Une étude génomique met en lumière la façon dont les sarracénies carnivores asiatiques ont acquis leur piège à insectes caractéristique

L'héritage soudain de suites entières de copies supplémentaires de gènes peut ajouter de la redondance aux ensembles réguliers de fonctions d'un organisme, permettant en fait à certaines de ces copies d'évoluer et de s'exprimer de manière entièrement nouvelle.

Dans le cas de la sarracénie d'Asie de l'Est, cette liberté mutationnelle pourrait même avoir amélioré sa capacité à capturer des proies et à satisfaire son appétit de « viande ».

Ce n'est que l'une des découvertes d'une nouvelle étude qui séquence le génome de Nepenthes gracilis, une espèce de plante carnivore apparentée aux pièges à mouches de Vénus, ainsi que les droséras, les betteraves et les épinards.

“Nos découvertes fournissent non seulement des informations clés sur le paysage adaptatif du génome de Nepenthes, mais élargissent également notre compréhension de la manière dont la polyploïdie (ayant plusieurs ensembles de chromosomes) peut stimuler l'évolution de nouvelles fonctions”, explique Victor Albert, PhD, Empire. Professeur d'innovation au Département des sciences biologiques de l'Université de Buffalo, au sein du Collège des arts et des sciences.

Albert est le co-auteur principal de l'étude, publiée jeudi 23 novembre dans Plantes naturelles, avec Kenji Fukushima, PhD, de l'Université de Würzburg en Allemagne. Parmi les autres contributeurs de l'UB figurent Charlotte Lindqvist, PhD, professeur de sciences biologiques, et les doctorantes Emily Caroll et Michaela Richter.

Le travail d'Albert a été soutenu en partie par la National Science Foundation.

Les sous-génomes récessifs sont plus libres de changer de fonction

L’idée des « plantes mangeuses d’hommes » a longtemps captivé notre imagination macabre. Les sarracénies, cependant, nécessitent un repas beaucoup plus petit.

Ils capturent les insectes grâce à leurs feuilles hautement spécialisées en forme de cruche. Le fond de leurs pichets est rempli de liquides digestifs qui noient et finissent par détruire leurs proies. Ce processus libère des nutriments, tels que l'azote et le phosphate, qui permettent aux sarracénies de prospérer dans des habitats pauvres en nutriments.

“Le carnivorisme végétal est en quelque sorte une chasse aux engrais”, explique Albert.

Dans une étude de 1992, Albert et ses collègues ont découvert que les sarracénies asiatiques, australiennes et américaines possèdent des caractéristiques similaires bien qu'elles aient évolué indépendamment. Des recherches ultérieures publiées en 2017 ont montré que chacune de ces espèces avait récupéré bon nombre des mêmes protéines anciennes.

Dans cette nouvelle étude, les équipes d'Albert et de Fukushima ont découvert que le piège spécialisé de la sarracénie asiatique, ou Nepenthes, pourrait avoir été favorisé par la polyploïdie. La lignée de Nepenthes avait déjà évolué vers un mode carnivore, de sorte que les génomes dupliqués ont peut-être simplement modifié son mode de capture.

L'équipe a découvert que Nepenthes possède un génome décaploïde à l'état diploïde, une structure complexe presque sans précédent chez les plantes à fleurs qui reflète la possession de cinq multiples du génome entier, ou « sous-génomes ».

L’équipe a découvert que le cinquième sous-génome est « dominant », conservant plus de copies de gènes et les exprimant à des niveaux plus élevés que les quatre autres sous-génomes plus anciens et « récessifs ». Pourtant, ce sont les sous-génomes récessifs – et non le sous-génome dominant – qui pourraient porter le plus grand nombre de gènes clés pour le carnivore spécialisé de Nepenthes.

“Le sous-génome dominant présente une plus grande influence de la pression de sélection naturelle pour maintenir les fonctions des gènes”, explique Fukushima. “Alors que les sous-génomes récessifs, moins touchés par la préservation fonctionnelle, sont devenus plus libres de varier au fil du temps évolutif.”

Certains des gènes carnivores en double de Nepenthes peuvent avoir évolué à l'origine pour se défendre contre ce qui est finalement devenu leur proie. Les enzymes qui aident Nepenthes à décomposer les exosquelettes durs des insectes, par exemple, ont été réutilisées à partir de celles qui protégeaient à l'origine les plantes contre la consommation de ces animaux.

“Cette lignée de Nepenthes n'a pas développé de nouveaux gènes pour devenir carnivore – elle a récupéré des collections, ou des boîtes à outils, de gènes qui existaient déjà”, explique Albert.

Une hypothèse suggère que la polyploïdie aurait un effet négligeable sur l’évolution à long terme, dans la mesure où les espèces aux génomes multipliés pourraient subir une extinction à des taux plus élevés que celles, comme les humains, qui ne possèdent que deux ensembles de chromosomes. Pourtant, les résultats de l'étude ajoutent à la preuve que des événements anciens de polyploïdie peuvent parfois être à l'origine de sauts évolutifs encore visibles parmi les plantes aujourd'hui.

Preuve trouvée de l'évolution de plantes mâles et femelles distinctes

Nepenthes fait partie des 6 % seulement d’espèces de plantes à fleurs qui sont dioïques, ce qui signifie que chaque plante produit des fleurs mâles ou femelles. En fait, Nepenthes est la seule plante carnivore dioïque.

L'équipe d'Albert et Fukushima a également identifié une région du génome spécifique aux hommes contenant trois gènes potentiellement responsables du contrôle de ces différences sexuelles. L’un d’eux, appelé LEAFY, est un gène clé exprimé au début du développement de la fleur et qui agit comme un régulateur principal.

“LEAFY semble avoir eu une forme dupliquée et s'est déplacée vers la région du chromosome Y de Nepenthes, divergeant ensuite dans sa fonction. Cette utilisation de LEAFY est sans précédent jusqu'à présent dans les plantes à fleurs”, explique Albert. “Le gène LEAFY est un régulateur tellement central dans les plantes à fleurs que, lorsqu'il est ajouté ou supprimé artificiellement par génie génétique, il modifie la période de floraison d'une plante.”

“Bien que nous disposions désormais de preuves bioinformatiques indiquant que LEAFY est l'un des gènes clés impliqués dans le mécanisme de détermination du sexe de Nepenthes, cela nécessitera des études plus approfondies sur les plantes vivantes”, ajoute-t-il.