Les cultures ont évolué en échangeant des modules génétiques entre les cellules

La comparaison du séquençage unicellulaire entre les cultures céréalières fournit des indices sur les caractéristiques agricoles essentielles à l’adaptation des plantes au changement climatique

La comparaison des cellules individuelles du maïs, du sorgho et du mil révèle des différences évolutives entre ces cultures céréalières importantes, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université de New York.

Les résultats, publiés dans Nature, rapprochent les chercheurs de l’identification des gènes qui contrôlent des caractéristiques agricoles importantes telles que la tolérance à la sécheresse, ce qui aidera les scientifiques confrontés au changement climatique à adapter les cultures à des environnements plus secs.

Le maïs, le sorgho et le mil fournissent de la nourriture aux humains et aux animaux du monde entier. Le maïs et le sorgho sont d’anciens parents qui ont évolué en deux espèces différentes il y a environ 12 millions d’années, et le millet est un parent plus éloigné.

Malgré leur ascendance commune, les cultures présentent des différences substantielles dans les traits clés – par exemple, le sorgho est beaucoup plus tolérant à la sécheresse que le maïs, et les plantes libèrent des substances gluantes uniques de leurs racines pour façonner la façon dont elles interagissent avec leur sol environnant. Ces différences peuvent être attribuées au maïs subissant une duplication du génome entier après sa scission du sorgho.

« L’importance de ces cultures, leur proximité évolutive et leurs différences fonctionnelles présentent une opportunité passionnante de comparer les modèles d’expression génique au niveau cellulaire », a déclaré Bruno Guillotin, associé postdoctoral au département de biologie de NYU et premier auteur de l’étude. « Bien que ces trois cultures soient similaires, la façon dont elles diffèrent les unes des autres est importante car elles ont des caractéristiques que nous pourrions vouloir transférer de l’une à l’autre, comme la tolérance à la sécheresse. »

Les chercheurs ont effectué un profilage de l’ARNm unicellulaire des racines de maïs, de sorgho et de mil, disséquant les racines pour examiner les cellules individuellement et observer précisément où les gènes sont exprimés dans une cellule particulière. Ils ont ensuite comparé les mêmes cellules spécialisées dans les trois cultures.

« Les racines sont la première ligne de défense contre la sécheresse et la chaleur. Vous pouvez considérer la racine comme une machine avec de nombreuses pièces fonctionnelles – dans ce cas, les types de cellules – donc savoir comment la machine fonctionne pour collecter l’eau et faire face à la sécheresse et à la chaleur est vraiment important », a déclaré Kenneth Birnbaum, professeur au Département de biologie et au Centre de génomique et de biologie des systèmes de l’Université de New York et auteur principal de l’étude. « La comparaison des différentes espèces nous aide à distinguer quels gènes conduisent à des traits agricoles clés. »

En examinant comment les cellules ont évolué et divergé dans les différentes espèces, les chercheurs ont identifié plusieurs tendances qui indiquent un « bricolage » – ou le réarrangement d’éléments existants – des cellules au fil du temps. Tout d’abord, ils ont observé que les cellules échangent souvent des modules d’expression génique, ou des groupes de 10 ou 50 gènes avec des fonctions coordonnées, entre les types cellulaires au cours de l’évolution.

« Cet échange de module génétique a été démontré dans des systèmes animaux, mais les données que nous avons générées sont la première fois qu’elles sont illustrées à grande échelle chez les plantes », a ajouté Birnbaum.

Cet échange de modules a été démontré dans une découverte sur la boue racinaire, la substance gluante remplie de nutriments que les racines émettent dans le sol. La boue est utile pour lubrifier le sol afin que les racines puissent passer à travers et puissent attirer les bactéries bénéfiques qui protègent la plante ou fournissent des nutriments difficiles à obtenir.

Les chercheurs ont découvert que les gènes qui aident à produire de la boue racinaire étaient situés dans différentes parties de la racine de maïs, de sorgho et de millet. Dans le sorgho, les gènes de la boue ont été trouvés dans le tissu externe de la racine, tandis que dans le maïs, ils ont été échangés en un nouveau type de cellule dans la calotte racinaire, un changement évolutif qui peut permettre au maïs d’attirer les bactéries qui aident la plante à gagner de l’azote. Ils ont également identifié d’autres régulateurs de gènes qui ont été commutés dans différents types de cellules en fonction de la culture, fournissant aux chercheurs des candidats de choix pour tester des gènes qui transmettent des traits spécifiques.

En outre, les chercheurs ont découvert que la duplication du génome entier dans le maïs après sa séparation du sorgho il y a 12 millions d’années affectait des types spécifiques de cellules, permettant aux cellules de maïs de se spécialiser rapidement. Ils ont également observé que certains types de cellules agissaient comme donneurs de nouveaux gènes tandis que d’autres semblaient collecter de nouveaux duplications de gènes, ce qui peut suggérer que la duplication de gènes accélérait l’évolution de certaines cellules.

Les progrès récents dans les techniques de séquençage unicellulaire ont rendu cette recherche possible et ouvrent de nouvelles méthodes pour explorer le lien entre les gènes et les traits cellulaires dans les cultures.

« Il y a dix ans, nous n’étions capables d’analyser qu’une douzaine ou quelques dizaines de cellules avec les premières techniques de séquençage de cellules uniques. Maintenant, nous pouvons profiler des dizaines de milliers de cellules dans une expérience assez routinière », a déclaré Birnbaum.

Des études futures compareront comment les cellules individuelles de ces trois cultures réagissent au stress, comme la sécheresse.

« C’est cette réponse qui peut être la clé pour trouver cet ensemble de gènes qui sont vraiment importants pour la tolérance à la sécheresse », a déclaré Birnbaum.

Les autres auteurs de l’étude comprennent Ramin Rahni, Carlos Ortiz Ramírez et Sunil Kenchanmane Raju de NYU; Mohammed Ateequr Mohammed de NYU Abu Dhabi; Michael Passalacqua, Xiaosa Xu et David Jackson du Cold Spring Harbor Laboratory; Simon C. Groen de l’Université de Californie, Riverside; et Jesse Gillis de l’Université de Toronto. Ce travail a été financé par la National Science Foundation (IOS-1934388), les National Institutes of Health (R35GM136362) et Human Frontiers of Science (LT000972/2018-L).