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Application of high-sensitive and high-throughput molecular tools to disentangle the mechanisms of heavy metals accumulation and tolerance in mosses: epigenetic and transcriptomic approaches

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Un nouvel outil moléculaire révèle le rôle des mousses face à la pollution

Des chercheurs en botanique financés par l’UE ont acquis des connaissances importantes sur les mécanismes qui permettent à certaines espèces de mousses de tolérer l’accumulation de métaux lourds.

Changement climatique et Environnement icon Changement climatique et Environnement

Les émissions de métaux lourds provenant des activités humaines constituent un problème environnemental majeur en raison de la grande toxicité et de la persistance de ces polluants dans les sols, les masses d’eau et l’atmosphère. Connaître la manière dont les organismes vivants interagissent avec ces polluants est essentiel pour mieux comprendre et gérer les effets de la pollution dans les écosystèmes, leurs composants et leurs fonctions. Les plantes en général et les mousses en particulier utilisent des mécanismes moléculaires très sophistiqués pour faire face aux pressions environnementales comme la contamination par les métaux lourds, les sécheresses ou des niveaux élevés de rayonnement ultraviolet. Elles constituent donc une ressource biologique inestimable dans la recherche, car elles sont sessiles et donc incapables de s’échapper de leur environnement. Le projet Bryomics a utilisé des espèces de mousses pour accroître la compréhension des scientifiques sur les interactions entre les organismes vivants et la pollution par les métaux lourds et découvrir des gènes et des produits génétiques afin de développer des outils biotechnologiques permettant d’assainir la qualité de l’air et d’améliorer les cultures. Cette recherche a été entreprise avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie.

Une nouvelle approche

Les chercheurs ont analysé les mécanismes qui sous-tendent la variation intraspécifique de l’accumulation et de la tolérance aux métaux lourds chez deux espèces de mousses terrestres ayant des affinités contrastées pour les métaux lourds. Il s’agit de la mousse de cuivre Scopelophila cataractae, que l’on observe pratiquement exclusivement sur les substrats enrichis en métaux lourds, et de la Ceratodon purpureus, plus répandue, qui peut se développer sur des substrats pollués ou non. Les scientifiques ont cultivé les mousses en laboratoire en utilisant des traitements de référence et des traitement enrichis en cadmium (Cd) et en cuivre (Cu). Ils ont déterminé la réaction à ces polluants en mesurant l’accumulation de Cd et de Cu et la performance des végétaux. «Nous avons eu recours à l’épigénotypage par séquençage (epiGBS) pour créer la méthylation de l’ADN et les profils génétiques des échantillons et au séquençage ARN pour détecter les variations globales de l’expression génétique et les variations de gènes spécifiques associés à l’exposition au Cu», explique Teresa Boquete, la titulaire de la bourse de recherche. La méthylation de l’ADN est un processus par lequel un marquage chimique du groupe méthyle peut être ajouté ou retiré de la molécule d’ADN, provoquant des changements dans l’expression génétique sans altération de la séquence nucléotidique de base de l’ADN. Les modèles de méthylation de l’ADN sont flexibles, dynamiques et sensibles au stress environnemental, ce qui fournit aux plantes un mécanisme qui leur permet potentiellement de s’adapter rapidement et efficacement aux nouvelles conditions environnementales. «Le rôle de la méthylation de l’ADN dans la capacité des mousses terrestres à faire face à la pollution par les métaux lourds n’avait jamais été étudié auparavant», explique Mme Boquete.

Des avantages pour les cultures et l’environnement

Les résultats ont révélé pour la première fois l’existence de différences intraspécifiques de tolérance aux métaux lourds chez la mousse spécialiste des métaux, S. cataractae. «Ces différences sont liées aux niveaux de contamination dans leur environnement d’origine, et les végétaux poussant dans les sols les plus contaminés ont montré une plus grande tolérance», commente Teresa Boquete. «Nous avons également démontré que chez C. purpureus, les plantes femelles sont plus tolérantes aux métaux lourds que les plantes mâles.» Ces résultats contribueront à clarifier des questions telles que la contamination et la production de cultures dans des conditions sous-optimales. «L’identification des gènes candidats qui interviennent dans l’accumulation et la tolérance aux métaux lourds peut également être utilisée, par exemple, pour créer des plantes qui aideraient à nettoyer ces contaminants de l’environnement», souligne Mme Boquete. Enfin, BRYOMICS sera le point de départ de projets plus vastes dans lesquels le rôle écologique et évolutif de l’épigénétique pourrait être évalué en profondeur en utilisant un éventail plus large d’espèces de bryophytes.

Mots‑clés

BRYOMICS, métal lourd, mousses, ADN, cuivre (Cu), Scopelophila cataractae, Ceratodon purpureus, cadmium (Cd), épigénotypage par séquençage (epiGBS), ARN

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