Fait marquant BFP : Le mécanisme par lequel la lumière stimule la synthèse d’ascorbate chez les plantes élucidé !

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Fait marquant BFP : Le mécanisme par lequel la lumière stimule la synthèse d’ascorbate chez les plantes élucidé !

Le mécanisme par lequel la lumière stimule la synthèse d’ascorbate chez les plantes a été élucidé : il s’agit d’une protéine apparentée aux phototropines dont l’action inhibitrice de la GDP-galactose phosphorylase est inactivée sous lumière bleue

La longueur d’onde module la synthèse d’ascorbate

La longueur d’onde module la synthèse d’ascorbate. Des jeunes plantes de tomates ont été éclairées avec différentes longueurs d’onde. De gauche à droite et de haut en bas : lumière blanche, lumière rouge, lumière bleue et mélange de lumière rouge et bleue. Seules les plantes éclairées en rouge ont accumulé moins d’ascorbate au cours d’une journée.

A partir d’un mutant de tomate produisant des fruits enrichis en ascorbate (vitamine C), nous avons identifié une protéine apparentée aux phototropines en utilisant une approche de cartographie par séquençage. Nous avons ensuite montré que cette protéine, nommée PAS/LOV et dont la fonction demeurait inconnue, est un inhibiteur d’une enzyme de la voie de synthèse de l’ascorbate dont l’action est contrecarrée par la lumière bleue. Ce mécanisme a été démontré in vivo en cultivant des plantes sous différentes longueurs d’onde, puis in vitro après avoir purifié PAS/LOV et son enzyme cible avec des systèmes d’expression hétérologue. Cette découverte, qui permet de comprendre comment la lumière bleue stimule la synthèse d’ascorbate chez les plantes, ouvre la voie à l’obtention de plantes produisant plus d’ascorbate, bénéfiques pour l’alimentation humaine mais aussi potentiellement plus résistantes aux contraintes environnementales.

La lumière bleue empêche l’action inhibitrice de PAS/LOV

La lumière bleue empêche l’action inhibitrice de PAS/LOV. Illumination d’une préparation de la protéine PAS/LOV par une source LED conduisant à son inactivation. Elle devient alors incapable d’inhiber une des enzymes de la voie de synthèse de l’ascorbate.

Résultats

Un mutant de tomate produisant des fruits et des feuilles enrichis en ascorbate a été détecté puis étudié (Bournonville et al ; 2023). La mutation causale, identifiée par une stratégie de cartographie par séquençage, affecte PAS/LOV, une protéine appartenant à une classe de photorécepteurs. Son action d’inhibiteur de la biosynthèse de l'ascorbate a été démontrée par l'édition du gène avec CRISPR/Cas9 qui a donné des plantes enrichies en ascorbate. La caractérisation fonctionnelle a révélé que PAS/LOV interagit dans le cytoplasme et dans le noyau avec les deux isoformes de la GDP-L-galactose phosphorylase (GGP), connue comme l'étape de contrôle de la voie de synthèse de l'ascorbate. Une approche d’optogénétique a ensuite montré que la lumière bleue module cette interaction. Des tests effectués in vitro avec GGP et PAS/LOV exprimées de manière hétérologue ont ensuite montré que PAS/LOV est un inhibiteur non compétitif de GGP et qu’elle est inactivée par la lumière bleue.

Contexte / enjeux

Modèle schématique décrivant l'activation de la synthèse d'ascorbate par la lumière bleue

Modèle schématique décrivant l'activation de la synthèse d'ascorbate par la lumière bleue. La protéine PAS/LOV nouvellement synthétisée se lie à la GDP-L-galactose phosphorylase à moins qu'elle ne soit désactivée par la lumière bleue. Sa forme désactivée est stable pendant plusieurs heures tandis que sa forme active inhibe sa cible de manière irréversible, entraînant éventuellement sa dégradation. Abréviations : PLP, PAS/LOV ; GGP, GDP-L-galactose phosphorylase.

L’ascorbate, dont la voie de synthèse chez les plantes n’est connue que depuis 25 ans (Wheeler et al. 1998), joue un rôle majeur en tant qu'antioxydant en participant à l'élimination des espèces réactives de l'oxygène habituellement produites en réponse aux stress biotiques et abiotiques mais aussi en conditions optimales, notamment par la photosynthèse (Decros et al., 2019). En raison de son potentiel antioxydant élevé, l'ascorbate ou vitamine C est l'un des traits les plus importants pour la qualité nutritionnelle des fruits et légumes. En effet, l'évolution chez l'homme et quelques espèces animales a conduit à la perte de l'activité L-gulono-γ-lactone oxydase qui catalyse les dernières étapes de sa biosynthèse (Burns, 1957). Paradoxalement, la domestication de diverses espèces fruitières a entraîné une diminution de la teneur en ascorbate (Gest et al., 2013), suggérant l'existence d'un compromis entre rendement et qualité des fruits. Ainsi, la compréhension du métabolisme de l'ascorbate est un enjeu majeur pour la sélection végétale, en particulier pour les espèces de fruits charnus comme la tomate, nos principales sources de vitamine C.

Perspectives

Sur le plan fondamental, cette découverte permet de mieux comprendre comment et pourquoi les plantes ajustent la production de leur principal antioxydant à l’intensité lumineuse. Sur le plan appliqué, PAS/LOV représente désormais une cible pour la sélection de plantes enrichies en ascorbate alors que des traitements par la lumière bleue pourraient être testés pour stimuler la synthèse d’ascorbate. Augmenter la production d’ascorbate de manière pertinente pourrait à terme stimuler la défense des plantes et améliorer la conservation des fruits tout en augmentant leur qualité nutritionnelle.

Par Yves Gibon et Pierre Baldet - Equipe Métabolisme

References

• Bournonville C, Mori K, Deslous P, Decros G, Blomeier T, Mauxion J-P, Jorly J, Gadin S, Cassan C, Maucourt M, Just D, Brès C, Rothan C, Ferrand C, Fernandez-Lochu L, Bataille L, Miura K, Beven L, Zurbriggen MD, Pétriacq P, Gibon Y, Baldet P (2023) Blue light promotes ascorbate synthesis by deactivating the PAS/LOV photoreceptor that inhibits GDP-L-galactose phosphorylase ; The Plant Cell, in press, DOI : 10.1093/plcell/koad108
• Burns JJ (1957) Missing Step in Man, Monkey and Guinea Pig required for the Biosynthesis of L-Ascorbic Acid. Nature 180: 553-553. DOI:  10.1038/180553a0
• Decros, G., Baldet, P., Beauvoit, B., Stevens, R., Flandin, A., Colombie, S., Gibon, Y., Petriacq, P. (2019). Get the Balance Right: ROS Homeostasis and Redox Signalling in Fruit. Frontiers in Plant Science, 10, 1-16. DOI : 10.3389/fpls.2019.01091
• Gest N, Gautier H, Stevens R (2013) Ascorbate as seen through plant evolution: the rise of a successful molecule? Journal of Experimental Botany 64: 33–53. DOI : 10.1093/jxb/ers297
• Wheeler GL, Jones M, Smirnoff N (1998) Vitamin C in higher plants. Nature 393: 365-369. DOI:  10.1038/30728

Date de modification : 24 octobre 2023 | Date de création : 31 mai 2023 | Rédaction : M. Gauthier