Sélection variétale face au changement climatique : de nouvelles pistes grâce à l’histoire des gènes du blé et de l’orge

Reconstruction des génomes ancestraux fondateurs des plantes modernes

Les plantes d’espèces différentes partagent des gènes communs qui peuvent avoir une importance dans l’adaptation à des contraintes environnementales particulières. Les scientifiques se sont demandés comment exploiter les connaissances sur le rôle connu d’un gène dans une espèce particulière chez une autre espèce d’intérêt pour la sélection variétale. Ils ont analysé et comparé 84 génomes d’espèces de plantes à fleurs actuelles, représentatives des familles de plantes cultivées dans le monde. Cela leur a permis de reconstituer 10 paléogénomes d’ancêtres remontant à plus de 200 millions d’années, fondateurs des espèces actuelles. Ces paléogénomes permettent d’identifier les gènes ayant conservé le même contexte génomique ancestral ainsi que la même fonction biologique et donc potentiellement impliqués aujourd’hui dans des caractéristiques ou processus similaires entre les différentes espèces. Ces gènes pilotent potentiellement des caractères d'intérêt pour les défis actuels de l’agriculture comme la tolérance à la sécheresse ou la date de floraison. Outre l’identification de gènes ayant un intérêt agronomique majeur, la reconstitution des paléogénomes apporte également des connaissances fondamentales sur l’histoire évolutive des plantes et a permis notamment d’identifier les dates d’émergence des principales familles botaniques ou de retracer les trajectoires évolutives clés comme celles à l’origine de la divergence entre espèces de plantes aquatiques et terrestres ou herbacées et ligneuses.

Comparaison des gènes de plus de 1 000 variétés de blé et d’orge

Les auteurs se sont intéressés plus particulièrement au blé et à l’orge, deux céréales d’intérêt agronomique majeur. Elles ont la particularité d’avoir été les premières domestiquées il y a plus de 10 000 ans dans le croissant fertile. Ces deux espèces sont à la base de la naissance de l’agriculture et ont été cultivées par l’humain aux mêmes périodes et dans les mêmes conditions environnementales, elles sont donc très pertinentes pour analyser et comparer les gènes conservés au sein des deux espèces. Les scientifiques ont étudié et comparé 1 420 variétés modernes couvrant la diversité génétique mondiale du blé et de l’orge ainsi que des vestiges de blés anciens datant de 5 000 ans. Ils ont pu identifier des variants génétiques sélectionnés conjointement au cours de l’histoire évolutive de ces 2 espèces. Les auteurs ont validé chez le blé le rôle de 3 gènes connus chez d’autres espèces : un gène ayant un impact sur le rendement, un gène influant sur la date de floraison et un gène impliqué dans la régulation épigénétique, c’est-à-dire la modulation de l’activation des gènes. L’étude des paléogénomes entre ces espèces délivre non seulement les gènes qui sont conservés mais aussi les variants adaptatifs qui ont été sélectionnés dans les populations de blé et d’orge ayant évolué dans des contraintes climatiques similaires, et donc s’étant adaptées à des environnements similaires pendant 10 000 ans de domestication et de sélection par l’humain. L’identification de ces variants ouvre de nouvelles pistes pour les programmes de sélection variétale, en particulier dans le cadre de l’adaptation de l’agriculture au changement climatique.

2 outils en accès libre pour comparer et identifier des gènes d’intérêt chez les plantes cultivées

Dans le cadre de ces travaux, deux outils informatiques en accès libre et gratuits, exploitables par la communauté scientifique et les sélectionneurs privés, ont été développés. Le premier, nommé AGR (Ancestral genome reconstruction), permet la comparaison de génomes de plantes modernes et la reconstruction de paléogénomes fondateurs disparus délivrant un répertoire expertisé de gènes conservés entre espèces. Le second, OrthoViewer, est une base de données d’accès à ces gènes conservés pour 84 espèces de plantes d’intérêt agronomique, intégrant 1 142 gènes décrits dans la littérature scientifique pour leur fonction biologique et leur intérêt agronomique. Ce catalogue de gènes conservés permet de comparer, entre espèces, les données de diversité génétique disponibles à l’échelle mondiale et d’identifier des variants génétiques adaptatifs sélectionnés conjointement chez différentes espèces et ayant un potentiel intérêt pour la sélection variétale.

Une démarche applicable à de multiples espèces d’intérêt agronomique

La démarche décrite dans cette étude sur le blé et l’orge peut s’appliquer à tout type de plantes à partir des paléogénomes fondateurs de 84 espèces de plantes couvrant de nombreuses familles botaniques, dont celles des principales plantes cultivées. Les scientifiques poursuivent leur étude des paléogénomes pour identifier des gènes d’intérêt, et plus particulièrement des variants génétiques adaptatifs conservés entre le blé, l’orge, le riz, le maïs et le sorgho.

« Comprendre l’évolution des variants génétiques au cours de la domestication et de la sélection des espèces végétales et animales d’intérêt pour l’agriculture permet d’identifier ceux sélectionnés conjointement entre espèces dans des environnements soumis aux mêmes contraintes climatiques qui sont d’intérêt pour la sélection de génotypes adaptés aux enjeux du changement climatique et de la transition agroécologique. »
Jérôme Salse, directeur de recherche INRAE.