Les biologistes évolutionnistes étudient comment les plantes spécialisées dans le froid peuvent s’adapter à l’environnement

Les plantes spécialistes du froid, comme les spatules, se sont bien adaptées aux climats froids des périodes glaciaires. Au fil des périodes froides et chaudes, elles ont développé un certain nombre d’espèces qui ont également entraîné une prolifération du génome.

Des biologistes évolutionnistes des universités de Heidelberg, Nottingham et Prague ont étudié l’influence de cette duplication du génome sur le potentiel adaptatif des plantes. Les résultats montrent que les polyploïdes – espèces possédant plus de deux jeux de chromosomes – peuvent présenter une accumulation de mutations structurelles qui indiquent une éventuelle adaptation locale, ce qui leur permet d’occuper à plusieurs reprises des niches écologiques.

Le genre des cochlées de la famille des Brassicacées s’est séparé de ses cousines méditerranéennes il y a plus de dix millions d’années. Alors que leurs descendants directs se sont spécialisés dans la réponse au stress de la sécheresse, les cochlées, ou en latin Cochlearia, ont conquis les habitats froids et arctiques au début de la période glaciaire il y a 2,5 millions d’années. Dans leurs études antérieures, les chercheurs sous la direction du professeur Marcus Koch ont étudié comment les Cochlearia ont pu s’adapter à plusieurs reprises aux alternances rapides de périodes froides et chaudes au cours des deux derniers millions d’années.

Les plantes nouvellement créées, adaptées au froid, ont développé des pools génétiques distincts qui sont entrés en contact les uns avec les autres dans les régions froides. L’échange de gènes a donné naissance à des populations possédant plusieurs jeux de chromosomes. La taille de leur génome étant en constante diminution, elles ont pu occuper à plusieurs reprises des niches écologiques froides.

Cependant, explique le professeur Koch, on sait jusqu’à présent peu de choses sur les mécanismes génomiques et le potentiel qui permettent aux plantes de s’adapter aux changements rapides de l’environnement.

« C’est d’autant plus extraordinaire que la majorité de nos cultures les plus importantes sont polyploïdes et possèdent donc plusieurs jeux de chromosomes. Ce fait est le résultat d’une sélection rigoureuse au cours du processus de culture et de sélection », déclare le professeur Koch, dont le groupe de recherche « Biodiversité et systématique des plantes » est basé au Centre d’études des organismes de l’Université de Heidelberg.

Dans le cadre de la recherche actuelle, sous la direction du Prof. Dr. Levi Yant, un génome de référence diploïde avec deux jeux de chromosomes d’une espèce de spatule des Alpes, Cochlearia excelsa, a été séquencé et un génome dit pan a été reconstruit. Il réunit différentes séquences génomiques et montre ainsi les variations génétiques entre les individus et les autres espèces. À cette fin, plus de 350 génomes de diverses espèces de Cochlearia avec différents nombres de jeux de chromosomes ont été analysés.

« Étonnamment, les résultats montrent que les polyploïdes présentent en réalité des variantes structurelles génomiques avec des signaux pour une éventuelle adaptation locale plus fréquemment que les espèces diploïdes », explique le professeur Yant, chercheur en génomique évolutive à l’Université de Nottingham (Royaume-Uni).

Ces mutations structurelles sont masquées par les copies supplémentaires du génome et sont donc protégées dans une certaine mesure de la sélection, car l’accumulation de variantes structurelles peut également entraîner une perte de fonction. Grâce à leurs modèles, l’équipe de recherche internationale a pu démontrer que les variantes structurelles spécifiques aux polyploïdes apparaissent également dans les régions génétiques qui pourraient jouer un rôle important dans les futures adaptations climatiques.

Une analyse détaillée des données génomiques a montré qu’il s’agit principalement de processus biologiques de germination des graines ou de résistance aux maladies des plantes, selon le Dr Filip Kolář, qui mène des recherches à l’Université Charles de Prague et à l’Académie tchèque des sciences.

Il est cependant très peu probable que les espèces de Cochlearia que l’on trouve aujourd’hui en Europe centrale survivent au changement climatique, comme le souligne le professeur Koch.

« La Cochlearia excelsa diploïde en particulier ne peut pas migrer plus loin dans les régions plus hautes et plus froides des montagnes autrichiennes, car cette espèce de spatule a déjà atteint en partie les régions sommitales. La spatule des Pyrénées des régions de collines et de montagnes d’Europe centrale aura également des difficultés », explique-t-il.

Les chercheurs ont toutefois montré que l’ensemble du patrimoine génétique, notamment chez les espèces polyploïdes spécialistes du froid, peut survivre, notamment dans les régions septentrionales de la Terre. L’histoire évolutive de ces crucifères donne ainsi un aperçu de la manière dont les plantes pourraient s’adapter au changement climatique à l’avenir.

Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications.