Les épines des roses, des aubergines ou des raisins du désert ont la même base génétique | Science

Il y a plus de 400 millions d’années, certaines plantes, comme les ancêtres des roses, ont développé une stratégie pour se protéger des herbivores : les épines. Projetée à partir des fruits, des feuilles ou des tiges, la défense a été si efficace qu’elle s’est répandue dans tout le règne végétal. Cette vie compliquée pour les animaux. Mais, plus tard, aussi aux humains dans leurs différents processus de domestication. Aujourd’hui, un grand groupe de scientifiques du monde entier, avec une présence espagnole notable, a identifié le gène à l’origine de ces pointes ou pointes. Ils ont confirmé son élimination dans les aubergines épineuses, dans les roses et dans les fruits appréciés mais presque impossibles à cueillir. La découverte ouvre les portes de l’imagination, à la fois en améliorant des espèces déjà cultivées et en profitant d’autres jusqu’alors impensables.

Cette histoire commence à Valence avec quelques aubergines. À l’Institut universitaire pour la conservation et l’amélioration de l’agrodiversité valencienne, de l’Universitat Politècnica de València (UPV), ils améliorent depuis des années la génétique de l’aubergine (Solanum melongena). Bien qu’il y en ait sans épines, même à l’état sauvage, la plupart sont extrêmement épineuses et les exigences lors de la cueillette de la plupart des espèces cultivées n’atteignent pas les supermarchés. D’où l’intérêt des aubergines sans épines. Par croisement, ils ont cherché à identifier les marqueurs moléculaires associés à la spinescence et, derrière eux, le gène potentiellement responsable. Après une série de croisements entre une espèce sauvage qui possède de nombreuses épines avec d’autres sans épines, en croisant l’hybride avec le parent sans épines, on a constaté une ségrégation parfaite de 1 pour 1, la moitié avec et l’autre moitié sans, confirmant la base génétique. À partir de l’un de ces croisements, ils ont autofécondé environ 700 plantes et ont réussi à réduire la zone où se trouvait le gène.

« C’est à ce moment-là que, lors d’un séminaire en ligne, nous sommes entrés en contact avec des chercheurs du Cold Spring Harbor Laboratory (États-Unis), qui travaillent dans le domaine de la néodomestication. [los planes modernos para domesticar especies aún silvestres]. Et si celui qui vous intéresse a des épines, la première chose à faire est de les enlever », explique Jaime Prohens, biotechnologue de l’UPV, l’un des responsables de cette recherche ambitieuse publiée dans la revue Science. Le gène identifié comme responsable des épines des aubergines est impliqué dans l’expression des cytokinines, des hormones végétales jouant un rôle clé dans la division et la différenciation des cellules végétales.

Les aubergines appartiennent au genre Solanumla même que celle des pommes de terre et des tomates. Mais il existe des épines dans de nombreux autres genres très éloignés de celles-ci sur l’arbre de vie, depuis les céréales jusqu’aux roses. C’est là qu’interviennent les chercheurs du Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) et les botanistes d’autres groupes de premier plan travaillant sur d’autres genres végétaux. Ils ont commencé à confirmer le rôle de ce gène auprès de parents éloignés d’aubergines qui poussent dans des régions aussi éloignées que l’Afrique de l’Ouest, la péninsule du Yucatan (Mexique) ou une espèce de lulo sauvage typique d’Amérique du Sud. Tous trois présentent des mutations dans le même gène identifié chez l’aubergine.

En consultant d’autres recherches, ils ont confirmé que des mutations dans des gènes similaires (homologues) semblaient également liées à la perte des projections épineuses chez de nombreuses espèces de Poaceae, comme le riz ou l’orge. Et ils finirent par atteindre les roses. Parmi ceux-ci, il y en a quelques-uns sans épines, comme le rosier Wichura. Encore une fois, l’absence de pointes semble liée à des mutations dans le même gène. Pour le confirmer, un autre groupe de scientifiques, basés en France, a utilisé une technique d’édition génétique pour faire taire le gène d’intérêt dans un cultivar très épineux, la rose chinoise. Résultat : la plupart des nouveaux rosiers ne développaient pratiquement pas d’épines (voir photographies). Pour aller plus loin, une autre équipe, américaine cette fois, s’est tournée vers le coupe-vigne génétique CRISPR pour éliminer les épines des raisins du désert (Solanum cleistogammum), une espèce que les aborigènes australiens consomment comme raisins secs depuis des millénaires malgré ses épines imposantes et pour laquelle un moyen de la domestiquer a été recherché.

Pour Zachary Lippman, chercheur au CSHL, nous sommes confrontés à l’un des plus grands cas de convergence évolutive entre des espèces qui ont divergé il y a des millions d’années et ont fini par trouver la même solution à des problèmes similaires. Ce fut l’une des grandes contributions de Charles Darwin lorsqu’il postula dans sa théorie de l’évolution que, confrontées à des pressions sélectives similaires, des espèces éloignées pouvaient développer des adaptations similaires de manière indépendante. Ce que Darwin ne pouvait pas savoir, c’est que « dans le cas des épines, il semble que la base génétique existait déjà auparavant dans l’espèce dans laquelle elles sont apparues », explique Lippman, auteur principal de cet ouvrage collectif.

Les implications possibles de cette découverte pourraient être énormes. L’une est ce que Pietro Gramazio, de l’Université Polytechnique de Valence et également co-auteur, appelle la science fondamentale. « La plupart des espèces modèles sont inertes », se souvient-il. Le Arabidopsis thalianale plant de tabac, le plant de tomate ou les pétunias sont à la recherche végétale ce que les souris, les rats et les macaques sont à la recherche animale. Et aucun d’eux n’a d’épines. “Et en enlevant les roses, l’autre culture importante, les autres plantes économiques ou modèles les plus importantes n’ont pas d’épines et cela a son impact”, ajoute-t-il. C’est comme si les scientifiques se couvraient un œil depuis des décennies.

La découverte des bases génétiques de la spinescence pourrait redynamiser de nombreuses branches de l’agriculture. Comme le rappelle Jaime Prohens, “ce n’est plus seulement que l’on se fait percer ou que le consommateur se fait percer, mais que les fruits eux-mêmes, qui ont des épines, se percent les uns les autres au moment de les emballer et cela génère beaucoup de pertes”. Plus important encore : « cela facilitera le développement de variétés sans épines de manière beaucoup plus efficace, et même la domestication de nouvelles espèces qui jusqu’à présent n’avaient pas été possibles, qui n’avaient même pas été tentées parce qu’elles avaient beaucoup d’épines et étaient impossibles à cultiver. », ajoute-t-il.

Elizabeth Kellogg est chercheuse principale au Donald Danforth Plant Science Center (États-Unis). Il n’a pas participé à cette enquête, mais a eu l’occasion d’en prendre connaissance. Pour elle, « ces travaux ouvrent la porte à la production de nouvelles cultures à partir d’espèces auparavant considérées comme indésirables en raison de leurs épines ». Mais il ressort surtout que, d’après ce qu’ils ont découvert, la modification ou la suppression des mutations responsables ne semble pas affecter d’autres fonctions possibles du gène. « L’édition est attractive car les effets sont très précis. La récolte potentielle est désarmée, mais par ailleurs inchangée », explique Kellogg.

Il reste encore de nombreuses inconnues. Certains sont soulignés par Lippman, l’auteur principal : « Nous ne comprenons toujours pas pourquoi, malgré ce qui semble être un moyen facile d’obtenir des épines, d’autres espèces ne les ont pas développées. » De plus, il existe de nombreux types d’épines, en raison de leur forme et, surtout, de leur origine et il faudra déterminer si la base génétique est la même chez toutes. De plus, il existe des épines qui, tout en étant des épines, ne le sont pas, comme celles des cactus.

Tyler Coverdale, professeur à l’Université de Notre Dame (États-Unis), a consacré l’essentiel de ses travaux de recherche à l’étude de tous les types d’épines végétales. « C’est une expérience de pensée intéressante que d’imaginer si le monde aurait des plantes épineuses s’il n’y avait pas d’herbivores. “Mais il existe de nombreuses preuves suggérant qu’au minimum, nous aurions beaucoup moins de plantes avec des épines, des épines ou des pointes, car de nombreuses lignées épineuses se sont diversifiées en réponse à la montée des herbivores mammifères.” En effet, plusieurs travaux réalisés dans la savane africaine montrent que là où il y a plus d’animaux phytophages, il y a une plus grande diversité d’espèces épineuses.

Mais Coverdale s’empresse de rappeler que ces défenses physiques auraient pu surgir pour répondre à d’autres besoins : « Elles peuvent aider à grimper, réguler la température ou minimiser la perte d’eau », dit-il. Il existe des espèces comme la victoire amazonienne, un nénuphar gigantesque, qui utilise ses épines pour déplacer ses rivaux. Dans les céréales, ils servent à attacher les graines aux pattes des oiseaux et facilitent leur propagation. Et il y a les cactus, l’autre grand groupe épineux. “Il s’agit d’un cas intéressant et beaucoup les pointent comme la preuve d’une spinescence qui a évolué en réponse au stress hydrique plutôt qu’à l’herbivorie”, rappelle le chercheur américain. Et le fait est que “les épines des cactus sont des feuilles très réduites, qui seraient sujettes à d’énormes pertes d’eau dans les déserts si elles ressemblaient davantage aux feuilles auxquelles nous sommes habitués dans les plantes de climat tempéré”. Mais, ajoute-t-il, “ils servent également à des fins défensives, à la fois contre les animaux qui les mangent et contre les oiseaux qui nichent dans les cactus en créant des trous dans leurs troncs”.

Pour tout cela, Covedale souligne la pertinence des travaux commencés avec les aubergines : « Les connaissances qu’ils ont acquises sur le mécanisme génétique qui sous-tend la spinescence dans ce genre important sur le plan économique et écologique constituent une avancée significative, et qui inspirera probablement de nombreuses et merveilleuses découvertes. travail de suivi.

Vous pouvez suivre MATÉRIAU dans Facebook, X et Instagramou inscrivez-vous ici pour recevoir notre newsletter hebdomadaire.