Un processus moléculaire en deux étapes recâble le transport des nutriments dans l’arabette sauvage

De nouvelles recherches sur les plantes qui ont colonisé la base d’un stratovolcan actif révèlent que deux étapes moléculaires simples ont recâblé le transport des nutriments, permettant l’adaptation.

Une équipe internationale dirigée par Angela Hancock au Max Planck Institute for Plant Breeding Research à Cologne (Allemagne) et comprenant des scientifiques de l’Associação Projecto Vitó et du Parque Natural do Fogo (Cap-Vert), de l’Université de Nottingham (Royaume-Uni) et de l’Université de Bochum (Allemagne) ont étudié une population d’arabette sauvage (Arabidopsis thaliana) qui a colonisé la base d’un stratovolcan actif. Ils ont découvert qu’un processus moléculaire en deux étapes reconnectait le transport des nutriments dans la population. Les résultats, publiés aujourd’hui dans la revue Avancées scientifiques, révèlent un cas exceptionnellement clair de marche adaptative dans une population sauvage. La découverte a des implications plus larges pour la biologie évolutive et l’amélioration des cultures.

S’adapter à un nouvel environnement pédologique

L’homéostasie des nutriments est cruciale pour la bonne croissance des plantes et donc essentielle à la productivité des cultures. L’identification des changements génétiques qui permettent aux plantes de prospérer dans de nouvelles conditions de sol donne un aperçu de cet important processus. Cependant, étant donné la taille immense d’un génome, il est difficile d’identifier les variantes fonctionnelles spécifiques qui permettent l’adaptation.

Les membres de l’équipe de recherche ont précédemment découvert que les populations sauvages de la plante modèle moléculaire, Arabidopsis thaliana, communément appelée cresson, ont colonisé les îles du Cap-Vert depuis l’Afrique du Nord et se sont adaptées à l’aide de nouvelles mutations apparues après la colonisation des îles. Ici, les scientifiques se sont concentrés sur la population d’arabette de l’île de Fogo, qui pousse à la base du Pico de Fogo, un stratovolcan actif. « Nous voulions savoir : Que faut-il pour vivre au pied d’un volcan actif ? Comment les plantes se sont-elles adaptées au sol volcanique de Fogo ? » dit Hancock.

« Ce que nous avons trouvé était surprenant », a déclaré Emmanuel Tergemina, premier auteur de l’étude. « Alors que les plantes de Fogo semblaient être en bonne santé dans leur environnement naturel, elles poussaient mal sur un terreau standard. » L’analyse chimique des sols Fogo a montré qu’ils étaient sévèrement appauvris en manganèse, un élément crucial pour la production d’énergie et la bonne croissance des plantes. En revanche, les feuilles des plantes Fogo cultivées sur un terreau standard contenaient des niveaux élevés de manganèse, ce qui suggère que les plantes avaient développé un mécanisme pour augmenter l’absorption de manganèse.

Deux étapes évolutives vers un nouveau pic adaptatif

Les scientifiques ont utilisé une combinaison de cartographie génétique et d’analyse évolutive pour découvrir les étapes moléculaires qui ont permis aux plantes de coloniser le sol limité en manganèse de Fogo.

Dans une première étape évolutive, une mutation a perturbé le gène primaire de transport du fer (IRT1), éliminant sa fonction. La perturbation de ce gène dans une population naturelle était frappante car ce gène clé existe intact dans toutes les autres populations mondiales de l’espèce d’arabette – aucune perturbation de ce type n’a été trouvée ailleurs. En outre, les modèles de variation génétique dans la région génomique IRT1 suggèrent que la version perturbée d’IRT1 était importante dans l’adaptation. La reconstruction évolutive montre que la mutation s’est rapidement propagée à la fixation dans l’ensemble de la population de Fogo, de sorte que toutes les plantes d’arabette de Fogo portent désormais cette mutation. À l’aide de la technologie d’édition de gènes (CRISPR-Cas9), les chercheurs ont examiné les effets fonctionnels de la perturbation de l’IRT1 chez Fogo et ont découvert qu’elle augmentait l’accumulation de manganèse dans les feuilles, ce qui pourrait expliquer son rôle dans l’adaptation. Cependant, la perte du transporteur IRT1 a eu un coût : il a considérablement réduit le fer des feuilles.

Dans une deuxième étape évolutive, le gène transporteur de métaux NRAMP1 a été dupliqué dans de multiples événements parallèles. Ces duplications se sont propagées rapidement de sorte que maintenant presque toutes les plantes de cresson de Fogo portent plusieurs copies de NRAMP1 dans leurs génomes. Ces duplications amplifient la fonction du gène NRAMP1, augmentant le transport du fer et compensant la carence en fer induite par la perturbation de l’IRT1. De plus, l’amplification s’est produite par plusieurs événements de duplication indépendants dans la population insulaire. C’était inattendu compte tenu du peu de temps écoulé depuis la colonisation (environ 5000 ans) et de l’absence d’événements similaires dans d’autres populations du monde. « L’augmentation rapide de la fréquence de ces duplications ainsi que leur effet bénéfique sur l’homéostasie des nutriments indiquent qu’elles étaient importantes dans l’adaptation », a expliqué Hancock. « Dans l’ensemble, nos résultats fournissent un exemple exceptionnellement clair de la façon dont de simples changements génétiques peuvent recâbler le traitement des nutriments dans les plantes, permettant l’adaptation à un nouvel environnement de sol. »

Implications pour l’amélioration des cultures

Ces résultats fournissent également des nouvelles encourageantes pour la sélection végétale. Traditionnellement, les informations sur la fonction des gènes proviennent d’études de lignées mutantes individuelles. Cependant, en utilisant la variation qui existe dans la nature, il est possible de découvrir des processus en plusieurs étapes plus complexes qui peuvent conduire à des changements dans les traits pertinents pour l’agriculture. « La découverte qu’un simple processus en deux étapes modifie le transport des nutriments dans ce cas peut offrir des indices pour améliorer les cultures afin de mieux s’adapter aux environnements locaux du sol. De plus, la perturbation et l’amplification des gènes, comme dans le cas d’IRT1 et de NRAMP1 à Fogo, sont certains des changements génétiques les plus simples à concevoir, ce qui les rend particulièrement excitants car cela signifie qu’ils pourraient être facilement transférables à d’autres espèces », a déclaré Tergemina.