Forteresses imprenables ou cibles mouvantes ?

Publié par Adrien le 02/07/2020 à 09:00
Source: CNRS INSB
Deux théories formulées il y a un peu plus de 40 ans visent à décrire pourquoi les plantes produisent une telle diversité de métabolites et comment celle-ci leur permet de lutter contre les insectes. Une étude publiée dans la revue Science Advances combine des développements récents en métabolomique et la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une...) de l'information pour tester les prédictions de ces deux théories ("Optimal defense" et "Moving target") et ainsi mieux comprendre selon quelles stratégies les plantes font face à leurs ennemis naturels.

Les plantes produisent une diversité spectaculaire de métabolites dont beaucoup agissent comme boucliers chimiques contre l'herbivorie par les insectes (Insectes est une revue francophone d'écologie et d'entomologie destinée à un large public d'amateurs et de naturalistes. Produite par l'Office pour les insectes et leur environnement...). Depuis le milieu des années 70, de très nombreux cadres théoriques ont été formulés pour comprendre si cette diversité chimique est par elle-même fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument. Aujourd'hui, le terme a été étendu,...) et quels sont les facteurs écologiques contrôlant son évolution. Malheureusement, les prédictions de ces théories se sont souvent révélées difficiles à tester du fait de l'absence de techniques analytiques permettant d'explorer de façon poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.) et non-ciblée le profil métabolique des plantes. Ces contraintes techniques ont ainsi été un frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou un véhicule en cours de déplacement.) à l'avancement de ce domaine de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...).


Figure: Le ver du cotonnier (Spodoptera littoralis, à gauche) et celui du sphinx (Le Sphinx est une créature fantastique présente dans plusieurs traditions mythologiques, notamment :) du tabac (Manduca sexta, à droite) attaquant des feuilles de Nicotiana attenuata, un tabac sauvage originaire du Grand Bassin désertique des États Unis (L'UNIS, pour UNIversité du Svalbard, est une université norvégienne implantée en 1993, à Longyearbyen (2000 habitants), principale cité du Spitzberg (en francais,...) d'Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de...). Le ver du cotonnier est un phytophage généraliste pour de nombreuses espèces végétales. La larve (La larve est le premier stade de développement de l'individu après l'éclosion de l'œuf ou la naissance chez un grand nombre d'espèces animales,...) du sphinx du tabac est un phytophage spécialiste de quelques espèces de la famille des Solanacées.
Des analyses approfondies des métabolites produits par la plante (Les plantes (Plantae Haeckel, 1866) sont des êtres pluricellulaires à la base de la chaîne alimentaire. Elles forment l'une des subdivisions (ou...) après l'attaque de ces deux herbivores et l'application d'indices statistiques basés sur la théorie de l'information ont démontré une réorganisation du métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière ininterrompue dans la...) stratégiquement adaptée à chaque ravageur et canalisée vers la production de métabolites à haute valeur défensive.
© Danny Kessler.

Parmi les théories écologiques portant sur les stratégies associées aux réponses métaboliques des plantes face aux insectes, deux sont souvent au coeur des débats: celle de la "défense optimale" (Optimal defense theory) et une autre nommée d'après la métaphore militaire de la "cible mouvante" (Moving target theory). La théorie de la "défense optimale" suggère que les plantes ajustent la production préférentielle de défenses en fonction de la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des...) d'une attaque future. En revanche, la théorie de la "cible mouvante" suppose que les plantes modifient leur métabolisme de manière aléatoire, ces changements imprévisibles pour l'agresseur l'empêchant de s'adapter efficacement. A l'ère des approches "-omiques", comment tester ces théories à première vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) difficilement "testables" ?

Dans le cadre d'une collaboration avec l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est...) Max Planck (Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, Allemagne - 4 octobre 1947 à Göttingen, Allemagne) est un physicien allemand. Il est...) d'Écologie Chimique de Iéna (Allemagne), les scientifiques ont utilisé une approche de métabolomique pour explorer la diversité des métabolites produits par différentes espèces de tabacs sauvages suite à l'attaque par des larves de lépidoptères: le ver du cotonnier (Spodoptera littoralis), un phytophage généraliste s'alimentant sur de nombreuses espèces végétales et celui du sphinx du tabac (Manduca sexta), spécialiste de quelques espèces de la famille des Solanacées, dont Nicotiana attenuata, modèle principal de l'étude.

Afin de décoder la diversité métabolique des plantes analysées et comment celle-ci est reprogrammée lors de la réponse à l'agression, les auteurs de l'étude ont utilisé des outils statistiques issus de la théorie de l'Information. Cette dernière, utilisée dans de nombreuses disciplines, fut proposée par Claude Shannon (Claude Elwood Shannon (30 avril 1916 à Gaylord, Michigan - 24 février 2001) est un ingénieur électricien et mathématicien américain. Il est l'un des pères, si ce n'est le père...) en 1954 afin de quantifier statistiquement le contenu en information dans les processus de communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine...). En transposant ce cadre statistique (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces ressources afin de les rendre...) à l'analyse de profils métabolomiques, les chercheurs ont ainsi pu quantifier la diversité statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode...) et prédictibilité des profils chimiques produits par les plantes attaquées et définir ainsi une approche simple pour tester les prédictions des théories de la "défense optimale" et de la "cible mouvante". L'étude montre que les réponses métaboliques pour différentes populations des espèces végétales analysées sont systématiquement en accord avec la théorie de la "défense optimale".

Cette étude témoigne de l'importance de combiner outils d'analyse modernes et approches interdisciplinaires pour revisiter des théories écologiques ayant inspirées plusieurs décennies de recherche.

Pour en savoir plus:
Information theory tests critical predictions of plant defense theory for specialized metabolism
Li D, Halitschke R, Baldwin IT, Gaquerel E.
Science Adances. 10 juin 2020. doi:10.1126/sciadv.aaz0381

Laboratoire:
Institut de Biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences...) Moléculaire des Plantes (IBMP) - (CNRS / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où...) de Strasbourg)
12 rue (La rue est un espace de circulation dans la ville qui dessert les logements et les lieux d'activité économique. Elle met en relation et structure les différents quartiers, s'inscrivant de ce fait...) du Général Zimmer 67084 Strasbourg, France.
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