GEMMIFER : le gène interrupteur du clonage des plantes chez l’hépatique Marchantia polymorpha

Les plantes se reproduisent par clonage depuis des millions d’années. Les fraisiers émettent des stolons, les pommes de terre donnent de nouvelles pousses, et les mousses colonisent les sols humides sans passer par la production de graines.

Pourtant, malgré ces exemples familiers, les scientifiques ne parvenaient pas à identifier un unique « interrupteur » génétique capable d’indiquer à une plante quand démarrer la fabrication d’un double d’elle-même.

Des chercheurs qui se sont intéressés à une petite hépatique discrète, fréquente sur les trottoirs et les murs de jardin, affirment désormais avoir mis la main sur ce mécanisme.

Ils montrent qu’en désactivant un seul gène, la plante cesse totalement de cloner. Et qu’en le réactivant, il devient possible de déclencher tout le processus à la demande.

Étudier les hépatiques

L’équipe, dirigée par Yuki Hirakawa, professeur à l’Université d’Hiroshima (Japon), s’est concentrée sur une plante verte que la plupart des passants ne remarquent même pas.

L’hépatique commune, Marchantia polymorpha, s’étale dans les zones humides des trottoirs et les coins ombragés des jardins à travers l’hémisphère Nord. Son corps - le thalle - reste plaqué au sol et évoque un ruban vert aplati.

Sur sa surface, on observe de petites coupelles vertes contenant des clones en formation : des gemmes. Lorsqu’une goutte de pluie tombe dans une coupelle, l’impact éjecte une gemme, qui peut ensuite s’enraciner à quelques centimètres et donner naissance à une nouvelle hépatique.

Pourquoi d’autres plantes n’ont pas permis d’avancer

La plupart des travaux en biologie végétale reposent sur Arabidopsis thaliana, une petite brassicacée apparentée à la moutarde, utilisée comme plante modèle de laboratoire depuis des décennies. Mais elle présente une limite majeure pour cette question : elle ne se clone pas. De quoi laisser un vide.

La reproduction asexuée, autrement dit le clonage, est pourtant répandue dans le règne végétal - chez la pomme de terre, le fraisier, le gingembre, le pissenlit, ou encore via les rejets émis par une souche d’érable.

Un article récent décrit l’ampleur de ce phénomène. Malgré cela, les outils génétiques habituellement utilisés n’avaient pas réussi à « ouvrir » ce programme biologique.

C’est précisément pour cette raison que l’équipe d’Hirakawa a choisi l’hépatique : chez elle, le clonage est visible, régulier, et se produit au grand jour. En plus, son génome est petit et bien cartographié, ce qui facilite les manipulations ciblées.

Plantes et gène GEMMIFER

Des recherches antérieures du même groupe avaient déjà mis en cause un signal de type hormonal, le peptide CLE, qui semblait freiner le clonage chez l’hépatique. Un indice utile, mais qui restait indirect.

En examinant quels gènes voyaient leur activité varier en réponse à ce signal, les chercheurs ont dégagé une courte liste de candidats.

Un gène s’est distingué, et ils l’ont baptisé GEMMIFER, en référence aux gemmes qu’il paraissait contrôler - un choix de nom descriptif, sans détour.

Pour vérifier si GEMMIFER était bien l’élément déterminant, l’équipe d’Hirakawa a supprimé ce gène grâce à l’édition du génome CRISPR-Cas9.

Elle a ensuite confirmé le résultat avec une seconde stratégie d’inhibition génique, en recourant à des molécules d’ARN afin de le réduire au silence par un autre biais.

Dans les deux cas, l’effet a été identique : les plantes ont complètement cessé de produire des coupelles à gemmes. Sans coupelles, pas de clones, donc pas de dispersion.

Privée de GEMMIFER, l’hépatique continuait à croître normalement sous forme d’un organisme unique, mais elle avait perdu la capacité de se dupliquer.

Réactiver le clonage

Démontrer l’arrêt n’était qu’une partie du problème. Les chercheurs ont ensuite créé une lignée d’hépatique modifiée, équipée d’un déclencheur chimique : un stéroïde, la dexaméthasone, capable d’activer GEMMIFER quand ils le souhaitent.

Une brève exposition, intense, à ce stéroïde a provoqué un changement net au niveau du méristème, la petite zone de cellules en division située à l’extrémité de croissance. Là où, la veille, on observait un tissu ordinaire, des cellules souches spécialisées sont apparues.

Une autre étude a, de son côté, décrit comment ces identités cellulaires s’organisent normalement dans les tissus à l’origine des gemmes.

Dans l’expérience, les nouvelles cellules ont mûri en gemmes, se sont détachées, puis ont grandi de manière autonome pour former de nouvelles plantes - toute la séquence de clonage déclenchée par un seul gène.

Voie de clonage des plantes

GEMMIFER n’agit pas isolément. Il fonctionne en tandem avec un second gène, déjà associé par des travaux précédents à la formation des gemmes. Lorsque GEMMIFER est activé, ce gène partenaire s’enclenche à son tour, ce qui semble amorcer le programme de clonage.

La chaîne se dessine désormais de bout en bout : du signal hormonal inhibiteur à GEMMIFER, puis à GCAM1, jusqu’à l’émergence d’un nouvel individu.

Pour reconstituer ce schéma, le groupe d’Hirakawa s’est appuyé sur des collaborateurs de l’Université de Cambridge et d’autres institutions.

« La manière précise dont ce gène reprogramme le destin cellulaire n’est pas encore totalement comprise », a déclaré Hirakawa, en précisant que d’autres plantes possèdent des gènes similaires dont les fonctions restent elles aussi difficiles à établir.

Plantes, GEMMIFER et perspectives d’étude

Ces résultats concernent uniquement l’hépatique, et l’on ne sait pas encore si des gènes comparables, chez des plantes cultivées, remplissent le même rôle.

Cette interrogation - ainsi que les étapes moléculaires exactes reliant GEMMIFER à la formation d’un nouveau clone - demeure sans réponse à ce stade.

Avant ces travaux, aucun gène unique n’avait été identifié comme capable, à lui seul, d’arrêter et de relancer le clonage asexué chez une plante. GEMMIFER remplit ces deux fonctions : on le désactive et le clonage s’interrompt ; on l’active et la séquence complète redémarre.

L’enjeu est concret pour les sciences agronomiques. Les agriculteurs s’appuient sur le clonage pour multiplier des bananiers, la canne à sucre et des arbres fruitiers. Un interrupteur comme GEMMIFER - ou ses équivalents dans des plantes alimentaires - offre aux sélectionneurs une cible génétique tangible à explorer.

Cette découverte réduit aussi une zone d’ombre de la biologie végétale. L’hépatique n’apparaît plus comme une curiosité marginale : une synthèse consacrée à l’espèce retrace son essor discret en tant qu’organisme modèle au cours de la dernière décennie.

« Le fait que nous ne pouvions pas l’observer dans les plantes modèles traditionnelles ne signifiait pas que cela ne se produisait pas ailleurs dans la nature », a déclaré Hirakawa. « Cette découverte nous rappelle l’immensité des secrets biologiques qui attendent encore d’être dévoilés. »