"Les plantes, qu'elles soient énormes ou microscopiques, sont à la base de toute vie, y compris nous-mêmes." C'était l'introduction de David Attenborough à The Green Planet, la dernière série d'histoire naturelle de la BBC.

Au cours des 500 derniers millions d'années, les plantes se sont imbriquées dans tous les aspects de notre vie. Les plantes soutiennent toute autre forme de vie sur Terre aujourd'hui. Ils fournissent l'oxygène que les gens respirent, purifient l'air et refroidissent la température de la Terre. Mais sans eau, les plantes ne survivraient pas. Trouvé à l'origine dans les environnements aquatiques, on estime qu'environ 500 000 espèces de plantes terrestres ont émergé d'un seul ancêtre qui flottait dans l'eau.

Dans notre article récent, publié dans New Phytologist , nous étudions, au niveau génétique, comment les plantes ont appris à utiliser et à manipuler l'eau, depuis les premières petites plantes ressemblant à des mousses à vivre sur terre pendant la période cambrienne (il y a environ 500 millions d'années) jusqu'aux arbres géants formant une forêt complexe écosystèmes d'aujourd'hui.

Comment les plantes ont évolué

En comparant plus de 500 génomes (l'ADN d'un organisme), nos résultats montrent que différentes parties de l'anatomie des plantes impliquées dans le transport de l'eau - pores (stomates), tissu vasculaire, racines - étaient liées à différentes méthodes d'évolution des gènes. Ceci est important car cela nous dit comment et pourquoi les plantes ont évolué à des moments distincts de leur histoire.

La relation des plantes avec l'eau a radicalement changé au cours des 500 derniers millions d'années. Les ancêtres des plantes terrestres avaient une capacité très limitée à réguler l'eau, mais les descendants des plantes terrestres se sont adaptés pour vivre dans des environnements plus secs. Lorsque les plantes ont colonisé la terre pour la première fois, elles avaient besoin d'un nouveau moyen d'accéder aux nutriments et à l'eau sans y être immergées. Le prochain défi était d'augmenter la taille et la stature. Finalement, les plantes ont évolué pour vivre dans des environnements arides tels que les déserts. L'évolution de ces gènes était cruciale pour permettre aux plantes de survivre, mais comment ont-ils aidé les plantes d'abord à s'adapter puis à prospérer sur terre ?

Les stomates, les pores minuscules à la surface des feuilles et des tiges, s'ouvrent pour permettre l'absorption de dioxyde de carbone et se ferment pour minimiser la perte d'eau. Notre étude a révélé que les gènes impliqués dans le développement des stomates se trouvaient dans les premières plantes terrestres. Cela indique que les premières plantes terrestres avaient les outils génétiques pour construire des stomates, une adaptation clé pour la vie sur terre.

La vitesse à laquelle les stomates répondent varie d'une espèce à l'autre. Par exemple, les stomates d'une marguerite se ferment plus rapidement que ceux d'une fougère. Notre étude suggère que les stomates des premières plantes terrestres se sont fermés, mais cette capacité s'est accélérée au fil du temps grâce à la duplication des gènes au fur et à mesure que les espèces se reproduisaient. La duplication de gènes conduit à deux copies d'un gène, permettant à l'une d'entre elles d'exercer sa fonction d'origine et à l'autre d'évoluer vers une nouvelle fonction. With these new genes, the stomata of plants that grow from seeds (rather reproducing via spores) were able to close and open faster, enabling them to be more adaptable to environmental conditions.

Old genes and new tricks

Vascular tissue is a plant's plumbing system, enabling it to transport water internally and grow in size and stature. If you have ever seen the rings of a chopped tree, this is the remnants of the growth of vascular tissue.

We found that rather than evolving by new genes, vascular tissue emerged through a process of genetic tinkering. Here, old genes were repurposed to gain new functions. This shows that evolution does not always occur with new genes but that old genes can learn new tricks.

Before the move to land, plants were found in freshwater and marine habitats, such as the algal group Spirogyra . They floated and absorbed the water around them. The evolution of roots enabled plants to access water from deeper in the soil as well as providing anchorage. We found that a few key new genes emerged in the ancestor of plants that live on land and plants with seeds, corresponding to the development of root hairs and roots. This shows the importance of a complex rooting system, allowing ancient plants to access previously unavailable water.

The development of these features at every major step in the history of plants highlights the importance of water as a driver of plant evolution. Our analyses shed new light on the genetic basis of the greening of the planet, highlighting the different methods of gene evolution in the diversification of the plant kingdom.

Planting for the future

As well as helping us make sense of the past, this work is important for the future. By understanding how plants have evolved, we can begin to understand the limiting factors for their growth. If researchers can identify the function of these key genes, they can begin to improve water use and drought resilience in crop species. This has particular importance for food security.

Plants may also hold the key to solving some of the most pressing questions facing humanity, such as reducing our reliance on chemical fertilizers, improving the sustainability of our food and reducing our greenhouse gas emissions.

By identifying the mechanisms controlling plant growth, researchers can begin to develop more resilient, efficient crop species. These crops would require less space, water and nutrients and would be more sustainable and reliable. With nature in decline, it is vital to find ways to live more harmoniously in our green planet.