Le génome de cette humble isoète (Isoetes taiwanensis) pourrait contenir des secrets pour aider les cultures à utiliser plus efficacement l’eau ou le dioxyde de carbone. Crédit : Yao-Moan Huang
Les chercheurs ont assemblé un génome d’Isoetes de haute qualité qui permet de mieux comprendre comment ces plantes aquatiques régulent la photosynthèse CAM pour rivaliser pour le dioxyde de carbone sous l’eau, et en quoi cette régulation diffère des plantes terrestres.
Les humbles quillworts sont un groupe ancien d’environ 250 petites plantes aquatiques qui ont été largement ignorées par les botanistes modernes. Un groupe de chercheurs, dirigé par Fay-Wei Li du Boyce Thompson Institute, a séquencé le premier génome de l’isoète et découvert certains secrets de la méthode unique de photosynthèse de la plante – des secrets qui pourraient éventuellement conduire à l’ingénierie de cultures avec une utilisation plus efficace de l’eau et gaz carbonique.
La plupart des plantes respirent du dioxyde de carbone (CO2) et utilisez la lumière du soleil pour transformer le gaz en sucre pendant la journée, puis arrêtez de respirer lorsque le soleil se couche. Mais les plantes des régions arides ont évolué pour respirer du CO2 la nuit, puis arrêtent de respirer pendant la journée pendant qu’ils effectuent la photosynthèse. Cette stratégie – appelée photosynthèse CAM – aide les plantes à économiser l’eau.
Il y a quarante ans, les isoètes — plantes du genre Isoètes — est devenu le premier groupe de plantes aquatiques découvert à utiliser la photosynthèse CAM. La perte d’eau pendant la journée n’est clairement pas un problème pour les plantes aquatiques. Au lieu de cela, les isoètes utilisent la CAM pour collecter le CO2 dissous dans l’eau et le stockent pendant la nuit, pour éviter de rivaliser avec d’autres plantes et organismes aquatiques, tels que les algues, qui épuisent les niveaux d’eau du gaz pendant la journée.
Le génome de cette humble isoète (Isoetes taiwanensis) pourrait contenir des secrets pour aider les cultures à utiliser plus efficacement l’eau ou le dioxyde de carbone. Crédit : Pi-Fong Lu
Pour étudier les mécanismes génétiques régulant le processus de photosynthèse CAM de l’isoète, l’équipe de Li a assemblé un génome de haute qualité pour I. taiwanensis, et a trouvé des similitudes entre la photosynthèse CAM de l’isoète et des plantes terrestres, mais aussi un certain nombre de différences.
« En tant que plantes aquatiques, Isoètes ont développé la photosynthèse CAM dans un environnement fondamentalement différent de celui des plantes terrestres dans des habitats secs », explique Li, qui est également professeur adjoint adjoint de biologie végétale à l’Université Cornell. “Ces résultats nous indiquent qu’il existe plus de voies évolutives vers la CAM que nous ne le pensions auparavant.”
Les conclusions seront publiées dans Communication Nature aujourd’hui (3 novembre 2021).
Le génome de cette humble isoète (Isoetes taiwanensis) pourrait contenir des secrets pour aider les cultures à utiliser plus efficacement l’eau ou le dioxyde de carbone. Crédit : Yao-Moan Huang
L’équipe a utilisé le génome pour identifier les gènes de la voie CAM et pour examiner leurs modèles d’expression, y compris comment ces modèles ont changé au cours du cycle jour/nuit. Une différence notable entre la CAM chez les isoètes et les plantes terrestres réside dans la fonction de la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC). Toutes les plantes possèdent deux types de PEPC : le type végétal, connu depuis longtemps pour son rôle essentiel dans la photosynthèse ; et de type bactérien, qui ressemble au PEPC trouvé dans les bactéries.
“Dans toutes les autres plantes, la PEPC de type bactérien joue un rôle dans une gamme de processus métaboliques mais pas dans la photosynthèse”, a déclaré David Wickell, un Ph.D. étudiant dans le laboratoire de Li et premier auteur de l’étude. “Dans Isoetes, les deux types semblent être impliqués dans la CAM – quelque chose qui n’a été trouvé dans aucune autre plante et indique un rôle distinct pour le PEPC de type bactérien dans la CAM aquatique.”
Toutes les plantes ont plusieurs composants de CAM, c’est pourquoi le processus a évolué tant de fois, explique Li. Mais les plantes aquatiques et terrestres ont recruté différentes versions de ces composants, peut-être pour répondre aux besoins imposés par leurs différents environnements.
L’équipe a également découvert que les niveaux d’expression de quelques régulateurs circadiens atteignaient un maximum à différents moments de la journée chez les isoètes que chez les plantes terrestres, ce qui indique que l’horloge circadienne pourrait réguler différemment les fonctions de la CAM chez les isoètes.
Les prochaines étapes de l’équipe comprennent l’examen des modèles d’expression des gènes CAM dans I. engelmannii (l’isoète d’Engelmann), qui utilise le CAM lorsqu’il est complètement immergé dans l’eau et la photosynthèse C3 lorsqu’il est au-dessus de l’eau.
À plus long terme, les résultats pourraient être utilisés pour concevoir des cultures capables de résister aux stress environnementaux. « Cela reviendrait à manipuler les gènes de l’horloge circadienne qui régulent les composants de la CAM pour aider les plantes à devenir plus efficaces pour conserver l’eau ou mieux utiliser le CO disponible.2», a déclaré Wickell. « C’est une idée excitante à considérer. »
L’intérêt du groupe pour Isoetes s’appuie sur un fantastique héritage de recherche au BTI. La référence standard résumant les caractéristiques et les habitats du genre est toujours celle de Norma Pfeiffer Monographie sur les Isoetaceae, publié en 1922. Pfeiffer était l’un des premiers scientifiques du BTI lorsque l’Institut a ouvert ses portes à Yonkers, NY, en 1924. La morphologiste des plantes est restée au BTI jusqu’à sa retraite en 1955.
Référence : « Underwater CAM photosynthèse élucidée par Isoetes genome » 3 novembre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-26644-7
L’équipe comprenait des chercheurs de l’Université nationale Tsing Hua, de l’Université de Göttingen, du Taiwan Forestry Research Institute, de l’Université du Texas à Austin, de l’Université de l’Arizona et du Salk Institute for Biological Studies.
La recherche a été financée par le BTI, le Conseil européen de la recherche (ERC) et l’International Max Planck Research School (IMPRS) pour la science du génome.
À propos de l’Institut Boyce Thompson :
Ouvert en 1924, l’Institut Boyce Thompson est une institution de recherche en sciences de la vie de premier plan située à Ithaca, New York. Les scientifiques du BTI mènent des enquêtes sur la recherche fondamentale sur les plantes et les sciences de la vie dans le but d’accroître la sécurité alimentaire, d’améliorer la durabilité environnementale de l’agriculture et de faire des découvertes fondamentales qui amélioreront la santé humaine. Tout au long de ce travail, BTI s’engage à inspirer et à éduquer les étudiants et à fournir une formation avancée à la prochaine génération de scientifiques. BTI est un institut de recherche indépendant à but non lucratif qui est également affilié à l’Université Cornell.
