Sciences du vivant : la morphogenèse des plantes éclairée par la simulation

Des racines, une tige, des bourgeons, des feuilles et des fleurs : a priori, rien de plus simple qu’une plante. Et pourtant, voilà des décennies que des chercheurs du monde entier tentent de percer les mystères du processus expliquant leur développement (morphogenèse). Autrement dit, de mettre en relation leurs transformations visibles et l’activité génétique qui les déclenche.

« Arabidopsis thaliana, la plante-modèle sur laquelle porte notre publication, compte déjà 25 000 gènes, précise François Parcy, directeur de recherche CNRS, l’un des auteurs de l’article paru dans Science. Parmi eux, nous en avons retenu sept en raison de leur rôle décisif dans la formation des fleurs. Leurs interactions sont déjà si complexes qu’elles échappent à l’intelligence humaine. » 

Nous avons eu besoin de la simulation informatique pour les décrire et les comprendre. 

Même ainsi, la tâche n’a pas été facile. François Parcy a commencé en 2008 à élaborer des modèles avec Christophe Godin, directeur de recherche Inria (équipe Mosaic - Inria de Lyon), initialement pour une durée de trois ans. En fin de compte, il en a fallu douze pour arriver à cette publication dans Science, l’une plus grandes revues scientifiques au monde.

« Chaque progrès de la modélisation révélait des manques ou des failles dans nos hypothèses,raconte François Parcy. Exemple : je savais que chez le chou, le bourgeon de fleur perdait l’activité des gènes floraux et devenait un bourgeon de tige, mais je ne savais pas pourquoi. Le modèle n’a pas fonctionné jusqu`à ce qu’on identifie des nouvelles régulations qui stimulaient les gènes de tige et causaient ce changement dans la nature des bourgeons. »

Épaulés par quatre équipes étrangères*, les chercheurs français ont réalisé un modèle d’une fidélité et d’une sophistication inédites. Il simule la dynamique de croissance d’Arabidopsis thalianaen trois dimensions et au fil du temps, en couplant le fonctionnement des réseaux de gènes et l’évolution de la forme de la plante.

Ce modèle, calibré avec des plantes produites en laboratoire, peut reproduire une croissance naturelle ou génétiquement modifiée.

C’est en perturbant un système complexe et en voyant si on peut expliquer ce qui en résulte qu’on comprend le système dans son ensemble, décode Christophe Godin.

En l’occurrence, dans le cas d’Arabidopsis thaliana, le modèle explique comment deux mutations suffisent à provoquer un changement majeur de morphologie : la plante ne produit plus des fleurs, mais des petits choux !

À ce stade, il faut rappeler que les organes des plantes naissent de groupes de cellules souches, les méristèmes, situés à l’extrémité des tiges. L’activité locale de leurs gènes donne normalement naissance à des feuilles, des tiges ou des fleurs. Mais les deux mutations du chou-fleur d’Arabidopsis thaliana modifient ce processus :le méristème qui s’engageait tout juste dans un programme génétique floral revient en quelque sorte à l’état de tige.

Toutefois, il garde une « mémoire » de sa brève incursion dans le programme floral et se met à produire une succession de tiges sur des tiges, quasiment à l’infini, ce qui lui donne l’aspect d’un chou.

Les sept gènes évoqués plus haut sont impliqués dans ces transformations. L’un d’eux en particulier, appelé LEAFY, joue un rôle prépondérant : au lieu de s’activer durablement, ce qui enclencherait la production d’une fleur, il connaît un bref pic d’activité puis s’éteint. C’est ce pic qui laisse une trace irréversible dans le méristème et engendre le foisonnement de production de tiges.

Ce résultat est important à plusieurs titres. D’abord, il révèle l’essence même de la construction d’une plante, dans sa forme la plus épurée. Si on inhibe les mécanismes génétiques qui transforment ses méristèmes en organes différenciés (fleurs et feuilles), elle croît comme un petit arbre, en produisant des tiges qui elles-mêmes produisent des tiges à l’identique. En revanche, chez les plantes sauvages ou les plantes domestiques issues d’un long processus de sélection, ce processus élémentaire est altéré par d’autres couches de contrôle génétique.

L’étude publiée dans Scienceéclaire aussi des questions plus terre à terre, à fort impact potentiel pour l’alimentation humaine. « Elle propose par exemple une grille de lecture additionnelle pour comprendre les phénomènes génétiques qui régissent la croissance du chou-fleur, illustre François Parcy. La domestication par l’Homme les a rendus bien pluscomplexes que pour Arabidopsis thaliana, même s’ils présentent de nombreux points communs. Or, il y a urgence pour le monde agricole. »

En effet, les coups de chaud répétés liés au dérèglement climatique donnent parfois naissance à d’étranges choux-fleurs allongés dont les consommateurs ne veulent pas ! Les Pays-Bas ont lancé un programme de recherche pour élaborer des variétés plus tolérantes à la chaleur. En France, l’Organisation bretonne de sélection coordonne un projet sur ce thème et les scientifiques associés sollicitent François Parcy en tant que consultant.

Toujours dans Science, les chercheurs ont proposé une explication à la forme si particulière du chou Romanesco, avec sa répétition à différentes échelles de pyramides identiques. « On parle en mathématiques de motif fractal, précise Christophe Godin. »

Mais pourquoi le Romanesco présente-t-il cette apparence fractale et pas le chou-fleur, alors que tous deux sont constitués de méristèmes qu’on récolte avant leur floraison ?

Réponse proposée : les méristèmes du Romanesco produisent de nouveaux méristèmes à un rythme croissant, alors que celui-ci reste constant chez le chou. Les chercheurs ont trouvé un moyen de tester cette hypothèse expérimentalement et d’obtenir des petits choux de forme conique, caractéristique du Romanesco et de son aspect fractal.

Ce travail sur le chou Romanesco a eu une suite imprévue pour Christophe Godin : il lui a inspiré de nouvelles pistes pour concevoir des modèles mathématiques qui génèrent des fractales sur la base de structures en croissance et régulées… Quant à François Parcy, il juge également très profitable cette collaboration biologiste - mathématicien. « Parce qu’il n’est pas expert dans mon domaine, Christophe m’a posé des questions sans a priori parfois très déconcertantes. Certaines auraient été trop lourdes à traiter. Pour d’autres, les données étaient disponibles dans mon labo ! Mais sans Christophe, je n’aurais pas pensé à les exploiter. »

Christophe Godin est coauteur d’un autre article scientifique publié dans Science, cette fois en 2020. Cet article portait sur le comportement dynamique des cellules embryonnaires d’un petit animal marin de la famille ascidies, et plus précisément sur les signaux moléculaires qu’elles échangent, que l’on peut assimiler à des « cris ». La publication a été signée par cinq équipes de recherche françaises et deux étrangères (Allemagne et États-Unis).

François Parcy est l’auteur de « L’histoire secrète des fleurs » publié en 2019 chez Humensciences.

*Instituto de Biología Molecular y Celular de Plantas (Valence, Espagne), Università degli Studi di Milano (Italie), California Institute of Technology (États-Unis) et John Innes Centre (Royaume-Uni)