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Pin maritime (France). © Didier Bert

Un nouveau modèle évolutif du génome des conifères

Une équipe internationale coordonnée par des chercheurs de l’Inra lève le voile sur l'évolution du génome des conifères. Les chercheurs proposent un modèle évolutif expliquant comment se sont façonnés les génomes actuels des Pinacées dont le pin maritime (12 chromosomes) et des Cupressacées (11 chromosomes) il y a quelques 290 millions d'années. Contre toute attente, la structure de leurs chromosomes a considérablement divergé au début de leur évolution. En faisant l’objet de deux publications dans Molecular Ecology Resources et Genome Biology and Evolution, ces travaux livrent de nouvelles connaissances sur les mécanismes d'évolution des plantes vasculaires terrestres.

Mis à jour le 20/10/2015
Publié le 20/10/2015

Cèdre du Japon (Japon). © Saneyoshi Ueno
Cèdre du Japon (Japon) © Saneyoshi Ueno

Les conifères sont des plantes vasculaires apparues sur Terre il y a 300 millions d’années, bien avant les plantes à fleurs. Ils appartiennent à l'embranchement des Gymnospermes et représentent 630 espèces regroupées en six familles (dont les plus importantes numériquement sont celles des Pinacées et des Cupressacées). De nombreuses espèces font l'objet de plantations industrielles pour lesquelles des programmes d'amélioration génétique ont été initiés dès les années 1960. C'est le cas du pin maritime, une espèce endémique de l'ouest du bassin méditerranéen, qui s’étend sur près d'un million d'hectares en France et fournit respectivement 29 % et 20 % de la production nationale de bois de trituration (fabrication de pâte à papier ou panneaux) et de bois d'œuvre.

Des génomes complexes et méconnus

Pin maritime (France). © Didier Bert
Pin maritime (France) © Didier Bert
Les conifères sont caractérisés par des génomes "obèses" au sein desquels les gènes sont noyés dans un océan de séquences répétées. A titre d'exemple, le génome du pin maritime (24 milliards de bases par cellule haploïde1) est 8 fois plus grand que celui de l'Homme. Cette caractéristique a considérablement freiné les projets de séquençage et d'assemblage de leurs génomes, même si des équipes de recherche se sont récemment lancées dans l'aventure. L'évolution du génome de ces espèces est donc mal connue, a contrario des Angiospermes (l'autre embranchement des plantes vasculaires avec 250 à 300 000 espèces) dont l’évolution est particulièrement bien décrite.
Au sein de la famille des Pinacées, deux genres ont divergé il y a au moins 100 millions d'années : les Pins et les Epicéas. La construction de cartes génétiques avait permis de conclure à une stabilité du nombre de chromosomes (12) et de l'ordonnancement des gènes chez ces deux genres. L’idée qui prévalait est que cette stase évolutive remontait à l'origine des conifères. Et pourtant, dans cette étude, ils ont montré qu’au contraire la structure chromosomique des ancêtres des conifères avait été considérablement remodelée au début de leur évolution.

Cartographier les gènes et redessiner le modèle évolutif

Alignement des blocs chromosomiques synténiques (représentés par des bandes colorées) entre les 12 chromosomes des Pinacées à gauche (segments gris foncé) et les 11 chromosomes des Cupressacées à droite (segments gris clair) (d'après de Miguel et al. 2015).. © Inra, Christophe Plomion
Alignement des blocs chromosomiques synténiques (représentés par des bandes colorées) entre les 12 chromosomes des Pinacées à gauche (segments gris foncé) et les 11 chromosomes des Cupressacées à droite (segments gris clair) (d'après de Miguel et al. 2015). © Inra, Christophe Plomion

A partir d’une biopuce à ADN , les chercheurs sont parvenus à construire une carte génétique "unifiée" pour la famille des Pinacées. Celle-ci confirme, avec une résolution très fine, la colinéarité entre les génomes des Pins et des Epicéas. Cette carte contient 6 000 gènes répartis sur 12 chromosomes, soit environ un quart de l'ensemble des gènes prédits. Les scientifiques ont ensuite comparé l'agencement des gènes sur les chromosomes à celui du cèdre du japon (Cryptomeria japonica, famille des Cupressacées) pour lequel une carte génétique de ses 11 chromosomes était disponible. C'est de cette comparaison que leur hypothèse du passage de 12 à 11 chromosomes ou vice-versa par un unique évènement de fission ou de fusion de chromosome(s) a été mise à mal. En effet, leurs travaux montrent qu’au contraire, le génome de ces deux familles résulte d'une mosaïque d'au moins 20 blocs chromosomiques ancestraux qui auraient donné naissance d'une part au génome des Pinacées et d'autre part à celui des Cupressacées il y a quelques 290 millions d'années.

Ce résultat contraste aussi avec la remarquable plasticité chromosomique des génomes des angiospermes qui se sont différenciés depuis le Crétacé, c'est-à-dire sur une échelle de temps comparable à celle des Pinacées. De cette analyse comparative ressort une grande hétérogénéité dans les processus de réarrangement chromosomiques et dans la dynamique évolutive des génomes des conifères d'une part et des angiospermes d'autre part. Les chercheurs vont maintenant s'intéresser à des organismes intermédiaires entre plantes à fleur et conifères (comme Amborella trichopoda dont le génome vient d'être séquencé) pour mieux comprendre les mécanismes d'évolution des plantes vasculaires terrestres.
 

(1) Cellule dans laquelle les chromosomes sont en un seul exemplaire.
(2) Les chercheurs ont utilisé une biopuce à ADN leur permettant de révéler des variations génétiques d'un seul nucléotide (SNP : single nucleotide polymorphism) au sein de plusieurs milliers de gènes du pin maritime. Ils ont ensuite utilisé cette ressource génomique pour suivre la ségrégation des marqueurs SNP dans des familles, ce qui leur a permis de construire 14 cartes génétiques de cette espèce, qu'ils ont alors combiné en une carte consensus grâce à un algorithme mathématique spécifiquement développé pour automatiser ce travail (Endelman et Plomion, 2014 Bioinformatics).

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

  • Christophe Plomion (05 57 12 27 65) Unité Biodiversité, Gènes et Communautés (Inra, Université de Bordeaux)
Contact(s) presse :
Inra service de presse (01 42 75 91 86)
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Écologie des forêts, prairies et milieux aquatiques
Centre(s) associé(s) :
Nouvelle-Aquitaine-Bordeaux

Références scientifiques

• de Miguel M, Bartholomé J, Ehrenmann F, Murat F, Moriguchi Y, Uchiyama K, Ueno S, Tsumura Y, Lagraulet H, de Maria N, Cabezas AJ, Cervera MT, Gion JM, Salse J, Plomion C (2015) Evidence of intense chromosomal shuffling during conifer evolution. Genome Biology and Evolution 7(10):2799–2809.

• Plomion C, Bartholomé J, Lesur I, Boury C, Rodríguez-Quilón I, Lagraulet H, Ehrenmann F, Bouffier L, Gion JM, Grivet D, de Miguel M, de María N, Cervera M, Bagnoli F, Isik F, Vendramin GG, Gonzalez-Martinez SC (2015) High-density SNP assay development for genetic analysis in maritime pine (Pinus pinaster). Molecular Ecology Ressource - doi: 10.1111/1755-0998.12464