Une équipe collaborative dirigée par des chercheurs de l’Université du Texas (UT) à Austin, du HudsonAlpha Institute for Biotechnology (HudsonAlpha) et du Joint Genome Institute (JGI) du Département américain de l’énergie (DOE), une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE, a découvert que le panic raide candidat comme matière première pour la bioénergie s’est adapté pour élargir sa gamme d’habitats, mais à quel prix ? Dans l’article invité suivant, le chercheur postdoctoral Joseph Napier du laboratoire Juenger et le biologiste informatique Paul Grabowski de HudsonAlpha décrivent les questions qu’ils ont posées – et auxquelles ils ont répondu – dans l’étude parue récemment dans le Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS).
Le panic raide, Panicum virgatum, est une graminée vivace répandue en Amérique du Nord qui a fait l’objet d’un vaste échantillonnage naturel et d’expériences sur le terrain en raison de son potentiel de restauration de l’habitat et comme matière première pour la production de biocarburants à base de biomasse. Comme on le voit avec de nombreuses cultures commerciales couramment cultivées telles que le blé, l’arachide, l’avoine, la banane, la pomme de terre, etc., le panic raide est polyploïde. Cela signifie qu’il contient plus de deux copies du génome, ce qui peut avoir des conséquences écologiques et évolutives prononcées.
UN étude précédente menée par notre équipe de recherche sur la diversité génomique et phénotypique dans l’aire de répartition naturelle du panic raide a révélé que la polyploïdie a amélioré le potentiel adaptatif du panic raide et est un élément clé pour fournir une variation génétique disponible pour la sélection afin d’améliorer le rendement des biocarburants dans un avenir en évolution. Le panic raide a plusieurs niveaux de ploïdie naturels, appelés cytotypes, à travers l’espèce. Ce sont principalement des tétraploïdes (4X ou quatre copies du génome) et des octoploïdes (8X ou huit copies du génome).
Lovell et al. concentré sur la variété 4X, en grande partie parce qu’elle a été priorisée dans les efforts de sélection, et aussi parce que l’on pense généralement que le panic raide 8X abrite moins de diversité génétique et phénotypique (traits visibles). Après que notre équipe ait fini d’analyser la diversité présente dans le panic raide 4X, nous avons été surpris par le nombre d’individus 8X qui avaient été collectés sur le terrain. Lors de la visualisation de la distribution complète du panic raide sur une carte, ces individus 8X se sont produits dans des parties de l’aire de répartition du panic raide où 4X étaient visiblement absents (voir la figure à droite).
Ce modèle a remis en question l’idée que le panic raide 8X était un groupe homogène et banal et a soulevé plusieurs questions importantes. D’où vient la variante 8X ? Sont-ils apparus plusieurs fois ou leur large distribution indique-t-elle des événements d’origine multiples et indépendants ? Les cytotypes réagissent-ils différemment en réponse à l’environnement ? Nous avons entrepris d’explorer ces questions et de résoudre le mystère derrière les modèles de switchgrass 8X observés. Dans le processus, nous espérions également utiliser cette opportunité unique pour quantifier comment les transitions vers une ploïdie plus élevée pourraient générer ces modèles observés. Comme de nombreuses autres espèces végétales présentent une variation naturelle du cytotype, nous espérions également que cela nous permettrait d’évaluer plus largement comment la variation de la ploïdie modifie la diversité génomique, la forme physique et l’adaptabilité.
En utilisant une combinaison d’approches génomiques, génétiques quantitatives, de paysage et de modélisation de niche, nous avons comparé la diversité du panic raide 4X et 8X à travers des centaines de génotypes naturels (dans ce cas, la composition génétique complète d’une plante) et 10 jardins communs. Nous avons découvert que les populations 8X sont apparues plusieurs fois à partir de différents antécédents génétiques et que ces populations 8X contiennent de nouvelles combinaisons de diversité génétique. Nous avons également constaté qu’une grande partie de la variation des caractéristiques physiques observée dans le panic raide 4X est également observée dans le cytotype 8X. Cependant, les cytotypes 4X et 8X divergent dans leur réponse aux variations climatiques entre les jardins communs, indiquant un compromis généraliste (8X)-spécialiste (4X). De plus, la modélisation de niche suggère une évolution de niche entre 4X et 8X liée à l’adaptation au climat. Dans l’ensemble, ces résultats indiquent que le 8X représente une combinaison unique de variation génétique qui a permis l’expansion de la niche écologique du panic raide. Les connaissances acquises à partir du panic raide 8X sont une ressource précieuse pour l’effort de génération de panic érigé résistant au climat pour la production de bioénergie.
En nous appuyant sur le cadre fourni par notre nouveau manuscrit sur le panic raide, nous prévoyons d’utiliser les données existantes et de générer des ressources génomiques supplémentaires pour répondre aux hypothèses écologiques évolutives de longue date sur la façon dont les graminées vivaces C4 comme le panic raide réagissent aux changements climatiques prononcés. (Les plantes C4 utilisent une forme de photosynthèse plus efficace qui réduit la perte d’eau, par rapport au processus utilisé par la plupart des espèces végétales.) un aperçu sans précédent des mécanismes que les graminées vivaces ont et utiliseront pour répondre aux changements climatiques. Les changements de ploïdie pourraient jouer un rôle clé dans cette réponse.
La génération de ressources génomiques supplémentaires pour le 8X fournira une rare opportunité d’évaluer la généralité d’un « houblon de ploïdie », lorsque le panic raide (et par extension des taxons similaires) sont confrontés à des fluctuations environnementales prononcées. Les nouvelles découvertes de cette ligne de recherche combinées aux connaissances passées permettront l’identification de combinaisons potentiellement nouvelles de diversité génétique présentes dans le panic raide qui pourraient être liées à l’adaptation au climat et à l’expansion de l’aire de répartition. Cela représenterait par la suite une ressource de sélection précieuse pour élargir la gamme de conditions de croissance appropriées et améliorer la résilience de la production de matières premières de panic raide.
Joseph D. Napier et al, Un compromis généraliste-spécialiste entre les cytotypes de panic raide a un impact sur l’adaptation au climat et l’aire de répartition géographique, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2118879119