C’est surtout une coïncidence.

L’attrait de nombreux parfums floraux pour les humains est un heureux produit dérivé: nous n’étions même pas là quand ils sont apparus. Et, malgré tous ces efforts, les parfums commerciaux sentent rarement la fleur. Des bouteilles chères et fantaisistes étiquetées jasmin ou gardénia peuvent sentir merveilleusement bon, mais ce sont de tristes substituts pour la vraie chose.

Une des raisons est que les fleurs produisent généralement de très grands mélanges de différentes molécules volatiles, jusqu’ à un millier. Certains d’entre eux appartiennent à des groupes chimiques apparentés et, bien qu’ils diffèrent très légèrement dans leur structure chimique, ils peuvent produire des odeurs très différentes. Dans les fleurs étroitement apparentées, les molécules volatiles peuvent varier à la fois en quantités relatives (reflétant une régulation différentielle des gènes et des produits génétiques nécessaires) et dans leurs structures chimiques (reflétant l’activité des gènes évolués pour produire les enzymes nécessaires à la synthèse). Il n’est pas facile de déterminer quels composants d’un mélange sont importants pour attirer les insectes ou les oiseaux ou pour créer un parfum attrayant pour les gens. C’est particulièrement difficile parce que notre propre odorat dépend d’un ensemble complexe de cellules nerveuses et diffère souvent d’une personne à l’autre. La fabrication des odeurs dépend des gènes d’une plante, et la capacité des animaux, y compris nous-mêmes, à sentir ces odeurs dépend de leurs gènes.

Comme pour les couleurs, la chimie des composés volatils qui affectent les odeurs dépend de la présence de gènes qui codent les enzymes protéiques. Ces enzymes agissent en séquence pour produire les molécules complexes parfumées à partir de molécules précurseures dont la présence dépend encore d’autres gènes et enzymes. Les quantités relatives des différentes molécules dépendent tour à tour d’autres gènes qui codent pour les ADN et les protéines importantes pour la régulation et la modulation des gènes nécessaires à la fabrication des senteurs.

Lorsque nous sentons une rose, nous recueillons un mélange de plusieurs centaines de molécules différentes. Chacune d’entre elles est le résultat d’une série de gènes et d’enzymes codifiés qui permettent des réactions chimiques particulières dans les pétales de rose. Beaucoup des molécules volatiles sont faites à partir de l’acide aminé phénylalanine.

Les plantes fabriquent la phénylalanine à partir de molécules plus simples, via 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 fabriquer les pigments de bétalaïne, et c’est aussi un « composé aromatique », avec un cycle d’atomes de carbone. La différence dans la structure chimique entre les deux est simplement que la tyrosine a de l’oxygène supplémentaire (sous la forme d’un groupe -OH attaché au noyau de carbone). En fait, les mammifères fabriquent de la tyrosine à partir de phénylalanine (les plantes utilisent une autre voie). La liste des molécules à l’odeur agréable dérivées de la phénylalanine et de la tyrosine est longue.

L’évolution a fait en sorte que les gènes sont plus actifs lorsqu’ils sont nécessaires.

Les plantes fabriquent de la phényalanine et de la tyrosine pour fabriquer des protéines. Mais l’évolution, étant opportuniste, utilise aussi les acides aminés à d’autres fins. Chaque utilisation dépend de l’évolution d’un ou plusieurs gènes additionnels qui codent pour les enzymes qui produisent les aromes ainsi que les protéines et l’ADN nécessaires pour s’assurer que les gènes sont activés dans les pétales au bon moment. Un certain nombre de volatiles aromatiques proviendront d’événements de duplication génétique suivis de mutations des copies, un schéma que nous avons rencontré à plusieurs reprises. C’est l’une des façons les plus puissantes d’obtenir des variations sur lesquelles la sélection naturelle peut agir.

Pour faire un aromatique volatil à partir de l’un des acides aminés phénylalanine ou tyrosine nécessite une chirurgie chimique sur l’acide aminé par une ou plusieurs réactions catalysées par des enzymes particulières. L’une de ces réactions élimine le groupe amino (-NH2) de l’acide aminé. Si la molécule de départ est la phénylalanine, il en résulte une molécule appelée acide cinnamique; si les molécules de départ sont la tyrosine, il en résulte de l’acide coumarique. La seule différence entre les acides cinnamique et coumarique est que l’acide coumarique a le même atome d’oxygène supplémentaire sous la forme d’un groupe -OH que la tyrosine. La plupart, mais pas tous, des aromatiques végétaux commencent comme l’une de ces deux molécules.

Le nom acide cinnamique ne devrait pas être un mystère. C’est ce qui donne à la cannelle son odeur familière. La cannelle est l’écorce séchée de certains arbres à feuilles persistantes du genre Cinnamomum de la famille des lauriers, qui nous rappelle que de nombreuses parties de plantes à côté des pétales produisent des aromes et aromates. L’enzyme qui effectue l’élimination du groupe amino de la phénylalanine pour produire l’acide est appelée PAL, codée par le gène PAL. La plupart des plantes ont plus d’un gène PAL. La plante modèle Arabidopsis, par exemple, a quatre gènes PAL, qui sont actifs à des degrés divers dans différentes parties de la plante. Il est logique d’avoir plusieurs gènes PAL parce que la même phénylalanine moins son groupe amino, comme l’acide cinnamique, donne naissance à de nombreuses molécules végétales à côté des volatiles. Parmi ces molécules figurent la lignine, l’énorme molécule que l’on trouve dans le bois des arbres, et les pigments avonoides utilisés pour colorer les fleurs. Certaines plantes utilisent le PAL pour déclencher la longue série de réactions conduisant au chalcone, la molécule qui est finalement convertie en anthocyanine.

Une autre voie vers les aromatiques de phénylalanine implique deux excisions sur l’acide aminé. Ici, les groupes amino (-NH2) et acide (-COOH) qui le caractérisent comme un acide aminé sont éliminés. La molécule qui en résulte est le point de départ de nombreuses autres molécules aromatiques. Le niveau d’enzymes requis pour effectuer cette intervention chirurgicale dans les pétales de rose est plus abondant dans les fleurs matures, et en fin d’après-midi, quand il est important d’attirer les insectes pollinisateurs. L’évolution a fait en sorte que les gènes sont plus actifs lorsqu’ils sont nécessaires.

L’identification du gène responsable de l’enzyme qui élimine le groupe acide de la phénylalanine a nécessité un véritable travail de détective. On a cherché dans les banques de données sur le génome des plantes des séquences qui, par analogie avec les gènes connus dans d’autres organismes, pourraient produire une enzyme qui élimine le groupe acide de la phénylalanine. Les scientifiques ont gagné le gros lot lorsqu’ils ont découvert des séquences d’ADN de plantes semblables à la séquence d’un gène animal qui élimine le groupe acide d’une molécule appelée dopa qui est liée à la phénylalanine. Familier? C’est le même dopa que celui utilisé pour traiter la maladie de Parkinson. Ce segment d’ADN était le plus actif chez les plantes à l’époque et dans les parties florales, les pétales et les ovaires lorsque la production des molécules volatiles de phénylalanine était la plus élevée. Lorsque l’activité du gène dans les pétunias a été rejetée expérimentalement dans des plantes mutantes, la production de l’aromatique a cessé. Il en était de même pour la version rose du gène.

Une molécule aromatique peut contribuer jusqu’ à 90% des volatiles produits par les fleurs.

Les formes pétunia et rose de ce gène codent pour les enzymes protéiques qui sont environ 65% les mêmes que les enzymes animales qui éliminent la partie acide du dopa et sont semblables à d’autres enzymes végétales qui éliminent également la partie acide d’autres molécules. Ensemble, tous ces gènes appartiennent à une famille de gènes apparentés. Il est logique de conclure qu’ils sont tous issus d’un gène ancestral commun.

Les plantes à fleurs ont beaucoup plus de gènes qui codent pour les enzymes nécessaires à la production d’autres aromatiques. D’où viennent-elles toutes? La plupart d’entre elles, sinon toutes, sont probablement liés à des gènes qui sont importants pour d’autres fonctions de la plante et qui sont le résultat d’événements passés de duplication des gènes. C’est ce qui semble s’être passé au cours de l’évolution des gènes responsables de l’odeur parfumée de thé caractéristique des rosiers en Chine. Lorsque les anciennes espèces de roses chinoises ont fait leur chemin vers l’Europe à la fin du XVIIIe siècle, on s’est rendu compte qu’elles avaient un parfum différent de celui des roses européennes. Plusieurs années plus tard, ces odeurs uniques étaient associées à des composés particuliers. A cette époque, des hybrides entre roses chinoises et européennes avaient déjà été produites. Les hybrides, connus sous le nom de roses à thé, sont particulièrement populaires et l’une des raisons en est leur parfum fort et séduisant, un héritage du parent chinois de l’hybride. Parmi ces parfums, une molécule aromatique (3,5-diméthoxytoluène, en abrégé DMT) peut contribuer jusqu’ à 90% des volatiles produits par les fleurs. Les pétales de rose européens ne produisent pas grand-chose de cette molécule.

La molécule DMT est liée à d’autres aromatiques végétaux construits sur un noyau de six atomes de carbone, dont certains sont décorés avec des assortiments d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. Différents gènes et enzymes donnent à la plante la capacité de fabriquer de tels anneaux décorés. Deux enzymes codifiées dans les génomes de roses chinoises et actives dans les pétales de roses chinoises peuvent apporter les modifications particulières conduisant au DMT. Pourquoi les roses européennes ne peuvent-elles pas faire ça? Parce qu’ils n’ont pas l’ensemble des gènes nécessaires pour faire la bonne modification. Deux gènes très étroitement apparentés mais distincts mènent aux changements chimiques appropriés dans les roses avec un héritage chinois de rose quelque part dans leur passé; ils sont appelés OOMT1 et OOMT2. Les rosiers d’origine purement européenne n’ont qu’un seul des deux gènes, alors que les deux protéines sont nécessaires pour modifier le cycle aromatique de la bonne façon pour produire du DMT. Les 350 acides aminés dans les deux enzymes OOMT1 et OOMT2 sont identiques à 96 %, et un changement dans un seul des 350 acides aminés est probablement responsable de la différence dans ce qu’ils peuvent faire dans les cellules des pétales. Tout cela suggère qu’il y avait, au départ, un seul gène OOMT qui a été dupliqué, et qu’une des deux copies a ensuite acquis des mutations dans son ADN et, par conséquent, des modifications aux acides aminés de l’enzyme protéique pour laquelle il code.

Quel gène est venu en premier? Si l’on compare les gènes OOMT de plusieurs rosiers différents, la plupart d’entre eux ont OOMT2, mais seules les variétés de rosiers ayant des ancêtres chinois ont OOMT1. L’arbre évolutionnaire des roses a des caractéristiques qui rendent probable que les roses chinoises sont apparues plus tard dans le temps que d’autres roses. Si c’est le cas, cela indiquerait clairement que l’OOMT2 existe depuis plus longtemps que l’OOMT1 et que c’est l’OOMT2 qui a été dupliquée.

La production de roses avec des odeurs qui plaisent aux gens ne pouvait pas être la raison du succès de cette duplication de gènes et le changement par mutation. Pourquoi alors le nouveau gène a-t-il survécu et réussi? Il s’avère que c’est grâce aux abeilles: les pollinisateurs importants des roses semblent sentir le DMT.

 

From Blossoms: And the Genes That Make Them by Maxine F. Singer. Copyright © 2018 Maxine F. Singer. Published with permission from Oxford University Press.

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