Did you say metabolomics? Vous avez dit métabolomique? Haben Sie Metabolomik gesagt? EDITORIAL. Contents / Sommaire / Inhalt

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1 EDITORIAL Did you say metabolomics? Contents / Sommaire / Inhalt 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 Agenda 20 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 adaptation 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. Vous avez dit métabolomique? 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 méthodologie 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. Haben Sie Metabolomik gesagt? 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 biochemische 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 Krankheitserregern oder bei der Anpassung der Pflanzen an sich verändernde Umweltbedingungen aktiv werden. Dank der Metabolomik kann die Servicestelle für Analytische Chemie (CAS), die vor kurzem an der Universität Neuenburg eingerichtet wurde, neue Untersuchungswege anbieten. Wo aber finden sie konkrete Anwendung? Wir laden Sie ein, dies in dieser Ausgabe zu entdecken.

2 METABOLOMICS A new analytical service 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. 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 capability to generate ions and fragments with very high mass accuracy. This is essential for identifying secondary metabolites such as flavonoids, alkaloids, glucosinolates, fatty acids, galactolipids or plant hormones. 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 pharmaceutical 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 identifying. 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 spectrometry and chromatography for non-specialists who intend to use these techniques for their research. 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 resonated with Felix Kessler, whose group studies 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 2

3 Un nouveau service analytique 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. il permet de générer des ions et des fragments avec une exactitude en masse particulièrement élevée, indispensable à l identification de métabolites secondaires tels que les flavonoïdes, alcaloïdes, glucosinolates, acides gras, galactolipides, 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, transgéniques et leurs cousines non-modifiées. 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 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 principalement 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, 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 végétales. 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). Différentes 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. 3

4 METABOLOMICS Eine neue analytische Servicestelle 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. Der Apparat empfiehlt sich besonders für die Messung biochemischer Variationen bei Pflanzen 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 ermöglichen 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. 3D ionic map of a plant extract Carte ionique 3D d un extrait de plante 3D-Ionendiagramm eines Pflanzenextrakts 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 zusätzlich 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 Analyseapparaten ermöglicht er es, Ionen und Fragmente mit einer besonders hohen Genauigkeit der Masse zu generieren. Das ist unverzichtbar zur Identifikation von Sekundären Pflanzenstoffen, wie Flavonoiden, Alkaloiden, Glucosinolaten, Fettsäuren, Galactolipiden und Phytohormonen.» Die neue Servicestelle des SPSW hat bereits Anklang bei Felix Kessler gefunden, dessen Gruppe Plastoglobuli untersucht, den mikroskopisch kleinen Fetttröpfchen im Innern von Chloroplasten, 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 Arbeiten stehen in Zusammenhang mit Forschungen, die zum Ziel haben, Pflanzen zur Produktion von Proteinen zu nutzen, was auch für die Pharmazeutische 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 Pflanzenstoffe können mit Hilfe des CAS identifiziert werden. Auch andere Forschungsgruppen aus verschiedenen Schweizer Universitäten haben bereits den Service genutzt, der in Neuenburg angeboten wird. Neben ihren Dienstleistungen für die wissenschaftliche Forschergemeinschaft organisiert die CAS auch Kurse in Chromatographie und Massenspektrometrie für Nicht-Spezialisten, die diese Techniken für ihre Forschungen nutzen möchten. 4

5 Metabolomics of maize 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. The caterpillar Spodoptera frugiperda on a maize leaf La chenille Spodoptera frugiperda sur une feuille de maïs Raupe der Spodoptera frugiperda auf einem Maisblatt 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. Frank Peairs, ForestryImages.org 5

6 METABOLOMICS Métabolomique du maïs 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 représentent les interactions observées entre le métabolisme des feuilles et celui des racines. 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 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 combinant 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, poursuit 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 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 correctement 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 originaux 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. 6

7 Metabolomik von Mais 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. Die Metabolomik, eine moderne Wissenschaft, die Analytik, Bioinformatik und Biostatistik miteinander kombiniert, hat kürzlich ihren erfolgreichen Einzug in die Pflanzensystembiologie gehalten. Sie ist im Begriff, eine leistungsfähige 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. Khairuzzaman, commons.wikimedia.org Alles begann mit einer erstaunlichen Feststellung: Angriffe der blattfressenden Raupe Spodoptera frugiperda reduzieren die Überlebenschancen 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 eingerichtet wurde (vgl. S. 4). «Mit dieser Betrachtungsweise erweitert man das Forschungsspektrum so, dass die grösstmögliche 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. Trotzdem ist ein solches Vorgehen heute möglich, und zwar dank der Leistungsfähigkeit der verwendeten statistischen Hilfsmittel für Data Mining.» Zeigt eines dieser Signale eine statistisch signifikante Veränderung kann seine chemische Struktur mit magnetischer Kernresonanz bestimmt werden. «Das Vorgehen ist subtil, denn nebst der Herausforderung einer solchen Herangehensweise 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 Blattbereich 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. 7

8 METABOLOMICS Lipid synthesis 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. For several years, this laboratory has built a solid reputation in the study of chloroplasts, the organelles found in cell walls where photosynthesis takes place. One of its research areas deals with the role of plastoglobules, microdroplets 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. 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. 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. 8

9 La synthèse des lipides La réponse des plantes au stress entraîne une accumulation 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. 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) Depuis plusieurs années, le laboratoire neuchâtelois 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, commente 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. 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 9

10 METABOLOMICS Lipidsynthese 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 Pionierarbeit. Die Metabolomik hält vielversprechende Hilfsmittel bereit, um diese Frage zu beantworten. Seit mehreren Jahren erfreut sich das Neuenburger Labor eines soliden Rufs hinsichtlich der Untersuchungen 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 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 Servicestelle 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. 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) 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 Plastoglobuli gespeichert würden», kommentiert Céline Besagni-Andrès, die für diese Forschungsarbeiten verantwortliche Post-Doktorandin. «Dem ist aber nicht so. In den Plastoglobuli vorhandene Proteine, besonders Enzyme, sind aktiv an der Synthese der Lipide beteiligt. Jedes Die metabolomische Herangehensweise öffnet ein weites Forschungsfeld für die Pflanzenphysiologie. 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 Speicherung 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. 10

11 The Achilles heel of chloroplasts 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. 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. 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. 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 compartments 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. 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) Zeeman and his colleagues are currently looking at how processes such as autophagy, a poorly 11

12 METABOLOMICS Le talon d Achille des chloroplastes 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. 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, 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 permettant 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 accumule 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 observations au microscope électronique montrent des distorsions anormales des chloroplastes, qui semblent fusionner avec d autres compartiments 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 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. 12

13 Die Achillesferse der Chloroplasten Als Ort der Photosynthese sind Chloroplasten lebenswichtige 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. 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) 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 Funktionsweise 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 ausgeschieden, sondern sammelt sich überproportional 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 Verbindung zwischen dem Stärkestoffwechsel und dem dynamischen Gleichgewicht der Chloroplasten deutlich aufzeigen können», kommentiert Zeeman. «Wird die Phase der Stärkeumwandlung unterbrochen, 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-Mechanismus 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 Stärkestoffwechsel 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. 13

14 METABOLOMICS Chemical responses to plant stress 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 19 th International Symposium on Plant Lipids. 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 immediate: 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. 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 fragmentation 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. 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. 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 14

15 Les réponses chimiques au stress des plantes 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 19 th International Symposium on Plant Lipids. 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 nutriments 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 intéresse plus particulièrement à l une d entre elles : la malondialdehyde (MDA). Pendant longtemps, la MDA a été considérée comme toxique ou mutagène, car cette substance est également produite dans les tissus humains où elle peut favoriser l apparition de cancers et de maladies neurodégénératives. On supposait donc par analogie que ce composé était aussi nocif pour la plante. pathogènes, notamment des champignons, se développent mieux sur des plantes qui ne parviennent 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 fragmentation 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. 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 précurseur de la MDA meurent d ailleurs plus vite que leurs semblables sauvages. «En outre, certains 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 15

16 METABOLOMICS Chemische Reaktionen von Pflanzen auf Stress 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 19 th International Symposium on Plant Lipids vorstellen. 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 gleichzeitigem 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 Krankheitserreger, besonders Pilze, besser auf Pflanzen, die keine normalen Mengen an MDA produzieren können», bemerkt Edward Farmer. 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 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 neurodegenerative Krankheiten begünstigen kann. Analog dazu vermutete man deshalb, dass diese Verbindung auch schädlich für die Pflanze sei. 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 Fettsäurefragmentierung 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. 16

17 IN SHORT EN BREF KURZ GESAGT Award of Excellence 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 7 th. 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. Biologists against food crisis 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 23 rd and 26 th, 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. Honours In 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 workpackage 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. Industry Day 2010 Still within the framework of the Swiss Plant Science Web, the University of Neuchâtel organised on September 15 th, 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. 17

18 IN SHORT EN BREF KURZ GESAGT Prix d Excellence Caroline Gutjahr, post-doctorante dans le groupe d Uta Paszkowski (WP 1.2), est lauréate du Prix d Excellence du jeune chercheur 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. Biologistes contre crise alimentaire 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. A l honneur Anthony 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. Journée de l industrie 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 postdoctorants) provenaient de différentes universités et hautes écoles membres du SPSW. 18

19 IN SHORT EN BREF KURZ GESAGT Prix d Excellence Caroline Gutjahr, Post-Doktorandin im Team von Uta Paszkowski (WP 1.2), ist Preisträgerin des Prix d Excellence für junge Forscher Der Preis wird ihr am kommenden 7. Dezember von der Fakultät Biologie und Medizin der Universität Lausanne überreicht werden. Er bildet den krönenden Abschluss einer Studie, die die junge Forscherin mit der Unterstützung 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 Wurzelbereich, die Pflanzen mit einem Pilz eingehen, der die Verfügbarkeit von Nährstoffen wie z.b. Phosphat für die Pflanze erhöht. Unter Verwendung mykorrhizaspezifisch 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 Möglichkeiten zur Optimierung von Kulturen im Hinblick auf eine nachhaltige Landwirtschaft zu eröffnen. Biologen gegen Nahrungsmittelkrise 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 Nahrungsmittelkrise 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 moralische und staatsbürgerliche Pflicht, aktiv zur Lösung 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. Ehrung Im 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. Industrietag 2010 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 Grosskonzernen, darunter Bayer Bioscience, Nestlé, Philip Morris und Syngenta Crop Protection, in Dialog zu treten. Gleichzeitig konnte so auch ganz konkret 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. 19

20 AGENDA Impressum Editor / Rédacteur / Redaktor: Igor Chlebny Translation / Traduction / Übersetzung: Denis Nobert, Cécile Rupp Layout / Mise en page: Yves Maumary, CIG, Université de Neuchâtel Plant Survival News Newsletter of the NCCR Plant Survival contact: Printed on recycled paper / Imprimé sur papier recyclé / Gedruckt auf Recycling Papier / Messeiller SA NCCR Plant Survival Director: Prof. Ted Turlings Coordinator: Dr. Claire Arnold Deputy Coordinator: Dr. Matthias Held Latest NCCR hit Improving maize protection 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. Meilleure protection du maïs 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. Events La biodiversité en Suisse après 2010 SWIFCOB 10 Congrès annuel de la SCNAT Journées scientifiques de l OFEV 8-9 novembre 2010 Nuithonie - Villars-sur-Glâne (FR) Informations et inscriptions: PR-Proteins and Induced Resistance Against Pathogens and Insects Molecular Biology Meets Application Joint International Workshop 4-8 September 2011 University of Neuchâtel More information: Interuniversity Doctoral Programme in Organismal Biology Introduction to plant metabolomics February 2011 Methods for the statistical analysis of siring success and relatedness in plants and animals 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 August 2011 The courses take place at the University of Neuchâtel. Information and registration on Besserer Schutz von Mais 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, Ivan Hiltpold & Michèle Vlimant, Université de Neuchâtel

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