Comment la croissance d’une cellule géante est étroitement liée aux rythmes personnels quotidiens

La Caulerpa est un type d’algue marine composée d’une seule cellule étendue, bien que chaque plante puisse atteindre un mètre de diamètre. Bien qu’il existe de nombreux noyaux individuels dans une plante Caulerpa, celle-ci ne contient aucune membrane cellulaire qui diviserait normalement la plante en plusieurs cellules individuelles, ce qui entraîne un environnement flottant de matière cytoplasmique. En conséquence, Caulerpa pose des questions intéressantes aux biologistes du développement : comment remplit-elle les fonctions normales des plantes sans être constituée de cellules séparées ?

La plupart des plantes poussent parce que chacune de leurs cellules vivantes assume des tâches spécifiques, comme germer en feuille ou en tige. De nombreux organismes multicellulaires subissent ce processus de différenciation ; par exemple, des organes humains spécialisés comme le cœur et le cerveau se développent à partir d’une masse de cellules embryonnaires. Les chercheurs théorisent qu’une clé de la différenciation réside dans la capacité des cellules à communiquer avec les autres autour d’elles, en coordonnant leur activité pour permettre à l’embryon de « rompre la symétrie » et de se développer en différentes parties.

Mais comment alors une plante unicellulaire comme Caulerpa peut-elle croître sans que des cellules spécialisées communiquent pour guider la rupture de symétrie ?

“Un paradigme principal en biologie cellulaire est que l’environnement interne d’une cellule est dicté par son environnement et par ce qui se passe dans le noyau. Mais chez Caulerpa, rien ne sépare les noyaux les uns des autres”, explique Eldad Afik, chercheur postdoctoral à Caltech.

“Comment Caulerpa crée-t-il les environnements différenciés que nous connaissons en tant qu’organes dans les plantes multicellulaires ? Notre hypothèse est que la plante envoie des vagues de chloroplastes synchronisées avec le cycle de lumière diurne et nocturne.”

Dirigée par Afik, une nouvelle étude du laboratoire d’Elliot Meyerowitz, professeur de biologie George W. Beadle et chercheur au Howard Hughes Medical Institute, montre que Caulerpa maintient une sorte d’horloge interne guidée par le cycle de lumière jour-nuit.

L’étude suggère que la lumière peut stimuler Caulerpa à émettre des vagues de chloroplastes dans tout son corps, effectuant la photosynthèse pour produire de l’énergie et croître. Caulerpa peut s’adapter à différentes durées de jour et de nuit – 12 heures de jour et 12 heures de nuit, ou une autre variation – bien que les chercheurs soient encore incertains sur les mécanismes moléculaires qui sous-tendent ce processus.

L’étude, intitulée “Ondes macroscopiques, horloges biologiques et morphogenèse entraînées par la lumière dans une algue verte unicellulaire géante”, est publiée dans la revue Communications naturelles.

Les chercheurs émettent l’hypothèse que les chloroplastes effectuent la photosynthèse lorsqu’il y a de la lumière, convertissant les photons en énergie pour la plante. Lorsqu’il n’y a pas de lumière, la plante respire, c’est-à-dire lorsque l’énergie stockée pendant la photosynthèse est consommée par la plante. Ces deux états distincts, selon les chercheurs, pourraient créer deux environnements distincts agissant comme des briseurs de symétrie.

L’équipe a découvert que différentes conditions d’éclairage produiraient une morphologie différente (à quoi ressemble la plante). Les plantes Caulerpa cultivées sous un cycle de 12 heures de lumière vive et 12 heures d’obscurité présentent des feuilles moins nombreuses et plus longues que celles cultivées sous 24 heures de lumière constante comparable. Le cycle entre le jour et la nuit semble être important pour signaler aux plantes quand il est temps de grandir et quand il est temps de « se reposer ».

“Dans les travaux futurs, nous visons à examiner comment les vagues de chloroplastes sont liées au métabolisme et à la synchronisation entre les différentes parties de la plante et les différentes formes dans lesquelles elles aboutissent”, explique Afik.