La technologie utilisée dans la recherche sur le cancer conduit à une feuille de route des produits chimiques importants pour l’agriculture, la production alimentaire et la résilience climatique

En appliquant une technologie d’imagerie avancée aux racines des plantes, des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego et de l’Université de Stanford ont développé une nouvelle compréhension des produits chimiques essentiels des racines qui sont responsables de la croissance des plantes. À l’aide d’un type de spectromètre de masse, une étude menée par Tao Zhang, chercheur postdoctoral en sciences biologiques de l’UC San Diego, et la professeure adjointe Alexandra Dickinson ont produit une “feuille de route” qui indique où les petites molécules clés sont distribuées le long des cellules souches des racines des plantes de maïs (maïs) et comment leurs facteurs de placement dans la maturation de la plante. Les résultats ont été publiés dans la revue Communication Nature.

“Cette feuille de route chimique fournit une ressource que les scientifiques peuvent utiliser pour trouver de nouvelles façons de réguler la croissance des plantes”, a déclaré Dickinson, membre du corps professoral du Département de biologie cellulaire et du développement. “Avoir plus d’informations sur la façon dont les racines poussent pourrait être utile pour la conservation alors que nous pensons à protéger nos plantes dans les environnements naturels et à les rendre plus durables, en particulier dans l’agriculture.”

Alors qu’il travaillait comme chercheur invité à l’Université de Stanford, Dickinson a commencé à collaborer avec le co-premier auteur de l’étude Sarah Noll et le professeur Richard Zare, qui ont développé un système d’imagerie par spectrométrie de masse qui aide les chirurgiens à distinguer les tissus cancéreux des tissus bénins lors des opérations d’ablation de tumeurs.

Dickinson, Zare et Noll ont adapté la technologie – appelée “imagerie par spectrométrie de masse à ionisation par électrospray à désorption” ou DESI-MSI – pour sonder les racines des plantes à la recherche des produits chimiques impliqués dans la croissance et la production d’énergie. Ils se sont d’abord concentrés sur les plants de maïs au niveau des racines, où les cellules souches jouent un rôle actif dans le développement de la plante. Leur méthode consistait à couper au centre de la racine pour obtenir une image claire des produits chimiques à l’intérieur.

“Pour aider à comprendre les racines des plantes du point de vue de la biologie, nous devions découvrir quels produits chimiques s’y trouvaient”, a déclaré Zare. “Notre système d’imagerie pulvérise des gouttelettes qui frappent différentes parties de la racine et dissolvent les produits chimiques à cet endroit. Un spectromètre de masse recueille les éclaboussures de gouttelettes et nous indique ce que sont ces produits chimiques dissous. En balayant systématiquement le point cible des gouttelettes, nous créons une carte spatiale de les produits chimiques de la racine.”

Les images résultantes, considérées comme parmi les premières à révéler la transition entre les cellules souches et les tissus racinaires matures, montrent le rôle fondamental des métabolites – des molécules impliquées dans la production d’énergie de la plante. Les métabolites du cycle de l’acide tricarboxylique (TCA) sont devenus le centre de la recherche car ils se sont révélés être un acteur clé dans le contrôle du développement des racines.

En entrant dans l’étude, les chercheurs s’attendaient à une distribution relativement uniforme des produits chimiques. Au lieu de cela, avec leur feuille de route chimique en main, ils ont découvert que les métabolites du TCA sont regroupés en plaques à travers la racine.

“J’ai été surpris par le nombre de produits chimiques présentés dans des modèles vraiment distincts”, a déclaré Dickinson. “Nous pouvons voir que la plante le fait exprès – elle a besoin de ces molécules dans des régions spécifiques pour se développer correctement.” Le laboratoire Dickinson a montré que ces métabolites du TCA ont des effets prévisibles sur le développement, non seulement chez le maïs, mais aussi chez une autre espèce végétale (Arabidopsis). Cela est probablement dû au fait que les métabolites du TCA sont hautement conservés – ils sont fabriqués dans toutes les plantes ainsi que chez les animaux.

Des composés chimiques non identifiés auparavant ont également émergé des nouvelles images. Dickinson dit que les composés mystérieux pourraient être critiques pour la croissance des plantes car ils sont également regroupés en motifs à des endroits spécifiques, suggérant un rôle de premier plan dans le développement. Dickinson et ses collègues étudient actuellement ces composés et comparent des variétés de maïs qui ont différents niveaux de résistance au stress pour les menaces défavorables telles que les conditions climatiques sévères et la sécheresse. Les nouvelles informations les aideront à développer de nouvelles stratégies chimiques et génétiques pour améliorer la croissance des plantes et leur résistance au stress.

“Nous examinons différentes plantes de maïs résistantes à la sécheresse pour voir si nous avons déjà trouvé des produits chimiques spécifiques à cette variété que nous n’avons pas vus dans d’autres variétés”, a déclaré Dickinson. “Nous pensons que cela pourrait être un moyen de trouver de nouveaux composés susceptibles de favoriser la croissance, en particulier dans des conditions difficiles.”

La liste complète des auteurs de l’étude comprend : Tao Zhang, Sarah Noll, Jesus Peng, Amman Klair, Abigail Tripka, Nathan Stutzman, Casey Cheng, Richard Zare et Alexandra Dickinson.