Les fougères sont connues pour contenir des quantités massives d'ADN et un nombre excessivement élevé de chromosomes. Défiant toutes les attentes, une fougère pas plus grande qu'une assiette détient actuellement le titre du plus grand nombre de chromosomes, avec 720 paires entassées dans chacun de ses noyaux. Ce penchant des fougères pour la thésaurisation de l'ADN a déconcerté les scientifiques, et la taille intraitable de leurs génomes a rendu difficile leur séquencement, leur assemblage et leur interprétation.

Maintenant, deux articles publiés dans la revue Nature Plants réécrivent l'histoire avec les premiers génomes complets pour les fougères homosporeuses, un grand groupe qui contient 99 % de toute la diversité des fougères modernes.

"Chaque génome raconte une histoire différente", a déclaré le co-auteur Doug Soltis, éminent professeur au Florida Museum of Natural History. "Les fougères sont les parents vivants les plus proches de toutes les plantes à graines, et elles produisent des agents chimiques dissuasifs pour les herbivores qui peuvent être utiles pour la recherche agricole. Pourtant, jusqu'à présent, elles sont restées la dernière lignée majeure de la vie verte sans séquence génomique."

Deux équipes de chercheurs ont dévoilé séparément le génome de Ceratopteris (Ceratopteris richardii) ce jeudi et celui de la fougère arborescente singe araignée volante (Alsophila spinulosa) le mois dernier.

L'analyse du génome de Ceratopteris fournit des indices pour résoudre le mystère de longue date de savoir pourquoi les fougères, en moyenne, conservent plus d'ADN que les autres plantes. Des comparaisons avec des génomes d'autres groupes ont également conduit à la découverte surprise que les fougères ont volé les gènes de plusieurs de leurs toxines anti-herbivores à des bactéries.

Le génome de Ceratopteris va à l'encontre d'une théorie vieille de plusieurs décennies, laissant plus de questions que de réponses

Depuis les années 1960, l'explication la plus répandue pour expliquer pourquoi les fougères contiennent autant d'ADN a invoqué des duplications généralisées du génome entier, dans lesquelles un ensemble supplémentaire de chromosomes est accidentellement transmis à la progéniture d'un organisme. Cela peut parfois être bénéfique, car tous les gènes supplémentaires peuvent alors être utilisés comme matière première pour l'évolution de nouveaux caractères. En fait, la duplication du génome entier a été impliquée dans l'origine de presque toutes les plantes cultivées.

La duplication du génome entier est courante chez les plantes et même chez certains animaux, mais la plupart des organismes ont tendance à se débarrasser du bagage génétique supplémentaire au fil du temps, se réduisant à des génomes plus petits qui sont métaboliquement plus faciles à entretenir.

"Cela a été un point de discussion majeur au cours du dernier demi-siècle et a conduit à toutes sortes de résultats contradictoires", a déclaré l'auteur principal Blaine Marchant, chercheur postdoctoral à l'Université de Stanford et ancien étudiant diplômé du Florida Museum. "Essayer de comprendre le processus évolutif sous-jacent à ce paradoxe est extrêmement important."

Avec les premiers génomes de fougères homosporeux entièrement assemblés, les scientifiques étaient enfin prêts à répondre à cette question, mais y arriver n'était pas facile. Le séquençage du grand génome complexe de Ceratopteris a nécessité plus de huit ans de travail et les efforts combinés de dizaines de chercheurs de 28 institutions à travers le monde, dont le US Department of Energy Joint Genome Institute. Le résultat final était de 7,46 gigabases d'ADN, soit plus du double de la taille du génome humain.

Si Ceratopteris avait accumulé de l'ADN à la suite d'événements répétés de duplication du génome, les chercheurs s'attendaient à ce que de grandes parties de ses 39 paires de chromosomes soient identiques. Ce qu'ils ont trouvé à la place était un mélange de séquences répétitives et de millions de courts extraits appelés gènes sauteurs, qui représentaient 85% de l'ADN de la fougère. Plutôt que de multiples copies du génome, Ceratopteris contient principalement des débris génétiques accumulés au cours de millions d'années.

"Les gènes fonctionnels sont séparés par de grandes quantités d'ADN répétitif. Et bien que nous ne sachions pas encore comment les génomes de Ceratopteris et d'autres fougères sont devenus si gros, il est clair que la vision dominante des épisodes répétés de duplication du génome n'est pas prise en charge", a déclaré co-auteur Pam Soltis, conservatrice du Florida Museum et éminente professeure.

Les auteurs notent qu'il est trop tôt pour tirer des conclusions définitives, d'autant plus qu'il s'agit de la première analyse de son périmètre menée dans ce groupe. Des comparaisons croisées avec d'autres génomes de fougères aideront à brosser un tableau plus clair de l'évolution de ces plantes.

Pourtant, les résultats indiquent une nette différence dans la façon dont les fougères homosporeuses gèrent leur contenu génétique par rapport à presque toutes les autres plantes, a déclaré Marchant.

"Ce que nous semblons découvrir, c'est que des choses comme les plantes à fleurs, qui ont en moyenne des génomes beaucoup plus petits que les fougères, sont simplement meilleures pour se débarrasser de l'ADN indésirable. Elles sont meilleures pour laisser tomber les chromosomes de rechange et même réduire les effectifs après de petites duplications."

Les fougères volaient à plusieurs reprises les toxines des bactéries

Un examen plus approfondi des milliards de paires de bases d'ADN dans Ceratopteris a révélé de multiples gènes de défense qui codent pour un type particulièrement sinistre de toxine porogène. Ces toxines se lient aux cellules, où elles s'activent et forment de petits anneaux creux qui pénètrent dans la membrane cellulaire. L'eau pénètre dans les cellules à travers les trous qui en résultent, provoquant leur rupture.

Les toxines porogènes ont été intensivement étudiées par les scientifiques pour leur utilisation potentielle dans la technologie des nanopores, a expliqué Marchant. Le plus souvent, cependant, on les trouve dans les bactéries.

"Il s'agit de la première preuve concrète de ces gènes liés à la toxine bactérienne dans l'ADN de la fougère", a déclaré Marchant, notant que la similitude n'est pas une coïncidence.

Plutôt que de faire évoluer cette toxine par elle-même, Ceratopteris semble l'avoir obtenue directement à partir de bactéries via un processus appelé transfert horizontal de gènes. Et étant donné qu'il y avait plusieurs copies du gène réparties sur trois chromosomes distincts, il est probable que cela se soit produit plus d'une fois.

"Ce qui est fascinant, c'est que les nombreuses copies de ces gènes apparaissent dans différentes parties de la plante", a-t-il déclaré. "Certains sont fortement exprimés dans la tige et les racines, tandis que d'autres copies sont exprimées uniquement dans les feuilles, et d'autres sont généralement exprimées dans tous les tissus. Nous ne pouvons pas être sûrs de la fonction exacte de ces gènes à ce stade, mais leur similitude avec le les gènes formant des toxines chez les bactéries suggèrent certainement que ces gènes sont liés à la défense. »

Ce ne serait pas la première fois que des fougères incorporent de l'ADN étranger dans leur génome. Une étude de 2014 indique que les fougères ont peut-être développé leur capacité caractéristique à pousser dans des environnements ombragés en empruntant des gènes à des plantes éloignées.

Cependant, on ne sait pas exactement comment des organismes séparés par des millions d'années d'évolution sont capables d'échanger des gènes entièrement fonctionnels.

"Les mécanismes derrière le transfert horizontal de gènes restent l'un des domaines les moins étudiés de l'évolution des plantes terrestres", a expliqué Doug Soltis. "Sur des échelles de temps évolutives, c'est un peu comme gagner à la loterie. Chaque fois qu'une plante est blessée, son intérieur est susceptible d'être envahi par des microbes, mais l'incorporation de leur ADN dans le génome semble incroyable."

Les auteurs disent que ce n'est que la première étape d'une longue série d'études avec des applications pratiques allant du développement de nouveaux biopesticides à de nouvelles stratégies de conservation innovantes.

Plusieurs des auteurs sont impliqués dans l'effort actuel pour séquencer les génomes de tous les organismes eucaryotes connus dans un délai de 10 ans. Appelé Earth Biogenome Project, l'effort générera des ressources génomiques incalculables que les chercheurs auront les mains pleines d'analyse dans un avenir prévisible. + Explorer plus loin

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