédictions reposent sur la caractérisation génotypique et phénotypique d'une collection d'individus choisis pour servir de référence à la population d'intérêt, dont on souhaite prédire les valeurs génétiques et qui est utilisée pour calibrer le modèle de prédiction. Cette approche, qui prend en compte globalement l'information moléculaire (sans rechercher explicitement les polymorphismes moléculaires associés de façon significative à la variation phénotypique), présente un intérêt appliqué majeur pour la sélection des espèces d'intérêt agronomique. Elle permet également d'expliquer une partie de « l'héritabilité manquante » observée pour de nombreux caractères.

C. La croissance et le développement des plantes présentent des caractéristiques uniques et sont un enjeu agronomique d'importance

Les plantes représentent un excellent modèle d'étude des mécanismes biologiques fondamentaux qui dirigent la croissance et le développement d'un organisme multicellulaire complexe, tout en présentant plusieurs caractéristiques uniques. La compréhension de ces mécanismes est aussi un enjeu agronomique majeur, puisqu'elle permettra à terme de maximiser les rendements et la production de biomasse.

1. Régulation génique, hormonale et cellulaire du développement des plantes

Au cours du développement, la formation itérative de tiges, feuilles et racines permet l'acquisition d'énergie, d'eau et de nutriments, alors que les organes reproducteurs assurent la production et la dissémination des semences. Au niveau cellulaire, le développement et la croissance des plantes dépendent de deux processus fondamentaux, la division des cellules et leur expansion. Du fait de son immobilité, la plante doit également intégrer la régulation endogène de son développement avec ses réponses aux contraintes biotiques et abiotiques de l'environnement. La complexité inhérente à de tels systèmes nécessite à la fois des études fines à des échelles multiples (de la molécule à la plante entière), et l'intégration de ces différents niveaux d'échelle.

Une particularité marquante de la cellule végétale est sa paroi cellulosique. Elle lui permet de supporter une forte pression de turgescence, élément moteur de sa croissance. Elle représente aussi une interface critique d'interaction avec les cellules avoisinantes. Bien que la composition biochimique globale de cette structure clé soit assez bien analysée, sa structure tridimensionnelle, la régulation dynamique de ses propriétés physico-chimiques, et ses spécificités selon le type cellulaire, restent décrites de manière rudimentaire. Éclaircir les mécanismes moléculaires qui contrôlent ces propriétés et comprendre comment celles-ci influent sur la croissance et la morphogenèse des plantes représentent des défis importants. Une question particulièrement émergente est de comprendre comment chaque cellule perçoit et réagit à son environnement mécanique. Ces études nécessitent l'application d'approches complexes, combinant de façon intime des analyses classiques de biochimie, génétique, pharmacologie et microscopie, avec les techniques plus récentes de microscopie à haute et super-haute résolution, à la fois optique (TIRF, PALM, SIM) et physique (AFM).

De telles approches intégrées peuvent participer également à l'élucidation d'autres processus cellulaires liés au développement des plantes encore peu étudiés. Par exemple, la dynamique des compartiments membranaires et du cytosquelette affecte de façon directe la signalisation intercellulaire, la mise en place de la polarité des cellules et la déposition dynamique de la paroi. Visualiser et comprendre la dynamique des interactions intermoléculaires et inter-compartimentales au sein de la cellule représente donc une étape cruciale pour mieux comprendre les processus de croissance et de développement.

La spécification et la différenciation des multiples tissus et types cellulaires de la plante restent toujours des processus critiques à analyser. Pour cela, en complément des approches classiques comme la génétique fonctionnelle, les approches analysant l'individu à une large échelle représentent toujours des moyens précieux permettant d'associer des gènes à des fonctions biologiques. Néanmoins, il sera impératif à l'avenir de mettre l'accent sur des techniques permettant d'accéder spécifiquement à des cellules d'identité connue et non plus à des tissus entiers. Ce genre d'approches facilitera l'intégration des données générées avec les résultats d'autres approches visant une résolution cellulaire comme, par exemple, l'utilisation de bio-senseurs (notamment hormonaux) et/ou l'acquisition des propriétés biophysiques des cellules.

Comprendre le développement des organes et de la plante entière sous-entend une compréhension multi-échelle des interactions chimiques et physiques au sein des cellules d'un organe ou d'une plante. Nous sommes encore loin de pouvoir aborder une telle complexité dans tous ses détails. Néanmoins, la mise en place de cadres conceptuels intégrant la croissance, la morphogenèse et les identités cellulaires, et permettant le développement parallèle de modèles uni-échelle divers (réseaux de gènes, modèles mécaniques, etc.), est une étape nécessaire à l'objectif plus ambitieux d'une intégration de nos connaissances aux échelles multiples.

2. Intérêt particulier de l'approche « EvoDevo » pour les organismes photosynthétiques

La génétique évolutive des plantes (ou évo-dévo) est une discipline à l'interface de la génétique moléculaire, de l'évolution et de la phylogénie. Alors que son objectif premier est de comprendre l'origine de la diversité morphologique entre espèces, cette discipline revêt actuellement des résonances beaucoup plus larges, puisqu'elle permet également d'apporter de nouvelles connaissances sur l'évolution des plantes lors de leur domestication par l'homme. Ces connaissances fondamentales alimentent les approches de biologie translationnelle, en identifiant des éléments régulateurs de caractères d'intérêt agronomique, et en aidant à la prédiction d'éventuels effets secondaires induits par la modification de ces régulateurs.

Les avancées majeures, réalisées ces dernières années sur le développement des plantes et l'utilisation d'approches génomiques appliquées à la compréhension de la relation phénotype/génotype (cf. partie I, B), devraient dynamiser ce secteur de recherche, en fournissant les bases nécessaires à une étude plus fine de l'évolution de la morphologie végétale. Des approches de modélisation mettant en place des réseaux génétiques virtuels devraient également faciliter ces analyses comparatives et prédictives, bien que la rareté des données fonctionnelles reste un frein chez de nombreuses espèces. Néanmoins, l'utilisation de nouvelles méthodes de mutagenèse ciblée, par l'intermédiaire de nucléases (en complément de méthodes de transformation ou de mutagenèse (tilling) classiques), ainsi que des approches d'association sur le génome entier (cf. partie I, B3), devrait assurer le développement futur de ce secteur d'activité.

3. Transport et nutrition des plantes

La croissance des plantes nécessite une absorption efficace de l'eau et des nutriments présents dans le sol, et leur allocation précise dans les divers organes de la plante. La disponibilité de ces ressources est extrêmement variable et hétérogène selon les sols, ceux-ci pouvant être contaminés par des sels ou substances métalliques toxiques. Les stomates des feuilles jouent également un rôle crucial dans l'équilibre hydrominéral de la plante, en contrôlant les flux de transpiration et en assurant un équilibre entre pertes en eau et absorption du CO2 atmosphérique.

Au cours des dernières décennies, la fonction individuelle de nombreuses protéines assurant le transport transmembranaire d'eau ou de solutés a été disséquée, tant du point de vue de leur sélectivité, de leur régulation que de leur activité dans la plante. Toutefois, il reste à comprendre les interactions fonctionnelles entre ces différents systèmes et leur intégration dans les grandes fonctions physiologiques de la plante. Par exemple, les interactions moléculaires entre le maintien du statut hydrique, la fixation de l'azote et celle du carbone, et leur implication dans la croissance, restent très mal comprises. Afin d'identifier de nouveaux points de contrôle, il semble judicieux de coupler des analyses moléculaires massives (transcriptomique et réseaux de gènes associés, protéomique quantitative, métabolomique) à des analyses physiologiques et écophysiologiques. La variation naturelle de ces grandes fonctions, lorsqu'elle est analysée chez des espèces modèles (Arabidopsis, riz) peut aussi donner des pistes efficaces pour en disséquer les bases moléculaires et physiologiques.

La nutrition des plantes est également au centre des réponses de la plante aux contraintes abiotiques de l'environnement. Alors que les effets terminaux sur les systèmes de transport sont relativement bien décrits, il reste à identifier les voies de signalisation agissant en amont, et surtout les dialogues croisés entre ces voies. Il faudra aussi explorer plus précisément le rôle des systèmes de transport eux-mêmes dans la signalisation, au niveau cellulaire ou à longue distance, et dans la transmission de signaux électriques, chimiques (calcium, espèces réactives de l'oxygène) ou même hydrauliques.

Enfin, plusieurs travaux au sein de notre communauté ont établi une relation entre les fonctions de transport d'eau et d'ions et le développement adaptatif des plantes. Ici, la racine semble être un modèle de choix pour explorer ces relations. Le rôle central des hormones dans ces processus devra être exploré plus particulièrement. Dans chacun des cas, la maîtrise de ressources génétiques complexes et de procédés de phénotypage à haut débit (notamment de l'appareil racinaire) est requise. Ces approches devront être supportées par une modélisation des phénotypes d'intérêt. Elles permettront in fine d'appréhender les interactions génotype/environnement qui sont au cœur des processus de sélection des plantes cultivées. L'objectif ultime est d'identifier des idéotypes adaptés à des conditions climatiques ou des pratiques culturales spécifiques.

D. Les organismes photosynthétiques en interaction avec leur environnement biotique et abiotique

1. Perception de l'environnement biotique et abiotique

L'environnement des organismes photosynthétiques est complexe et changeant ; ces derniers doivent donc adapter en permanence leur croissance et leur développement pour prendre en compte ces fluctuations. En parallèle, la réponse de la plante à un stimulus donné dépend des autres composantes de l'environnement. Ainsi, la mise en place de chaque réponse a un coût énergétique qui a un effet sur la « fitness ». Par exemple, un allèle hyperactif conférant une résistance accrue à des agents pathogènes, et donc un avantage au niveau de la mise en place des mécanismes de défense, a souvent un coût développemental (accumulation moindre de biomasse, nombre plus faible de feuilles, de graines, etc.). La réallocation des ressources est possible du fait de l'existence de centres d'intégration (« cellular hubs »), au niveau desquels vont converger les différentes voies de signalisation pour intégrer les différents signaux et mettre en place une réponse adaptée de la plante.

Il a été démontré que les espèces réactives de l'oxygène (ROS) jouent un rôle crucial dans la réponse concertée aux stress biotiques et abiotiques. En effet, des mécanismes de protection (antioxydants, enzymes de détoxification) sont activés lors de stress abiotiques pour empêcher les dommages cellulaires causés par leur accumulation, alors qu'au contraire la génération de ROS est stimulée par l'infection de pathogènes et contribue aux réactions de défense. En outre, les plantes utilisent les ROS comme signaux, notamment dans les voies de signalisation hormonale, qui orchestrent la mise en place de processus adaptatifs, à la fois développementaux et métaboliques. La complexité des interactions entre ces cascades de transduction reste encore largement à explorer. L'occurrence et les mécanismes d'une transmission intergénérationnelle des stress biotiques et abiotiques représentent également un enjeu cognitif majeur.

2. Réponse à des stress multiples et identification des nœuds de régulation

Les plantes sont confrontées à un grand nombre de stress biotiques (maladies, ravageurs, adventices) et abiotiques (variations de température, salinité, sécheresse, ozone) qui ont un impact négatif sur leur croissance et leur développement. Étant donné que ces variations seront accentuées par le changement climatique, l'amélioration de la résistance/tolérance des plantes aux stress biotiques et abiotiques représente aujourd'hui un défi agronomique majeur. La compréhension des processus mis en œuvre par différentes plantes en réponse à ces stress, est un élément incontournable des stratégies d'amélioration variétale. Elle représente aussi un modèle de choix pour l'étude des mécanismes qui opèrent à différents niveaux d'organisations cellulaires et tissulaires, et leur intégration dans des réseaux de régulation. L'utilisation combinée de collections de génotypes et le progrès des outils d'analyse moléculaire, couplée à des traitements bioinformatiques performants, ont permis de révéler l'extrême plasticité phénotypique des plantes dans un contexte environnemental dynamique.

Dans la nature, les plantes ne sont jamais confrontées à un stress unique, mais sont constamment affectées par des stress abiotiques et des attaques répétées par des agents pathogènes ou des ravageurs. Des méthodes ont été développées afin de caractériser ces environnements complexes : génotypes révélateurs, TPE (Target Population of Environnement), MUT (Multi-Environnement Trial). Bien que les réponses des plantes aux stress soient relativement bien connues (protéines de stress, métabolites secondaires, ROS), quelques nœuds de régulation contrôlant ces réponses et leurs voies de signalisation n'ont été identifiés que récemment. En particulier, il manque des connaissances sur les mécanismes moléculaires impliqués dans l'interaction entre les réponses à des stress biotiques et abiotiques. De plus, la capacité de prédiction de la réponse d'une plante à un stress multiple reste très limitée. La caractérisation des processus intervenant dans les réponses à une combinaison de stress représente donc un objectif prioritaire. Cela passe par le développement de systèmes expérimentaux permettant d'analyser la réponse à des combinaisons de stress en particulier la mise en place de plateformes de phénotypage à haut débit, le développement de modèles de simulation et l'intégration des données multi-échelles.

Un enjeu majeur de recherche sera d'identifier et de comprendre le fonctionnement des centres d'intégration non seulement au niveau de la cellule mais également de l'organisme. Ces nœuds régulateurs impliquent souvent des systèmes protéines kinases/phosphatases, véritables microprocesseurs cellulaires, orientant et modulant les flux d'informations moléculaires vers les réponses adaptatives. Les facteurs de transcription (FT) sont également des éléments clés des centres d'intégration, dirigeant la reprogrammation transcriptionnelle de la cellule végétale vers une réponse adaptée. Ainsi, l'activité des FT peut être régulée de façon multiple reflétant leur positionnement à l'intersection de différentes voies de signalisation (défense, croissance, développement). Afin d'évaluer la contribution respective de ces différents acteurs moléculaires, il faudra développer des outils de mesure quantitative in vivo de leur activité. Ceci nécessite d'investir, entre autres, dans les méthodes de la (phospho) protéomique et dans le développement de nouveaux systèmes rapporteurs permettant, par exemple, de mesurer simultanément de façon non destructive l'activité des différentes protéines kinases. De plus, la recherche exhaustive des sites de liaison à l'ADN à l'échelle du génome pour un FT donné (technologie de type ChIP-Seq), combinée avec l'analyse globale des changements transcriptionnels dépendants de ce même FT (technologie de type RNA-Seq), représente une approche puissante pour mieux comprendre le mode d'action des FT en réponse aux stress.

Ces questions s'appliquent aux plantes mais aussi aux eucaryotes unicellulaires photosynthétiques qui sont des acteurs majeurs du fonctionnement de l'écosystème planétaire, avec un rôle essentiel dans la fixation du carbone dans les océans. Certains de ces organismes auront probablement une place de plus en plus importante dans la combinaison des ressources requises pour la transition énergétique. Leur dynamique populationnelle est très dépendante d'interactions avec des pathogènes et prédateurs. Il sera important de mieux comprendre la nature de ces interactions, la physiologie de leurs adaptations aux changements environnementaux et les co-régulations de ces mécanismes de perception.

3. Organismes pathogènes et organismes symbiotiques : impact du microbiome, relations fonctionnelles dans le microbiome

La capacité des plantes à répondre efficacement à des stress, voire à survivre dans des environnements contraints, dépend en partie de leur association avec des communautés microbiennes endophytiques, rhizosphériques et phyllosphériques. Les microorganismes pathogènes ou symbiotiques ne vivent pas isolés, mais intégrés dans des communautés microbiennes appelées « microbiomes ». Ces microbiomes établissent des relations complexes d'interdépendance avec leur environnement. La composition de ces microbiomes (microflore rhizosphérique, microflores épiphyte et endophyte, viromes) exerce une influence sur le développement ou la santé des plantes.

Le développement d'approches de métagénomique permet d'établir, de façon quasi exhaustive, la composition de ces communautés et d'en étudier les variations en fonction de différents paramètres. Ces outils puissants ont permis de mieux appréhender leur complexité et d'identifier de nouvelles espèces. Toutefois, le contrôle et la manipulation de ces communautés de façon à en améliorer l'efficience, sont encore mal établis. La caractérisation des interactions complexes entre des composantes de ces microbiomes et la plante (notion de phénotype étendu) passe par la compréhension des relations fonctionnelles existant non seulement au sein des communautés, mais également avec leur environnement. La métagénomique doit ainsi passer d'une phase descriptive à une phase plus fonctionnelle, avec l'établissement de systèmes modèles et l'apport de l'écologie. Le profilage de l'expression des gènes de microbiomes (métatranscriptomique) s'est avéré un outil puissant pour étudier ces relations fonctionnelles. L'objectif est aujourd'hui d'identifier les gènes et les voies qui jouent des rôles importants dans le microbiome, ces gènes et ces voies constituant des cibles possibles pour le développement de méthodes de lutte originales.

4. Mécanismes des interactions plantes – microbes

Des progrès considérables ont été réalisés dans l'identification des gènes, fonctions et mécanismes impliqués dans le dialogue moléculaire contrôlant le développement des interactions plantes/organismes pathogènes ou symbiotiques (MAMP, PAMP, effecteurs, etc.), ainsi que des signaux régulant chez la plante la mise en route des réponses de défense. L'un des défis actuels est de comprendre comment ces signaux sont intégrés pour éventuellement réguler des processus biologiques tels l'adaptation aux stress et la mort cellulaire programmée. La vision actuelle d'une résistance en deux temps (résistance basale, sélection de pathogènes virulents aboutissant à des résistances spécialisées) est probablement simplificatrice par rapport à l'étendue des phénomènes de coévolution qui ont sculpté la biologie des hôtes et de leurs pathogènes. Les plantes et leurs pathogènes (microbiens, viraux, fongiques) sont des modèles particulièrement adaptés pour cerner ces mécanismes. Des efforts devront être poursuivis en génomique fonctionnelle à haut débit dans d'autres technologies émergentes pour fournir un éclairage supplémentaire et donner ainsi une image plus détaillée de ces réseaux. Un autre enjeu porte sur le rôle particulier de la mort cellulaire et la défense des plantes. La reconnaissance d'un pathogène via les protéines dites de résistance conduit à l'inhibition de la croissance de l'agent pathogène, qui est souvent accompagnée par une forme de mort cellulaire programmée (PCD) localisée au site d'infection, appelée HR (hypersensitive response). Le chloroplaste joue un rôle central dans les réponses de défense et dans la HR, intégrant des molécules de signalisation tels les ROS, l'acide salicylique, le NO et la lumière. Des mutants d'initiation de la PCD ont permis d'identifier un certain nombre de composantes de la voie de signalisation conduisant à la mort cellulaire. L'un des enjeux actuels est de préciser le rôle de chaque acteur dans la cascade et les mécanismes moléculaires conduisant à la PCD. Le fait majeur de cette dernière décennie est que la résistance et la mort cellulaire peuvent être découplées, et que la HR apparaît simplement comme la conséquence et non la cause, d'une signalisation opérant à l'interface de l'hôte et du pathogène.