Comment les génomes dupliqués ont aidé les graminées à se diversifier et à prospérer

Les graminées couvrent environ 40 % de la surface terrestre et prospèrent dans une multitude d’environnements. Le succès évolutif de cette famille de plantes, qui comprend le riz, le maïs, le blé et le bambou, résulte probablement d’une histoire de duplications de génomes entiers, selon une nouvelle analyse menée par des biologistes de l’Université Penn State.

Un article décrivant la recherche est paru dans la revue Nature Communications.

L’équipe de recherche a comparé les génomes d’une sélection diversifiée de plus de 350 espèces de graminées, en reconstruisant à rebours pour former une image de ce à quoi aurait pu ressembler le génome ancestral de l’herbe.

Ils ont fourni des informations sur la duplication de gènes à grande échelle pour une duplication connue du génome entier qui est partagée par toutes les graminées – un événement appelé rho, qui a abouti à ce que les cellules ancestrales de l’herbe contiennent deux copies des informations génétiques de l’organisme.

L’équipe a également identifié des duplications supplémentaires et plus récentes du génome entier dans des lignées spécifiques et a suivi les gènes dupliqués qui ont été conservés ou perdus dans des espèces individuelles, ce qui, selon les chercheurs, pourrait avoir contribué à la diversification des graminées.

« Différentes espèces d’organismes peuvent parfois s’accoupler et produire une progéniture, un processus appelé hybridation », a déclaré Hong Ma, titulaire de la chaire Huck en développement et évolution de la reproduction des plantes et professeur de biologie au Penn State Eberly College of Science et chef de l’équipe de recherche.

« Chez les animaux, la progéniture est souvent stérile, comme lorsque des chevaux et des ânes s’accouplent pour produire des mules. Cette stérilité est souvent due à des problèmes de division des deux génomes lors de la fabrication des spermatozoïdes et des ovules. Chez les plantes, l’hybridation est beaucoup plus fréquente et les hybrides qui en résultent peuvent survivre et se reproduire, ce qui rend les duplications de génomes entiers plus courantes. »

Lorsqu’une duplication du génome entier se produit à la suite d’une hybridation, la plante résultante aura deux copies de tous les gènes. Les gènes dupliqués peuvent être légèrement différents, provenant des deux espèces différentes qui se sont hybridées, mais comme une seule copie est nécessaire, l’autre copie est dite redondante, ce qui signifie qu’elle est libre d’évoluer sans risque majeur d’impacts négatifs.

« La plupart du temps, si un gène subit une mutation, cela aura un impact négatif sur la fonction du gène », a déclaré Ma.

« Mais lorsque les gènes sont dupliqués, l’un d’eux peut changer plus librement tandis que l’autre conserve sa fonction. Ainsi, les gènes dupliqués sont souvent la matière première de l’adaptation évolutive. Parfois, les mécanismes de réparation de l’ADN dans la cellule rendent les deux copies plus similaires – un processus appelé conversion génique. Parfois, une copie est complètement perdue et parfois une copie développe une nouvelle fonction. »

Lors de recherches antérieures, Ma et son équipe ont construit une phylogénie plus complète, ou arbre généalogique, des graminées. Cette meilleure compréhension des relations entre les espèces de graminées leur a permis de suivre les paires de gènes dupliqués dans des espèces apparentées, en identifiant où ils ont été perdus, conservés ou ont évolué.

« C’est un peu comme la paléontologie moléculaire », a déclaré Ma. « Chaque espèce moderne a subi des changements évolutifs qui peuvent obscurcir l’histoire des duplications du génome, mais avec un grand nombre d’espèces, nous pouvons voir de plus en plus de morceaux de cette histoire afin de la reconstituer. C’est comme trouver des os de différents dinosaures pour reconstituer une image plus complète du squelette entier. »

Pour mieux comprendre la duplication connue du génome entier du gène rho partagée par toutes les graminées, l’équipe de recherche a identifié des gènes impliqués dans des adaptations environnementales qui étaient différemment conservés parmi les sous-familles de graminées.

Il s’agit notamment d’un gène d’adaptation aux environnements aquatiques chez le riz, d’un gène d’adaptation au froid dans la sous-famille qui comprend le blé, l’orge, l’avoine et le seigle, d’un gène de croissance cellulaire rapide chez le bambou et d’un gène de réponse à la sécheresse chez le maïs.

L’équipe a également identifié neuf événements de duplication du génome entier jusqu’alors inconnus parmi des lignées individuelles de graminées.

« Les graminées ont réussi à coloniser avec un succès exceptionnel une grande variété d’environnements à travers le monde », a déclaré Ma.

« Grâce à notre meilleure compréhension des relations entre les graminées, nous pouvons voir à quel point les événements de duplication du génome entier ont été importants pour ce succès et commencer à identifier les gènes qui ont été conservés ou perdus dans les espèces individuelles qui ont permis cette diversification.

« Ces informations pourraient également aider à orienter les efforts de sélection des plantes cultivées afin de tirer parti des adaptations naturelles qui permettent aux graminées de prospérer dans des environnements aussi variés. »