Dupliquer pour s'adapter ou comment accélérer l'évolution des plantes ?

Publié par Isabelle le 16/10/2020 à 13:00
Source: CNRS INSB
Les duplications de portions de chromosomes permettant aux organismes de dupliquer des gènes existants et d'en créer de nouveaux sont bien documentées sur des temps géologiques assez longs. Cette étude, publiée dans la revue Genome Reserach, montre que dans un contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu...) d'instabilité génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.) accrue, il est possible d'activer l'apparition de ces duplications pour les provoquer en seulement quelques générations, et donc d'accélérer la capacité d'innovation génomique (La génomique est une discipline de la biologie moderne. Elle étudie le fonctionnement d'un organisme, d'un organe, d'un cancer, etc. à l'échelle du génome, et non plus limitée à celle d'un seul...) de la plante (Les plantes (Plantae Haeckel, 1866) sont des êtres pluricellulaires à la base de la chaîne alimentaire. Elles forment l'une des subdivisions (ou règne) des Eucaryotes. Elles sont, avec les autres végétaux l'objet...). Les scientifiques présentent également une analyse fine des conséquences phénotypiques de ces duplications qui, dans le cas présent, rendent la plante Arabidopsis thaliana plus résistante à certains pathogènes. Ces travaux permettent ainsi de mieux comprendre les processus évolutifs ayant lieu in natura mais aussi lors de la sélection de plantes d'intérêt agronomique.


Figure: L'impact des grandes duplications en tandem sur l'organisation du génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de certains...).Schéma décrivant les conséquences de deux événements de duplications dans les régions 1 et 2 d'un chromosome (Le chromosome (du grec khroma, couleur et soma, corps, élément) est l'élément porteur de l'information génétique. Les chromosomes contiennent les gènes et permettent leur distribution...). Au sein de la lignée étudiée présentant une instabilité génétique accrue, 2 duplications sont apparues après 5 à 7 générations. Dans la région 1 (à gauche), le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de copies des gènes a doublé, ce qui entraîne une additivité de leur expression. Dans la région 2, les zones bordures de la duplication correspondent à des gènes. L'encadré à droite montre qu'en conséquence, une partie des gènes en bordure fusionne au point (Graphie) de jonction de la duplication, créant ainsi un gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la synthèse d'une chaîne de polypeptide ou d'un...) chimérique capable de produire un ARN messager chimérique.
© Frédéric Pontvianne

La capacité d'adaptation des plantes à un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre...) changeant dépend de leur capacité à enrichir leur patrimoine génétique qui comprend notamment tous les gènes nucléaires. Cet enrichissement peut passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) par une réorganisation de la structure et de la composition du génome. Le développement des approches de séquençage (En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des composants d'une macromolécule (les acides aminés d'une protéine, les nucléotides d'un acide nucléique comme l'ADN, les...) à longues lectures permet aujourd'hui de mieux identifier de grandes variations structurales telles que les duplications. Ces duplications permettent de doubler le nombre de copie de multiples gènes à la fois. Elles peuvent aussi créer des fusions de gènes et donner naissance à ce que l'on nomme des gènes chimériques. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de ces modifications du génome peut modifier les caractéristiques développementales de la plante en la rendant éventuellement plus sensible ou plus résistante à des variations climatiques ou à certains pathogènes.

Cependant, ces évènements sont peu courants et leur incidence reste difficile à évaluer à court terme. L'article décrit une lignée d'Arabidopsis thaliana présentant une instabilité génomique accrue qui génère de grands évènements de duplications en tandem en l'espace de quelques générations seulement. Ainsi, en moins de 10 générations, 7 grandes duplications sont apparues, ce qui correspond à un ajout de plus de 2 millions de bases. Au final, ces 7 duplications ont conduit au doublement de plus de 600 gènes et à la création de 3 gènes chimériques.

Cette étude a par ailleurs permis d'analyser les conséquences à court terme de tels événements de duplication dont la taille moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de...) est d'environ 200 kilobases. On observe que la majorité des gènes dupliqués accumulent plus d'ARN messagers, molécules correspondant au fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire forme le...) de l'expression des gènes. Ce résultat suggère une additivité de l'expression des gènes dupliqués. Selon les gènes dupliqués, cette sur-expression peut entraîner des changements dans certaines voies métaboliques ou développementales. Dans cette étude, plusieurs gènes dupliqués se révèlent impliqués dans la réponse aux pathogènes. En réalisant des tests d'infections, les scientifiques ont ainsi pu montrer que cette lignée est plus résistante au nématode Heterodera schachtii et à la bactérie Pseudomonas syringae. Enfin, l'étude de l'organisation nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) de la lignée semble indiquer que ces duplications ont lieu préférentiellement dans des zones ayant déjà été dupliquées in natura.

En conclusion, cette étude révèle les conséquences moléculaires et phénotypiques d'évènements très récents de duplications de large portions du génome. Ces informations sont cruciales pour mieux comprendre comment les changements structuraux des génomes participent à l'évolution et à l'adaptation des plantes à leur environnement. En travaillant sur un plus grand nombre de lignées, il sera à terme possible d'anticiper les possibles réarrangements capables de se produire in natura mais aussi dans le cadre d'amélioration variétale en agronomie.

Pour en savoir plus:
Large tandem duplications affect gene expression, 3D organization, and plant-pathogen response
Picart-Picolo A, Grob (La société Grob (Burkhart Grob Luft- und Raumfahrt GmbH & Co KG) était au départ une usine aéronautique allemande fondée en 1926 par Ernst Grob à Munich. Au début, la production se limitait à des...) S, Picault N, Franek M, Llauro C, Halter T, Maier TR, Jobet E, Descombin J, Zhang P, Vijayapalani P, Baum TJ, Navarro L, Dvorackova L, Mirouze M, Pontvianne F. Genome Research 8 Oct 2020. doi:10.1101/gr.261586.120.

Laboratoire:
Laboratoire génome et Développement des Plantes (Université de Perpignan/CNRS)
bat T Université de Perpignan (L’université de Perpignan dite Via Domitia, est un établissement d'enseignement supérieur français dont le siège est à Perpignan. Elle est une université pluridisciplinaire qui...),
58 avenue (Une avenue est une grande voie urbaine. Elle est en principe plantée d'arbres, et conduit à un monument.) Paul Alduy, 66860 Perpignan cedex France.

Contact:
Frédéric Pontvianne - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) au Laboratoire génome et développement des plantes - frederic.pontvianne at univ-perp.fr
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