La génomique comparative révèle un azote unique

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 4334 (2023) Citer cet article

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Les Astéracées (famille des marguerites) sont l'une des plus grandes familles de plantes. La base génétique de sa biodiversité élevée et de son excellente adaptabilité n’a pas été élucidée. Ici, nous comparons les génomes de 29 espèces de plantes terrestres, dont deux assemblages génomiques de novo à l'échelle des chromosomes pour la laitue tige, un membre des Asteraceae, et Scaevola taccada, un membre des Goodeniaceae qui est l'un des sous-groupes les plus proches des Asteraceae. Nous montrons que les Asteraceae sont apparues il y a environ 80 millions d’années et ont connu une paléopolyploïdisation répétée. Le PII, le régulateur universel de l’assimilation de l’azote-carbone (NC) présent dans presque tous les domaines de la vie, a visiblement perdu parmi les Astéracées. Pendant ce temps, les Asteraceae ont progressivement amélioré le système d'équilibre NC via la paléopolyploïdisation et la duplication en tandem de gènes métaboliques clés, ce qui a entraîné une meilleure absorption de l'azote et une biosynthèse des acides gras. En plus de suggérer une base moléculaire pour leur succès écologique, le système unique d’équilibre NC rapporté pour les Asteraceae offre une stratégie potentielle d’amélioration des cultures.

Les angiospermes (plantes à fleurs) ont connu une radiation terrestre rapide et une diversification des espèces, pour finalement devenir écologiquement dominantes avant la fin du Crétacé, ce que Charles Darwin a décrit comme « un abominable mystère »1. En particulier, les Asteraceae rivalisent avec les Orchidaceae en tant que plus grande famille de plantes à fleurs. Les Asteraceae comprennent plus de 1 620 genres et 30 000 espèces et représentent environ 10 % de toutes les espèces à fleurs (Figure 1 supplémentaire et Note complémentaire 1)2,3. La richesse des espèces d'Asteraceae est bien supérieure à celle des familles apparentées de l'ordre des Asterales, notamment les Calyceraceae (47 spp.), les Goodeniaceae (430 spp.) et les Menyanthaceae (60 spp.)3. En tant que famille la plus performante sur le plan écologique, dotée d'une incroyable diversité et d'une excellente adaptabilité, ses membres sont présents dans presque tous les types d'habitats sur Terre, y compris les environnements extrêmes, tels que les déserts et les salines (Fig. 1 supplémentaire)4. Un autre exemple qui peut illustrer l'extraordinaire adaptabilité des Asteraceae est que les plantes de cette famille se classent parmi les trois premières sur la liste des espèces envahissantes à l'échelle mondiale (Fig. 1 supplémentaire). Le succès écologique des Astéracées est considéré comme lié à sa morphologie et à sa physiologie spécifiques. Par exemple, l’inflorescence caractéristique (capitule) contribue substantiellement au rayonnement écologique en attirant les insectes pollinisateurs qui dépendent fortement de cette famille pour se nourrir et se reproduire5. Les fruits de type akène (cypselae) dotés de pappus de soies favorisent la dispersion par le vent ou s'attachent à la fourrure ou au plumage des animaux2. Ces deux méthodes de dispersion donnent des graines réparties sur une plus grande distance que la plupart des autres types de graines. De plus, les fructanes de type inuline, au lieu des amidons, constituent les principaux glucides de réserve des Asteraceae, et ils ont des fonctions potentielles pour augmenter leur capacité d'adaptation aux défis environnementaux6,7,8. Cependant, comprendre progressivement les diversifications explosives et l’adaptabilité des Astéracées reste encore un défi de taille pour les biologistes.

L'origine et l'évolution précoce des Asteraceae sont peu concluantes et mystérieuses. Les récentes études phylogénétiques des Asteraceae utilisant de nouvelles preuves fossiles et un échantillonnage plus large de la famille ont placé son origine à la fin du Crétacé (il y a 69 à 89 millions d'années [MYA])2,5,9. La famille était considérée comme relativement jeune jusqu'à récemment (40 à 50 MYA) sur la base de ses archives fossiles existantes, et cette période est cohérente avec celle fournie par les horloges moléculaires2,10,11. Un événement de paléopolyploïdisation a été proposé et partagé par les sous-familles proches du nœud de la couronne des Asteraceae, considéré comme une triplication du génome entier par des analyses génomiques récentes10,12,13,14. En outre, les fréquentes duplications potentielles du génome entier ancien (WGD) au sein de plusieurs tribus ont été estimées et prédites comme étant une force qui stimule l'évolution et augmente la biodiversité, étant donné que les polyploïdisations dupliquent tous les gènes simultanément et fournissent un matériel génétique abondant pour les processus évolutifs, tels que la néofonctionnalisation, sous-fonctionnalisation et conservation des gènes en raison des effets de dosage13,15. Les connaissances sur la polyploïdisation permettent de rendre possible la base génétique de caractères spécifiques des Asteraceae en approfondissant les génomes de haute qualité à l'aide de technologies de séquençage de pointe.