Une nouvelle analyse à grande échelle des relations entre les membres de la plus grande sous-famille de graminées, qui comprend le blé et l'orge, révèle des événements de duplication de gènes qui ont contribué à l'adaptation des plantes à des températures plus fraîches. Ces adaptations ont permis aux graminées de prospérer dans les climats tempérés et ont été exploitées par les humains pour étendre la gamme et la saison de croissance des plantes cultivées importantes. Un article décrivant l'étude, dirigée par des scientifiques de Penn State, est publié en ligne dans la revue Molecular Biology and Evolution .

"Les graminées sont la cinquième plus grande famille de plantes avec plus de 11 000 espèces", ont déclaré Hong Ma, Dorothy Foehr Huck et J. Lloyd Huck Chair of Plant Reproductive Development and Evolution et professeur de biologie à Penn State et chef de l'équipe de recherche. "Ils poussent nativement sur les sept continents, y compris l'une des deux plantes à fleurs indigènes de l'Antarctique. De nombreux membres de la plus grande sous-famille d'herbes, connue sous le nom de Pooideae, se sont adaptés pour pousser dans des environnements tempérés. Pour étudier les facteurs potentiels qui ont conduit à cette adaptation cool , nous avons effectué une analyse de l'arbre généalogique des Pooideae à l'aide d'un grand nombre de gènes nucléaires."

L'équipe de recherche a comparé les transcriptomes (séquences d'ADN de tous les gènes exprimés par un organisme) de 157 espèces de Pooideae couvrant presque toutes les principales subdivisions de la sous-famille.

"Ce groupe d'herbes a commencé à se développer il y a environ 50 millions d'années lorsque la Terre était dans une période de refroidissement", a déclaré Ma. "La Terre était alors beaucoup plus chaude, mais les plantes et les animaux étaient également très différents. Ces herbes ont pu prospérer parce qu'elles pouvaient s'adapter à l'environnement changeant. Toutes les principales subdivisions de la sous-famille - appelées tribus - ont été établies dans le première partie de cette période de refroidissement. Plus tard, il y a eu une autre grande expansion qui a conduit à une diversification majeure au niveau des espèces. Le succès actuel de cette sous-famille d'environ 4 000 espèces a bénéficié de sa capacité à s'adapter lorsque la Terre se refroidissait."

Comment ces graminées ont-elles pu si bien s'adapter à l'environnement changeant ? Ils ont développé des traits mieux adaptés aux températures plus froides, notamment des fleurs de formes et de tailles différentes, une floraison dépendante du froid et des adaptations moléculaires qui réduisent la congélation cellulaire. Tous ces changements reposent sur l'innovation génétique.

Une source majeure d'innovation génétique est la duplication de gènes. La duplication de gènes peut se produire lorsque des erreurs lors de la réplication ou de la recombinaison du génome entraînent la création de copies supplémentaires de gènes. Ces copies supplémentaires sont souvent fonctionnellement redondantes par rapport aux copies originales du gène et peuvent donc tolérer plus librement les mutations. Souvent, ils sont mutés au point de perdre leur fonction tous ensemble, mais parfois ces mutations peuvent conduire à des innovations fonctionnelles.

"Notre étude des relations entre les espèces de cette sous-famille de graminées nous a permis de retracer les changements adaptatifs par rapport aux changements géologiques et climatiques", a déclaré Ma. "Cela nous a également permis d'identifier les duplications de gènes qui se sont produites au fil du temps et ont probablement soutenu cette adaptation."

Un exemple de duplication de gènes qui a probablement contribué à l'adaptation au froid de ces graminées sont les gènes CBF. Des études moléculaires ont démontré un rôle pour le CBF et les gènes apparentés dans la capacité d'une plante à tolérer le gel. Les chercheurs montrent que les premiers membres de la sous-famille Pooideae avaient probablement trois copies de ces gènes. L'orge moderne en a 20 et le blé en a 37. Un autre exemple est les gènes AP1/FUL qui sont impliqués dans la vernalisation - la capacité des plantes à faire face aux changements saisonniers et aux hivers longs et froids et ont connu des duplications similaires chez Pooideae.

"Nous pouvons suivre le moment où ces événements de duplication se sont produits dans l'arbre généalogique des Pooideae et les associer à des changements environnementaux pour mieux comprendre le processus d'adaptation au froid de ces graminées", a déclaré Ma. "Alors que nous vivons maintenant une autre période de changement environnemental mondial, comprendre comment les plantes s'adaptent à ce type de changement peut être plus important que jamais."