L'épigénétique, un nouveau levier pour améliorer la tolérance à la sécheresse des arbres

Publié par Isabelle le 13/07/2021 à 14:00
Source: INRAE
Avec le changement climatique, la fréquence des sécheresses est amenée à augmenter. Afin de freiner le dépérissement des forêts déjà observé, il est essentiel de mieux comprendre les mécanismes de tolérance des arbres face à ce phénomène. C'est pourquoi des scientifiques d'INRAE, de plusieurs Universités, dont Orléans et Oregon (USA), du CEA et de l'IRD ont étudié le rôle de l'épigénétique dans la tolérance du peuplier (Les peupliers sont des arbres du genre Populus de la famille des Salicacées.) à la sécheresse. Leurs résultats, publiés le 1er juillet dans la revue New phytologist, montrent que les modifications épigénétiques au cours d'une sécheresse ciblent des gènes impliqués dans la réponse hormonale à cette sécheresse et peuvent induire des mutations génétiques.


L'épigénétique, un nouveau levier pour améliorer la tolérance à la sécheresse des arbres.
© INRAE - Christophe MAITRE

La sécheresse et la canicule (La canicule est une période de très forte chaleur durant l'été. Même s'il...) affaiblissent les arbres notamment vis-à-vis des attaques par les insectes (Insectes est une revue francophone d'écologie et d'entomologie destinée à un large...) ravageurs et agents pathogènes. Ces attaques peuvent mener à la mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si...) des arbres, jusqu'au dépérissement de forêts entières. Certains individus sont cependant plus tolérants que d'autres à la sécheresse. Dans un contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...) de changement climatique où ces épisodes sont amenés à se multiplier, il est donc crucial de comprendre quels sont les facteurs qui permettent aux arbres de s'adapter, en particulier pour accompagner les gestionnaires forestiers dans leurs choix.

Si la diversité génétique (La diversité génétique est une caractéristique décrivant le niveau de...) explique en partie cette tolérance, la réponse physiologique des arbres, c'est-à-dire la coordination de l'expression de leurs gènes, est également à prendre en compte. C'est pourquoi les scientifiques se sont intéressés à l'épigénétique, en particulier aux modifications biochimiques de l'ADN pouvant moduler l'expression des gènes sans modifier la séquence ADN, dont la marque principale est la méthylation de l'ADN1. Les modifications épigénétiques se font notamment en réponse à des changements environnementaux, comme la sécheresse, et ces modifications sont parfois durables et possiblement héritables.

Pour mieux comprendre le rôle de l'épigénétique dans la capacité de tolérance des arbres à la sécheresse, un consortium d'équipes de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) (INRAE, CEA, IRD, Universités d'Orléans et d'Oregon) s'est intéressé au peuplier, sensible à la sécheresse. Cette espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type »...), modèle scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) pour l'étude des arbres, présente également un intérêt économique puisque c'est la troisième espèce de feuillu la plus cultivée pour son bois en France.

Une expérimentation à large échelle: plus de 80 arbres soumis à la sécheresse

Les scientifiques ont utilisé pour la première fois des lignées de peuplier dont la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se...) de la méthylation de l'ADN a été modifiée à des fins scientifiques, pour mieux comprendre les mécanismes épigénétiques dans les arbres. Les chercheurs ont comparé la réponse de ces peupliers modifiés vis-à-vis de la sécheresse avec celle d'une lignée contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) sauvage de la même espèce. 81 arbres de ces lignées modifiées et sauvage ont été répartis dans des groupes soumis à des conditions de sécheresse pendant 3 semaines avant réarrosage, et dans des groupes témoins continuellement arrosés.

Durant ces trois semaines, les chercheurs ont suivi différentes variables pour évaluer l'impact de la sécheresse par rapport aux groupes arrosés, notamment la croissance en hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) et en diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) du tronc (Un tronc peut être :) des arbres. Face à la sécheresse, les peupliers témoins (lignée sauvage) présentent une baisse significative de croissance par rapport au groupe continuellement arrosé. Mais cette différence n'est pas observée pour les lignées modifiées, qui seraient donc plus tolérantes à une sécheresse modérée que la lignée témoin.

Des modifications épigénétiques ciblant des gènes de la réponse hormonale à la sécheresse

Ce gain de tolérance à la sécheresse a encouragé les chercheurs à identifier les modifications épigénétiques et génétiques associées au niveau des bourgeons à l'origine des nouvelles branches. Ils ont pour cela réalisé une analyse comparative de la méthylation de l'ADN sur l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) du génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une...) entre les lignées modifiées et témoin.

Cette analyse montre un remaniement d'environ 5 000 régions de l'ADN ou épimutations en condition de sécheresse. Les gènes associés à ces régions sont notamment impliqués dans la réponse aux contraintes environnementales, en particulier dans la réponse hormonale. Les modifications épigénétiques touchent notamment à deux voies hormonales, les cytokinines et l'acide salicylique (L'acide salicylique est un acide carboxylique incolore et cristallin utilisé comme...), déjà connues pour intervenir dans la croissance ou la réponse à la sécheresse des plantes.

Ces résultats montrent que, contrairement aux mutations génétiques qui se font au hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon...) dans le processus d'évolution de l'espèce, les modifications épigénétiques induites par un stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général...) environnemental ciblent davantage des gènes directement impliqués dans la réponse au stress. Ainsi la méthylation de l'ADN participe à la capacité de l'arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en...) à s'acclimater aux conditions de sécheresse.

Des séquences ADN mobiles activées qui induisent des mutations génétiques

Mais ces remaniements de la méthylation de l'ADN dans les lignées modifiées affectent également l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) d'éléments génétiques mobiles, ou éléments transposables. Existant chez tous les êtres vivants, ces séquences d'ADN sont capables de se déplacer de manière autonome dans un génome. En particulier, chez les plantes, elles peuvent constituer plus de 50 % de leur patrimoine génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est...), et peuvent provoquer des mutations notamment dans des gènes.

Cette étude montre que les modifications épigénétiques induites par la sécheresse activent directement 89 de ces éléments transposables se situant à proximité des gènes impliqués dans la réponse aux stress environnementaux. Parmi eux, deux se sont réinsérés dans le génome, induisant des mutations génétiques qui pourraient se transmettre à la descendance. Cette diversité génétique acquise pourrait alors affecter la réponse des arbres aux contraintes environnementales dans un contexte d'adaptation au changement climatique.

En décrivant les mécanismes épigénétiques à l'oeuvre lors d'une sécheresse et les mutations génétiques en découlant, cette étude apporte une meilleure compréhension des mécanismes d'adaptation des arbres aux conséquences du changement climatique. Elle ouvre ainsi de nouvelles perspectives pour les sélectionneurs et gestionnaires forestiers pour obtenir des forêts plus résilientes.

Les arbres: une mosaïque épigénétique

Chez les arbres qui vivent des centaines, voire des milliers d'années, chaque branche est porteuse (Une porteuse est un signal sinusoïdal de fréquence et amplitude constantes. Elle est...) d'un génome et d'un épi-génome qui lui est propre, et l'arbre représente une mosaïque de génomes et d'épi-génomes depuis le tronc jusqu'aux nouvelles branches. En effet, les modifications épigénétiques (épimutations qui sont 100 000 fois plus fréquentes que les mutations) et les mutations génétiques qui peuvent survenir une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) se retrouvent dans le bourgeon (Bourgeon peut faire référence à :) donnant naissance à la nouvelle branche, l'année suivante. Cette étude montre que les épimutations surviennent en réponse à des changements environnementaux et peuvent induire à leur tour des mutations génétiques.

Référence:
Mamadou Dia Sow, Anne-Laure Le Gac, Régis Fichot, Sophie Lanciano, Alain Delaunay, Isabelle Le Jan, Marie-Claude Lesage-Descauses, Sylvie Citerne (Une citerne est destinée à la collecte des eaux de pluies et à leur rétention afin d'en...), Jose Caius, Véronique Brunaud, Ludivine Soubigou-Taconnat, Hervé Cochard, Vincent Segura, Cristian Chaparro, Christoph Grunau, Christian Daviaud, Jörg Tost, Franck Brignolas, Steven H. Strauss, Marie Mirouze, Stéphane Maury. (2021) RNAi suppression of DNA methylation affects drought stress response and genome integrity in transgenic poplar. New Phytologist https://doi.org/10.1111/nph.17555

Note:
1 Méthylation de l'ADN: ajout d'un groupe méthyl (CH3 -) sur certaines bases de l'ADN qui module l'expression des gènes.

Centres:
- Clermont-Auvergne-Rhône-Alpes
- Ile-de-France - Versailles-Grignon
- Val de Loire

Département:
- ECODIV

Contact:
STÉPHANE MAURY - PROFESSEUR DE L'UNIVERSITÉ (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) D'ORLÉANS - LABORATOIRE DE BIOLOGIE (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....) DES LIGNEUX ET GRANDES CULTURES (INRAE, UNIVERSITÉ D'ORLÉANS)
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