L’approche de la génomique évolutive identifie les gènes qui permettent aux plantes de vivre dans le désert d’Atacama, offrant des indices pour concevoir des cultures plus résilientes pour faire face au changement climatique.
Une équipe internationale de chercheurs a identifié des gènes associés à la survie des plantes dans l’un des environnements les plus rudes de la planète : le désert d’Atacama au Chili. Leurs conclusions, publiées dans Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS), peut aider les scientifiques à créer des cultures résilientes qui peuvent prospérer dans des climats de plus en plus secs.
« À une époque de changement climatique accéléré, il est essentiel de découvrir la base génétique pour améliorer la production et la résilience des cultures dans des conditions sèches et pauvres en nutriments », a déclaré Gloria Coruzzi, professeure Carroll & Milton Petrie à la L’Université de New York (NYU) Département de biologie et Centre de génomique et de biologie des systèmes, qui a codirigé l’étude avec Rodrigo Gutiérrez.
L’équipe de recherche chilienne a établi un « laboratoire naturel » sans précédent dans le désert d’Atacama, au nord du Chili, l’un des environnements les plus secs et les plus rudes de la planète. Crédit : Melissa Aguilar
L’étude était une collaboration internationale entre botanistes, microbiologistes, écologistes, scientifiques évolutionnistes et génomiques. Cette combinaison unique d’expertises a permis à l’équipe d’identifier les plantes, les microbes associés et les gènes qui permettent aux plantes d’Atacama de s’adapter et de prospérer dans des conditions désertiques extrêmes, ce qui pourrait finalement contribuer à améliorer la croissance des cultures et à réduire l’insécurité alimentaire.
“Notre étude des plantes dans le désert d’Atacama est directement pertinente pour les régions du monde qui deviennent de plus en plus arides, avec des facteurs tels que la sécheresse, les températures extrêmes et le sel dans l’eau et le sol constituant une menace importante pour la production alimentaire mondiale”, a déclaré Gutiérrez. , professeur au Département de génétique moléculaire et de microbiologie de la Pontificia Universidad Católica de Chile.
Établir un « laboratoire naturel » dans l’un des endroits les plus secs de la Terre
Le désert d’Atacama au nord du Chili, pris en sandwich entre l’océan Pacifique et les montagnes des Andes, est l’endroit le plus sec de la planète (hors pôles). Pourtant, des dizaines de plantes y poussent, notamment des graminées, des annuelles et des arbustes vivaces. En plus d’un manque d’eau, les plantes de l’Atacama doivent faire face à une altitude élevée, à une faible disponibilité de nutriments dans le sol et à un rayonnement solaire extrêmement élevé.
Gabriela Carrasco, chercheuse de premier cycle à l’époque, identifie, étiquette, collecte et congèle des échantillons de plantes dans le désert d’Atacama. Ces échantillons ont ensuite parcouru 1 000 miles, conservés sous glace sèche pour être traités pour des extractions d’ARN dans le laboratoire de Rodrigo Gutiérrez à Santiago du Chili. Les espèces que Carrasco collecte ici sont Jarava frigida et Lupinus oreophilus. Crédit : Melissa Aguilar
L’équipe de recherche chilienne a établi un “laboratoire naturel” sans précédent dans le désert d’Atacama sur une période de 10 ans, dans lequel ils ont collecté et caractérisé le climat, le sol et les plantes sur 22 sites dans différentes zones de végétation et altitudes (tous les 100 mètres d’altitude ) le long du transect Talabre-Lejía. Mesurant une variété de facteurs, ils ont enregistré des températures qui ont fluctué de plus de 50 degrés du jour à la nuit, des niveaux de rayonnement très élevés, un sol en grande partie sablonneux et dépourvu de nutriments, et des pluies minimales, la plupart des pluies annuelles tombant sur quelques jours.
Utiliser la génomique pour explorer l’évolution des plantes résilientes
Les chercheurs chiliens ont ramené les échantillons de plantes et de sol, conservés dans de l’azote liquide, à 1 000 kilomètres au laboratoire pour séquencer les gènes exprimés dans les 32 espèces végétales dominantes de l’Atacama et évaluer les microbes du sol associés aux plantes sur la base de ADN séquences. Ils ont découvert que certaines espèces végétales développaient des bactéries favorisant la croissance près de leurs racines, une stratégie adaptative pour optimiser l’apport d’azote – un nutriment essentiel à la croissance des plantes – dans les sols pauvres en azote de l’Atacama.
Pour identifier les gènes dont les séquences protéiques ont été adaptées chez l’espèce Atacama, les chercheurs de NYU ont ensuite mené une analyse en utilisant une approche appelée phylogénomique, qui vise à reconstruire l’histoire de l’évolution à l’aide de données génomiques. En consultation avec des collègues du New York Botanical Garden, ils ont comparé les génomes des 32 plantes d’Atacama avec 32 espèces « sœurs » non adaptées mais génétiquement similaires, ainsi que plusieurs espèces modèles.
« L’objectif était d’utiliser cet arbre évolutif basé sur des séquences génomiques pour identifier les changements dans les acide séquences codées dans les gènes qui soutiennent l’évolution de l’adaptation de la plante d’Atacama aux conditions désertiques », a déclaré Coruzzi.
«Cette analyse génomique intensive en calcul impliquait de comparer 1 686 950 séquences de protéines à travers plus de 70 espèces. Nous avons utilisé la super-matrice résultante de 8 599 764 acides aminés pour la reconstruction phylogénomique de l’histoire évolutive de l’espèce Atacama », a déclaré Gil Eshel, qui a mené cette analyse à l’aide du High Performance Computing Cluster de NYU.
L’étude a identifié 265 gènes candidats dont les changements de séquence protéique ont été sélectionnés par des forces évolutives à travers plusieurs espèces d’Atacama. Ces mutations adaptatives se sont produites dans des gènes qui pourraient sous-tendre l’adaptation des plantes aux conditions désertiques, y compris les gènes impliqués dans la réponse à la lumière et à la photosynthèse, ce qui peut permettre aux plantes de s’adapter au rayonnement extrêmement lumineux de l’Atacama. De même, les chercheurs ont découvert des gènes impliqués dans la régulation de la réponse au stress, du sel, de la détoxification et des ions métalliques, qui pourraient être liés à l’adaptation de ces plantes d’Atacama à leur environnement stressant et pauvre en nutriments.
Ce que nous pouvons apprendre de cette « mine d’or génétique »
La majorité des connaissances scientifiques sur les réponses au stress et la tolérance des plantes ont été générées par des études traditionnelles en laboratoire utilisant quelques espèces modèles. Bien que bénéfiques, de telles études moléculaires ne tiennent probablement pas compte du contexte écologique dans lequel les plantes ont évolué.
“En étudiant un écosystème dans son environnement naturel, nous avons pu identifier des gènes adaptatifs et des processus moléculaires parmi les espèces confrontées à un environnement commun difficile”, a déclaré Viviana Araus de la Pontificia Universidad Católica de Chile dans le laboratoire de Gutierrez et ancienne associée postdoctorale à l’Université de New York. Centre de génomique et de biologie des systèmes.
« La plupart des espèces végétales que nous avons caractérisées dans cette recherche n’ont jamais été étudiées auparavant. Comme certaines plantes d’Atacama sont étroitement liées aux cultures de base, notamment les céréales, les légumineuses et les pommes de terre, les gènes candidats que nous avons identifiés représentent une mine d’or génétique pour concevoir des cultures plus résistantes, une nécessité compte tenu de la désertification croissante de notre planète », a déclaré Gutiérrez.
En plus de Gutiérrez et Araus, leurs collaborateurs au Chili comprenaient Claudio Latorre de la Pontificia Universidad Católica de Chile et Mauricio González de l’Universidad de Chile. Coruzzi et Eshel à NYU ont travaillé sur le pipeline phylogénomique et l’analyse avec des collaborateurs aux États-Unis, dont Kranthi Varala de l’Université Purdue, Dennis Stevenson du New York Botanical Garden, Rob DeSalle de l’American Museum of Natural History, ainsi que des membres de leur équipes de recherche.
Référence : « Génomique écologique végétale aux limites de la vie dans le désert d’Atacama » 1er novembre 2021, Actes de l’Académie nationale des sciencess.
DOI : 10.1073/pnas.2101177118
Ce travail a été soutenu par le Fondo de Desarrollo de Areas Prioritarias (FONDAP) Center for Genome Regulation (15090007) au Chili, et aux États-Unis par la Zegar Family Foundation (A160051), et par une subvention du Department of Energy Biological and Environmental Research (DE -SC0014377).
