Comment les graminées empêchent la consanguinité

Studer a travaillé sur ce sujet pendant plus de 15 ans avec des chercheurs du Danemark, du Pays de Galles et des ?tats-Unis : en 2006, il a trouvé des gènes qui réduisaient le rendement en graines des graminées fourragères. Il avait cherché le contraire, c'est-à-dire des gènes qui augmentent le rendement en graines. Plus tard, les gènes trouvés se sont révélés être ceux qui jouent un r?le dans l'auto-incompatibilité. En 2017, son équipe est parvenue à limiter les deux localisations de gènes à quelques gènes candidats, et Studer et ses collaborateurs fournissent désormais une description précise des trois gènes qui composent effectivement les localisations de gènes.

"Nous devons cette percée aux progrès réalisés dans les analyses génomiques. Ce n'est qu'au cours des dernières années que nous avons pu séquencer rapidement et de manière complète l'ensemble du patrimoine génétique d'un seul organisme", souligne Studer.

Ces découvertes ouvrent de nouvelles possibilités pour la culture de graminées fourragères, mais aussi d'importantes plantes herbacées autopollinisantes pour l'homme, comme le riz ou l'orge. Si l'on conna?t les gènes d'auto-incompatibilité, on peut les influencer de manière ciblée. Soit on les désactive, ce qui permet de créer des lignées de plantes génétiquement homogènes. Ou bien on introduit les gènes dans le génome des graminées qui ont perdu leur auto-incompatibilité, afin de créer des populations génétiquement diversifiées. Pour Bruno Studer, il est clair qu'"avec la connaissance de ces gènes, nous disposons d'une base importante pour contr?ler le mécanisme et l'utiliser pour la sélection".

Interaction de deux loci éloignés

L'auto-incompatibilité chez les graminées repose essentiellement sur l'interaction entre les deux locus de gènes (le S-Locus et le Z-locus), qui se trouvent sur des chromosomes différents.

Les gènes sont le plan de construction de trois protéines différentes qui établissent une sorte de mécanisme clé-serrure. Celui-ci reconna?t si le pollen qui est parvenu sur le tissu cicatriciel est génétiquement similaire ou étranger. Cela déclenche un signal correspondant qui interrompt prématurément le processus de fécondation ou le poursuit et le mène à son terme.

Les chercheurs en sciences végétales de Studer étudient actuellement les structures des protéines impliquées et la manière dont elles interagissent pour distinguer le pollen étranger de leur propre pollen. Pour ce faire, ils utilisent des méthodes spéciales d'intelligence artificielle, qui calculent la structure des protéines correspondantes sur la base des séquences génétiques, ainsi que des modèles qui simulent les interactions de ces molécules.

Un mécanisme unique dans l'évolution des plantes

En outre, les chercheurs ont étudié comment l'auto-incompatibilité a pu se développer sur la base de deux localisations de gènes dans la famille des graminées. En effet, les mécanismes connus jusqu'à présent dans d'autres familles de plantes ne reposent que sur un seul site génétique. Il est donc probable qu'au cours de l'histoire de l'évolution des graminées, l'auto-génération ait eu lieu. Z-locus s'est d'abord dupliqué et que la copie s'est ensuite diversifiée, c'est-à-dire qu'elle a subi de nombreuses mutations.

"Entre-temps, nous avons séquencé ces deux localisations de gènes de très nombreuses plantes herbacées. Nous constatons que le S-locus a tendance à présenter moins de variations et à se diversifier encore plus, le Z-locus, en revanche, se modifie moins fortement. Nous en concluons que le Z-locus pourrait être plus ancien dans l'histoire du développement", explique Studer.

Dans l'arbre généalogique des graminées, les chercheurs ont en outre retracé le moment où le dédoublement du locus s'est produit et celui où les espèces de graminées cultivées se sont séparées les unes des autres. Ils ont également pu identifier dans l'arbre généalogique les graminées qui n'ont pas suivi le dédoublement du locus et les espèces qui ont perdu l'auto-incompatibilité, par exemple à la suite de mutations.

Mais quel est l'avantage évolutif de l'auto-incompatibilité, qui repose sur deux localisations de gènes ? "A première vue, il semble que cela ouvre beaucoup plus de possibilités et de flexibilité dans la famille des graminées pour la reconnaissance de leur propre pollen", explique le professeur de l'ETH. Cela pourrait être important pour la famille des graminées : avec 16'000 espèces réparties sur tous les continents, c'est l'une des familles de plantes les plus grandes et les plus prospères.