Avec 72 espèces actuellement identifiées, Espeletia est un genre végétal endémique du paramo, un biome alpin humide unique au nord des Andes. Ce genre, qui habite l'écosystème de haute altitude le plus diversifié au monde, est un exemple exceptionnel de réussite adaptative.

Dans une nouvelle étude, Des scientifiques brésiliens ont étudié la diversité et la répartition géographique d'Espeletia dans le paramo; les résultats, publié en août 2017 dans Rapports scientifiques , suggèrent que les chercheurs pourraient reconstituer plus précisément l'ensemble du processus de spéciation via la métabolomique.

La métabolomique est un domaine d'étude axé sur les substances chimiques synthétisées par un organisme vivant - un sous-produit de son métabolisme - qui est utilisé pour cartographier les composés chimiques inhérents à une espèce donnée. Afin de le faire, une combinaison de techniques impliquant des extraits de plantes, données géographiques, et des statistiques multivariées sont nécessaires. Les études de ce type sont généralement basées sur la génomique, Analyse de marqueurs ADN ou comparaisons morphologiques.

Des chercheurs de l'École des sciences pharmaceutiques de l'Université de Sao Paulo (FCFRP-USP) au Brésil ont utilisé pour la première fois les empreintes métaboliques pour expliquer les histoires évolutives et les caractéristiques biogéographiques d'Espeletia.

"Essentiellement, nous avons pris les compositions chimiques des espèces d'Espeletia et leur métabolome et avons trouvé une corrélation avec leurs origines géographiques. Les espèces présentes aux mêmes endroits présentent des profils chimiques similaires. Le même lien avait déjà été trouvé à l'aide de marqueurs moléculaires mais à plus grande échelle géographique. Cela montre que la géographie des Andes a non seulement déterminé l'évolution de ce groupe végétal, et éventuellement d'autres groupes végétaux de la région mais ont également façonné les compositions chimiques de ces espèces, " a déclaré Federico Padilla, l'un des auteurs de l'article.

Sur la base d'une étude soutenue par la Fondation de recherche de Sao Paulo (FAPESP) grâce à une subvention de recherche régulière, l'article confirme une hypothèse sur l'origine et les routes migratoires d'Espeletia le long des Andes du nord proposée par des chercheurs du Muséum national d'histoire naturelle des États-Unis, partie de la Smithsonian Institution, dans les années 1990, qui était jusqu'à présent partiellement supporté par des marqueurs moléculaires.

Selon cette hypothèse, le stock d'origine d'Espeletia s'est diversifié lorsque la première population du genre a commencé à s'étendre dans deux directions à partir de la partie ouest de la Cordillère de Merida, le plus grand massif du Venezuela. Une branche s'est déplacée le long des Andes vénézuéliennes, tandis que l'autre s'est déplacée vers l'ouest et le sud-ouest le long des Andes colombiennes et dans le nord de l'Équateur.

« Historiquement, ce type d'analyse a été basé sur des marqueurs moléculaires. Cependant, l'analyse génétique est incapable de déterminer des tendances biogéographiques spécifiques avec une précision satisfaisante dans les groupes qui ont évolué récemment, comme le genre Espeletia, pour lequel il identifie simplement deux groupes, les espèces vénézuéliennes et colombiennes, " dit Padilla.

Adaptation évolutive des points de données des métabolites

L'hypothèse du Smithsonian a été confirmée par une analyse des métabolites secondaires (c'est-à-dire, les composés chimiques impliqués dans l'adaptation des plantes à l'écosystème), qui a mis en évidence des schémas de répartition géographique et de diversification chimique dans les paramos andins.

"Chaque type de marqueur a des avantages et des inconvénients, " a déclaré le professeur Fernando Batista da Costa , Le superviseur de Padilla et co-auteur de l'article publié dans Rapports scientifiques . « Contrairement aux animaux, les plantes ne peuvent pas bouger pour s'adapter à tel ou tel environnement. Au lieu, ils produisent une vaste gamme de composés chimiques qui les aident à s'adapter à l'endroit où ils poussent."

La topographie accidentée des Andes fait du paramo un biome très fragmenté, biologiquement et géographiquement comparable à un archipel dans lequel des « îlots » de végétation de prairie ouverte sont séparés par des forêts denses ou des vallées profondes qui empêchent les espèces végétales de communiquer avec d'autres paramos.

Selon l'article, cet isolement géographique est un facteur particulièrement influent pour les espèces à dispersion limitée des graines et un manque de pollinisateurs à longue distance, comme c'est le cas pour Espeletia.

"Nous prouvons que leur isolement a favorisé la spéciation allopatrique, ce qui signifie que la spéciation se produit dans des régions distinctes en raison de barrières géographiques. Darwin a proposé ce type de spéciation dans sa théorie de l'évolution à la suite de ses observations dans l'archipel des Galapagos. Il y vit que différentes îles avaient des espèces différentes et que ces espèces étaient apparentées les unes aux autres, ", a déclaré Batista da Costa.

Les analyses des chercheurs sur les compositions chimiques ont montré que les espèces d'Espeletia dans différents paramos diffèrent non seulement génétiquement et morphologiquement, mais aussi chimiquement.

"Dans chaque paramo, la plupart des espèces accumulent différents composés chimiques qui peuvent éventuellement être liés à leur adaptation à cette zone géographique particulière, " Padilla a dit. " Nous démontrons, en utilisant des preuves chimiques, que la spéciation allopatrique s'est produite dans ces paramos et groupes d'espèces, comme cela avait été proposé dans les années 1990.

Application de la métabolomique dans d'autres domaines

Selon les chercheurs, cette approche permet d'étudier la quasi-totalité des métabolites d'une plante en même temps.

« En phytochimie classique, nous avons étudié une plante à la fois et avons généralement identifié quelques substances chimiques, " dit Padilla. " Avec les nouvelles techniques et équipements, comme la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse que nous avons utilisée, nous pouvons maintenant assembler 100 ou plus d'extraits de plantes, les analyser tous en même temps, et obtenir une matrice de données représentant potentiellement plus de 1, 000 composés chimiques."

Les chercheurs soulignent que des modèles analogues peuvent être utilisés pour obtenir des empreintes métaboliques d'autres plantes dans le but d'analyser leurs histoires biogéographiques et évolutives. « Ce nouveau modèle peut être utilisé en agriculture, ou pour les plantes médicinales, ou même par la police, par exemple, pour identifier l'origine de la marijuana consommée dans une région particulière, " dit Batista.