Faire de la duplication du génome un outil de sélection végétale
Les plantes ont une capacité extraordinaire à dupliquer l’intégralité de leur génome, un processus connu sous le nom de polyploïdisation. Ce phénomène a joué un rôle central dans l’évolution des plantes: toutes les plantes à graines ont connu au moins un cycle de duplication du génome entier. Les plantes polyploïdes présentent souvent des caractéristiques améliorées par rapport à leurs ancêtres diploïdes, notamment une meilleure résistance au stress et des stratégies de reproduction flexibles. Ces avantages attirent depuis longtemps l’attention des sélectionneurs de plantes, mais les mécanismes génétiques et épigénétiques sous-jacents restent mal compris.
Transformer une force évolutive en stratégie de reproduction
Le projet POLYPLOID(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), financé par l’UE, visait à étudier la polyploïdisation dans un large éventail d’espèces cultivées et d’espèces modèles. L’objectif était de traduire les connaissances en matière d’évolution en outils de sélection pratiques. Dans ce contexte, l’équipe a combiné une expertise interdisciplinaire en génomique, épigénomique, transcriptomique et phénotypage de différentes plantes. «Nous avons adopté une approche multi-espèces qui nous a permis d’effectuer des comparaisons directes impossibles à réaliser par un seul laboratoire», explique Emidio Albertini, coordinateur du projet.
Comment la duplication du génome remodèle les plantes
POLYPLOID a étudié l’impact de la duplication du génome sur la génétique et le phénotype des plantes. Dans différentes espèces modèles, l’équipe a observé des modifications structurelles du génome, notamment des pertes ou des rétentions de gènes non aléatoires(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), ainsi que des modifications épigénétiques ciblées peu après la polyploïdisation. Des analyses du transcriptome et de la méthylation(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) ont mis en évidence des changements coordonnés de l’expression génétique affectant la tolérance au stress, la régulation du cycle cellulaire, le développement reproductif et l’architecture de la paroi cellulaire. Chez plusieurs espèces, le nombre de gènes différentiellement exprimés augmente avec le niveau de ploïdie, ce qui montre que la duplication du génome est un puissant moteur d’innovation réglementaire. «Nous avons identifié un ensemble de gènes “sensibles à la ploïdie” dont l’expression change systématiquement avec le doublement du génome», souligne Emidio Albertini. «Ces gènes constituent une signature moléculaire de la polyploïdie.» L’équipe a également étudié la manière dont la duplication du génome contribue à l’apomixie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), une forme de reproduction asexuée par graines qui permet aux plantes de produire une descendance sans fécondation. Cette stratégie de reproduction est fréquemment associée aux génomes polyploïdes et présente un grand intérêt pour les sélectionneurs, car elle permet l’introduction de caractères d’une génération à l’autre. En identifiant des voies candidates et des marqueurs moléculaires liés à l’apomixie, le projet a jeté les bases d’approches de sélection combinant la polyploïdie et la production de semences clonales.
Surmonter le bloc triploïde
Un obstacle majeur à l’exploitation de la polyploïdie en sélection végétale est le bloc triploïde(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), un mécanisme postzygotique qui empêche la formation de graines viables après des croisements entre plantes de niveaux de ploïdie différents. POLYPLOID a relevé ce défi en analysant les croisements entre individus diploïdes et tétraploïdes. Les chercheurs se sont concentrés sur le développement anormal de l’endosperme, une cause fréquente d’avortement des semences. Bien que le projet n’ait pas encore totalement surmonté le bloc triploïde, il a permis d’identifier des voies clés impliquées, notamment le métabolisme des sucres et des lipides ainsi que la désactivation épigénétique des gènes. Des gènes candidats issus d’études sur Arabidopsis(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) sont désormais étudiés comme leviers potentiels pour stabiliser le développement des graines.
Vers une agriculture durable et résiliente
La réalisation la plus importante de POLYPLOID est la création d’un ensemble de données multicouches sans précédent reliant la structure du génome, la régulation des gènes, la reproduction et les performances sur le terrain. Ces connaissances ouvriront la voie à une sélection basée sur les polyploïdes, offrant des cultures plus résistantes au stress, de meilleure qualité et nécessitant moins d’intrants. «La sélection polyploïde est susceptible d’influencer les futurs systèmes alimentaires européens en produisant des cultures présentant des caractéristiques de qualité personnalisées», conclut Emidio Albertini. Alors que le changement climatique intensifie les pressions sur l’agriculture européenne, POLYPLOID fournit un modèle d’utilisation de la duplication du génome en tant que stratégie de sélection délibérée plutôt que comme un événement fortuit.
