L’instrument “ray gun”, un spectroradiomètre. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Lance Stasinski
Dans Star Trek, les personnages portent un petit appareil portatif appelé tricordeur qu’ils peuvent pointer sur des objets pour les analyser et les identifier. Lorsque les scénaristes de la série ont concocté l’idée dans les années 1960, c’était de la pure science-fiction, mais un nouvel article en Nouveau phytologue rapproche l’idée de la réalité. Les chercheurs ont utilisé un appareil portable qui ressemble un peu à un pistolet à rayons pour enregistrer comment les feuilles des plantes sur différentes montagnes de l’Alaska réfléchissent la lumière. Et, il s’avère que différentes populations de plantes de la même espèce – par exemple, les plantes vivant sur les sommets des montagnes voisines – reflètent la lumière différemment, d’une manière qui fait écho à leur variation génétique les unes par rapport aux autres.
« Alors que les biologistes qualifiés peuvent généralement se rendre sur le terrain et identifier les espèces avec leurs yeux, il faut des analyses génétiques coûteuses pour révéler les populations – des groupes d’individus de la même espèce au sein d’un pool génétique – qui sont si importants pour la conservation et la recherche évolutive. » . dit Dawson White, chercheur postdoctoral au Field Museum de Chicago et co-auteur principal de l’étude. « Dans cette nouvelle étude, nous avons montré que vous pouvez utiliser la lumière au lieu de ADN pour définir les populations végétales, à un niveau de détail similaire. Cette nouvelle méthode est beaucoup plus rapide et moins chère que les tests génétiques, ce qui pourrait augmenter considérablement notre efficacité en matière de cartographie et de surveillance de la biodiversité. »
Dryas plantes au sommet d’une montagne de l’Alaska. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Catherine Chan
“L’ADN est comme un manuel d’instructions sur la façon de construire un organisme, et il s’avère que ce manuel contient des instructions pour construire et combiner les plus petites parties individuelles qui composent cet organisme”, explique Lance Stasinski, un étudiant chercheur diplômé à l’Université de Maine et l’autre co-auteur principal de l’article. “Nous sommes en mesure d’utiliser la lumière réfléchie par ces parties pour déterminer quel manuel d’instructions a été utilisé pour construire l’organisme – même lorsque les manuels d’instructions ne varient que de quelques mots.”
Tous les êtres vivants contiennent de l’ADN, et plus l’ADN de deux organismes est similaire, plus ils sont étroitement liés l’un à l’autre. C’est vrai à la fois entre et au sein des espèces – votre ADN est plus similaire à celui d’un chimpanzé qu’à celui d’un chien, car nous sommes plus étroitement liés aux chimpanzés, et votre ADN est plus proche de celui de votre cousin que d’un étranger au hasard de l’autre côté de la monde. Il en est de même pour les plantes : même au sein d’une même espèce, il existe des variations d’ADN d’une population à l’autre.
La recherche génétique a montré que parfois ces variations apparaissent à une échelle très fine – par exemple, les plantes d’une espèce au sommet d’une montagne peuvent former des groupes qui ont un ADN légèrement différent de celui des plantes au sommet d’une montagne à quelques kilomètres de là. Lorsque les populations se divisent ainsi, cela signifie qu’elles ne partagent ni pollen ni graines entre elles et sont génétiquement isolées.
Le chercheur Dawson White analyse des plantes Dryas en Alaska. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Dawson White
Les scientifiques étudient ces différences dans l’ADN pour distinguer une population végétale d’une autre, mais c’est une tâche ardue – ils doivent collecter les échantillons de plantes, les stocker, obtenir des autorisations pour les déplacer vers le laboratoire, puis passer par les nombreuses étapes pour séquencer réellement le le code génétique de la plante et les comparer. C’est un processus qui prend des semaines voire des mois. Dans cette nouvelle étude, cependant, les chercheurs ont trouvé une autre méthode pour déterminer à quel point deux populations de plantes sont étroitement liées, une méthode qui pourrait éventuellement être effectuée presque instantanément sur le terrain. C’est là qu’interviennent les pistolets à rayons.
Les spectroradiomètres sont des instruments qui mesurent la quantité de lumière réfléchie par une surface et les longueurs d’onde de cette lumière. L’instrument lui-même tient dans un sac à dos, et il y a une sonde à main attachée à un câble à fibre optique qui ressemble à un petit pistolet à rayons. Les agronomes utilisent ces instruments pour analyser la lumière qui rebondit sur les feuilles afin de détecter les maladies. Mais cette nouvelle étude a révélé que la lumière qui rebondit sur les feuilles varie d’une population de plantes à l’autre.
“Les feuilles ont évolué pour interagir avec la lumière, et ces machines enregistrent les différences de lumière après que les photons sont entrés dans les feuilles et ont été absorbés ou renvoyés en fonction de différentes chimies et structures”, explique White. “Cet instrument lit la lumière visible et infrarouge qui rebondit sur la feuille, et cette information peut vous donner une énorme quantité d’informations sur la chimie et la structure de la feuille.”
La chercheuse Catherine Chan analyse des plantes Dryas en Alaska. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Dawson White
White et ses collègues du Schoodic Institute et de l’Université du Maine ont apporté le spectromètre avec eux dans des habitats alpins en Alaska pour étudier un petit arbuste à feuilles persistantes appelé Dryas. Ils ont ensuite scanné les feuilles des plantes et collecté des échantillons de plantes afin de pouvoir analyser l’ADN plus tard.
«Notre travail sur le terrain vise à collecter des données de réflectance sur les communautés végétales à de nombreuses échelles différentes, des génotypes dans cette étude et des espèces distinctes ou des types fonctionnels de plantes plus grossières dans d’autres études. Nous utilisons ces signatures de réflectance des plantes dans de nombreuses études pour cartographier la végétation à l’aide de notre imagerie basée sur les drones et Nasa‘s AVIRIS ng capteur aéroporté. Des informations plus précises du sol et de l’air sur la végétation comme celle-ci ont de nombreuses utilisations dans cette toundra, de la quantification de l’habitat faunique à la déduction de la dynamique du pergélisol souterrain », explique Peter R. Nelson, directeur de l’écologie forestière à l’Institut Schoodic du parc national Acadia et professeur associé à l’Université du Maine, École des ressources forestières.
Les scientifiques ont découvert que d’un sommet à l’autre, les feuilles réfléchissaient différentes quantités de lumière à différentes longueurs d’onde. Et, une fois qu’ils ont séquencé les génomes des plantes, ils ont découvert que ces différences de réflectances correspondaient parfaitement aux différences génétiques des plantes. Cela signifie que regarder la lumière réfléchie par une plante peut être un substitut rapide et fiable aux longs tests génétiques pour les chercheurs sur le terrain essayant de déterminer si une population de plantes est génétiquement unique.
“Nous avons été très surpris de constater que les différents sommets étaient génétiquement isolés, donc ils ne partagent pas de pollen ou de graines, et de plus, que nous pouvions détecter ces différents sommets avec la génétique ou cette nouvelle méthode spectrale”, explique White.
« Le fait que les spectres foliaires capturent si bien la variation génétique, même dans un scénario biologiquement compliqué, est incroyablement prometteur. À mesure que la technologie et les modèles s’améliorent, nous espérons pouvoir détecter la diversité à l’aide de spectres mesurés à partir de drones avec les mêmes niveaux de précision que nous faisons en utilisant le spectromètre à dos », explique Dudu Meireles, professeur à l’Université du Maine.
Être capable de distinguer une population génétique de plantes d’une autre pourrait être essentiel pour les scientifiques travaillant à préserver les populations menacées.
“Maintenant que nous comprenons que chacun de ces sommets est génétiquement unique, cela signifie qu’il y a des implications pour la conservation”, explique Rick Ree, conservateur au Field Museum et l’un des auteurs de l’étude. “Si nous voulons essayer de maintenir la diversité génétique au fil du temps, en particulier compte tenu de la diminution des habitats des écosystèmes alpins en raison du changement climatique, cela implique que nous devrions échantillonner à partir de chaque sommet de montagne.”
Référence : « Reading Light : Leaf spectra capture fine-scale divers of étroitement-related, hybridizing arctic bushs » par Lance Stasinski, Dawson M. White, Peter R. Nelson, Richard H. Ree et José Eduardo Meireles, 12 septembre 2021, Nouveau phytologue.
DOI : 10.1111/nph.17731
