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Contents / Sommaire / Inhalt

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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

Page 20: EDITORIAL Did you say metabolomics? · 2016-11-26 · Haben Sie Metabolomik gesagt? Did you say metabolomics? Science moderne combinant la bioinformatique et la biostatistique, la

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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