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Les mécanismes moléculaires de la fusion du génome fournissent des indices sur l'adaptation et la biodiversité

Le projet GENOMERGE, financé par l'UE, étudie le rôle de la fusion et du doublement du génome dans l'évolution et l'adaptation des plantes à fleurs.
Les mécanismes moléculaires de la fusion du génome fournissent des indices sur l'adaptation et la biodiversité
Les processus de fusion du génome (hybridation) et de doublement (polyploïdie), qui consistent à combiner deux lignées génétiques, permettent d'obtenir des végétaux dits allopolyploïdes, c'est-à-dire possédant deux ensembles de chromosomes d'espèces différentes. Du fait qu'elles possèdent leur propre histoire évolutionnaire, ces combinaisons génétiques offrent de nombreuses opportunités d'innovation évolutionnaire et ont ainsi un impact important sur l'écologie des espèces.

Le projet GENOMERGE, financé par l'UE, a entrepris d'étudier les conséquences évolutionnaires de ces combinaisons sur la biodiversité, en examinant en particulier la façon dont les mécanismes moléculaires facilitent l'adaptation. L'équipe a centré ses travaux sur l'évolution des angiospermes (plantes à fleurs), en utilisant la spartine (plante des milieux salés) comme modèle. Le projet GENOMERGE a identifié le rôle de l'allopolyploïdie dans l'apparition d'une nouvelle voie biochimique qui a conduit à la production d'une molécule (DMSP) aux vertus osmoprotectrices (antistress) supposées, avec d'importantes conséquences pour l'environnement. L'équipe a également produit des données de séquençage pour aider à déchiffrer comment l'allopolyploïdie a favorisé la prolifération rapide de la spartine, une plante invasive.

Le rôle de l'allopolyploïdie dans l'adaptation des plantes

D'après le docteur Malika Ainouche, coordinatrice du projet, «Il est important d'étudier la fusion du génome et la polyploïdie car ce sont des processus particulièrement répandus chez les plantes. Avec quelque 300 000 espèces, les plantes à fleurs sont le groupe de plantes terrestres le plus varié, et ces processus ont joué un rôle majeur dans leur diversification et adaptation par le biais d'une sélection naturelle ou artificielle (telle que la domestication).»

Le projet GENOMERGE avait deux principaux objectifs. Le premier était de comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans l'allopolyploïdie en caractérisant l'évolution immédiate des gènes dupliqués. Le deuxième était d'étudier les gènes et fonctions qui présentaient un intérêt pour l'adaptation, en analysant l'évolution des gènes dupliqués dans les plantes allopolyploïdes naturelles.

L'équipe de recherche a étudié l'évolution de l'expression génique pour diverses espèces ayant poussé dans des conditions naturelles en procédant à des «analyses du transcriptome» et en recourant à un séquençage de nouvelle génération. Comme le Dr Ainouche l'indique également, «Nous avons testé l'impact de l'hybridation et/ou du doublement du génome (polyploïdie) en procédant à des analyses comparatives des données de séquençage de l'ADN obtenues à partir d'hybrides et allopolyploïdes récemment formés, ainsi que de leurs espèces parentes».

Examinant tout spécialement les fonctions ayant un impact sur l'adaptation, l'équipe a en particulier recherché les gènes associés à de nouvelles voies biochimiques ou à des caractéristiques phénotypiques pouvant expliquer l'invasivité du genre Spartina (un membre de la famille des graminées). Les résultats montrent que la spartine est une des rares plantes à fleurs capable de produire une molécule importante d'un point de vue écologique: le diméthylsulfoniopropionate (DMSP). Une des fonctions de cette molécule est sa propriété osmoprotectrice supposée qui aide les organismes à survivre à un stress osmotique extrême, en les rendant par exemple tolérants au sel. La production de DMSP a uniquement été observée dans les phytoplanctons marins mais très rarement chez les plantes à fleurs ou animaux.

Un impact important pour l'écologie

Le genre Spartina regroupe des espèces intéressantes d'un point de vue écologique puisqu'elles jouent, entre autres, un rôle important dans la dynamique sédimentaire des marais salés. On pense notamment qu'elles sont efficaces à retirer les substances polluantes des sédiments. Les résultats du projet GENOMERGE présentent un intérêt pour de nombreux domaines allant de la gestion du sol à la protection de la diversité biologique. Ils seront très probablement utiles aux chercheurs spécialisés dans l'étude du changement climatique puisque, comme l'indique le docteur Ainouche, «la molécule DMSP en elle-même est importante pour l'environnement puisqu'il s'agit du principal précurseur biogénique du DMS [diméthylsulfide] atmosphérique impliqué dans le cycle global du soufre, dans les précipitations acides et dans la régulation du climat.»

Après avoir démontré comment l'allopolyploïdie a facilité l'évolution de l'expression génique et l'innovation biochimique, les chercheurs de GENOMERGE doivent maintenant identifier précisément les mécanismes (par exemple, la régulation de l'expression génique) qui sont impliqués dans le processus. Comme le Dr Ainouche l'indique en conclusion, «étant donné que la plupart de nos cultures, notamment le blé, le colza, le coton et le café sont allopolyploïdes, ces travaux nous aideront à mieux comprendre comment les plantes, notamment les systèmes qui présentent un intérêt agronomique, sont capables de s'adapter aux environnements stressants.»

Thèmes

Life Sciences

Mots-clés

GENOMERGE, fusion du génome, allopolyploïdie, évolution, adaptation, biodiversité, DMSP, angiospermes, écologie végétale, séquençage de nouvelle génération, stress osmotique, génétique, molécule anti-stress