L’ADN des plantes
L’ADN est le matériel héréditaire ou génétique, présent dans toutes les cellules, qui porte des informations sur la structure et la fonction des êtres vivants.
Dans le règne végétal, l’ADN, ou acide désoxyribonucléique, est contenu dans les structures cellulaires liées à la membrane du noyau, des mitochondries et des chloroplastes. L’ADN possède plusieurs propriétés uniques parmi les molécules chimiques.
Il est universel à tous les organismes vivants, ayant la même structure et la même fonction dans chacun. Il est capable de se reproduire dans un processus connu sous le nom d’auto-réplication. Cette propriété permet la division cellulaire, et donc la continuité, la croissance et la réparation.
Il porte dans sa structure le code génétique, ou ensemble d’instructions, pour le développement et la maintenance cellulaires. Enfin, il subit des changements de structure chimique, de causes environnementales et internes, appelées mutations, qui contribuent à l’évolution, à la diversité et à la maladie.
Structure chimique
L’ADN est une molécule simple, composée de quatre nucléotides. Chaque nucléotide contient un sucre à cinq carbones (désoxyribose), un phosphate et l’une des quatre bases azotées possibles: les purines à double anneau de l’adénine (A) et de la guanine (G) et les pyrimidines à simple anneau de la thymine (T) et de la cytosine (C).
La plupart des propriétés de l’ADN sont liées aux liaisons uniques qui se forment entre les nucléotides: les composants du phosphate de sucre s’alignent linéairement, tandis que les anneaux d’azote se lient perpendiculairement.
Structure chimique
Les anneaux d’azote se lient de manière très spécifique : A se couple toujours avec T, et Galways se couple avec C. La DNAmolécule apparaît ainsi comme une échelle, les côtés étant le sucre-phosphate ; les échelons, les paires A-T et G-C.
Le collage et le pliage supplémentaires produisent une structure en forme d’échelle en spirale, connue sous le nom de double hélice. Cette double hélice est emballée de manière compacte dans des structures ressemblant à des cordes appelées chromosomes, visibles au microscope optique avant et pendant la division cellulaire.
Au cours de la vie quotidienne de la cellule, l’ADN apparaît comme un appel de masse sombre indiscernable chromatine (un terme inclusif se référant à l’ADN et aux protéines qui s’y lient, situées dans les noyaux des cellules eucaryotes).
Le modèle Watson et Crick
Au milieu des années 1800, Gregor Mendel, un moine autrichien, a postulé l’existence de matériel génétique. Il a découvert les lois de l’hérédité en utilisant le pois et d’autres plantes de son jardin pour étudier l’héritage de traits tels que la couleur des fleurs.
Près de soixante-dix ans se sont écoulés avant que les scientifiques James Watson et Francis Crick, en 1953, ne proposent la double hélice comme modèle le plus plausible pour chacune des propriétés uniques de la molécule. Leur modèle a été vérifié par des techniques de diffraction des rayons X peu de temps après.
Plusieurs chercheurs, travaillant à l’Université de Columbia et ailleurs aux États-Unis, avaient ouvert la voie avant Watson et Crick en découvrant la composition chimique de ce matériel génétique et l’appariement des bases azotées : La quantité d’adénine était toujours égale à celle de la thymine et de même avec la guanine et la cytosine.
Le modèle de Watson et Crick a également suggéré que les deux côtés, ou brins, de l’ADN courent dans des directions opposées: c’est-à-dire que le sucre phosphaté d’un côté pointe vers le haut, tandis que l’autre brin pointe vers le bas.
Cette propriété est connue sous le nom de liaison antiparallèle. Le modèle de Watson et Crick pourrait facilement expliquer comment l’ADN se réplique pendant la division cellulaire et comment l’information génétique est codée dans sa structure.
Auto-réplication
L’auto-réplication, qui permet la continuité des générations et la croissance et la réparation des organismes individuels, se produit pendant la division cellulaire. L’ADN doit pouvoir produire des copies exactes de lui-même. La molécule est spécialement conçue pour cela: une série d’étapes à médiation enzymatique permet à la double hélice de se dérouler ou de se décompresser, comme une fermeture à glissière, séparant les deux brins.
Ensuite, les nucléotides des aliments digérés pénètrent d’abord dans la cellule, puis dans le noyau. Ils se lient à un nucléotide correspondant: A avec T et G avec C. Le processus se poursuit jusqu’à ce que deux nouvelles molécules d’ADN double brin se soient formées, chacune une copie de l’autre et entrant chacune dans les nouvelles cellules résultant de la division cellulaire.
Synthèse protéique
L’information codée dans l’ADN permet tout le développement et le maintien de la cellule et de l’organisme. Le langage de ce code réside dans une lecture linéaire des nucléotides adjacents sur chaque brin. Tous les trois nucléotides spécifient ou correspondent à un acide aminé particulier, les unités individuelles des protéines.
Une deuxième molécule, l’acide ribonucléique (ARN), copie la structure moléculaire de l’ADN et apporte l’information en dehors du noyau dans le cytoplasme environnant de la cellule, où les acides aminés sont assemblés, dans un ordre spécifié, pour produire une protéine.
Les modifications post-production de ces protéines, telles que l’ajout de sucres, de graisses ou de métaux, permettent une vaste diversité fonctionnelle et structurelle. Codes de l’ADN des plantes pour une variété de substances uniques aux plantes. Ces produits soutiennent non seulement les plantes elles-mêmes, mais aussi des niches écologiques entières, ainsi que l’humanité.
ADN mitochondrial et chloroplastique
Un deuxième ensemble d’ADN fonctionnant indépendamment existe dans deux organites situés à l’extérieur du noyau de la cellule, les mitochondries et le chloroplaste. C’est dans les mitochondries, les sources d’énergie des cellules, que les glucides, les graisses et les protéines sont décomposés en éléments bruts avec la libération d’énergie de liaison chimique stockée sous forme de chaleur (calories).
La deuxième région dans laquelle l’ADN est logé à l’extérieur du noyau se trouve dans le chloroplaste, une structure unique aux cellules végétales. Dans les chloroplastes, la photosynthèse se produit, processus par lequel les plantes sont capables de transformer le dioxyde de carbone, l’eau et l’énergie solaire pour produire des sucres et, plus tard, des graisses et des protéines, avec libération d’oxygène. Ce processus critique entrepris par les plantes soutient la plupart de la vie sur terre.
L’ADN mitochondrial et l’ADN chloroplastique se répliquent séparément de l’ADN nucléaire pendant la division cellulaire. Il est postulé que ces organites, il y a des milliards d’années, étaient peut-être des organismes vivants indépendamment qui ont été incorporés dans d’autres cellules pour former les cellules eucaryotes qui constituent des formes de vie non bactériennes telles que les champignons, les protistes, les plantes et les animaux.
Protéines végétales
Un large éventail de protéines uniques aux plantes sont codées sur l’ADN des plantes. Un groupe qui a reçu beaucoup d’attention sont les soi-disant composés phytochimiques, des substances aux puissants avantages pour la santé. Les classes bien étudiées sont peu nombreuses, y compris les flavonoïdes, les phytostérols, les caroténoïdes, les indoles, les coumarines, les organosulfures, les terpènes, les saponines, les lignanes et les isothiocyanates.
Chaque groupe contient des protéines spécifiques qui sont à la fois des antioxydants et des anticarcinogènes protégeant les cellules animales des agents cancérigènes. Les caroténoïdes, tels que le bêta-carotène, présents dans les fruits et légumes orange et jaunes, et les lycopènes, présents dans les tomates, semblent protéger les animaux contre les maladies cardiaques et les accidents vasculaires cérébraux ainsi que contre le cancer.
Les phytostérols, comme ceux que l’on trouve dans le soja, sont des composés ressemblant à des œstrogènes qui imitent les hormones féminines. Ceux-ci semblent protéger les organes féminins contre les cancers et semblent également réduire le cholestérol.
Hormones végétales
De larges segments d’ADN végétal sont consacrés au codage des hormones végétales spécialisées. Les hormones sont des substances qui sont produites par un groupe de cellules, circulent vers un autre site et affectent l’ADN des cellules cibles. Chez les plantes, ces hormones contrôlent la division cellulaire, la croissance et la différenciation.
Il existe cinq classes d’hormones végétales bien décrites: les auxines, les gibbérellines, les cytokinines, l’éthylène et l’acide abscissique. Parmi les fonctions des auxines, il y a le phototropisme, la propriété qui fait plier les plantes vers la lumière.
Produites dans les racines, les auxines se déplacent vers les tiges, faisant s’allonger les cellules du côté obscur du tissu végétal. L’éthylène est une substance gazeuse qui fait mûrir les fruits et les fait tomber de la plante. L’acide abscissique contribue au vieillissement et à la chute des feuilles.
Plantes génétiquement modifiées
Parce que les plantes sont faciles à manipuler, l’ADN des plantes est le deuxième sujet expérimental principal pour les bioingénieurs après l’ADN bactérien. La modification directe de l’ADN en ajoutant ou en supprimant un segment particulier de gènes codant pour des traits spécifiques est au centre de la bioingénierie et de la biotechnologie.
Parce que les plantes constituent la principale source de nourriture pour les populations humaines et animales, des aliments génétiquement modifiés ont été développés pour résister aux insectes, bactéries, virus et autres ravageurs et réduire le besoin de pesticides externes.
Les cultures de plantes génétiquement modifiées sont conçues pour améliorer une variété de caractéristiques, de l’apparence et du bon goût à une croissance plus rapide ou à une maturation plus lente jusqu’à l’absence de graines.
L’introduction de gènes d’autres règnes, tels que le règne animal, dans l’ADN végétal permet aux scientifiques de développer de futures cultures pouvant contenir des vaccins humains, des hormones humaines et d’autres produits pharmaceutiques.
Une tomate a été le premier aliment bio-conçu approuvé par le gouvernement fédéral à être vendu aux États-Unis. Aujourd’hui, des dizaines de produits et d’aliments pour le bétail sont d’une certaine manière génétiquement modifiés.