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La paléogénomique des plantes pour l’amélioration variétale

En reconstituant la manière dont les génomes de plantes ont évolué à partir d’ancêtres communs, on peut identifier les régions chromosomiques de même origine et transférer les connaissances d’une espèce à l’autre.

Visuel Regards d'expert Paléogénomique Salse.
Article de présentation de la revue de l’Académie d’agriculture : « La paléogénomique des plantes pour l’amélioration variétale» par Jérôme Salse, 16 pages, 28 octobre 2013.. © Inra, Véronique Gavalda
Par Pascale Mollier
Mis à jour le 30/09/2016
Publié le 30/06/2016

Cet article présente la revue réalisée par Jérome Salse pour l'Académie d'agriculture de France.

L’accès croissant à la séquence des génomes durant la dernière décennie a permis de reconstruire l’histoire des plantes au cours de 150 millions d’années d’évolution. Les travaux menés à l’Inra depuis 2005 par l’équipe PaleoEVO ont démontré que les plantes modernes sont issues d’ancêtres dont le génome est constitué de 5 à 7 chromosomes ancestraux porteurs de 10 000 gènes codant pour les fonctions biologiques fondatrices du règne végétal.

Comparaison de plus de 30 génomes de plantes référencés

À ce jour, les génomes de plus de 30 espèces ont été totalement ou partiellement séquencés (1). Pour d’autres espèces, seule une fraction des gènes est positionnée le long des chromosomes. Ces génomes diffèrent par le nombre de chromosomes (de 5 chez l’arabette à 21 chez le blé), le nombre de gènes, le pourcentage de séquences répétées, etc. Cependant, ils possèdent aussi de grandes similitudes : les gènes conservés couvrent 91% des génomes chez les monocotylédones et 72% chez les dicotylédones. Par contre, les monocotylédones et les dicotylédones ont divergé très tôt (2), de sorte que les deux groupes possèdent peu de régions conservées.

A quoi ressemblent les ancêtres des plantes ?

En comparant plus de 30 génomes de plantes actuelles, les chercheurs ont mis en évidence les blocs chromosomiques conservés et ceux qui ont été dupliqués au cours de l’évolution. En remontant le cours de l’histoire en sens inverse, ils ont reconstitué les génomes ancestraux : 5 à 7 chromosomes (3), porteurs de près de 10 000 gènes. Ces gènes portent les fonctions biologiques fondatrices du règne végétal. La différentiation des plantes modernes à partir de ces génomes ancestraux a commencé il a environ 65 millions d’années par une étape de duplication des génomes entiers.

Première phase dans l’évolution : la duplication des chromosomes ancestraux

  Scénario d'un impact d'astéroïde. L’extinction crétacé-tertiaire, liée à l’impact d’une météorite et à une activité volcanique, a entraîné l’extinction des trois quart des espèces vivantes, dont tous les dinosaures non-aviaires.. © Inra, © pantolich
Scénario d'un impact d'astéroïde. L’extinction crétacé-tertiaire, liée à l’impact d’une météorite et à une activité volcanique, a entraîné l’extinction des trois quart des espèces vivantes, dont tous les dinosaures non-aviaires. © Inra, © pantolich

Les 5 ou 7 chromosomes des génomes de plantes ancestraux ont été dupliqués (4) vraisemblablement il y a 65 millions d’années, lors de la transition tertiaire-crétacé, qui a vu la dernière phase connue d’extinction des espèces vivantes.

Ces duplications archaïques, communes à toutes les plantes, auraient offert aux plantes une plasticité de génome leur  ayant permis de s’adapter, par le développement de nouvelles fonctions portées par les gènes dupliqués, contrairement à certaines espèces de mammifères qui n’ont pas pu évoluer par ce processus. Le doublement des chromosomes constitue en effet un mécanisme important de diversification des espèces et de variabilité dans la structure et la fonction des gènes.

 

 

 

Différentiation des plantes modernes : fusions, fissions et duplications chromosomiques

Cette phase de duplication archaïque de chromosomes a été suivie d’autres réarrangements : fusions et fissions des chromosomes ancestraux. Les génomes des plantes modernes apparaissent ainsi comme des mosaïques des chromosomes ancestraux. Ces remaniements expliquent que même si de nombreux gènes sont conservés, leurs places sur les chromosomes ont beaucoup varié d’une plante à l’autre.

 

Schéma d'évolution des génomes de plantes. Partie gauche : dicotylédones. Partie droite : monocotylédones.. © Inra
Schéma d'évolution des génomes de plantes. Partie gauche : dicotylédones. Partie droite : monocotylédones. © Inra

Une équation par plante

Les chercheurs ont pu établir l’histoire évolutive de chacun des génomes de plantes étudiés. Cette histoire est représentée par une « équation chromosomique » : nombre de chromosomes= X x 2n + Y - Z

Avec :

  • X= nombre de chromosomes des ancêtres intermédiaires après les duplications archaïques (12 ou 21)
  • 2n= nombre de duplications ultérieures
  • Y= nombre de fissions (coupure d’un chromosome en deux)
  • Z= nombre de fusions : fusion de deux chromosomes

Exemples :

  • blé (monocotylédone) : 7 chromosomes = 12 + 5 - 10 (pas de duplication ultérieure depuis un ancêtre à 12 chromosomes, 5 fissions et 10 fusions)
  • vigne (dicotylédone) : 19 chromosomes = 21 + 2 - 4 (pas de duplication ultérieure depuis un ancêtre à 21 chromosomes, 2 fissions et 4 fusions)

 

Connaître l’histoire des génomes permet de transférer les connaissances entre les espèces

Connaître la manière dont les génomes se sont formés au cours de l’évolution, permet d’identifier avec précision les régions qui portent des gènes ayant une origine, donc en général une fonction commune entre espèces modernes. Grâce à ce résultat, le transfert de connaissances sur la fonction des gènes est facilité entre espèces proches. Par exemple, si on identifie les gènes qui déterminent la teneur en protéines du grain chez le riz, on aura des pistes pour repérer les gènes équivalents chez le blé, le sorgho et le maïs. On peut ainsi transposer les connaissances acquises pour les espèces modèles, c’est-à-dire séquencées, comme le riz, à des espèces plus complexes dont le génome n’a pas encore été séquencé, comme le blé. On parle ici de recherche translationnelle.

Au total, ces connaissances fondamentales de « paléogénomique » permettent, d’un point de vue appliqué, de naviguer entre les génomes et de transférer les connaissances d’une espèce à l’autre. On peut ainsi dégager des hypothèses, voire des gènes candidats robustes, pour l’amélioration des caractères agronomiques chez les espèces d’intérêt.

 

(1) Dont : riz, maïs, sorgho, brome, vigne, arabette, peuplier, soja, papayer, fraisier, cacaoyer, lotier, pommier.

(2) Il y a 150 à 300 millions d’années.

(3) 5 ou 7 chromosomes pour les monocotylédones (riz, blé, maïs, sorgho, brome, orge)  et 7 chromosomes pour les dicotylédones (vigne, arabette, peuplier, soja, papayer, fraisier, cacaoyer, lotier, pommier, pêcher, pois).

(4) Après ces duplications, on obtient des ancêtres intermédiaires de 12 chromosomes pour les monocotylédones et de 21 chromosomes pour les dicotylédones.

La revue complète

Lire la revue de l’Académie d’agriculture : « La paléogénomique des plantes pour l’amélioration variétale» par Jérôme Salse, 16 pages, 28 octobre 2013 :

Revue de l’Académie d’agriculture : Paléogéno

Sommaire

  • Préambule
  • La paléogénomique revisitée par les progrès du séquençage
  • Les génomes de plantes sont conservés dans leur contenu en gènes
  • Les duplications génomiques ont joué un rôle majeur dans l’évolution des plantes
  • Toutes les plantes sont issues d’un ancêtre à 5 ou 7 chromosomes
  • La fusion de chromosomes ancestraux est à l’origine des différentes espèces végétales modernes
  • Les gènes dupliqués sont dérégulés pour éliminer leur redondance
  • Le transfert de connaissances entre espèces est amélioré
  • L’évolution et les duplications ont modelés les caractères agronomiques
  • Conclusion et perspectives
  • Remerciements
  • Références bibliographiques

Référence : Salse Jerome. 2016. Ancestors of modern plant crops. Curr Opin Plant Biol. 30:134-42. doi: 10.1016/j.pbi.2016.02.005.

Avancées de l’Inra dans le domaine

Evolution

- Des chercheurs de l’Inra Versailles-Grignon ont décrypté certaines caractéristiques de l’évolution des séquences répétées d’ADN chez Arabidopsis thaliana : leur distribution sur les chromosomes comme leur composition sont hétérogènes et leur divergence au fil du temps s’est accompagnée de l’évolution conjointe des mécanismes de leur régulation épigénétique. Lire l'article.

- Comprendre l’évolution du génome des Brassicaceae en reconstruisant les génomes ancestraux. Lire l'article.

- Analyse de la diversité génétique des agrumes.  Lire l'article.

- Livre grand public sur l’évolution.

Portrait Jérôme Salse, directeur de Recherche Inra, Centre de Clermont-Ferrand Theix.. © Inra

L’auteur

Jérôme Salse est directeur de Recherche Inra, UMR1095 GDEC Génétique Diversité et Ecophysiologie des Céréales, Centre Auvergne-Rhône-Alpes.

jsalse@clermont.inra.fr