Un gène emprunté aide le maïs à s’adapter aux hautes altitudes et aux températures froides

Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord montrent qu’un gène important du maïs appelé HPC1 module certains processus chimiques qui contribuent à la période de floraison et trouve son origine dans le « teosinte mexicana », un précurseur du maïs moderne qui pousse à l’état sauvage dans les hautes terres du Mexique. . Les résultats donnent un aperçu de l’évolution des plantes et de la sélection des caractères, et pourraient avoir des implications sur l’adaptation du maïs et d’autres cultures aux basses températures.

« Nous sommes largement intéressés à comprendre comment la variation naturelle des lipides est impliquée dans la croissance et le développement des plantes, et comment ces composés peuvent aider les plantes à s’adapter à leur environnement immédiat », a déclaré Rubén Rellán-Álvarez, professeur adjoint de biochimie structurelle et moléculaire à NC State et l’auteur correspondant d’un article décrivant la recherche. « Plus précisément, nous voulions en savoir plus sur la variation des lipides appelés phospholipides, qui se composent de phosphore et d’acides gras, et leur rôle dans l’adaptation au froid, à faible teneur en phosphore, et la régulation de processus importants pour la forme physique et le rendement des plantes comme la période de floraison. »

Le maïs cultivé à des altitudes plus élevées, comme les hautes terres du Mexique, a besoin d’aménagements spéciaux pour se développer avec succès. Les températures plus froides dans ces régions montagneuses désavantagent légèrement le maïs par rapport au maïs cultivé à des altitudes plus basses et à des températures plus élevées.

« A des altitudes élevées, à des températures plus froides, il faut plus de temps pour faire une plante de maïs en raison d’une accumulation d’unités thermiques plus faible – le maïs a besoin d’accumuler de la chaleur ou des unités de croissance », a déclaré Rellán-Álvarez. « A 10 000 pieds (2 600 mètres), il faut trois fois plus de temps pour faire un plant de maïs qu’à des altitudes plus basses. Pour s’adapter à ces conditions particulières, les campesinos – petits exploitants agricoles – doivent planter tôt dans la saison et planter profondément dans le sol ; là est une croissance très lente mais régulière au cours des premiers mois jusqu’à l’arrivée de la saison des pluies.Au fil des millénaires, les paysans ont sélectionné des variétés de maïs qui peuvent prospérer dans ces conditions particulières en étant capables de pousser à basse température et de fleurir tôt avant que les mois les plus froids n’arrivent en hiver.  »

C’est là qu’intervient le gène HPC1, disent les chercheurs. Dans les variétés de maïs cultivées à basse altitude, y compris la plupart du maïs cultivé aux États-Unis, le gène décompose les phospholipides qui, chez d’autres espèces, se lient à des protéines importantes qui accélèrent le temps de floraison.

« Les phospholipides sont également des éléments constitutifs importants des membranes cellulaires. Tous les lipides ont des formes différentes et l’équilibre de ces formes est ce qui permet aux membranes de rester intactes et aide les plantes à survivre aux périodes de stress », a déclaré Allison Barnes, chercheuse postdoctorale au laboratoire de Rellán-Álvarez et co-premier auteur de l’article.

Dans les montagnes, cependant, le gène échoue, mais au profit du maïs des hautes terres.

« Dans le maïs des hautes terres, une version défectueuse du gène a été sélectionnée, ce qui a conduit à des niveaux élevés de phospholipides », a déclaré Rellán-Álvarez. « Nous avons développé un mutant CRISPR-Cas9 et confirmé la fonction métabolique du gène. Nous avons également montré des interactions phospholipides-protéines similaires qui avaient été décrites chez d’autres espèces pour réguler le temps de floraison. »

« Les phospholipides qui ne sont pas décomposés dans les hautes terres peuvent être meilleurs pour maintenir les membranes ensemble, permettant à la plante de survivre dans un environnement défavorable », a ajouté Barnes.

Dans l’article, les chercheurs montrent les résultats de vastes expériences à travers le Mexique – dans les basses et les hautes terres – dans lesquelles la version des hautes terres du gène était présente. Ils ont découvert que le maïs avec la version highlands du gène fleurissait un jour plus tôt que les plantes sans cette version du gène. Pendant ce temps, le maïs cultivé dans les basses terres avec la version des hautes terres du gène a fleuri un jour plus tard que les plantes sans cette version du gène.

« Cela aide l’usine à mieux fonctionner dans son environnement local », a déclaré Fausto Rodríguez-Zapata, titulaire d’un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Rellán-Álvarez et co-premier auteur de l’article. « Si la floraison ne fonctionne pas, il n’y aura pas de graines, il n’est donc pas surprenant que quelque chose impliqué dans la période de floraison soit également impliqué dans l’adaptation locale. »

L’étude a également examiné l’évolution du maïs à travers des milliers d’années de sélection par les agriculteurs dans tout l’hémisphère occidental. Les Amérindiens ont domestiqué le maïs il y a des milliers d’années dans le sud-ouest du Mexique à partir d’une plante sauvage appelée téosinte parviglumis et, avec une grande ingéniosité, ont apporté et adapté le maïs à travers les Amériques, des déserts de l’Arizona et du Pérou aux forêts humides du Yucatán et de la Colombie, y compris jusqu’à vers les hautes terres mexicaines, où le maïs a été croisé avec une autre plante sauvage de téosinte, la téosinte mexicana.

« Nos résultats montrent que le mélange de maïs et de téosinte mexicana a aidé le maïs à s’adapter aux conditions des hautes terres et que ce mélange est pertinent dans le maïs moderne », a déclaré Rellán-Álvarez.

Dans l’étude, les chercheurs ont montré que des fragments génétiques de teosinte mexicana, à savoir la version highlands de HPC1, ont été conservés dans le maïs moderne.

« Cette rétention – ce que les scientifiques appellent l’introgression – est similaire aux humains modernes qui conservent des morceaux de Néandertal dans leur code génétique. Ces morceaux ont été conservés parce qu’ils ont été sélectionnés au fil du temps et apportent un certain avantage », a déclaré Rodríguez-Zapata.

L’étude a également montré la variante des hautes terres de HPC1 dans le maïs cultivé au Canada, dans le nord des États-Unis et dans le nord de l’Europe, ce qui est logique en raison du climat plus froid de ces endroits.

Les chercheurs de NC State examinent actuellement le rôle de ce gène et d’autres impliqués dans le métabolisme du phosphore pour apprendre des façons plus durables de cultiver le maïs et peut-être d’apporter plus de téosinte mexicana dans le maïs moderne.

Le papier apparaît dans Actes de l’Académie nationale des sciences. Des chercheurs de la Penn State University, de l’UC Davis, de l’Iowa State University, de l’Université Cornell et de Cold Spring Harbor ont co-écrit l’article.