Le génome de la fougère arborescente donne un aperçu de son évolution

Les plantes terrestres ont évolué il y a 470 millions d’années à partir d’algues et ont depuis remodelé notre monde. Tout au long de leur évolution, les fougères ont subi une série de changements qui les ont aidées à survivre sur terre. Pour la première fois, des chercheurs ont caractérisé l’arrangement du génome des fougères arborescentes, ce qui donne un nouvel aperçu de l’évolution des fougères.

Un événement majeur dans l’évolution des plantes terrestres a été l’invention de leurs systèmes vasculaires, qui les aident à conduire l’eau, les nutriments et la nourriture dans tout leur corps. Ces systèmes sont constitués de deux tissus : le xylème et le phloème. Alors que le xylème permet le transport de l’eau vers les tiges et les feuilles, le phloème aide à transporter les sucres, issus de la photosynthèse, vers le reste de la plante. De plus, seules les cellules du xylème sont tapissées de lignine, des matériaux structurels de soutien qui assurent la rigidité du bois et de l’écorce. Les chercheurs ont voulu comprendre comment ces systèmes vasculaires évoluaient chez les fougères et comment la lignine est fabriquée.

« Les fougères sont les premières plantes vasculaires, et les parois cellulaires lignifiées ont été une innovation clé au cours de l’évolution de ces plantes », a déclaré Ray Ming (GEGC), professeur de biologie végétale. « Cette étude a amélioré notre compréhension de la façon dont les tissus vasculaires se sont développés chez les fougères et d’autres espèces de plantes terrestres. »

Pour cette étude, les chercheurs ont séquencé le génome de la fougère arborescente du singe-araignée volant Alsophila spinulosa et ont étudié la construction de ses tissus vasculaires. Ils ont découvert que deux gènes du domaine MAC liés aux vaisseaux étaient fortement exprimés dans le xylème par rapport à d’autres tissus, ce qui indique qu’ils pourraient être des régulateurs clés dans la formation de cellules spécifiques au xylème.

En utilisant la microscopie et des méthodes biochimiques, les chercheurs ont également mesuré les niveaux de lignine et de métabolites secondaires – des composés qui ne sont pas nécessaires à la croissance ou à la reproduction, mais qui confèrent certains avantages – chez les fougères. Ils ont découvert que la lignine constituait 40 % de la paroi des cellules souches. En comparaison, le bois en contient généralement 25 %. Ils ont également découvert un nouveau métabolite secondaire principalement fabriqué dans le xylème, qu’ils ont nommé aussiphiline.

« Ce nouveau composé est abondant dans le xylème, probablement comme l’un des composés remplissant la cavité des cellules trachéides non fonctionnelles. Nous avons également identifié les gènes impliqués dans la biosynthèse de l’alsophiline dans le génome », a déclaré Ming.

Pour comprendre comment les fougères ont évolué, les chercheurs ont comparé la séquence génomique d’A. spinulosa à d’autres membres de la même espèce dans neuf endroits en Chine. À leur grande surprise, ils ont découvert qu’il existait six populations distinctes, différant par leurs séquences génomiques. Sur la base de leurs résultats de séquençage, les chercheurs ont reconstitué l’histoire de la population de fougères et ont constaté qu’il y a eu deux fois où ces espèces ont subi une diminution drastique de leur population. Le premier s’est produit il y a 35,6 à 34,5 millions d’années et le second il y a 2,5 à 0,7 millions d’années.

« Cette analyse des génomes et de la composition de la lignine à partir d’une collection plus large de fougères nous aidera à comprendre le rôle de la lignine dans la lignée précoce des plantes vasculaires », a déclaré Ming. « Dans nos futures études, nous espérons augmenter le nombre d’emplacements et la taille des échantillons pour l’analyse génomique. »

L’analyse biochimique a été réalisée en collaboration avec le groupe de Quanzi Li au State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, Pékin, Chine.