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 du supercomplexe respiratoire végétal I+III2. L’obtention de ces structures aide les chercheurs à comprendre la biologie végétale fondamentale, ainsi que les réponses au stress et la façon dont les cultures de biocarburants pourraient croître 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, professeur adjoint de biologie végétale au Davis College of Biological Sciences de l'Université de Californie 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 forme de respiration pour obtenir de l’énergie. Dans les cellules eucaryotes, les électrons circulent 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 existe encore une grande marge de variabilité, par exemple entre les plantes et les animaux ou entre les différents types de plantes. Cela ouvre des opportunités pour les pesticides qui ciblent uniquement 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 du haricot mungo. Un article complémentaire de Hans-Peter Braun, Werner Kühlbrandt et ses 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 provenant de plantes, a déclaré Maldonado. C'est également 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 principales du complexe sont hautement conservées et remontent à l’ancêtre bactérien des mitochondries, il existe de nombreuses autres sous-unités moins contraintes et spécifiques à des lignées distinctes d’eucaryotes.

L'efficacité de ces supercomplexes a un impact sur la rapidité avec laquelle une plante peut ajouter de la biomasse, en affectant l'équilibre entre la production de nouveaux sucres et glucides à partir de la photosynthèse et leur consommation par la respiration. L’accumulation de biomasse est importante lorsqu’on considère les plantes comme une source de biocarburants ou pour capter le dioxyde de carbone de l’atmosphère, car on veut 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 de l’oxygène à l’intérieur des cellules, ce qui peut être utile, par exemple, pour tuer des agents pathogènes, mais peut également être nocif. 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 spécialistes juniors Kaitlyn Abe et Ziyi Fan. L'analyse structurelle de l'article de l'UC Davis a été réalisée à l'aide de l'installation de microscopie électronique cryogénique BioEM du Collège des sciences biologiques. Les travaux ont été soutenus par le ministère américain de l'Énergie.

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