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EDITORIAL
Special feature: metabolomics
A new analytical service 2
Un nouveau service analytique 3
Eine neue analytische Servicestelle 4
Metabolomics of maize 5
Métabolomique du maïs 6
Metabolomik von Mais 7
Lipid synthesis 8
La synthèse des lipides 9
Lipidsynthese 10
The Achilles heel of chloroplasts 11
Le talon d’Achille des chloroplastes 12
Die Achillesferse der Chloroplasten 13
Chemical responses to plant stress 14
Les réponses chimiques
au stress des plantes 15
Chemische Reaktionen
von Pflanzen auf Stress 16
In short / en bref / kurz gesagt 17-19
Agenda 20
Vous avez dit métabolomique ?
Haben Sie Metabolomik gesagt?
Did you say metabolomics?
Science moderne combinant la bioinformatique et la biostatistique, la
métabolomique a récemment pris son essor en biologie systémique
végétale. A partir de la saisie d’une multitude de données, cette méthodo-
logie puissante permet d’appréhender de manière globale les réponses
biochimiques des plantes suite à des stimuli externes. Ces réponses
se traduisent par la production de nombreuses petites molécules qui
interviennent dans la lutte contre des pathogènes ou dans l’adaptation
des plantes aux changements des conditions environnementales.
Grâce à la métabolomique, le Service de chimie analytique (CAS)
récemment établi à l’Université de Neuchâtel offre de nouvelles voies
d’investigations. Mais pour quelles applications concrètes ? C’est à
découvrir dans ce numéro.
A modern science combining bioinformatics and biostatistics,
metabolomics has recently taken off in the field of plant systemic biology.
From the input of a multitude of data, this powerful methodology makes
it possible to grasp in a global way the biochemical plant responses to
external stimuli. These responses result in the production of numerous
small molecules that intervene in the control of pathogens or plant adapta-
tion to changes in environmental conditions. Thanks to metabolomics, the
newly created Chemical Analytical Service (CAS) at the University of
Neuchâtel offers new research tools. For which specific applications you
ask? You will find the answers in this issue.
Die Metabolomik, eine moderne Wissenschaft, die Bioinformatik und
Biostatistik miteinander kombiniert, hat kürzlich ihren erfolgreichen
Einzug in die Pflanzenbiologie gehalten. Ausgehend von der Erfassung
einer Vielzahl an Daten ermöglicht diese leistungsstarke Methode bioche-
mische Reaktionen von Pflanzen auf äusserliche Reize auf umfassende
Weise zu begreifen. Diese Reaktionen äussern sich durch die Produktion
von zahlreichen kleinen Molekülen, die bei der Abwehr von Krankheits-
erregern oder bei der Anpassung der Pflanzen an sich verändernde
Umweltbedingungen aktiv werden. Dank der Metabolomik kann die
Servicestelle für Analytische Chemie (CAS), die vor kurzem an der
Universität Neuenburg eingerichtet wurde, neue Untersuchungswege
anbieten. Wo aber finden sie konkrete Anwendung? Wir laden Sie ein,
dies in dieser Ausgabe zu entdecken.
2
METABOLOMICS
This pharmacist specialised in analytical chemistry
applied towards plant analysis has recently
finished his PhD thesis at the University of Geneva
under the supervision of Professor Jean-Luc
Wolfender, a member of the NCCR Plant Survival.
Using a metabolomic approach, he studied the
rapid plant response to mechanical injuries, which
consists in producing plant hormones such as
jasmonates. Hence, the young researcher chose
a theme already explored by the NCCR Plant
Survival that can from now on be studied from an
analytical angle.
At the heart of this brand new equipment is a
mass spectrometer QTOF. “It’s one of the most
sophisticated mass spectrometers for identifying
low molecular weight molecules within complex
extracts, states Gaétan Glauser. What sets it
apart from other analytical devices is its capa-
bility to generate ions and fragments with very high
mass accuracy. This is essential for identifying
secondary metabolites such as flavonoids,
alkaloids, glucosinolates, fatty acids, galactoli-
pids or plant hormones.”
The device is especially recommended for
measuring biochemical variations in plants after
experiencing an environmental stress: insect
herbivores, pathogens, wounds, cold or heat, drought
or water excess, light, pollutants, absorption of heavy
metals. The parameters are valuable for evaluating
seasonal influences, soil quality or climatic factors.
Not to mention the comparison between mutant,
transgenic and non-modified plants.
The new service of the SPSW has already reso-
nated with Felix Kessler, whose group studies
plastoglobules. Within the plant cell, these
lipoprotein particles located in the chloroplasts
serve as storage compartments for vitamins
K and E. The researchers are interested in the
metabolites found in plastoglobules, mainly
fatty acids as well as derivatives or precursors
of the vitamins K and E. These studies are part
of research aimed at using plants as protein
producers that might interest the pharmaceu-
tical or cosmetic industry.
Another analytical field tested deals with toxic
substances released by maize when confronting
insect pathogens (see p. 5). It involves secondary
metabolites that the CAS could help in identi-
fying. Other research groups from different Swiss
universities have also made use of the services
offered in Neuchâtel.
Apart from its community service, the CAS also
organises annual courses on mass spectro-
metry and chromatography for non-specialists
who intend to use these techniques for their
research.
www.unine.ch/spsw
The reputation of the chemistry department in Neuchâtel and of the NCCR Plant Survival helped in creating a new service at the University in analytical chemistry focusing on metabolomics. Financed by the Swiss Plant Science Web (SPSW), this new chemical analytical service (CAS) started in April 2010 under the responsibility of Gaétan Glauser.
A new analytical service
A diagram of a mass spectrometer that measures the ion mass with
a precision of four decimal places
Schéma d‘un spectromètre de masse qui permet de mesurer la masse des ions
avec une précision de quatre décimales
Schema eines Massenspektrometers, der die Masse der Ionen mit einer Genauigkeit von vier
Stellen hinter dem Komma messen kann
3
Ce pharmacien de formation spécialisé dans
la chimie analytique appliquée à l’analyse de
plantes vient de terminer une thèse de doctorat
à l’Université de Genève dans le groupe de
Jean-Luc Wolfender, lui-même membre du
NCCR Survie des plantes. Sa thématique ?
Etudier la réponse rapide des plantes à des
blessures mécaniques, qui se traduit principa-
lement par la production d’hormones végétales
comme les jasmonates, par des approches de
type métabolomique. Ainsi, le jeune chercheur
a choisi une thématique qu’explore également
le NCCR Survie des plantes, mais qu’on pourra
désormais étudier sous l’angle analytique.
Le cœur de cet équipement flambant neuf est
un spectromètre de masse QTOF. « C’est un des
spectromètres de masse les plus sophistiqués
pour identifier des petites molécules au sein
d’extraits complexes, précise Gaétan Glauser.
Contrairement à d’autres appareils d’analyse,
il permet de générer des ions et des fragments
avec une exactitude en masse particulièrement
élevée, indispensable à l’identification de méta-
bolites secondaires tels que les flavonoïdes,
alcaloïdes, glucosinolates, acides gras, galacto-
lipides, ou les hormones végétales. »
L’appareil est particulièrement recommandé
pour la mesure de variations biochimiques des
plantes suite à un stress extérieur : insectes
herbivores, pathogènes, blessure, froid ou
chaleur, sécheresse ou excès d’eau, lumière,
polluants, ou encore absorption de métaux.
Ces paramètres sont précieux pour évaluer
l’influence des saisons, de la qualité des sols
ou des facteurs climatiques. Sans parler de la
comparaison entre plantes mutantes, transgé-
niques et leurs cousines non-modifiées.
Le nouveau service du SPSW a déjà trouvé écho
auprès de Felix Kessler, dont le groupe étudie les
plastoglobules, ces microgouttelettes lipidiques
situées dans les chloroplastes, lieu de stockage
des vitamines K et E au cœur des cellules végé-
tales. On s’intéresse ici aux métabolites contenus
dans les plastoglobules, principalement des
acides gras, ainsi qu’à des dérivés ou précurseurs
des vitamines K et E. Ces travaux s’inscrivent dans
des recherches visant à utiliser les plantes comme
producteurs de protéines susceptibles d’intéresser
l’industrie pharmaceutique ou cosmétique.
Un autre domaine d’analyse concerne les
substances toxiques relâchées par le maïs
contre les insectes pathogènes (voir p. 6). Diffé-
rentes universités suisses ont également déjà
fait appel à la plateforme neuchâteloise.
Le CAS, en-dehors du service à la communauté,
organise également des cours annuels en
chromatographie et en spectrométrie de masse
pour des non-spécialistes qui entendent utiliser
ces techniques dans leurs recherches.
www.unine.ch/spsw
La réputation de la chimie neuchâteloise et du NCCR Survie des plantes a permis l’ouverture à l’Université de Neuchâtel dès avril 2010 d’une plateforme de chimie analytique. Financé par le Swiss Plant Science Web (SPSW) et orienté vers la métabolomique des plantes, le nouveau service de chimie analytique (CAS) est placé sous la responsabilité de Gaétan Glauser.
Un nouveau service analytique
The analytical platform of the SPSW. On the left: an ultra-high pressure liquid chromatography system. On the right: QTOF mass spectrometer
La plateforme analytique du SPSW. A gauche: un système de chromatographie liquide à ultra-haute pression. A droite: spectromètre de masse QTOF
Die Plattform des SPSWs für analytische Chemie. Links: Ultra-Hochdruck Flüssig-Chromatographiesystem. Rechts: QTOF-Massenspektrometer
4
Der ausgebildete Pharmazeutiker, spezialisiert in
analytischer Chemie bei Pflanzen, hat vor kurzem
seine Dissertation an der Universität Genf im Team
von Jean-Luc Wolfender abgeschlossen, welcher
ebenfalls im NCCR Plant Survival mitarbeitet. Seine
Thematik? Er untersucht mit metabolomischen
Methoden die schnelle Reaktion von Pflanzen auf
mechanische Verletzungen, die sich hauptsächlich
in der Produktion von Phytohormonen wie den
Jasmonaten äussert. Der junge Forscher hat damit
eine Thematik gewählt, die bereits im NCCR Plant
Survival erforscht wird, die man jetzt aber zusätz-
lich aus analytischer Perspektive studieren kann.
Das Herzstück dieser brandneuen Einrichtung
ist ein QTOF-Massenspektrometer. «Es ist einer
der hochentwickeltsten Massenspektrometer,
der dazu dient, kleine Moleküle in komplexen
Extrakten zu identifizieren», präzisiert Gaétan
Glauser. «Im Gegensatz zu anderen Analyseappa-
raten ermöglicht er es, Ionen und Fragmente mit
einer besonders hohen Genauigkeit der Masse zu
generieren. Das ist unverzichtbar zur Identifika-
tion von Sekundären Pflanzenstoffen, wie Flavo-
noiden, Alkaloiden, Glucosinolaten, Fettsäuren,
Galactolipiden und Phytohormonen.»
Der Apparat empfiehlt sich besonders für die
Messung biochemischer Variationen bei Pflan-
zen nach einem äusserlichen Stresserlebnis:
pflanzenfressende Insekten, Krankheitserreger,
Verletzungen, Wärme oder Kälte, Trockenheit
oder Wasserüberschuss, Licht, Schadstoffe
oder auch die Aufnahme von Metallen. Diese
Parameter sind sehr wichtig, denn sie ermög-
lichen es, den Einfluss der Jahreszeiten, der
Bodenqualität oder auch klimabedingte Faktoren
zu evaluieren. Ganz zu schweigen vom Vergleich
zwischen mutierten, oder transgenen Pflanzen
sowie ihren nicht veränderten Verwandten.
Die neue Servicestelle des SPSW hat bereits
Anklang bei Felix Kessler gefunden, dessen
Gruppe Plastoglobuli untersucht, den mikrosko-
pisch kleinen Fetttröpfchen im Innern von Chloro-
plasten, dem Speicherort für die Vitamine K und E
in pflanzlichen Zellen. Sein Team interessiert sich
für die in den Plastoglobuli enthaltenen Metabolite,
in der Hauptsache Fettsäuren sowie Derivate
oder Vorstufen der Vitamine K und E. Diese Arbei-
ten stehen in Zusammenhang mit Forschungen,
die zum Ziel haben, Pflanzen zur Produktion von
Proteinen zu nutzen, was auch für die Pharmazeu-
tische und Kosmetische Industrie von Interesse ist.
Ein anderer analytischer Feldversuch beschäftigt sich
mit den giftigen Substanzen, die von Maispflanzen
abgegeben werden, wenn diese dem Angriff von
Insekten oder Pathogenen ausgesetzt sind. Die an
diesen Prozessen beteiligten Sekundären Pflanzen-
stoffe können mit Hilfe des CAS identifiziert werden.
Auch andere Forschungsgruppen aus verschie-
denen Schweizer Universitäten haben bereits den
Service genutzt, der in Neuenburg angeboten wird.
Neben ihren Dienstleistungen für die wissen-
schaftliche Forschergemeinschaft organisiert die
CAS auch Kurse in Chromatographie und Mas-
senspektrometrie für Nicht-Spezialisten, die diese
Techniken für ihre Forschungen nutzen möchten.
www.unine.ch/spsw
Der gute Ruf des Chemie-Departements Neuenburg und des NCCR Plant Survival hat es ermöglicht, im April 2010 an der Universität Neuenburg, eine Plattform für analytische Chemie einzurichten. Sie wird von Swiss Plant Science Web (SPSW) finanziert und ist auf die Pflanzenmetabolomik ausgerichtet. Die neue Servicestelle für Analytische Chemie (CAS) steht unter der Leitung von Gaétan Glauser.
Eine neue analytische Servicestelle
3D ionic map of a plant extract
Carte ionique 3D d‘un extrait de plante
3D-Ionendiagramm eines Pflanzenextrakts
METABOLOMICS
5
It all started by an astonishing observation:
an attack on plant leaves by the caterpillar
Spodoptera frugiperda significantly reduces the
survival chances of the rootworm Diabrotica
virgifera. Researchers were not expecting such
chemical signals between leaves and roots. In
order to obtain a clearer picture, Matthias Erb,
a post-doc at the University of Neuchâtel
in Ted Turling’s group, sought the help of
specialists in the analysis of natural substances:
the team of Jean-Luc Wolfender, a professor in
pharmaceutical sciences at the University of
Geneva. His collaborators include Serge Rudaz,
an expert in data treatment and data mining,
Guillaume Marti and Gaétan Glauser, head of
the newly created Chemical Analytical Service
(CAS) at the University of Neuchâtel (see p. 2).
A modern science combining bioinformatics
and biostatistics, metabolomics has recently
taken off in the field of plant systemic biology,
becoming a powerful method of capturing, in
a global way, the plant stress responses. In
this case, the researchers are comparing the
metabolites from healthy maize with those
coming from maize damaged by a caterpillar.
“With this in mind, we expand the range of
study in order to include the largest amount of
compounds possible, states the professor from
Geneva. We then look at which compounds are
repeatedly modified in a statistically significant
way following an attack of the plant by the
herbivore. It is similar to searching for a needle
in a haystack, but it is made possible today with
the use of powerful statistical tools such as data
mining.”
Once a candidate’s analytical signal is
statistically validated, its chemical structure can
be determined with nuclear magnetic resonance.
“This operation remains delicate because, apart
from the analytical challenge presented by such
an approach, we are dealing with a
dynamic signal. The perfect timing
must be found for analysing the
plant responses and to prepare the
field experiment properly.”
Up until now, the researchers
have shown that caterpillar leaf
wounds caused a production of
original metabolites at the leaf
level of which the biological activity
needs to be better elucidated. The
next step consists of researching
biomarkers in roots where the
metabolite production would also
be induced by leaf wounds.
In response to wounds inflicted by insect herbivores, maize produces a host of chemical substances known as metabolites. Thanks to metabolomics, a team from the NCCR Plant Survival is analysing in depth this phenomenon and in particular the recently observed interactions between leaf and root metabolism that represent a real challenge.
Metabolomics of maize
The caterpillar Spodoptera frugiperda on a maize leaf
La chenille Spodoptera frugiperda sur une feuille de maïs
Raupe der Spodoptera frugiperda auf einem Maisblatt
© Frank Peairs, ForestryImages.org
6
Tout a commencé par un constat étonnant:
l’attaque de la chenille Spodoptera frugiperda
réduit sensiblement chances de survie du
ravageur des racines Diabrotica virgifera. Les
chercheurs ne s’attendaient pas à ces messages
chimiques entre feuilles et racines. Pour tenter
d’y voir plus clair, Matthias Erb, post-doc à
l’Université de Neuchâtel dans le groupe de
Ted Turlings, s’est tourné vers des spécialistes
de l’analyse de substances naturelles: l’équipe de
Jean-Luc Wolfender, professeur en sciences
pharmaceutiques à l’Université de Genève.
A ses côtés collaborent Serge Rudaz, expert en
traitement et fouilles de données analytiques,
le post-doc Guillaume Marti, de même que
Gaétan Glauser, responsable du Service de
chimie analytique nouvellement créé à l’Université
de Neuchâtel (cf. p. 3). Science moderne com-
binant la bioinformatique et la biostatistique,
la métabolomique a récemment pris son essor
en biologie systémique végétale, devenant une
méthodologie puissante pour appréhender de
manière globale les réponses liées au stress
des plantes. En l’occurrence, les scientifiques
comparent les métabolites présents dans le
maïs sain avec ceux que produit la céréale
attaquée par la chenille.
« Dans cette optique, on élargit le spectre
d’exploration, afin d’englober le plus grand
nombre possible de composés chimiques, pour-
suit le professeur de Genève. On regarde ensuite
lesquels de ces composés sont modifiés de
manière répétée et statistiquement significative
suite à l’attaque de l’herbivore. La démarche
s’apparente à chercher une aiguille dans une botte
de foin, mais elle est aujourd’hui rendue possible
par la puissance des outils statistiques utilisés
dans l’exploration de données (data mining). »
Une fois qu’un signal analytique des candidats
est statistiquement validé, sa structure chimique
peut être déterminée par résonance magnétique
nucléaire. « L’opération reste toutefois délicate
car, outre le défi analytique représenté par une
telle approche, on est en présence d’un signal
dynamique. Il faut donc trouver le bon timing
pour analyser les réponses de la plante et cor-
rectement préparer l’expérience sur le terrain. »
A ce jour, les chercheurs ont montré que les
blessures de la chenille provoquaient au niveau
des feuilles la production de métabolites origi-
naux dont l’activité biologique doit être mieux
caractérisée. L’étape suivante consistera à
rechercher des biomarqueurs dans les racines,
dont la production serait également induite par
la blessure des feuilles.
En réaction aux blessures infligées par les insectes herbivores, le maïs produit une foule de substances chimiques appelées métabolites. Grâce à la métabolomique, une équipe du NCCR Survie des plantes analyse en détail le phénomène. Et plus particulièrement le défi que repré-sentent les interactions observées entre le métabolisme des feuilles et celui des racines.
Métabolomique du maïs
METABOLOMICS
7
Alles begann mit einer erstaunlichen Fest-
stellung: Angriffe der blattfressenden Raupe
Spodoptera frugiperda reduzieren die Überle-
benschancen des Wurzelschädlings Diabrotica
virgifera beträchlich. Dass eine solch starke
chemische Kommunikation zwischen Blättern
und Wurzeln besteht, hatten die Forscher nicht
erwartet. Um dieses Phänomen besser zu
verstehen hat sich Matthias Erb, Post-Doc in
der Gruppe von Ted Turlings an der Universität
Neuenburg, an Spezialisten für die Analyse
von natürlichen Substanzen gewendet: das
Team von Jean-Luc Wolfender, Professor für
Pharmawissenschaft an der Universität Genf.
Er arbeitet zusammen mit Dr. Serge Rudaz,
Experte für Datenverarbeitung und Data
mining, dem Post-Doc Guillaume Marti, sowie
Dr. Gaétan Glauser, Verantwortlicher für die
Servicestelle für Analytische Chemie, die vor
kurzem an der Universität Neuenburg einge-
richtet wurde (vgl. S. 4).
Die Metabolomik, eine moderne Wissenschaft,
die Analytik, Bioinformatik und Biostatistik mitei-
nander kombiniert, hat kürzlich ihren erfolg-
reichen Einzug in die Pflanzensystembiologie
gehalten. Sie ist im Begriff, eine leistungsfä-
hige Methode zu werden, mit der die Reaktion
von Pflanzen auf Stress auf umfassende Weise
erfasst werden kann. Im vorliegenden Fall
vergleichen die Wissenschaftler die in gesundem
Mais vorhandenen Metaboliten mit denjenigen,
die nach einem Angriff in den Blättern produziert
werden.
«Mit dieser Betrachtungsweise erweitert man
das Forschungsspektrum so, dass die grösst-
mögliche Anzahl von chemischen Verbindungen
simultan gemessen werden können», erklärt der
Professor aus Genf. «Anschliessend schaut man,
welche dieser Verbindungen nach dem Angriff
des pflanzenfressenden Schädlings wiederholt
und auf statistisch signifikative Weise induziert
wurden. Das Vorgehen kommt zwar der Suche
nach der Stecknadel im Heuhaufen gleich. Trotz-
dem ist ein solches Vorgehen heute möglich, und
zwar dank der Leistungsfähigkeit der verwende-
ten statistischen Hilfsmittel für Data Mining.»
Zeigt eines dieser Signale eine statistisch
signifikante Veränderung kann seine che-
mische Struktur mit magnetischer Kernresonanz
bestimmt werden. «Das Vorgehen ist subtil, denn
nebst der Herausforderung einer solchen Heran-
gehensweise hat man es mit einem dynamischen
Signal zu tun. Zur Analyse der Reaktion der
Pflanze muss man deshalb das richtige Timing
finden und den Versuch sehr genau vorbereiten.»
Bis heute haben die Forscher aufgezeigt, dass die
von der Raupe verursachten Verletzungen im Blatt-
bereich die Produktion von bisher nicht bekannten
Metaboliten hervorruft. Deren biologische Aktivität
muss nun noch besser erfasst werden. Die nächste
Etappe besteht in der Suche nach Biomarkern in
den Wurzeln, deren Produktion ebenfalls durch die
Blattverletzungen induziert wird.
Als Reaktion auf Insektenbefall produziert der Mais eine Menge chemischer Substanzen, die man Metaboliten nennt. Mit Hilfe der Metabolomik analysiert eine Gruppe des NCCR Plant Survival diese Veränderungen. Insbesondere die Interaktion zwischen Blatt- und Wurzelmetabolismus ist dabei eine Herausforderung.
Metabolomik von Mais
© Khairuzzaman, commons.wikimedia.org
8
For several years, this laboratory has built a
solid reputation in the study of chloroplasts, the
organelles found in cell walls where photosyn-
thesis takes place. One of its research areas
deals with the role of plastoglobules, micro-
droplets of lipids lodged within the chloroplasts.
Lipids, which include some vitamins, are essential
elements of plant metabolism that not only play
a structural role for the cell wall, but are also
molecules acting as a biochemical signal, which
reacts to a stress for example.
“For a long time, we thought that the lipids
resulting from cell wall degradation were
stored passively in plastoglobules during stress
periods, comments Céline Besagni-Andrès,
the post-doctoral fellow responsible for these
studies. However, this is not the case.
Proteins present in plastoglobules, particularly
enzymes, actively participate in lipid synthesis.
Each one of those proteins plays a role in the
storage of a specific lipid. In case of stress, the
number and size of plastoglobules increases
considerably in response to an accumulation
of lipids.”
The first step of this demonstration occurred
in 2006 with the discovery of a gene that
controls vitamin E synthesis in plastoglobules.
At that time, the research group showed that
an Arabidopsis plant lacking this gene was no
longer able to produce the vitamin. Since then,
thanks mainly to tools provided by the Chemical
Analytical Service (CAS), several lipid synthesis
channels will be completed and will help in
finding out where and in what form the lipids are
stored.
The metabolomic approach opens up a wide
research field for plant physiology. Céline
Besagni-Andrès and her colleagues have also
worked on the aging of leaves that result in lipid
membrane and chlorophyll degradation. “We
have shown for the first time that plastoglobule
proteins play a role in forming and storing
these degradation products. By blocking the
gene responsible for these proteins, we have
produced a plant mutant that stays younger
than the non-modified species. We have found
something similar to a fountain of youth for
plants”, adds the biologist.
Plant response to stress leads to a significant accumulation of lipid particles in plant cells. Researchers at the University of Neuchâtel are interested in the proteins located in these fatty bodies and their implication in lipid biosynthesis. Head of the laboratory of plant physiology, Felix Kessler and his group are pioneers in this field for which metabolomics appears to be a useful and very promising tool.
Lipid synthesis
METABOLOMICS
9
Depuis plusieurs années, le laboratoire neuchâ-
telois s’est taillé une solide réputation dans
l’étude des chloroplastes, ces organelles des
parois cellulaires qui sont notamment le siège
de la photosynthèse. L’un de ses champs
d’investigation porte sur le rôle des plastoglobules
– des micro-gouttelettes lipidiques logées au
cœur des chloroplastes. Les lipides, dont font
partie certaines vitamines, sont des éléments
essentiels du métabolisme végétal, jouant non
seulement un rôle structurant pour la paroi cellulaire,
mais aussi comme molécules porteuses d’un
signal biochimique, en réaction à un stress par
exemple.
« Pendant longtemps, on a pensé que les lipides,
qui résultent de la dégradation des parois des
cellules, étaient stockés de manière passive dans
les plastoglobules en période de stress, com-
mente Céline Besagni-Andrès, post-doctorante
responsable de ces recherches. Or, il n’en est rien.
Des protéines présentes dans les plastoglobules,
en particulier des enzymes, participent activement
à la synthèse des lipides. Chacune de ces
protéines intervient dans le stockage d’un lipide
particulier. En cas de stress, le nombre et la
taille des plastoglobules augmentent de manière
considérable en raison de l’accumulation des
lipides en leur sein. »
Le premier pas de la démonstration avait été
réalisé en 2006, avec la découverte d’un gène
qui contrôlait la synthèse de la vitamine E dans
les plastoglobules. Les chercheurs du groupe
avaient alors mis en évidence qu’une plante
d’Arabidopsis dépourvue de ce gène ne parvenait
plus à fabriquer la vitamine. Depuis, grâce
notamment aux outils fournis par le Service de
chimie analytique, les voies de synthèse d’une
dizaine de lipides pourront être complétées et
permettront de savoir où et sous quelle forme
ces lipides sont stockés.
L’approche métabolomique ouvre un vaste
champ d’exploration pour la physiologie végétale.
Céline Besagni-Andrès et ses collègues ont
également travaillé sur le vieillissement des
feuilles qui entraîne la dégradation des lipides
membranaires et de la chlorophylle. « Nous
avons mis en évidence pour la première fois
que des protéines de plastoglobules jouaient un
rôle dans la formation et le stockage de ces
produits de dégradation. En bloquant le gène
responsable de ces protéines, nous avons
produit une plante mutante qui restait plus jeune
que l’espèce non-modifiée. Nous avons en
quelque sorte offert une cure de jouvence aux
plantes », résume la biologiste.
La réponse des plantes au stress entraîne une accu-mulation significative de particules lipidiques dans les cellules végétales. A l’Université de Neuchâtel, on s’intéresse aux protéines localisées dans ces corps gras et à leur implication dans la biosynthèse des lipides. Dans ce domaine, le groupe de Félix Kessler, professeur de physiologie végétale, fait œuvre de pionnier. La métabolomique offre des outils très prometteurs pour répondre à cette question.
La synthèse des lipides
Microscopic view of chloroplasts (in red) containing plastoglobules made visible thanks to a fluorescent protein (orange spots)
Vue microscopique des chloroplastes (en rouge) contenant des plastoglobules rendus visibles grâce à une protéine fluorescente (points oranges)
Mikroskopansicht von Chloroplasten (rot), die Plastoglobuli enthalten, sichtbar gemacht mit Hilfe eines fluoreszierenden Proteins (orange Punkte)
Using confocal microscopy to locate a plastoglobule protein (green dots)
in senescent Arabidopsis leaves
Localisation par microscopie confocale d’une protéine des plastoglobules (points verts) dans
des feuilles d’Arabidopsis sénescentes
Lokalisierung eines Proteins der Plastoglobuli (grüne Punkte) durch Konfokalmikroskopie in
alternden Blättern der Arabidopsis
10
Seit mehreren Jahren erfreut sich das Neuenburger
Labor eines soliden Rufs hinsichtlich der Unter-
suchungen von Chloroplasten, die Bestandteile
der Pflanzenzelle, die unter anderem Ort der
Photosynthese sind. Die Forscher untersuchen
unter anderem die Funktion der Plastoglobuli –
mikroskopisch kleine Lipidtröpfchen, die sich im
Innern der Chloroplasten befinden. Lipide, zu
denen bestimmte Vitamine zählen, sind essentielle
Bestandteile des pflanzlichen Stoffwechsels,
die nicht nur strukturbildend auf die Zellwand
wirken, sondern auch als Trägermoleküle eines
biochemischen Signals zum Beispiel bei der
Reaktion auf ein Stresserlebnis fungieren.
«Lange Zeit dachte man, dass Lipide, die aus dem
Abbau von Zellwänden resultieren, während
Stressperioden auf passive Art in den Plastoglo-
buli gespeichert würden», kommentiert Céline
Besagni-Andrès, die für diese Forschungsar-
beiten verantwortliche Post-Doktorandin. «Dem
ist aber nicht so. In den Plastoglobuli vorhan-
dene Proteine, besonders Enzyme, sind aktiv
an der Synthese der Lipide beteiligt. Jedes
dieser Proteine greift in die Speicherung eines
bestimmten Lipids ein. Im Falle von Stress
nehmen Anzahl und Grösse der Plastoglobuli
auf Grund der Akkumulation der Lipide in ihrem
Innern auf beträchtliche Weise zu.»
Der erste Schritt der Beweisführung wurde 2006
mit der Entdeckung eines Gens realisiert, das
die Synthese von Vitamin E in den Plastoglobuli
kontrolliert. Die Forschenden des Teams hatten
damals gezeigt, dass eine Arabidopsis Pflanze,
der dieses Gen entfernt worden war, dieses
Vitamin nicht mehr herstellen konnte. Seitdem
können insbesondere dank der von der Servi-
cestelle für Analytische Chemie bereitgestellten
Hilfsmittel die Synthesewege von rund einem
Dutzend Lipide vervollständigt werden. Damit
wird es nun möglich sein, zu verstehen, wo
und in welcher Form diese Lipide gespeichert
werden.
Die metabolomische Herangehensweise öffnet
ein weites Forschungsfeld für die Pflanzen-
physiologie. Céline Besagni-Andrès und ihre
Kollegen haben auch die Alterung von Blättern
untersucht, die den Abbau von Membranlipiden
und Chlorophyll nach sich zieht. «Wir haben zum
ersten Mal deutlich gemacht, dass die Proteine
der Plastoglobuli bei der Bildung und Speiche-
rung dieser Abbauprodukte eine Rolle spielen.
Indem wir das für diese Proteine verantwortliche
Gen blockierten, konnten wir Mutantenpflanzen
produzieren, die jünger blieben als ihre nicht
veränderten Verwandten. In gewisser Hinsicht
haben wir den Pflanzen eine Jungbrunnenkur
offeriert», schliesst die Biologin.
Die Reaktion von Pflanzen auf Stress hat eine ausgeprägte Akkumulation von Lipidpartikeln in den pflanzlichen Zellen zur Folge. An der Universität Neuenburg interessiert man sich für die Proteine, die in diesen Fettkörperchen angesiedelt sind, sowie für die Art, auf welche sie an der Biosynthese der Lipide mitwirken. Das Team von Félix Kessler, Professor für Pflanzenphysiologie, leistet in diesem Bereich Pionier-arbeit. Die Metabolomik hält vielversprechende Hilfsmittel bereit, um diese Frage zu beantworten.
Lipidsynthese
Under stress (on the right), the chloroplast structure is modified
considerably: Its membrane disappears while the plastoglobules
expand (white circles)
En cas de stress (à droite), la structure du chloroplaste se modifie
considérablement : sa membrane disparaît tandis que les plastoglobules
s’élargissent (ronds blancs)
Bei Stress (Bild rechts) verändert sich die Struktur der Chloroplasten
beträchtlich: Ihre Membran schwindet, während sich die Plastoglobuli
ausweiten (weisse Kreisflecken)
METABOLOMICS
11
In most plants, a large part of the carbon
assimilated by photosynthesis is stored as
starch in chloroplast during the day and used
for plant metabolism during the night. Genetic
mutations in Arabidopsis have made it possible
to block starch synthesis or degradation causing
a reduction in plant growth without affecting the
chloroplasts’ function too much. However, if
starch degradation is blocked mid-way through
the process, maltose, the main product of starch
degradation, will not be exported from the
chloroplast and will accumulate excessively in
the organelle causing its eventual destruction.
That is the principal result from experiments
carried out by Michaela Stettler, post-doctoral
researcher in the team of Sam Zeeman.
“We have shown for the first time a close link
between starch metabolism and chloroplast
homeostasis”, states Zeeman. When starch
degradation is interrupted, we have observed
using electron microscope abnormal, distorted
chloroplasts that fuse with other plant cell com-
partments such as vacuoles (organelles that
degrade the garbage from the cell). Chloroplast
components could thus be degraded inside
the vacuoles. New chloroplasts replace the
dysfunctional ones, but overall there are fewer
chloroplasts per cell. The chloroplast degradation
resembles an autophagy-like mechanism
observed in senescent leaves. However, the
data does not show any senescence per se
and our autophagy hypothesis still needs to be
confirmed.”
Zeeman and his colleagues are currently looking
at how processes such as autophagy, a poorly
understood process in plants, could be prevented
in mutant plants. This research will hopefully
help to understand the cell biological processes
associated with starch metabolism. Increasing
starch contents would obviously benefit our
staple crops, forage crops and potential biofuel
crops. However, enhancing the quantity of starch
must not impact on photosynthetic capacity,
which is the cornerstone of plant growth. A
better understanding of these processes will
help to improve future crop productivity.
Chloroplasts, where photosynthesis takes place, are vital organelles to plant cells. They accumulate starch during the day, building up energy stocks that are then degraded during the night into sugar directly assimilated by the plant. Sam Zeeman’s group at the ETH Zurich have shown that blocking starch degradation mid-way through the process is hazardous for the chloroplasts.
The Achilles heel of chloroplasts
The chloroplasts of the mutant (bottom) were degraded by an autophagy-like process by which parts of the cell are recycled. (s=starch)
Dans la plante mutante (en bas), les chloroplastes ont été dégradés suivant un processus rappelant l’autophagie qui permet le recyclage de certaines parties de la cellule. (s=amidon)
In der Mutante (unten) werden die Chloroplasten durch Autophagie zerstört, einem Prozess bei dem ein Teil der Zelle abgebaut wird um die Bauteile wiederzuverwenden. (s=Stärke)
12
Dans la plupart des plantes, une grande partie du
carbone assimilé par photosynthèse est stockée
dans les chloroplastes durant la journée sous
forme d’amidon que la plante mobilise la nuit
suivante pour assurer son métabolisme. Des
mutations génétiques d’Arabidopsis permet-
tant de bloquer la synthèse ou la dégradation
de l’amidon ont pour conséquence de réduire
la croissance de la plante, sans affecter outre
mesure le bon fonctionnement des chloroplastes.
En revanche, si on bloque la dégradation de
l’amidon au milieu du processus, le maltose,
principal produit de la dégradation de l’amidon,
au lieu d’être évacué du chloroplaste, s’accu-
mule de manière excessive dans l’organelle
et finit par entraîner sa destruction. C’est le
résultat principal des expériences entreprises
par Michaela Stettler, post-doc dans le groupe
de Sam Zeeman.
« Nous avons mis en évidence pour la première
fois un lien étroit entre le métabolisme de l’amidon
et l’équilibre dynamique des chloroplastes,
commente Sam Zeeman. En cas d’interruption de
la phase de dégradation de l’amidon, des obser-
vations au microscope électronique montrent
des distorsions anormales des chloroplastes,
qui semblent fusionner avec d’autres comparti-
ments de la cellule végétale, dont des vacuoles
(organelles chargées de dégrader les déchets de
la cellule). Des composants des chloroplastes
pourraient ainsi être dégradés dans les vacuoles.
De nouveaux chloroplastes remplacent ceux qui
sont défectueux, mais il reste au final moins de
chloroplastes par cellule. La dégradation de ces
organelles rappelle le mécanisme d’autophagie
observé dans les feuilles sénescentes. Cependant,
les données ne montrant pas de sénescence
per se, l’hypothèse de l’autophagie reste à
confirmer. »
Zeeman et ses collègues examinent à présent
comment des processus tels que l’autophagie, qui
sont encore peu compris par les scientifiques,
peuvent être évités dans les plantes mutantes.
Cette recherche vise à mieux comprendre
les processus biologique cellulaires associés
au métabolisme de l’amidon. Augmenter le
contenu en amidon profiterait bien évidemment
aux grandes cultures alimentaires, fourragères,
ou à celles destinées au biofuel. Il faut toutefois
pouvoir réaliser cela sans le faire au détriment
de la photosynthèse, la pierre angulaire de la
croissance végétale. Clarifier cette question
contribuera à accroître la productivité future des
cultures.
Siège de la photosynthèse, les chloroplastes sont des organelles vitales de la cellule végétale. C’est là que s’accumule l’amidon pendant la journée, formant une réserve d’énergie qui est ensuite dégradée durant la nuit en sucre directement assimilable par la plante. Le groupe de Sam Zeeman à l’ETH Zurich a révélé que bloquer la dégradation de l’amidon au milieu du processus mettait clairement en péril les chloroplastes.
Le talon d’Achille des chloroplastes
METABOLOMICS
13
Bei den meisten Pflanzen wird
ein Grossteil des tagsüber
während der Photosynthese
assimilierten Kohlenstoffs in
den Chloroplasten als Stärke
gespeichert, die die Pflanze
in der darauf folgenden
Nacht für ihren Stoffwechsel
einsetzt. Genetische mutierte
Arabidopsis Pflanzen, bei
denen Stärkesynthese oder
Stärkeumwandlung blockiert
sind, zeigen ein reduziertes
Wachstum der Pflanze, ohne
dass jedoch die normale Funk-
tionsweise der Chloroplasten
übermässig beeinträchtigt
wird. Blockiert man hingegen
die Stärkeumwandlung mitten
in ihrem Ablauf, wird die
Maltose, das Hauptprodukte
der Stärkeumwandlung, nicht
aus den Chloroplasten ausge-
schieden, sondern sammelt sich überpropor-
tional in den Organellen an und zerstört diese
schliesslich. Dies ist das Hauptergebnis der
von Michaela Stettler, Postdoc im Team von
Sam Zeeman durchgeführten Experimente.
«Wir haben zum ersten Mal eine direkte Verbin-
dung zwischen dem Stärkestoffwechsel und dem
dynamischen Gleichgewicht der Chloroplasten
deutlich aufzeigen können», kommentiert Zeeman.
«Wird die Phase der Stärkeumwandlung unter-
brochen, lassen Beobachtungen unter dem
Elektronenmikroskop anormale Verformungen
der Chloroplasten erkennen, die scheinbar
mit anderen Bestandteilen der pflanzlichen
Zelle zusammenhängen, darunter auch Vakuolen
(Organellen, die Abfallprodukte der Zelle
abbauen). Es könnten also Bestandteile von
Chloroplasten in den Vakuolen abgebaut
werden. Zwar ersetzen neue Chloroplasten die
fehlerhaften, aber am Ende bleiben weniger
Chloroplasten pro Zelle übrig. Der Abbau dieser
Organellen erinnert an den Autophagie-Mecha-
nismus alternder Blätter. Allerdings finden sich
in den Daten keine Anzeichen einer Alterung an
sich; die Hypothese der Autophagie muss noch
bestätigt werden.»
Zur Zeit untersuchen Zeeman und seine Kollegen,
auf welche Art Prozesse wie die Autophagie, die
von den Wissenschaftlern noch wenig verstanden
werden, bei Mutantenpflanzen vermieden werden
können. Diese Forschungen haben zum Ziel, die
biologischen Zellprozesse, die mit dem Stärke-
stoffwechsel in Zusammenhang stehen, besser
zu verstehen. Eine Erhöhung des Stärkegehalts
in Pflanzen käme auch der Produktion von
Nahrungsmitteln, Futter oder Biotreibstoffen zu
Gute. Dies sollte indessen auch ohne nachteilige
Einflüsse auf die Photosynthese machbar sein,
welche einen Eckpfeiler für das Wachstum der
Pflanzen darstellt. Die Klärung dieser Frage wird
dazu beitragen, die Produktivität von pflanzlichen
Kulturen in Zukunft zu steigern.
Als Ort der Photosynthese sind Chloroplasten lebens-wichtige Organellen pflanzlicher Zellen. In ihnen wird tagsüber Stärke gespeichert, die ein Energiereservoir bildet, welches während der Nacht in den direkt für die Pflanze verfügbaren Zucker umgewandelt wird. Das Team von Sam Zeeman an der ETH Zürich hat gezeigt, dass die Chloroplasten deutlich gefährdet werden, wenn die Stärkeumwandlung mitten im Prozess gestoppt wird.
Die Achillesferse der Chloroplasten
Plants (left) affected mid-way in the starch breakdown process show a pale phenotype which is caused by a reduction in chloroplast number
A gauche, les plantes affectées au milieu du processus de dégradation de l’amidon sont plus pâles en raison d’une diminution du nombre de leurs chloroplastes
Defekte im Stärkeabbau-Prozess, die zu einer Anhäufung von Maltose führen, bewirken einen Abbau der Chloroplasten und ein Erbleichen der Pflanzen (links)
14
Stress is not only for animals, plants also sense it.
Whether it’s suddenly colder, hotter, a shortage
of water or nutrients, plant responses are imme-
diate: their cells instantly produce a cocktail
rich in chemical substances. At the University of
Lausanne, Edward Farmer’s group is interested
in one particular molecule: the malondialdehyde
(MDA). For a long time, MDA was considered to
be a toxic substance or a mutagen because it
also appeared in human tissues increasing the
risk of cancer and neurodegenerative diseases.
Hence, it was thought, by analogy, to also be
toxic to plants.
Edward Farmer and his colleagues, however,
have shown that this is not always the case.
With experiments on Arabidopsis thaliana, the
researchers have determined that it all depended
on the quantity of MDA produced. Under stress,
such as a sudden variation in light accompanied
by a drop in temperature, a huge amount of MDA
is produced resulting in damage to the plant’s
tissues. On the other hand, the researchers
have discovered that a continuous production
of MDA during the normal development phase
seemed beneficial to the plant. In fact, the MDA
produced during a fungal attack such as Botrytis
(vector of grey mould) plays a role in the gene
expression that controls the necessary protein
synthesis for plant protection. The varieties
lacking the MDA precursor die more rapidly
than their wild relatives. “Furthermore, certain
pathogens, such as fungi, succeed better on
plants that can’t make normal levels of MDA”,
explains Edward Farmer.
His most recent investigations led to the root tips
where his team located a new source of MDA.
Contrary to what occurred on the leaves, this
source does not seem to come from a fragmen-
tation of fatty acids. Further investigations are
currently underway to determine its origin.
Other research being carried out by the team
in Lausanne consists of doping the plants with
MDA of external origin. Preliminary results show
a strong activation of the expression of those
genes responsible for responding to stress. All
this research should one day make it possible to
genetically control the level of MDA in order to
obtain better plant protection against moulds or
environmental stresses such as high luminosity
or low temperatures.
At the University of Lausanne, Edward Farmer analyses biochemical substances produced by plants in response to stress factors such as pathogens or environmental changes. More specifically, he is looking at the role that malondialdehyde (MDA) plays, a molecule that is involved in the plant defence mechanism. He presented his results in July at Cairns (Australia) at the 19th International Symposium on Plant Lipids.
Chemical responses to plant stress
In leaves, MDA (shown in green in the lowest panels) is found in the chloroplasts
Dans les feuilles, la MDA (en vert sur les images du bas) se niche dans les chloroplastes
In Blättern nistet sich MDA (in Grün auf den unteren Bildern) in die Chloroplasten ein
METABOLOMICS
15
Le stress n’est pas le propre des animaux, loin s’en
faut. Les plantes aussi le ressentent. Qu’il fasse
soudain plus froid, plus chaud, que l’eau ou les nutri-
ments viennent à manquer, la réponse des plantes
est immédiate : leurs cellules produisent aussitôt un
riche cocktail de substances chimiques. A l’Université
de Lausanne, le groupe d’Edward Farmer s’inté-
resse plus particulièrement à l’une d’entre elles :
la malondialdehyde (MDA). Pendant longtemps, la
MDA a été considérée comme toxique ou muta-
gène, car cette substance est également produite
dans les tissus humains où elle peut favoriser l’ap-
parition de cancers et de maladies neurodégéné-
ratives. On supposait donc par analogie que ce
composé était aussi nocif pour la plante.
Edward Farmer et ses collègues ont cependant
révélé que ce n’était pas toujours la règle. Dans des
études sur Arabidopsis thaliana, les chercheurs ont
mis en évidence que tout dépendait de la quantité
de MDA produite. En cas de stress subi, comme
une variation soudaine de lumière accompagnée
d’une baisse de température, il en résulte une
production massive de MDA qui endommage les
tissus de la plante. En revanche, les chercheurs ont
découvert qu’une production continue de MDA lors
de la croissance normale semblait bénéfique pour
la plante. En effet, la MDA produite par exemple
lors d’une attaque d’un champignon tel que
Botrytis (le vecteur de la pourriture grise) va jouer
un rôle dans l’expression de gènes qui contrôlent la
synthèse de protéines nécessaires à la protection
de la plante. Les variétés dépourvues du précur-
seur de la MDA meurent d’ailleurs plus vite que
leurs semblables sauvages. « En outre, certains
pathogènes, notamment des champignons, se
développent mieux sur des plantes qui ne parvien-
nent pas à produire des quantités normales de
MDA », indique Edward Farmer.
Ses dernières investigations ont conduit son
équipe à localiser à la pointe des racines une
nouvelle source de MDA. Contrairement à ce
qui se passe au niveau des feuilles, cette
source ne semble pas issue d’une fragmenta-
tion d’acides gras. Des investigations sont en
cours pour cerner son origine.
Un autre terrain exploré par l’équipe lausannoise
consiste à doper les plantes avec du MDA
d’origine externe. Les résultats préliminaires
montrent une forte activation de l’expression
des gènes responsables de la réponse au stress.
Toutes ces recherches devraient permettre un
jour de contrôler génétiquement le niveau des
MDA, et d‘obtenir ainsi une meilleure protection
de la plante contre des pourritures ou contre
certains stress environnementaux, comme une
forte luminosité ou une trop basse température.
A l’Université de Lausanne, Edward Farmer analyse les substances biochimiques que produisent les plantes en réponse à des facteurs de stress, tels que des agents pathogènes ou des changements environnementaux. Il examine notamment le rôle de la malondialdehyde (MDA), molécule impliquée dans des processus de défense des plantes. Il a présenté ses résultats en juillet dernier à Cairns (Australie) dans le cadre du 19th International Symposium on Plant Lipids.
Les réponses chimiques au stress des plantes
In the middle row: damaged mutant seedlings by an overproduction de MDA. By crossing these mutants with plants in the upper rows the genetic defect was corrected
Ligne centrale: plant mutant endommagé par une production excessive de MDA. On peut corriger ce défaut génétique en croisant ces mutants avec les plants des lignes supérieures
Mittlere Reihe: Durch exzessive MDA-Produktion beschädigte Mutantenpflanzen. Dieser genetische Defekt kann durch Kreuzung der Mutanten mit Pflanzen aus den oberen Reihen behoben werden
16
Nicht nur Tiere kennen Stress, auch Pflanzen
spüren ihn. Ob es plötzlich kälter oder wärmer
wird, oder ob es an Wasser oder Nährstoffe
mangelt – Pflanzen reagieren unmittelbar: Ihre
Zellen produzieren sofort einen reichhaltigen
Cocktail an chemischen Substanzen. An der
Universität Lausanne interessiert sich das Team
von Edward Farmer besonders für einen dieser
Stoffe: Malondialdehyd (MDA). Lange Zeit galt
MDA als toxische oder mutagene Substanz,
denn diese wird auch in menschlichem Gewebe
produziert, wo sie Krebserkankungen und neuro-
degenerative Krankheiten begünstigen kann.
Analog dazu vermutete man deshalb, dass diese
Verbindung auch schädlich für die Pflanze sei.
Edward Farmer und seine Kollegen haben jedoch
aufgezeigt, dass dies nicht immer die Regel ist.
Mit Untersuchungen an Arabidopsis thaliana
haben die Forscher deutlich gemacht, dass
es von der Menge des produzierten MDAs
abhängt. Ein Stressereignis wie zum Beispiel
eine plötzliche Lichtveränderung mit gleich-
zeitigem Temperaturrückgang hat eine massive
Produktion von MDA zur Folge, die das Gewebe
der Pflanze schädigt. Die Forscher haben
jedoch entdeckt, dass bei normalem Wachstum
eine kontinuierliche Produktion von MDA für die
Pflanze durchaus nützlich zu sein scheint. Das
produzierte MDA spielt in der Tat eine Rolle bei
der Expression der Gene, die die Synthese der
für den Schutz der Pflanze notwendigen Proteine
kontrollieren, zum Beispiel bei einem Befall
durch einen Pilz wie Botrytis (Überträger der
Graufäule). Pflanzensorten ohne MDA-Vorläufer
sterben früher als ihre verwandten Wildsorten.
«Ausserdem entwickeln sich bestimmte Krank-
heitserreger, besonders Pilze, besser auf
Pflanzen, die keine normalen Mengen an MDA
produzieren können», bemerkt Edward Farmer.
Seine jüngsten Untersuchungen konzentrieren
sich auf die Wurzelspitze, in welcher sein Team
eine neue MDA-Quelle lokalisieren konnte. Im
Gegensatz zu dem, was auf Blattebene geschieht,
scheint diese Quelle nicht einer Fettsäurefrag-
mentierung zu entspringen. Untersuchungen zur
Bestimmung der Herkunft sind im Gange.
Ein anderes vom Lausanner Team untersuchtes
Gebiet besteht darin, Pflanzen mit von aussen
zugeführtem MDA anzuregen. Erste Resultate
zeigen eine starke Aktivierung der Expression
der für die Reaktion auf Stress verantwortlichen
Gene. All diese Forschungen dürften es eines
Tages erlauben, MDA-Level genetisch zu
kontrollieren und auf diese Weise einen
besseren Schutz der Pflanze gegen Fäulnis oder
gewisse umweltbedingte Stressfaktoren wie
starke Lichtintensität oder zu tiefe Temperaturen
zu erhalten.
An der Universität Lausanne analysiert Edward Farmer biochemische Substanzen, die Pflanzen als Reaktion auf Stressfaktoren wie Krankheitserreger oder veränderte Umweltbedingungen produzieren. Er untersucht unter anderem die Rolle von Malondialdehyd (MDA), einem Molekül, welches in den Abwehrmechanismus von Pflanzen involviert ist. Vergangenen Juli konnte er seine Ergebnisse in Cairns (Australien) im Rahmen des 19th International Symposium on Plant Lipids vorstellen.
Chemische Reaktionen von Pflanzen auf Stress
In situ detection of MDA in the root of Arabidopsis: the green
fluorescence indicates cells that contain MDA
Détection in situ de MDA dans une racine d’Arabidopsis: la
fluorescence verte montre les cellules contenant de la MDA
In situ Lokalisierung von MDA in einer Wurzel von Arabidopsis:
die grüne Fluoreszenz zeigt Zellen, die MDA beinhalten
METABOLOMICS
17
IN SHORT EN BREF KURZ GESAGT
Caroline Gutjahr, a post-doc in the group of
Uta Paszkowski (WP 1.2), is the winner of the
2010 Award of Excellence for young researchers,
which will be awarded on December 7th. This prize
is offered by the Faculty of Biology and Medicine
of the University of Lausanne in recognition of a
study undertaken with the support of the NCCR
Plant Survival, and published in the journal The
Plant Cell. Her research dealt with arbuscular
mycorrhizae, a symbiosis between plant roots
and beneficial fungi that increases the plant’s
access to nutrients such as phosphates.
Caroline Gutjahr identified specific genes in rice
that helped her to discover new signaling events
which might be necessary for the colonization
of roots by arbuscular mycorrhizal fungi. This
study stands in the context of a search for new
management strategies for the optimisation of
sustainable agricultural systems.
Award of ExcellenceIn December 2009, Anthony Davison was
nominated doctor honoris causa from the
University of Padua (Italy), one of the world’s oldest
Alma maters. Professor at the EPFL with a PhD in
statistics from the Imperial College of London, he is
interested, among many other things, in statistical
applications in fields as diverse as the environment,
life sciences or finance. Within the NCCR Plant
Survival, Anthony Davison supervises the work-
package 4, a multidisciplinary platform that offers
tools to, for example, treat data related to the
identification of genes obtained by microarrays, or
to create models for the behaviour of insects that
receive odorous signals from plants being attacked
by predators. The platform’s competences are also
used to develop forecasting models for the spatial
distribution of species, which is extremely useful
when dealing with invasive plants.
Honours
In 2050, nine billion people will inhabit the
earth. How will we feed this population when
a major food crisis has already resulted in an
extraordinary hike in food prices in 2008 with no
end in sight? To top it all off, the International Food
Policy Research Institute (IFRP) predicts that
by 2050 the climatic changes will cause in
Sub-Saharan Africa a considerable decrease
in yields of maize (-5%), rice (-14%) and wheat
(-22%).
The Swiss Plant Science Web (SPSW) summer
school, proposed by the NCCR Plant Survival
researcher Brigitte Mauch-Mani, tackled this
delicate subject between the June 23rd and
26th, 2010 at Mürren (BE). According to the
organisers of this event, scientists have “the
moral and civic duty to actively contribute to
solutions to this problem.” Ingo Potrykus, an
emeritus professor at the ETH Zurich and well
known for developing the Golden Rice, was
among the invited speakers.
Biologists against food crisisStill within the framework of the Swiss Plant
Science Web, the University of Neuchâtel
organised on September 15th, 2010 a meeting
with the industry. It was an occasion for young
researchers to speak with representatives
from multinational companies such as Bayer
Bioscience, Nestlé, Philip Morris and Syngenta
Crop Protection. It was also a concrete way to
show that the academic world is concerned
about the future of its graduates.
Apart from the four industrial giants, Agroscope
federal research centres and the Swiss Biotech
Association accepted the invitation. The audience
consisted of around seventy people (PhD students
and some post-docs) coming from different
universities and HES (universities of applied
sciences) that are members of the SPSW.
Industry Day 2010
18
IN SHORT EN BREF KURZ GESAGT
Caroline Gutjahr, post-doctorante dans le groupe
d’Uta Paszkowski (WP 1.2), est lauréate du Prix
d’Excellence du jeune chercheur 2010. Elle le
recevra le 7 décembre prochain. Offerte par la
Faculté de Biologie et Médecine de l’Université
de Lausanne, la récompense couronne une
étude entreprise par la jeune chercheuse avec
le soutien du NCCR Survie des plantes et parue
dans la revue The Plant Cell. La thématique
porte sur les mycorhizes, une symbiose au
niveau des racines qui met en scène une
plante et un champignon dont le rôle est entre
autres d’augmenter l’accès de la plante à des
nutriments comme les phosphates. Caroline
Gutjahr a identifié des gènes spécifiques qui ont
permis la découverte d’une nouvelle cascade
de signaux qui semblent indispensables à la
colonisation des racines par le champignon
mycorhizien. Ce travail s’inscrit dans une
perspective d’optimisation des cultures en vue
d’une agriculture durable.
Prix d’ExcellenceAnthony Davison a été
nommé en décembre
2009 docteur honoris
causa de l’Université
de Padoue (Italie), une
des plus anciennes
Alma mater du monde.
Professeur à l’EPFL,
titulaire d’un doctorat en
statistique de l’Imperial
College de Londres, ce véritable touche-à-tout
s’intéresse aux applications des statistiques
dans des domaines aussi divers que
l’environnement, les sciences de la vie ou la
finance. Au sein du NCCR Survie des plantes,
Anthony Davison dirige le workpackage 4, une
plate-forme transdisciplinaire qui offre des
outils pour, par exemple, traiter des données
relatives à l’identification de gènes obtenues
par microarrays, ou encore modéliser le
comportement des insectes soumis à des
signaux odorants en provenance de plantes
attaquées par des prédateurs. Les compétences
de la plate-forme sont aussi mises à profit pour
développer des modèles prédictifs de répartition
spatiales des espèces, fort utiles dans la
problématique des plantes envahissantes.
A l’honneur
En 2050, neuf milliards de personnes peupleront
la Terre. Comment nourrir cette population,
alors qu’une crise alimentaire majeure s’est
déjà traduite par une extraordinaire flambée des
prix des denrées en 2008 qui n’est pas prête de
s’arrêter ? Pour couronner le tout, l’International
Food Policy Research Institute (IFRPI) prévoit
que d’ici 2050, les changements climatiques
engendreront en Afrique sub-saharienne des
baisses considérables de rendement du maïs
(-5%), du riz (-14%), et du blé (- 22%).
L’école d’été du Swiss Plant Science Web
(SPSW), proposée par la chercheuse du NCCR
Survie des plantes Brigitte Mauch-Mani, a
abordé cette délicate thématique du 23 au 26
juin 2010 à Mürren (BE). Pour les organisateurs
de l’événement, les scientifiques ont « le devoir
moral et civique de contribuer activement
aux solutions à ce problème. » Ingo Potrykus,
professeur émerite de l’ETH Zurich célèbre pour
la mise au point riz doré (Golden Rice), figurait
parmi les conférenciers invités.
Biologistes contre crise alimentaire
Toujours dans le cadre du SPSW, l’Université
de Neuchâtel accueillait le 15 septembre 2010
une rencontre avec l’industrie. Ce fut l’occasion
pour de jeunes chercheurs de dialoguer avec
des représentants de multinationales dont Bayer
Bioscience, Nestlé, Philip Morris et Syngenta
Crop Protection. C’était aussi une manière très
concrète de montrer que le monde académique
se préoccupe de l’avenir de ses diplômés.
Aux côtés des quatre géants industriels, les
centres de recherche fédéraux Agroscope et
la Swiss Biotech Association ont répondu à
l’invitation. Dans l’assistance, une septantaine
de personnes (des doctorants et quelques post-
doctorants) provenaient de différentes universités
et hautes écoles membres du SPSW.
Journée de l’industrie
19
IN SHORT EN BREF KURZ GESAGT
Caroline Gutjahr, Post-Doktorandin im Team von
Uta Paszkowski (WP 1.2), ist Preisträgerin des Prix
d’Excellence für junge Forscher 2010. Der Preis wird
ihr am kommenden 7. Dezember von der Fakultät
Biologie und Medizin der Universität Lausanne über-
reicht werden. Er bildet den krönenden Abschluss
einer Studie, die die junge Forscherin mit der Unter-
stützung des NCCR Plant Survival durchgeführt und
in der wissenschaftlichen Zeitschrift The Plant Cell
veröffentlicht hat. Gegenstand der Arbeit ist die
arbuskuläre Mykorrhiza, eine Symbiose im Wurzelbe-
reich, die Pflanzen mit einem Pilz eingehen, der die
Verfügbarkeit von Nährstoffen wie z.B. Phosphat für
die Pflanze erhöht. Unter Verwendung mykorrhiza-
spezifisch exprimierter Gene im Reis fand Caroline
Gutjahr Hinweise auf bisher unbekannte Signalereignisse,
die möglicherweise für die Kolonisierung der Wurzel
durch den Pilz notwendig sind. Die Arbeit steht im
Zusammenhang mit einer Perspektive, neue Möglich-
keiten zur Optimierung von Kulturen im Hinblick
auf eine nachhaltige Landwirtschaft zu eröffnen.
Prix d’ExcellenceIm Dezember 2009 wurde Anthony Davison zum
Doktor honoris causa der Universität Padua
(Italien) ernannt, einer der ältesten Alma mater
der Welt. Der äusserst vielseitig interessierte
Davison ist nicht nur Professor an der EPFL,
sondern besitzt auch die Doktorwürde in
Statistik des Imperial College of London
und interessiert sich für die Anwendungen
von Statistiken in so unterschiedlichen
Bereichen wie Umwelt, Life Sciences oder
Finanzen. Beim NCCR Plant Survival leitet er
das Workpackage 4, eine transdisziplinäre
Plattform, die Hilfsmittel zur Verfügung stellt
zum Beispiel für die Datenverarbeitung
bezüglich der Genidentifikation über
Microarrays oder auch für die Modellierung
des Verhaltens von Insekten unter dem Einfluss
von Duftsignalen, die von Pflanzen stammen,
welche von Schädlingen attakiert wurden.
Die Kompetenzen der Plattform werden auch
genutzt, um Vorhersagemodelle über die
räumliche Verbreitung von Pflanzenarten zu
entwickeln, was im Hinblick auf die Problematik
invasiver Pflanzen sehr nützlich ist.
Ehrung
Im Jahr 2050 werden neun Milliarden Menschen auf
der Erde leben. Wie aber soll diese Bevölkerung ernährt
werden, da ja bereits im Jahr 2008 eine grosse Nah-
rungsmittelkrise durch einen ausserordentlich starken
Preisauftrieb verursacht wurde, der noch immer nicht
beendet ist? Um dem Ganzen die Krone aufzusetzen
sagt das International Food Policy Research Institute
(IFRPI) voraus, dass die Klimaveränderungen im
subsaharischen Afrika bis ins Jahr 2050 beträchtliche
Rückgänge der Erträge von Mais (-5%), Reis (-14%)
und Weizen (-22%) nach sich ziehen werden.
In der Sommerkurs des Swiss Plant Science Web
(SPSW) wurde diese schwierige Thematik auf
Vorschlag von Brigitte Mauch-Mani, Forscherin am
NCCR Plant Survival, vom 23. bis zum 26. Juni 2010
in Mürren (BE) aufgegriffen. Für die Organisatoren
dieses Anlasses haben Wissenschaftler «die mora-
lische und staatsbürgerliche Pflicht, aktiv zur Lö-
sung dieses Problems beizutragen». Ingo Potrykus,
emeritierter Professor der ETH Zürich und bekannt
für die Entwicklung des «Goldenen Reis» (Golden
Rice), war einer der eingeladenen Referenten.
Biologen gegen Nahrungsmittelkrise
Immer noch im Rahmen des Swiss Plant
Science Web hat die Universität Neuenburg am
15. September 2010 ein Treffen mit der Industrie
durchgeführt. Dies bot jungen Forschenden
Gelegenheit mit Vertretern von Grosskonzer-
nen, darunter Bayer Bioscience, Nestlé, Philip
Morris und Syngenta Crop Protection, in Dialog
zu treten. Gleichzeitig konnte so auch ganz kon-
kret gezeigt werden, dass die akademische Welt
sich um die Zukunft der Diplomierten kümmert.
Zusammen mit vier Industrie-Riesen haben die
nationalen Forschungszentren Agroscope und
die Swiss Biotech Association die Einladung
angenommen. Unter den Teilnehmern waren rund
siebzig Personen (Doktoranden und einige Post-
Doktoranden) von verschiedenen Universitäten
und Fachhochschulen, die Mitglieder des SPSW
sind.
Industrietag 2010
AGENDA
Impressum
Editor / Rédacteur / Redaktor: Igor ChlebnyTranslation / Traduction / Übersetzung: Denis Nobert, Cécile RuppLayout / Mise en page: Yves Maumary, CIG, Université de Neuchâtel
Plant Survival News
Newsletter of the NCCR Plant Survival
www.unine.ch/plantsurvival contact: [email protected]
Printed on recycled paper / Imprimé sur papier recyclé /
Gedruckt auf Recycling–Papier / Messeiller SA
NCCR Plant SurvivalDirector: Prof. Ted TurlingsCoordinator: Dr. Claire ArnoldDeputy Coordinator: Dr. Matthias Held
Events
La biodiversité en Suisse après 2010 SWIFCOB 10 Congrès annuel de la SCNATJournées scientifiques de l’OFEV 8-9 novembre 2010 – Nuithonie - Villars-sur-Glâne (FR)Informations et inscriptions: www.congres10.scnat.ch
PR-Proteins and Induced Resistance Against Pathogens and InsectsMolecular Biology Meets Application – Joint International Workshop4-8 September 2011 – University of Neuchâtel
More information: www.unine.ch/pr-ir11
Interuniversity Doctoral Programme in Organismal BiologyIntroduction to plant metabolomics 10-11 February 2011
Methods for the statistical analysis of siring success and relatedness in plants and animals 14-15 February 2011
Immunoxidative ecology: progress and prospects March 2011
GM crops: benefits, risks,and public perception Spring 2011
Annual PhD students meeting 2011 Spring 2011
Scanning electronic microscopy (SEM) Spring 2011
Plant light responses 25-26 August 2011
The courses take place at the University of Neuchâtel.
Information and registration on www.unine.ch/dp-biol
In the USA, the western corn rootworm (WCR) Diabrotica
virgifera virgifera is responsible for damages evaluated at
one billion USD each year. However, an injured maize plant
can defend itself by emitting a specific odorous signal
that attracts the pest’s natural enemies: tiny worms called nematodes. In order to improve this pest control
method, researchers at the University of Neuchâtel have
succeeded, by a selection process, in speeding up the
reaction time of these beneficial worms.
In den USA verursacht der Westliche Maiswurzelbohrer
(Diabrotica virgifera virgifera) Schäden, die jährlich auf
rund eine Milliarde US Dollar geschätzt werden. Verletzter
Mais hat jedoch eine Verteidigungsstrategie: Indem er
spezifische Duftsignale ausströmt, lockt er die natürlichen
Feinde des Maiswurzelbohrers an: kleine Fadenwürmer, sogenannte Nematoden. Um deren Einsatz in der
natürlichen Schädlingsbekämpfung effizienter zu gestalten,
ist es Forschern der Universität Neuchâtel gelungen, die
Reaktionsgeschwindigkeit der hilfreichen Würmer mittels
eines Auswahlverfahrens zu steigern.
Hiltpold, I. et al., (2010). J. Exp. Biol. 213, 2417-2423.
Improving maize protection
La chrysomèle des racines du maïs Diabrotica virgifera
virgifera provoque chaque année aux USA pour plus d‘un
milliard d‘USD de dégâts. Cependant, le maïs blessé peut
se défendre en émettant un signal odorant spécifique
qui attire des ennemis naturels du ravageur : des petits vers appelés nématodes. Pour rendre l‘intervention
plus efficace, des chercheurs de l‘Université de Neuchâtel
ont réussi, par un processus de sélection, à augmenter la
vitesse de réaction des vers salutaires.
Meilleure protection du maïs
Besserer Schutz von Mais
© Ivan Hiltpold & Michèle Vlimant, Université de Neuchâtel
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