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Inflorescence d' ARABIDOPSIS THALIANA , l'arabette des dames.. © inra, CAIN Anne-Hélène

Décryptage du génome de la toute première plante

En comparant la séquence d’ADN de plus de 35 génomes de plantes, les chercheurs de l’Inra ont reconstruit le génome ancestral de la première plante à fleurs, constitué de 15 chromosomes porteurs de plus de 20 000 gènes et datant de 214 millions d’années, une origine plus ancienne que celle supposée par les plus vieux fossiles de plantes connus à ce jour. L’apparition de copies surnuméraires de gènes ancestraux ainsi que la réorganisation des chromosomes ancestraux, au cours de l’évolution, a induit une plasticité génomique à l’origine de nouvelles espèces végétales ainsi qu’à leur adaptation à l’environnement changeant. Publiés dans Nature Genetics, ces travaux visent in fine à améliorer, chez des espèces aux génomes complexes, des caractéristiques agronomiques telles que le rendement, la qualité ou la tolérance aux stress.

Mis à jour le 23/03/2017
Publié le 14/03/2017
Mots-clés : GENOME - PLANTE - ancêtre

Exploiter le déluge de données génomiques des dernières décennies

Les plantes constituent la composante fondamentale de notre environnement et génèrent l’essentiel de la biomasse présente à la surface de la terre. La masse de données génomiques acquises ces 20 dernières années a permis d’améliorer considérablement la compréhension de l’organisation et de la régulation des génomes des plantes à fleurs. Ces dernières, appelées aussi angiospermes, sont constituées de deux grandes familles, les monocotylédones (céréales) et les dicotylédones (légumineuses, crucifères, arbres fruitiers…). Dans le cadre de cette étude, les chercheurs de l’Inra ont analysé 37 génomes de plantes : riz, maïs, sorgho, brome, vigne, arabette, peuplier, papaye,  soja, pêcher, pommier…. Ces différents génomes ont des structures très diverses, de 20 000 à 40 000 gènes, un nombre de chromosomes allant de 5 à plus de 20, des tailles de quelques centaines à plusieurs milliers de mégabases… Toutes ces espèces dérivent d’une espèce ancestrale commune, mais quelle est la structure du génome fondateur et permet-il d’élucider les mécanismes qui ont participé à une telle diversité de génomes modernes ?

Reconstruire l’ancêtre des plantes modernes pour comprendre leur évolution

Arbre généalogique (branches noires) illustrant l’évolution des génomes (barres verticales colorées) de plantes modernes (rectangles extérieurs) à partir de leur ancêtre disparu (au centre) datant de 200 millions d’années. Les deux familles principales de plantes à fleurs sont matérialisées à gauche pour les dicotylédones (fond jaune) et à droite pour les monocotylédones (fond vert).. © Inra
Arbre généalogique (branches noires) illustrant l’évolution des génomes (barres verticales colorées) de plantes modernes (rectangles extérieurs) à partir de leur ancêtre disparu (au centre) datant de 200 millions d’années. Les deux familles principales de plantes à fleurs sont matérialisées à gauche pour les dicotylédones (fond jaune) et à droite pour les monocotylédones (fond vert). © Inra
Les chercheurs de l’Inra ont modélisé le génome de l’ancêtre disparu (on parle de paléogénomique) des plantes à fleurs et ont montré qu’elles dérivent d’un ancêtre constitué de 15 chromosomes porteurs de plus de 20 000 gènes fondateurs communs à toutes les espèces. Ces gènes fondateurs codent pour des fonctions biologiques de ‘base’ (notamment impliquées dans le développement et l’architecture de la plante). Il existe aussi des gènes spécifiques de chaque espèce qui sont engagés dans des fonctions plus ‘spécialisées’ (c’est-à-dire la régulation de processus biologiques complexes). Au cours de l’évolution, les chromosomes ancestraux ont été remaniés et ont fusionnés entre eux pour donner naissance à de nouvelles espèces aux génomes distincts. Ainsi, les génomes de plantes modernes apparaissent comme une mosaïque de chromosomes ancestraux réarrangés. Toutefois, les espèces, mais aussi les gènes ou même les chromosomes d’une même espèce, n’ont pas évolués à la même vitesse, de telle sorte que des compartiments génomiques de certaines espèces apparaissent plus stables que d’autres au cours du temps.

Elucider les mécanismes de l’adaptation des plantes modernes aux contraintes

Au-delà des réarrangements des chromosomes ancestraux, les scientifiques ont montré que le doublement du contenu chromosomique (on parle de polyploïdie) a également joué un rôle majeur dans l’acquisition d’une plasticité génomique au cours de l’évolution. En effet, la majorité des plantes, y compris celles cultivées à l’heure actuelle, a connu des évènements de duplication du génome assez récemment (c'est-à-dire quelques milliers ou millions d’années pour le blé, maïs, le soja, le pommier, le peuplier, la moutarde…). D’autres ont conservé des "vestiges" d'événements de duplication plus anciens (c'est-à-dire plusieurs dizaines de millions d’années pour le riz, le brome, la vigne, la papaye, le sorgho…). Ces duplications ont fourni des copies surnuméraires de gènes qui se sont alors spécialisées permettant aux plantes d’acquérir de nouvelles fonctions biologiques au cours du temps et permettant notamment une meilleure adaptation aux contraintes. Cette extrême variabilité et plasticité des gènes issus des duplications constituent toujours à l’heure actuelle, un atout majeur, permettant aux plantes de s’adapter en permanence aux conditions environnementales changeantes.

Faciliter le transfert des connaissances entre espèces végétales modernes

Enfin, du point de vue de la recherche appliquée, ces travaux  permettent d’identifier avec précision les régions qui portent des gènes ayant une origine commune au sein par exemple des génomes de riz, maïs, sorgho, blé, brome, vigne, arabette, peuplier, papaye, luzerne, soja, pommier... Les informations connues sur la fonction biologique des gènes chez une de ces espèces permettent d’interpréter plus facilement la fonction de ces mêmes gènes chez les autres espèces apparentées. On peut donc rechercher de façon plus efficace les gènes impliqués dans les caractères d’intérêt agronomique chez une espèce et d’en étudier la fonction potentielle chez les autres espèces facilitant ainsi l’amélioration variétale (on parle de recherche translationnelle).

Contact(s)
Contact(s) scientifique(s) :

  • Jérôme Salse (04 43 76 15 29) Unité « Génétique, Diversité et Ecophysiologie des Céréales » (Inra, Université de Clermont-Ferrand)
Contact(s) presse :
Inra service de presse (01 42 75 91 86)
Département(s) associé(s) :
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Biologie et amélioration des plantes
Centre(s) associé(s) :
Auvergne - Rhône-Alpes

Référence

Murat F, Armero A, Pont C, Klopp C, Salse J. Reconstructing the genome of the most recent common ancestor of flowering plants. Nature Genetics; en ligne le 13 mars 2017. Doi: 10.1038/ng.3813.