Premières structures complètes de protéines respiratoires végétales

Des articles consécutifs dans le numéro du 29 décembre de Nature Plants rapportent les premières structures protéiques complètes pour le supercomplexe respiratoire végétal I + III2. L'obtention de ces structures aide les chercheurs à comprendre la biologie végétale de base, ainsi que les réponses au stress et la façon dont les cultures de biocarburants pourraient se développer plus rapidement.

Les plantes ont deux processus métaboliques majeurs pour la production d'énergie : la photosynthèse, qui utilise la lumière du soleil et le dioxyde de carbone pour produire des sucres, et la respiration, qui utilise l'oxygène pour libérer l'énergie de ces sucres.

"Si nous voulons comprendre le métabolisme des plantes, nous devons comprendre la photosynthèse et la respiration", a déclaré María Maldonado, professeure adjointe de biologie végétale à l'Université de Californie Davis College of Biological Sciences et co-auteur de l'un des nouveaux articles avec James Letts, professeur adjoint de biologie moléculaire et cellulaire.

La plupart des organismes vivants utilisent une certaine forme de respiration pour obtenir de l'énergie. Dans les cellules eucaryotes, les électrons sont transmis le long d'une chaîne de complexes protéiques situés dans la membrane interne de la mitochondrie. Cette chaîne de transport d'électrons entraîne la formation d'eau à partir d'atomes d'oxygène et d'hydrogène, pompant des protons à travers la membrane, ce qui entraîne à son tour la formation d'ATP, une réserve d'énergie chimique.

La respiration permet aux plantes de traiter l'énergie transférée des feuilles, où se produit la photosynthèse, vers d'autres tissus tels que les racines et les tiges.

Étant donné que la respiration est un processus essentiel et fondamental, les grandes lignes de son fonctionnement sont conservées dans la plupart des êtres vivants. Cependant, il y a encore beaucoup de place pour la variabilité, par exemple entre les plantes et les animaux ou entre les différents types de plantes. Cela ouvre des opportunités pour les pesticides qui ne ciblent que certains types de plantes, ou pour améliorer la productivité des plantes.

L'article de Letts et Maldonado examine spécifiquement le supercomplexe du complexe respiratoire I et du complexe III2 dans le haricot mungo. Un article complémentaire de Hans-Peter Braun, Werner Kühlbrandt et leurs collègues allemands a étudié le même supercomplexe dans la plante modèle de laboratoire Arabidopsis.

Ce sont les premières structures d'un supercomplexe mitochondrial avec le complexe I de plantes, a déclaré Maldonado. C'est aussi la première structure complète du complexe végétal I, car il existe des sous-unités qui ne sont pleinement définies que lorsqu'elles sont en contact avec le complexe III2 dans le cadre d'un supercomplexe. L'une de ces sous-unités semble être unique aux plantes, a déclaré Letts.

"Il y a beaucoup plus de variabilité que quiconque ne l'imaginait", a déclaré Letts. Alors que les sous-unités fonctionnelles centrales du complexe sont hautement conservées et remontent à l'ancêtre bactérien des mitochondries, il existe de nombreuses autres sous-unités qui sont moins contraintes et spécifiques aux lignées séparées d'eucaryotes.

L'efficacité de ces supercomplexes a un impact sur la vitesse à laquelle une plante peut ajouter de la biomasse, en affectant l'équilibre entre la fabrication de nouveaux sucres et glucides à partir de la photosynthèse et leur consommation dans la respiration. L'accumulation de biomasse est importante pour considérer les plantes comme une source de biocarburants ou pour capturer le dioxyde de carbone de l'atmosphère, car vous voulez que la plante convertisse autant de lumière solaire et de CO2 que possible en tissus pouvant être utilisés comme carburant.

Les réponses au stress chez les plantes (et les animaux) impliquent la génération d'intermédiaires réactifs d'oxygène à l'intérieur des cellules, ce qui peut être utile, par exemple pour tuer les agents pathogènes, mais peut également causer des dommages. La chaîne de transport d'électrons agit comme un puits pour éliminer l'oxygène réactif et joue donc également un rôle dans la modification de la réponse des plantes aux facteurs de stress tels que la sécheresse ou les ravageurs.

Les autres auteurs de l'article de l'UC Davis sont les jeunes spécialistes Kaitlyn Abe et Ziyi Fan. L'analyse structurelle de l'article UC Davis a été réalisée à l'aide de l'installation de microscopie électronique cryogénique BioEM du Collège des sciences biologiques. Le travail a été soutenu par le département américain de l'énergie.

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Andy Fell est rédacteur scientifique à l'Université de Californie à Davis.

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