Un nouveau regard sur la vigueur hybride
Publié par Isabelle le 09/06/2019 à 14:00
Source: CNRS INEE
Le croisement d'individus génétiquement éloignés produit souvent des hybrides vigoureux et très féconds, phénomène que l'on nomme hétérosis. Ce phénomène est largement exploité en agriculture mais ses bases physiologiques sont mal comprises. Comprendre et prédire ce phénomène est crucial pour la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des êtres vivants...) de l'évolution ainsi que pour la sélection végétale et animale. Une étude publiée dans PLoS Biology impliquant le Centre d'Ecologie Fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent d'autres en argument....) et Evolutive (CEFE- CNRS/Univ Montpellier/Univ Paul Valéry Montpellier/EPHE/IRD) et menée en collaboration avec l'INRA, l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) Paris-Sud et l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) Max Planck montre que les équations liant (Un liant est un produit liquide qui agglomère des particules solides sous forme de poudre. Dans le domaine de la peinture, il permet au pigment d'une peinture de coller sur le support, il est alors...) la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...) et la performance des plantes permettent de prédire la supériorité des hybrides. La modélisation des relations entre caractères offre ainsi de nouvelles perspectives en biologie théorique et appliquée.

La vigueur hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés, sous-espèces (croisement intraspécifique), espèces (croisement interspécifique) ou genres (croisement intergénérique)...) - aussi appelée hétérosis - est souvent observée lors de croisements entre individus distincts, et ceci quelle que soit l'espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la...). Les caractères à déterminisme complexe, comme la fertilité (Pour le sens commun, la fertilité désigne à la fin du XXe siècle la capacité des personnes, des animaux ou des plantes à produire une...) ou la vitesse (On distingue :) de croissance, sont particulièrement concernés (Fig. 1). Comprendre et prédire l'hétérosis est par conséquent un enjeu crucial pour mieux appréhender l'évolution des espèces, ainsi que pour accélérer les programmes de sélection végétale et animale. Les bases physiologiques de la vigueur accrue des hybrides restent cependant discutées.


Exemple de croisement induisant de la vigueur hybride sur la fécondité chez A. thaliana
© François Vasseur

De plus, les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) empiriques montrent que différents mécanismes génétiques et moléculaires sont susceptibles d'expliquer ce phénomène, ce qui rend difficile la prédiction de son émergence et de son amplitude (Dans cette simple équation d’onde :). Dans une étude récemment publiée dans la revue PLoS Biology par des chercheurs du Centre d'Ecologie Fonctionnelle et Evolutive (CEFE- CNRS/Univ Montpellier/Univ Paul Valéry Montpellier/EPHE/IRD), de l'INRA, de l'Université Paris-Sud et de l'institut Max Planck en Allemagne, les auteurs ont examiné comment la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres...) des relations phénotypiques permettait d'expliquer l'hétérosis observé sur la vitesse de croissance des plantes et le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de fruits produits. Cette approche est basée sur l'application d'un modèle proposé il y a 80 ans par Sewall Wright [1] et généralisé récemment par Fiévet et al. [2], selon lequel l'hétérosis observé au niveau du métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière ininterrompue dans la cellule ou l'organisme vivant. C'est un processus...) cellulaire est le résultat de la non-linéarité des relations entre les concentrations enzymatiques et les flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le...) métaboliques (Fig. 2A). En utilisant 450 hybrides dérivés de croisements entre des écotypes de l'espèce modèle Arabidopsis thaliana, aussi connue sous le nom d'Arabette des Dames, les auteurs ont constaté que les caractères de performance étaient liés de manière non linéaire à la masse des individus (Fig. 2B), de la même manière que les flux métaboliques sont liées non linéairement aux concentrations enzymatiques.

Notes:
[1] Wright S. Physiological and Evolutionary Theories of Dominance. The American Naturalist. 1934; 68:24-53. https://doi.org/10.1086/280521.

[2] Fievet J, Nidelet T, Dillmann C, de Vienne D. Heterosis is a systemic property emerging from non-linear genotype-phenotype realtionships: Evidence from in vitro (In vitro (en latin : « dans le verre ») signifie un test en tube, ou, plus généralement, en dehors de l'organisme vivant ou de la cellule....) genetics (Genetics (à ne pas confondre avec le Journal of Genetics) est une revue scientifique américaine de génétique, fondée par George Harrison Shull en 1916. Elle est publiée une fois par mois en anglais par la...) and computer simulations. Frontiers in Genetics. 2018; 9: 1-20. https://doi.org/10.3389/fgene.2018.00001.



Effet de la non-linéarité phénotypique sur la performance des hybrides à l'échelle cellulaire (modèle de Wright, A) et à l'échelle de la plante entière (modèle allométrique, B).
© François Vasseur

Cette non-linéarité contraint les hybrides à dévier de la valeur 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 l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans...) de leurs parents, ce qui conduit à leur meilleure vigueur. En utilisant les modèles mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les transformations. Les mathématiques...) développés en macro-écologie pour décrire les variations de performance des individus selon leur masse - dits modèles allométriques - cette approche a permis de prédire jusqu'à 75% de l'amplitude de l'hétérosis. À titre de comparaison, la distance génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.) entre les parents explique au mieux 7% de l'hétérosis. Les résultats de cette étude corroborent donc le modèle initialement proposé par Wright/Fiévet et al. à l'échelle cellulaire, et suggèrent que l'émergence de l'hétérosis est une propriété intrinsèque de la géométrie des relations entre caractères phénotypiques, à différentes échelles d'organisation (Une organisation est). En outre, cette étude montre le potentiel de l'approche pour prédire la vigueur des hybrides, aussi bien chez les espèces végétales qu'animales. Dans le companion paper qui accompagne cette publication, l'auteur évoque "l'élucidation d'une énigme vieille d'un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois...) en génétique"[1].

Note:
[1] Govindaraju DR. An elucidation of over a century old enigma in genetics-Heterosis. PLoS Biol. 2019 ;17(4): e3000215.


Référence:
Vasseur F, Fouqueau L, de Vienne D, Nidelet T, Violle C, Weigel D.Nonlinear phenotypic variation uncovers the emergence of heterosis in Arabidopsis thaliana. PLoS Biol. 2019;17(4):e3000214.
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