Un métabolisme plus économe en eau dans la famille des ananas

Certaines plantes usent de stratagèmes pour minimiser leur consommation d'eau, par exemple en évitant l'ouverture des stomates (pores) pendant la journée. Ainsi, elles limitent leur évapotranspiration et donc leur perte en eau. Néanmoins, la fermeture des stomates peut conduire à réduire la photosynthèse et donc la croissance des plantes. Une stratégie effectuée par les plantes de type métabolisme acide crassulacéen (CAM) est d’acquérir du CO₂ par leurs stomates pendant la nuit et de le stocker dans les cellules dans l’attente d’une utilisation pour la photosynthèse pendant la journée. Au cours de l’évolution des plantes, cette forme de métabolisme a évolué de manière indépendante à plusieurs reprises mais les mécanismes génétiques responsables de l’évolution de ce caractère restent mal décrits.

Dans cette nouvelle étude, ils ont choisi deux espèces sœurs de Tillandsia (appartenant à la même famille que l’ananas) présentant des métabolismes photosynthétiques contrastés. Tillandsia fasciculata et T. leiboldiana, deux espèces pour lesquelles les scientifiques ont obtenu des génomes de référence.  

Ainsi, en passant au crible les gènes, le métabolisme, l’expression des gènes et leur évolution, l'équipe de recherche a identifié les mécanismes génomiques qui sous-tendent l'évolution du métabolisme CAM chez les Tillandsia.

« Nos résultats révèlent que quelques régions des chromosomes ont été réarrangées et que certaines familles d’éléments transposables ont été particulièrement dynamiques, contribuant à l’évolution des génomes de ces espèces. Néanmoins, l’évolution du mécanisme CAM est surtout lié à des changements dans la régulation de l’expression des gènes », explique Clara Groot Crego, doctorante et auteure principale de l'étude.

Un autre enseignement clé de cette étude est l'identification, dans les espèces à métabolisme CAM, de familles de gènes ayant subi une expansion rapide. Cela souligne le rôle crucial de l'évolution de ces familles de gènes dans l’évolution de ce métabolisme.

« L'évolution répétée du métabolisme CAM chez les Tillandsia a favorisé leur capacité à coloniser de nouvelles niches écologiques, alimentant la diversification de cette famille », affirme Ovidiu Paun, enseignant-chercheur à l'université de Vienne en Autriche. « Notre recherche met en évidence l'importance potentielle de ces innovations génétiques au-delà des changements génétiques simples et leur rôle comme moteur de leur diversification écologique. »

En réalisant un métabolisme CAM, cela offre la possibilité à l’espèce d’être épiphyte, c’est-à-dire de vivre et croître sur d'autres végétaux sans se nourrir à leurs dépens et ainsi de survivre à des conditions limitantes en eau.

« Les implications de notre étude dépassent le domaine de la science fondamentale », ajoute Thibault Leroy, chercheur au laboratoire Génétique et physiologie des systèmes d’élevage (Genphyse) du centre INRAE Occitanie-Toulouse. « La compréhension des mécanismes génomiques à la base de l'évolution vers un métabolisme CAM est essentielle et pourrait permettre de nouvelles stratégies pour aboutir à des cultures plus résilientes aux sécheresses et atténuer les impacts du changement climatique. »

Sur la base du succès de cette collaboration franco-autrichienne, ces recherches seront étendues à d'autres espèces de Tillandsia, ainsi qu’à d’autres familles de plantes impliquées dans des radiations évolutives dans le cadre de projet collaboratif financé conjointement par l'Agence nationale de la recherche et son équivalent autrichien la FWF.