L'équipe internationale déchiffre le code génomique pour les formes les plus anciennes de vie végétale terrestre

2 mai 2024

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par Dan Moser, University of Nebraska-Lincoln

La vie végétale a d'abord émergé sur terre il y a environ 550 millions d'années, et une équipe de recherche internationale co-dirigée par le biologiste computationnel Yanbin Yin de l'Université du Nebraska-Lincoln a déchiffré le code génomique de ses humbles débuts, ce qui a rendu possible toute autre vie terrestre sur Terre, y compris les humains.

L'équipe - composée d'environ 50 scientifiques dans huit pays - a produit la première séquence génomique de quatre souches d'algues Zygnema, les plus proches parents vivants des plantes terrestres. Leurs découvertes éclairent la capacité des plantes à s'adapter à l'environnement et fournissent une riche base pour de futures recherches.

L'étude a été publiée le 1er mai dans la revue Nature Genetics.

'C'est une histoire évolutive,' a déclaré Yin, qui a dirigé l'équipe de recherche avec un scientifique d'Allemagne. 'Elle répond à la question fondamentale de comment les premières plantes terrestres ont évolué à partir des algues d'eau douce.'

Le laboratoire de Yin au Nebraska Food for Health Center et au Département de la Science et de la Technologie des Aliments a une longue histoire d'étude des glucides de la paroi cellulaire des plantes, un composant majeur des fibres alimentaires pour les humains et les animaux de ferme ; les lignocelluloses pour la production de biocarburants ; et des barrières naturelles pour protéger les cultures des pathogènes et des contraintes environnementales.

Toute la vie végétale actuelle sur terre a jailli d'un événement évolutif unique connu sous le nom de terrestrialisation des plantes à partir d'algues d'eau douce anciennes. Les premières plantes terrestres, connues sous le nom d'embryophytes dans le clade des streptophytes, ont émergé sur terre il y a environ 550 millions d'années - leur arrivée modifiant fondamentalement la surface et l'atmosphère de la planète.

Elles ont rendu toute autre vie terrestre, y compris les humains et les animaux, possible en servant de fondation évolutive pour la future flore et la nourriture pour la faune.

Les chercheurs ont travaillé avec quatre souches d'algues du genre Zygnema - deux d'une collection de culture aux États-Unis et deux d'Allemagne. Les scientifiques ont combiné toute une gamme de techniques de séquençage d'ADN de pointe pour déterminer les séquences génomiques complètes de ces algues.

Ces méthodes ont permis aux scientifiques de générer des génomes complets pour ces organismes au niveau des chromosomes entiers - quelque chose qui n'avait jamais été fait auparavant sur ce groupe d'algues. La comparaison des génomes avec ceux d'autres plantes et algues a conduit à la découverte de surabondances spécifiques d'enzymes de la paroi cellulaire, de gènes de signalisation et de facteurs de réponse à l'environnement.

Une caractéristique unique de ces algues révélée par l'imagerie microscopique - réalisée à l'Université d'Innsbruck en Autriche, à l'Université de Hambourg en Allemagne et au Centre de biotechnologie de l'UNL - est une couche de glucides épaisse et très collante à l'extérieur des parois cellulaires, appelée la couche de mucilage.

Xuehuan Feng, le premier auteur de l'article et un chercheur postdoctoral associé à Husker, a mis au point une nouvelle méthode d'extraction d'ADN efficace pour enlever cette couche de mucilage afin d'obtenir des ADN de haute pureté et de haut poids moléculaire.

'Il est fascinant que les briques génétiques, dont les origines précèdent les plantes terrestres de millions d'années, se soient dupliquées et diversifiées chez les ancêtres des plantes et des algues et, ce faisant, aient permis l'évolution d'un machinerie moléculaire plus spécialisée,' a déclaré Iker Irisarri de l'Institut Leibniz pour l'Analyse du Changement de la Biodiversité et co-premier auteur de l'article.

L'autre co-leader de l'équipe, Jan de Vries de l'Université de Göttingen, a déclaré : 'Non seulement nous présentons une ressource précieuse et de haute qualité pour l'ensemble de la communauté scientifique des plantes, qui peut maintenant explorer ces données génomiques, mais nos analyses ont révélé des liens complexes entre les réponses environnementales.'

Les quatre algues multicellulaires Zygnema appartiennent à la classe des Zygnematophyceae, les plus proches parents vivants des plantes terrestres ; c'est une classe d'algues d'eau douce et semi-terrestres avec plus de 4 000 espèces décrites.

Les Zygnematophyceae possèdent des adaptations pour résister aux agents de stress terrestres, tels que la dessiccation, la lumière ultraviolette, le gel et autres stress abiotiques. La clé pour comprendre ces adaptations est les séquences génomiques. Avant cet article, les séquences génomiques n'étaient disponibles que pour quatre Zygnematophyceae unicellulaires.

Yin a déclaré que cette recherche s'aligne avec l'une des 10 Grandes Idées de la National Science Foundation - 'Comprendre les Règles de la Vie' - pour répondre aux défis sociétaux, de l'eau propre à la résilience climatique. La découverte a également une importance en sciences appliquées, telles que la bioénergie, la durabilité de l'eau et la séquestration du carbone.

'Our gene network analyses reveal co-expression of genes, especially those for cell wall synthesis and remodifications that were expanded and gained in the last common ancestor of land plants and Zygnematophyceae,' Yin said.

'We shed light on the deep evolutionary roots of the mechanism for balancing environmental responses and multicellular cell growth.'

The international research collaboration includes about 50 researchers from 20 research institutions in eight countries—the United States, Germany, France, Austria, Canada, China, Israel and Singapore. Other Husker researchers on the team are Chi Zhang, professor of biological sciences, and Jeffrey Mower, professor of agronomy and horticulture.

Provided by University of Nebraska-Lincoln