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"Une plante parasite puante du Sud-Est asiatique a perdu sa constitution physique et une grande partie de son code génétique au cours de son évolution" par Jake Buehler

Traduction et Compléments de Jacques Hallard

dimanche 21 février 2021, par Buehler Jake


ISIAS Biologie végétale

Une plante parasite puante du Sud-Est asiatique a perdu sa constitution physique et une grande partie de son code génétique au cours de son évolution

Ajouts en annexe sur le génome des organites (mitochondries et chloroplastes)

Traduction du 19 février 2021 et ajout de [compléments] par Jacques Hallard d’un article de Jake Buehler publié le 10 février 2021 par Science News sous le titre « A reeking, parasitic plant lost its body and much of its genetic code  »  ; il est accessible sur ce site : https://www.sciencenews.org/article/reeking-parasitic-sapria-plant-lost-body-much-genetic-code

Sapria himalayana flower

Sapria himalayana, une plante originaire d’Asie du Sud-Est, est un endoparasite qui vit à l’intérieur de son hôte (la vigne) pendant des années, avant d’émerger sous la forme d’une fleur tachetée pouvant mesurer 20 centimètres de diamètre. C. Davis/Université de Harvard

Pendant la majeure partie de leur vie, les plantes du genre Sapria ne sont presque rien : de minces rubans de cellules parasitaires s’enroulant à l’intérieur des vignes dans les forêts tropicales d’Asie du Sud-Est. Elles ne deviennent visibles que lorsqu’elles se reproduisent, éclatant et sortant de leur hôte, comme une fleur de la taille d’une assiette à dîner et qui sent la chair en décomposition.

Aujourd’hui, de nouvelles recherches sur le code génétique de cette plante rare révèlent jusqu’où elle est allée pour devenir un parasite spécialisé. Les résultats, publiés le 22 janvier 2021 dans la revue scientifique ‘Current Biology’, suggèrent qu’au moins une espèce de Sapria a perdu près de la moitié des gènes que l’on trouve couramment dans d’autres plantes à fleurs et elle en a volé beaucoup d’autres directement à ses hôtes.

La génétique restructurée de la plante fait écho à sa biologie bizarre. Sapria et ses espèces apparentées de la famille des Rafflesiaceae ont rejeté différents organe au cours de leur évolution : leurs tiges, leurs racines et tout tissu photosynthétique à chlorophylle.

’Si vous êtes dans une forêt de Bornéo et que ces [plantes] ne produisent pas de fleurs, vous ne saurez même pas qu’elles sont là’, explique Charles Davis, biologiste évolutionniste à l’université de Harvard aux Etats-Unis.

Depuis des années, Davis étudie l’évolution de ce groupe de parasites de l’autre monde, dont la plus grande fleur du monde, Rafflesia arnoldii (SN : 1/10/07). Lorsque certaines données génétiques ont montré une relation étroite entre ces parasites et leurs hôtes, la vigne, Charles Davis a soupçonné un transfert horizontal de gènes. C’est là que les gènes passent directement d’une espèce à l’autre - dans ce cas, de l’hôte au parasite. Mais personne n’avait encore déchiffré le génome - le manuel d’instructions génétiques complet - de ces plantes.

[Selon Wikipédia, « Le transfert horizontal de gènes, ou transfert latéral de gènes, est un processus dans lequel un organisme intègre du matériel génétique provenant d’un autre organisme sans en être le descendant. Par opposition, le transfert vertical se produit lorsque l’organisme reçoit du matériel génétique à partir de son ancêtre. La plupart des recherches en matière de génétique ont mis l’accent sur le transfert vertical, mais les recherches récentes montrent que le transfert horizontal de gènes est un phénomène significatif. Une grande partie du génie génétique consiste à effectuer un transfert horizontal artificiel de gènes.

Il s’agit d’une image représentant l’arbre de la vie à 3 domaines. Des croisements entre branches de cet arbre (qui est donc en fait un réseau) indique que la transmission de matériel génétique n’est pas seulement verticale, au long de la descendance, mais que certains évènements horizontaux, entre individus, existent.

Arbre phylogénétique à trois domaines montrant les possibles transferts horizontaux, notamment ceux postulés par la théorie endosymbiotique…. » - Article complet à voir sur ce site : https://fr.wikipedia.org/wiki/Transfert_horizontal_de_g%C3%A8nes

Par ailleurs, nos articles étiquetés ‘transfert horizontal de gènes’, et postés sur ISIAS sont à retrouver sur ce site : http://isias.lautre.net/spip.php?page=recherche&recherche=transfert+horizontal+de+g%C3%A8nes ].

Suite du texte traduit

Charles Davis et son équipe ont donc séquencé plusieurs millions de morceaux du code génétique de Sapria himalayana, les assemblant en une image cohérente du génome de cette espèce. Lorsque l’équipe a analysé le génome, elle a trouvé une abondance de bizarreries. Environ 44 % des gènes trouvés dans la plupart des plantes à fleurs étaient absents de S. himalayana. Pourtant, dans le même temps, le génome est long d’environ 55.000 gènes, plus que celui de certaines autres plantes non parasitaires. L’équipe a découvert que le nombre de gènes est gonflé par de nombreux segments répétitifs d’ADN. La perte des pigments de chlorophylle responsables de la photosynthèse est fréquente chez les plantes parasites qui dépendent de leurs hôtes pour leur subsistance. Mais S. himalayana semble même avoir éliminé tous les restes génétiques de ses chloroplastes, les structures cellulaires où se produit la photosynthèse. Les chloroplastes ont leur propre génome, distinct du génome nucléaire qui fait fonctionner les cellules d’une plante et des mitochondries qui produisent de l’énergie pour les cellules. S. himalayana semble avoir complètement perdu ce génome, ce qui suggère que la plante a purgé les derniers vestiges de sa vie ancestrale qui lui permettait de fabriquer sa propre nourriture.

’Il n’y a pas d’autre cas’ de génome de chloroplaste [voir en annexe Le génome des organites - Les mitochondries et les chloroplastes sont des Procaryotes], abandonné parmi les plantes, dit Charles Davis. Les travaux antérieurs d’autres chercheurs avaient suggéré que le génome pouvait être manquant. ’Nos travaux vérifient clairement qu’il a en effet totalement disparu’, dit-il, notant que même les gènes du génome nucléaire de S. himalayana qui réguleraient les composants du génome du chloroplaste ont disparu.

Il est peut-être trop tôt pour déclarer que le génome du chloroplaste a complètement disparu, met en garde Alex Twyford, un biologiste évolutionniste de l’université d’Edimbourg qui n’a pas participé à ces recherches. Il peut être difficile de prouver définitivement la disparition du génome, dit-il, surtout si le chloroplaste est ’inhabituel dans sa structure ou son abondance’ et donc difficile à identifier.

Parmi les parties restantes du génome nucléaire, l’équipe a également découvert que plus de 1 % du génome de S. himalayana provient de gènes volés à d’autres plantes, probablement ses hôtes actuels et ancestraux.

L’échelle potentielle du génome disparu et le volume de répétition des morceaux d’ADN sont ’insensés’, déclare Arjan Banerjee, un biologiste de l’Université de Toronto, Mississauga, dans l’état de l’Ontario au Canada, qui n’a pas non plus participé à cette étude. « L’’échelle industrielle’ du ‘vol de gènes de la plante’ est également impressionnante », dit-il.

Il reste encore beaucoup d’éléments étranges à explorer dans le génome de S. himalayan, selon le coauteur de l’étude, Tim Sackton, un biologiste évolutionniste travaillant également à Harvard. Par exemple, la plante a gonflé son génome avec de l’ADN étranger, alors que la plupart des parasites rationalisent leur génome. ’Il se passe quelque chose de bizarre et de différent chez cette espèce’, dit-il, ajoutant que de nombreux fragments d’ADN que la plante parasite a volé à son hôte, ne semblent coder aucun gène et ne font probablement rien d’important.

La nouvelle découverte illustre le niveau d’engagement de S. himalayana et de ses parents dans l’évolution d’un mode de vie parasitaire, et fournit une comparaison avec d’autres parasites végétaux extrêmes (SN : 7/31/20). Et pour Charles Davis, des plantes comme S. himalayana peuvent aider les chercheurs à déterminer certaines limites de la biologie. Ces plantes ont perdu la moitié de leurs gènes, et pourtant elles survivent encore, note-t-il. « Peut-être que ces organismes qui repoussent les limites de l’existence nous disent jusqu’où les règles peuvent être contournées avant d’être enfreintes ».

Citations

L. Cai et al. Deeply altered genome architecture in the endoparasitic flowering plant Sapria himalayana Griff. (Rafflesiaceae). Current Biology. Published online January 22, 2021. doi : 10.1016/j.cub.2020.12.045.

J. Molina et al. Possible loss of the chloroplast genome in the parasitic flowering plantRafflesia lagascae(Rafflesiaceae). Molecular Biology and Evolution. Vol. 31, April 2014, p. 793. doi : 10.1093/molbev/msu051.

About Jake Buehler Jake Buehler is a freelance science writer, covering natural history, wildlife conservation and Earth’s splendid biodiversity, from salamanders to sequoias. He has a master’s degree in zoology from the University of Hawaii at Manoa.

À propos de Jake Buehler - Jake Buehler est un rédacteur scientifique indépendant qui couvre l’histoire naturelle, la conservation de la faune et de la flore et la splendide biodiversité de la Terre, des salamandres jusqu’aux aux séquoias. Il est titulaire d’une maîtrise en zoologie de l’université d’Hawaï à Manoa.

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Annexe - Le génome des organites - Les mitochondries et les chloroplastes sont des Procaryotes

Arbre obtenu à partir de 21 séquences complétes d’ARN ribosomial 16S et 18S de Procaryotes, d’Eucaryotes, de mitochondries et de chloroplastes

Arbre obtenu à partir de 21 séquences complétes d’ARN ribosomial 16S et 18S de Procaryotes, d’Eucaryotes, de mitochondries et de chloroplastes (Pace, Olsen et Woese, 1986)

En 1977, en étudiant l’ARN ribosomial, Woese et Fox ont montré que le groupe des Procaryotes devait être divisé en Archéobactéries et Eubactéries. Plus tard, lorsque Woese introduisit dans ses données l’ARN ribosomial des chloroplastes et des mitochondries, il eut la surprise de constater que ces organites ne venaient pas se ranger dans les Eucaryotes mais parmi les Eubactéries. Cela confirmait ce que l’on supposait alors, chloroplastes et mitochondries descendent d’ancêtres procaryotes. La cellule eucaryote est le résultat de symbioses successives.

Un génome réduit

L’ADN de la mitochondrie humaine est circulaire et contient 16569 paires de bases. Il code pour :

 2 ARN ribosomiaux

 22 ARN de transfert

 13 polypeptides entrant dans la composition de la membrane interne de la mitochondrie. En particulier la totalité du cytochrome C et 2 sous unités de L’ATPsynthétase.

Cela représente une faible part des 900 protéines différentes que contient la mitochondrie humaine. La taille de l’ADN lui-même est faible comparé aux 1 111 523 paires de bases de celui de Ricketsia prowazekiii , Bactérie la plus proche des mitochondries.

L’ADN du chloroplaste de la mousse Marchantia est lui aussi circulaire et contient 121 000 paires de bases codant pour 128 gènes. C’est peu comparé aux 1345 protéines identifiées dans le chloroplaste (base de données AT_chloro) ou au génome d’une cyanobactérie puisque celui-ci contient 1,75 millions de paires de bases codant pour 1900 gènes (Dufresne et al 2003).

Des protéines massivement produites par le génome de l’hôte

Protéome de la mitochondrie de la Levure (ensemble des protéines de la mitochondrie)

Protéome de la mitochondrie de la Levure (ensemble des protéines de la mitochondrie).
Procaryote-like : protéines semblables à celles de Procaryotes.
Eucaryote-like : protéines semblables à celles d’Eucaryotes.
α-Proteobacterial origin : semblable aux protéines des alphaprotéobactéries.
Mitochondrial origine : protéines dont l’information génétique est semblable à celles de l’ADN mitochondrial.

Unique : sans équivalent dans les bases de données. d’après Gray et al 2001

Les protéines dont l’information génétique n’est pas contenue dans l’ADN des organites sont produites dans le cytosol et leur information génétique et contenue dans l’ADN du noyau. Après leur synthèse elles traversent la membrane externe et la membrane interne de l’organite à l’aide de protéines spécialisées (protéines tic toc du chloroplaste et tim tom de la mitochondrie). L’activité de ces protéines de transfert permet de contrôler le développement de l’organite.

On estime à environ 630 le nombre de protéines mitochondriales contenues dans l’ADN du noyau de la levure (environ 10 % de son information génétique). En comparant la séquence de ces protéines avec celles de protéines d’Eucaryotes ou de Procaryotes actuellement connues et archivées dans les bases de données, on s’est aperçu que près de la moitié ressemblait à des protéines de procaryotes mais aussi qu’un tiers était semblable à celles d’Eucaryotes. On a la juxtaposition de deux génomes, l’un hérité de la bactérie symbiotique (les protéines procaryotes) et l’autre postérieur à la symbiose et nécessaire à celle-ci (les protéines eucaryotes). La présence de ’protéines procaryotes’ dans le génome de l’hôte montre qu’il y a eu un transfert massif des gènes de la bactérie symbiotique vers le génome du noyau de l’hôte, en particulier, la totalité de l’information génétique nécessaire à la synthèse des 64 protéines du ribosome mitochondrial.

Evénement unique ?

Les Chloroplastes chez les Eucaryotes

Les Chloroplastes chez les Eucaryotes. Les groupes possédant des chloroplastes sont encadrés en vert. (Koonin, 2010et Keeling 2004)

Relations de parenté entre chloroplastes et Cyanobactéries

Relations de parenté entre chloroplastes et Cyanobactéries déduites de l’étude de 6 protéines (Reyes-Prieto et al 2007)

S’il est à peu-près certain que les mitochondries résultent d’un événement unique, le cas des chloroplastes est plus complexe.

Les chloroplastes sont inégalement répartis chez les 5 groupes d’Eucaryotes que l’on distingue actuellement. Toutes les Plantes en possèdent, la majorité des Chromalvéolates, quelques rares Excavates comme l’Euglène et d’encore plus rares Rhizaria. Les Unikontes n’en possèdent pas. A partir d’une telle répartition plusieurs hypothèses sont envisageables. Soit les chloroplastes étaient présents chez l’ancêtre commun de tous les Eucaryotes et ont été perdus par certains groupes soit l’acquisition des chloroplastes s’est faite plusieurs fois indépendamment dans les différents groupes.

Symbiose primaire, symbiose secondaire

La comparaison des séquences de 6 protéines montrent que les chloroplastes des Algues rouges et des Plantes sont proches et ressemblent aux Cyanobactéries. Ils résultent d’un évènement unique (point bleu). C’est une symbiose primaire entre l’ancêtre commun des Plantes et une Cyanobactérie. Chez Cyanophora paradoxa (Glaucophyte) les chloroplastes possèdent une couche de peptidoglycan vestige de la paroi d’une Cyanobactérie.

Les chloroplastes des Chromalvéolates sont plus proches de ceux des Algues rouges que de tous les autres. Ils sont le résultat de la symbiose d’une Algue rouge avec l’ancêtre commun des Chromalvéolates. C’est une symbiose secondaire. Les chloroplastes des Euglènes sont eux aussi le résultat d’une symbiose secondaire mais cette fois avec une Algue verte.

Que devient le matériel génétique du symbiote eucaryote dans le cas d’une symbiose secondaire ? Dans de rares cas le noyau du symbiote est encore visible et porte le nom du nucléomorphe. Son matériel génétique est alors réduit à 3 chromosomes et moins de un million de paires de bases. Ce génome très compact (les gènes comprennent peu d’introns et aucun élément mobile) assure les fonctions minimales du symbiote et du chloroplaste (Archibald et Lane, 2009). Lorsque le nucléomorphe n’existe pas, une partie du génome du symbiote a été transféré dans le noyau de l’hôte. Ceci est indispensable à la survie du chloroplaste puisqu’une grande partie de son information génétique était contenue dans le noyau du symbiote.

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Autres sources à consulter :

Biologie cellulaire theorie endosymbiotiqueEnseignement et ... -http://biochimej.univ-angers.fr › Page2 › TexteTD – « Les Procaryotes (du grec, pro = avant et karyon = noyau) sont des êtres ... La membrane externe des mitochondries et des chloroplastes et la ... Chacun de ces organites possède un ADN qui lui est propre (organites semi-autonomes)…

Les mitochondries et les chloroplastes (leçon)https://fr.khanacademy.org › science › hs-cells › chloro... – « Structure et fonction des mitochondries et des chloroplastes. ... Les chloroplastes sont des organites présents dans les cellules du brocoli ... La matrice contient de l’ADN mitochondrial et des ribosomes. ... Les procaryotes et les eucaryotes.

Théorie endosymbiotique — Wikipédia https://fr.wikipedia.org › wiki › Théorie_endosymbioti... – « Certains gènes du noyau sont transportés vers l’organite, et les organites (qu’il s’agisse des mitochondries ou des chloroplastes) ont des génomes ... »

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Traduction, [compléments] et intégration de liens hypertextes par Jacques HALLARD, Ingénieur CNAM, consultant indépendant – 19/02/2020

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