Adaptation des plantes à la vie hors de l’eau : l’évolution d’un gène clef décrypté

Les phénylpropanoïdes, des molécules végétales associées à la vie hors de l’eau

Il y a environ 500 millions d’années, une lignée d’algues d’eau douce s’est progressivement affranchie du milieu aquatique et a donné naissance aux plantes terrestres actuelles. Ce processus, appelé terrestrialisation, a constitué un changement radical d’habitat, exposant les premières plantes terrestres à de nouvelles contraintes. Dans cette étude, les scientifiques se sont intéressés à la voie des phénylpropanoïdes, un métabolisme qui génère des molécules aux propriétés anti-oxydantes et anti-UV, ainsi que les précurseurs des biopolymères qui structurent des barrières extracellulaires protectrices, comme la cuticule. Au cœur de cette voie se trouve les gènes CYP73, qui encodent l'enzyme cinnamate 4-hydroxylase (C4H). La C4H joue un rôle clé dans la conversion de l'acide cinnamique en acide p-coumarique, une étape précoce et indispensable dans la synthèse des phénylpropanoïdes.

Une origine ancienne des gènes CYP73

Grâce à des analyses phylogénétiques approfondies, les scientifiques ont pu établir que les gènes CYP73 sont apparus chez un ancêtre commun des plantes terrestres il y a environ 500 millions d’années et ont été strictement conservés depuis. En combinant ces résultats à des analyses biochimiques, ils ont démontré que les gènes CYP73 encodent des enzymes C4H depuis les stades les plus précoces de leur évolution. Ceci a été confirmé par des approches de biologie structurale au travers desquelles les scientifiques ont réussi à identifier trois acides aminés qui déterminent l’activité C4H. Ces trois acides aminés sont présents dans la quasi-totalité des protéines encodées par les gènes CYP73, indiquant que les déterminants de l’activité C4H sont apparus très tôt dans l’évolution de cette famille de gènes.

Une adaptation clef des plantes terrestres

Les scientifiques ont ensuite étudié les fonctions des gènes CYP73 dans un assortiment d’espèces couvrant une part importante de la diversité végétale. Par inactivation de gènes ou traitement avec un inhibiteur de la C4H, ils ont mis en évidence le rôle essentiel et conservé des gènes CYP73 dans la synthèse des phénylpropanoïdes et le développement des plantes terrestres, probablement en lien avec la formation de barrières extracellulaire protectrices et structurantes. L’étude tend donc à démontrer que l’apparition de la famille de gènes CYP73 a joué un rôle déterminant lors de l’adaptation des plantes à la vie hors de l’eau il y a environ 500 millions d’années en permettant la production de composés qui renforcent les parois cellulaires et protègent contre les stress environnementaux.

Figure : La famille des gènes CYP73 est apparue dans un ancêtre commun des plantes terrestres, au cours du processus de sortie des eaux. L’étude a employé six espèces de plantes, couvrant une part importante de la diversité végétale. 

En savoir plus : Knosp S, Kriegshauser L, Tatsumi K, Malherbe L, Erhardt M, Wiedemann G, Bakan B, Kohchi T, Reski R & Renault H* (2024) An ancient role for the CYP73 gene family in phenylpropanoid biosynthesis and embryophyte development. The EMBO Journal, 43, 4092-4109. https://doi.org/10.1038/s44318-024-00181-7