Les étudiants de premier cycle d’UConn ont cartographié l’ADN du noyer cendré, une espèce en voie de disparition, dans le cadre d’une initiative plus large visant à étudier les espèces menacées négligées. La recherche offre un aperçu des mécanismes de survie et offre aux étudiants une précieuse expérience de recherche dans le monde réel.
Une collaboration internationale révèle les secrets génétiques des espèces menacées, des arbres aux cacatoès en passant par les coraux des grands fonds.
Les butternuts sont tendres et grasses, avec une légère saveur de noix qui persiste sur la langue. Malgré sa saveur unique, peu d’Américains ont goûté cette espèce indigène en voie de disparition. Aujourd’hui, des étudiants de premier cycle de l’Université du Connecticut ont publié la première carte complète de l’arbre inhabituel. ADN en G3.
La mission plus large : préserver la biodiversité
Le noyer cendré n’est que le premier fruit d’un effort ambitieux visant à enregistrer l’ADN d’espèces en voie de disparition négligées. espèces avant qu’ils ne partent. Le frêne de citrouille, le corail en zigzag des profondeurs et le cacatoès à ventre rouge sont quelques-uns des autres organismes dont les gènes sont minutieusement séquencés par l’équipe de génomique de la biodiversité et de la conservation de l’Institut de génomique des systèmes d’UConn. Le programme offre aux étudiants de premier cycle une année complète de formation sur la façon de séquencer, de reconstruire et de décrire le code génétique complet d’une seule espèce.
Les autres membres de l’équipe comprennent Oxford Nanopore Technologies et des scientifiques de l’Institute for Systems Genomics (ISG). Les étudiants travaillant sur des espèces spécifiques collaborent également avec des personnes sur le terrain pour prendre des décisions en matière de restauration et de conservation. Pour le noyer cendré, cela inclut le Service des Forêts du Département de l’Agriculture des États-Unis.
Ce que tous les organismes qu’ils séquencent ont en commun, c’est qu’il s’agit d’espèces en voie de disparition qui n’ont pas d’antécédents d’utilisation agricole, médicale ou scientifique majeure.
Un aperçu de l’espèce
Le butternut Juglans cinerea, par exemple, est une espèce de noyer originaire d’Amérique du Nord qui ressemble au noyer noir mais dont les noix sont allongées et très grasses. Il était parfois récolté pour son huile et récolté pour son bois. Les noyers cendrés sont en train de disparaître car un champignon importé d’Asie les tue, les quelques survivants n’étant généralement pas des noyers cendrés purs mais plutôt des hybrides de noyers japonais, qui se croisent facilement avec le noyer cendré et présentent une certaine résistance fongique. Le frêne citrouille est l’une des 16 espèces de frênes nord-américains tuées par les insectes de l’agrile du frêne. Le cacatoès à ventre rouge est gravement menacé par la perte de son habitat et le braconnage des animaux de compagnie. Et les coraux des grands fonds sont menacés par l’acidification des océans, qui menace leur capacité à créer leur squelette de carbonate de calcium.
Beaucoup de ces organismes ne sont pas bien étudiés scientifiquement. Jusqu’à récemment, le séquençage de l’ADN d’un organisme était extrêmement long et coûteux. Il n’existe souvent pas de génomes de référence, ni de séquences complètes de leur code génétique, pour des familles entières d’organismes.
« Les génomes des coraux des grands fonds sont incroyablement clairsemés. Il y en a deux publiées sur 5 000 espèces ! Celui-ci pourrait être le troisième », déclare Rachel O’Neill, directrice de l’ISG et biologiste du génome, co-chercheuse du projet.
Les génomes des coraux des grands fonds sont particulièrement intéressants car les eaux profondes, tout comme l’acidification des océans, font qu’il est difficile pour les coraux d’extraire le carbonate de calcium de l’eau, et pourtant, les coraux des grands fonds y parviennent quand même. Comprendre quels gènes rendent cela possible pourrait également nous aider à comprendre comment les coraux d’eau peu profonde pourraient survivre à l’acidification.
La science de la survie
D’autres organismes pourraient avoir d’autres secrets. Les maladies fongiques propagées par le commerce horticole tuent rapidement les arbres des grandes forêts d’Asie, d’Europe et des Amériques. Le séquençage des génomes d’espèces apparentées ayant évolué avec différentes maladies, comme le noyer cendré et le noyer japonais, pourrait fournir des informations précieuses sur les gènes qui fournissent quel type de résistance. Cela pourrait nous permettre de sauver des espèces en remplaçant un seul gène. Même si le noyer du Japon n’est pas menacé, l’équipe séquence cette année son génome, précisément pour cette raison.
« Nous souhaitons savoir quelle part de la population de noyer cendré est déjà hybridée avec le noyer japonais et ce qui contribue à la résistance génétique » à l’infection fongique, explique la biologiste informatique Jill Wegrzyn, chercheuse principale de l’équipe.
Et outre l’intérêt pratique du séquençage de ces génomes, c’est également intéressant simplement parce qu’ils sont différents de tout ce que quiconque a jamais observé. La ploïdie, ou le nombre de copies de chromosomes, peut être très différente de ce que l’on pensait. La plupart des animaux sont diploïdes : ils possèdent deux copies de chaque chromosome, une de maman et une de papa. Certaines plantes peuvent être tri- ou tétraploïdes, c’est-à-dire qu’elles ont trois ou quatre exemplaires de chacune. Mais le frêne citrouille que l’équipe séquence cette année va bien au-delà.
« C’est… peut-être… octaploïde ! » dit Emily Strickland. Elle a commencé à travailler sur les cendres de citrouille dans le cadre d’un projet de recherche indépendant, l’a trouvé plus complexe que prévu et y travaille désormais au sein de l’équipe Biodiversité et génomique de la conservation.
Origines et impact du projet
Le programme a débuté l’année dernière grâce à une subvention de l’initiative Earth and Its Future du College of Liberal Arts and Sciences, et a ensuite été soutenu par l’ISG, avec le soutien matériel d’Oxford Nanopore Technologies et d’Org.one, dont le Center for Genome Innovation. L’ISG est un partenaire international. Org.one est un projet d’Oxford Nanopore visant à développer des assemblages de haute qualité des génomes d’un certain nombre d’espèces végétales et animales en danger critique d’extinction. L’ADN d’Oxford Nanopore/ARN la technologie de séquençage offre une analyse en temps réel qui permet de séquencer n’importe quelle longueur de fragment, du court au ultra-long, une flexibilité nécessaire à l’assemblage de génomes de référence. Si le génome était un livre, il serait constitué de phrases entières plutôt que de mots simples, ce qui rendrait son assemblage beaucoup plus rapide.
Pour bon nombre des 11 étudiants de premier cycle participant au projet, il s’agit de leur première expérience de recherche. Et plusieurs d’entre eux l’ont choisi en raison de son impact pratique.
« J’ai vraiment aimé l’idée d’utiliser des techniques informatiques pour résoudre des problèmes immédiatement. Du côté de la conservation, nous pouvons faire beaucoup de choses », déclare Emily Trybulec. Elle faisait partie de l’équipe qui a séquencé le génome du noyer cendré l’année dernière et a rédigé l’article qu’ils viennent de publier, et elle est de retour en tant que mentor cette année. D’autres étudiants soulignent que faire de véritables recherches dans le cadre de ce projet est complètement différent d’une expérience typique en classe dans laquelle tout est conçu pour fonctionner.
«Cela vous oblige à tendre la main, à collaborer et à chercher vous-même des réponses avant de demander de l’aide», explique Harshita Akella.
Le génome de référence du noyer cendré de l’équipe Biodiversité et Conservation Génomique est disponible ici : https://gitlab.com/PlantGenomicsLab/butternut-genome-assembly.
