Astuce: pour la plupart, grâce à un match
L'attractivité de nombreux parfums floraux pour l'homme est un bon effet secondaire. Nous n'étions même pas au monde quand ils sont apparus. Et les parfums disponibles dans le commerce, bien qu'ils essaient, sentent rarement les fleurs. Les bouteilles de fantaisie chères avec des noms comme «jasmin» ou «gardénia» peuvent sentir merveilleusement bien - mais ce n'est qu'un misérable semblant de vraies fleurs.
Une des raisons en est que les fleurs produisent généralement un mélange d'un très grand nombre de molécules volatiles - jusqu'à mille espèces. Certains d'entre eux appartiennent à des groupes chimiques interconnectés, et même s'ils diffèrent très peu par leur structure, ils peuvent dégager des odeurs très différentes. Dans les fleurs liées les unes aux autres, les molécules volatiles peuvent varier à la fois en proportions (qui reflètent une régulation différente des gènes) et en structure chimique (qui reflète l'activité des gènes associés à la production d'enzymes nécessaires à la synthèse). Il est assez difficile de déterminer quels composants particuliers de ce mélange sont importants pour attirer les insectes, les oiseaux ou pour créer des odeurs agréables pour les humains. Ceci est particulièrement difficile, car notre sens de l'odorat dépend d'un ensemble complexe de cellules nerveuses et diffère selon les personnes. La production d'arômes dépend des gènes des plantes et la capacité des animaux, dont nous, à capter ces arômes dépend des gènes des animaux.
Comme pour la couleur, la chimie des composés volatils qui affectent l'odeur dépend de la présence de gènes codant pour les enzymes protéiques. Ces enzymes fonctionnent séquentiellement pour créer des molécules odorantes complexes à partir des molécules qui les précèdent, dont la présence dépend d'un autre ensemble de gènes et d'enzymes. Le nombre relatif de molécules différentes dépend à son tour du troisième ensemble de gènes codant pour l'ARN et les protéines, qui sont importants pour la régulation et la modulation des gènes nécessaires à la production d'odeurs.
Lorsque nous sentons une rose, nous percevons un mélange de plusieurs centaines de molécules différentes. Et chacun d'eux est le résultat d'un ensemble de gènes et d'enzymes codés par eux qui provoquent certaines réactions chimiques dans les pétales de rose. De nombreuses molécules volatiles dérivent de la
phénylalanine, un acide aminé.
Les plantes créent de la phénylalanine à partir de molécules plus simples grâce à un ensemble de gènes codant pour les enzymes protéiques nécessaires. La phénylalanine est un proche parent de la
tyrosine , l'acide aminé utilisé par les plantes pour créer des pigments de
bétalaïne , et est également un composé aromatique avec un cycle d'atomes de carbone. La différence dans leur structure chimique réside uniquement dans le fait que la tyrosine a de l'oxygène supplémentaire (sous la forme du groupe –OH connecté au cycle du carbone). Les mammifères produisent généralement de la tyrosine à partir de la phénylalanine (les plantes utilisent un chemin différent pour cela). La liste des molécules à l'odeur agréable dérivées de la phénylalanine et de la tyrosine est assez longue.
Les plantes créent de la phénylalanine et de la tyrosine pour pouvoir créer des protéines. Mais l'évolution, qui est aussi un opportuniste, utilise des acides aminés à d'autres fins. Chacune des méthodes dépend de l'apparition au cours de l'évolution d'un ou plusieurs gènes supplémentaires codant pour des enzymes qui créent à la fois des arômes et des protéines avec de l'ARN, qui sont nécessaires pour inclure au bon moment les gènes contenus dans les pétales. De nombreuses molécules volatiles aromatiques sont nées du fait que des copies de gènes ont subi des mutations - nous avons déjà vu un tel schéma à plusieurs reprises. C'est l'un des moyens les plus efficaces de créer des variantes génétiques avec lesquelles la sélection naturelle peut fonctionner.
Afin de produire une substance aromatique volatile à partir des acides aminés phénylalanine ou tyrosine, il est nécessaire d'effectuer une opération chirurgicale chimique sur l'acide aminé en utilisant une ou plusieurs réactions, dont les catalyseurs sont certaines enzymes. L'une de ces réactions supprime le groupe amino (–NH2) de l'acide aminé. Si la phénylalanine a servi de molécule initiale, le résultat est
l'acide cinnamique ; si la tyrosine était la molécule de départ, on obtient de l'acide coumarique. La seule différence entre ces acides est que l'acide coumarinique a le même atome d'oxygène supplémentaire sous la forme du groupe –OH que la tyrosine. Et la plupart des arômes de fleurs, bien que pas tous, proviennent de la forme de l'une de ces deux molécules.
Il ne devrait y avoir aucun secret au nom de l'acide cinnamique - c'est lui qui donne à la cannelle une odeur familière. La cannelle est l'écorce séchée des arbres à feuilles persistantes de la famille de la cannelle de la famille des lauriers, ce qui nous rappelle que de nombreuses plantes ont d'autres parties que les pétales qui produisent des arômes. Une enzyme qui supprime un groupe amino de la phénylalanine pour produire un acide est appelée
PAL , et elle est codée par un gène du même nom. La plupart des plantes ont plusieurs gènes PAL. Le modèle de service du
poisson fantôme possède quatre gènes PAL, et ils présentent divers degrés d'activité, travaillant dans différentes parties de la plante. Avoir plusieurs gènes PAL est logique, car la même phénylalanine moins le groupe amino, tel que l'acide cinnamique, génère de nombreuses molécules végétales, et pas seulement volatiles. Parmi eux se trouvent la
lignine , une grosse molécule présente dans le bois, et des pigments qui donnent de la couleur aux couleurs. Certaines plantes utilisent le PAL pour déclencher une longue chaîne de réactions conduisant à la production de
chalcone , une molécule qui se transforme finalement en colorant anthocyanique.
Une autre façon de produire des arômes de phénylalanine implique deux dissections d'acides aminés. Le groupe amino (–NH2) et le groupe acide (–COOH) sont supprimés, c'est-à-dire tout ce qui caractérise la molécule en tant qu'acide aminé. La molécule restante devient le point de départ de la production de nombreuses autres molécules aromatiques. Le niveau d'enzymes nécessaires à cette chirurgie dans les pétales de rose est le plus souvent atteint chez les fleurs adultes en fin de journée, quand il est le plus important d'attirer les insectes pollinisateurs. L'évolution a garanti que les gènes deviennent les plus actifs au bon moment.
La découverte des gènes responsables des enzymes qui éliminent le groupe acide de la phénylalanine a nécessité une véritable enquête de détective. Les banques de données sur les couleurs génétiques ont été examinées à la recherche de séquences qui, par analogie avec des gènes connus dans d'autres organismes, pourraient produire une enzyme qui élimine le groupe acide de la phénylalanine. Les scientifiques sont tombés sur un indice lorsqu'ils ont découvert des séquences d'ADN végétal similaires à celles de gènes animaux qui éliminent un groupe acide d'une molécule de DOPA, ou
dioxiphénylalanine , semblable à la phénylalanine. La même molécule est utilisée comme remède contre la maladie de Parkinson. Ce segment d'ADN était le plus actif dans les plantes à l'époque et aux endroits où et quand la production de molécules volatiles à partir de la phénylalanine était maximale. Lorsque l'activité de ces gènes a été supprimée en tant qu'expérience dans des pétunias mutés, la production de substances aromatiques a été arrêtée. Il en va de même pour la version des gènes disponibles pour la rose.
Les variétés de ce code génétique dans le pétunia et les roses produisent des enzymes qui sont identiques à 65% aux enzymes des animaux qui éliminent le groupe acide dans la DOPA, et sont similaires à d'autres enzymes végétales qui éliminent le groupe acide dans d'autres molécules. Ensemble, ces gènes appartiennent à la famille des gènes apparentés. Il est donc logique de supposer qu'ils proviennent tous d'un gène ancêtre commun.
Les plantes à fleurs peuvent avoir beaucoup plus de gènes codant pour les enzymes nécessaires à la production d'autres composés aromatiques. D'où venaient-ils? La plupart d'entre eux, ou peut-être tous, sont probablement associés à des gènes qui sont importants pour le travail d'autres fonctions végétales et proviennent de la copie de gènes dans le passé. Apparemment, cela s'est produit lors de l'évolution des gènes responsables de la saveur «thé» caractéristique de la rose de thé populaire. Lorsque l'ancien genre des roses chinoises est entré en Europe à la fin du XVIIIe siècle, il était immédiatement clair qu'elles différaient par leur odeur des variétés européennes. Plusieurs années plus tard, ce parfum unique était associé à certains composés. D'ici là, des hybrides entre roses chinoises et européennes avaient déjà été reçues. Ces hybrides, connus sous le nom de roses de thé, sont particulièrement populaires, et l'une des raisons de cela est leur arôme puissant et attrayant, hérité de l'ancêtre chinois de l'hybride. Parmi ces arômes, une molécule (3,5-diméthoxytoluène ou DMT [3,5-diméthoxytoluène]) peut représenter jusqu'à 90% de toutes les molécules aromatiques produites par les fleurs. Les pétales de roses européennes produisent très peu de ces molécules, et parfois elles n'en produisent pas du tout.
La molécule DMT est associée à d'autres arômes de fleurs consistant en un anneau principal de six atomes de carbone, dont certains sont décorés d'un assortiment d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Divers gènes et enzymes donnent la possibilité de produire de tels anneaux décorés pour les fleurs. Deux enzymes codées par les gènes des roses chinoises, et actives dans les pétales des roses chinoises, peuvent produire des modifications conduisant à la production de DMT. Pourquoi les roses européennes ne peuvent-elles pas faire cela? Ils n'ont pas l'ensemble des gènes nécessaires pour effectuer les changements nécessaires. Deux gènes très proches, mais différents, conduisent à des changements chimiques correspondants chez les roses, descendants du chinois; ils sont appelés OOMT1 et OOMT2. Les roses européennes pures n'ont qu'un seul de ces deux gènes, mais les deux protéines sont nécessaires pour modifier le cycle aromatique de la manière qui conduit à l'apparition du DMT. Les 350 acides aminés de OOMT1 et OOMT2 sont identiques à 96%, et un changement dans un seul des 350 acides aminés est probablement responsable de la différence de ce qu'ils peuvent produire dans les cellules des pétales. Tout cela suggère qu'avant, très probablement, il n'y avait qu'un seul gène OOMT qui a subi une duplication, après quoi l'une des deux copies a subi des mutations d'ADN, et en conséquence, les acides aminés de l'enzyme protéique codée par elle ont changé.
Lequel des gènes a été le premier? Si vous comparez les gènes OOMT dans de nombreuses roses différentes, la plupart d'entre elles auront des gènes OOMT2, mais seuls les descendants des roses chinoises auront OOMT1. D'après les caractéristiques structurelles de l'arbre évolutif des roses, il s'ensuit que, très probablement, les roses chinoises sont apparues plus tard dans la chronologie que les autres. Ce serait une preuve convaincante que OOMT2 existe plus longtemps que OOMT1 et que OOMT2 a subi une duplication.
Mais obtenir des roses avec une odeur attrayante pour les humains ne pouvait pas être la raison du succès de cette duplication et mutation génique. Pourquoi ce gène a-t-il survécu et réussi? Tout tourne autour des abeilles: d'importants pollinisateurs de fleurs sont apparemment capables de ressentir le DMT.
Maxine Singer a obtenu son doctorat en 1957 à Yale. Elle a travaillé au sein des comités de rédaction des Actes de l'Académie nationale des sciences et du Journal of Biological Chemistry and Science. A reçu de nombreux prix scientifiques. Un extrait du livre «Les fleurs et les gènes qui les génèrent» (Blossoms: And the Genes that Make them), Maxine F. Singer, 2018.