En règle générale, les plantes ont un double jeu de chromosomes, comme la plupart des mammifères et des humains. Un jeu provient du père, l’autre de la mère. Elles sont dites diploïdes. Or, il peut arriver que le nombre de jeux de chromosomes double d’une génération à l’autre : un organisme diploïde devient soudain tétraploïde, il a donc quatre jeux de chromosomes.
Contrairement à l’homme, où les génomes multiples sont généralement mortels, la polyploïdie peut présenter des avantages pour les plantes concernées. Les plantes à génome multiple s’adaptent mieux à l’environnement, sont tolérantes au sel ou résistantes à la sécheresse. De plus, elles produisent souvent des graines ou des fruits plus gros et ont un rendement plus élevé - des caractéristiques intéressantes pour les plantes utiles du futur.
Mais il y a un hic : les individus polyploïdes nouvellement formés d’une espèce végétale sont généralement totalement ou presque totalement stériles et ne peuvent pas être reproduits facilement. La raison pour laquelle ces plantes sont stériles n’est pas encore entièrement élucidée.
Des gènes qui contrôlent le tube pollinique
Kirsten Bomblies, professeure de génétique moléculaire de l’évolution des plantes à l’EPFZ, et son équipe ont découvert un mécanisme jusqu’ici non identifié pour expliquer la baisse de fertilité des polyploïdes. Dans une étude actuelle publiée dans la revue spécialisée externe page Science call_made, les chercheurs montrent que chez les plantes polyploïdes nouvellement formées, le tube pollinique ne se développe pas correctement.Normalement, un grain de pollen qui reste collé sur le stigmate d’une fleur lors de la pollinisation germe en un long tube qui pousse droit et sans ramification à travers l’ovaire jusqu’aux ovules. C’est là que se produit la fécondation.
Les chercheurs ont observé que dans les plantes polyploïdes nouvellement formées, le tube pollinique ne pousse ni droit ni suffisamment long. "Dans nos expériences, nous avons observé toutes les formes possibles", dit Bomblies, "tordues, ramifiées, courtes, même éclatées - mais aucun de ces tubes polliniques n’atteint sa cible". Selon cette étude, les cellules sexuelles mâles, situées à l’extrémité du tube pollinique, ne peuvent pas fusionner avec les ovules de la plante.
Bomblies et ses collaborateurs ont étudié ce phénomène sur l’arabette des sables(Arabidopsis arenosa). Cette fleur sauvage existe dans la nature sous deux formes : l’une avec un double jeu de chromosomes (comme nous les humains) et l’autre avec un jeu de chromosomes quadruple. Les cressons tétraploïdes ont réussi à surmonter l’inconvénient de la duplication du génome et à s’établir en populations indépendantes.
Dans des études précédentes, les chercheurs ont identifié dans ces populations tétraploïdes de cresson de sable des gènes liés à la fertilité de la plante et pour lesquels de nouvelles variantes se sont développées dans les tétraploïdes. Dans le présent travail, les chercheurs ont suivi à rebours les caractéristiques produites par ces gènes. Normalement, les chercheurs en génétique évolutive suivent plus souvent l’approche consistant à partir d’un caractère (phénotype) pour trouver les gènes à l’origine de ce caractère.
La recherche génétique à rebours a montré aux chercheurs que les deux gènes contrôlent la croissance du tube pollinique. Et : dans les populations établies de cresson de sable tétraploïdes, les gènes en question sont souvent légèrement modifiés par rapport aux versions que l’on trouve chez les individus diploïdes. "L’évolution a donc trouvé un moyen de faire varier légèrement les deux gènes de manière à ce que les individus tétraploïdes soient fertiles", explique Bomblies.
Une utilité encore incertaine pour la sélection végétale
Les scientifiques n’ont pas encore percé tous les secrets de la stérilité des polyploïdes nouvellement formés. "Nous étudions actuellement d’autres gènes candidats qui sont également impliqués dans la croissance du tube pollinique", explique la chercheuse.Il reste à déterminer si ces nouvelles connaissances peuvent être utilisées pour la sélection végétale. Cependant, les deux gènes sont dits hautement conservés. Cela signifie qu’ils ont été conservés au cours de l’histoire de l’évolution et qu’on les retrouve dans différentes espèces.
Bomblies estime donc qu’il est possible que les deux gènes de l’écume des sables puissent être transférés dans d’autres espèces. C’est ce à quoi elle travaille actuellement avec son groupe : les chercheurs testent s’ils peuvent transférer les deux gènes dans l’arabette des champs(Arabidopsis thaliana), une proche parente de l’écume des sables. "Si nous parvenons à transférer la construction génétique à une autre espèce, elle pourrait être intéressante pour la culture de nouvelles plantes utiles", explique la chercheuse en évolution.
