Une nouvelle étude menée par 279 scientifiques, dirigée par les Jardins botaniques royaux de Kew, a mis à jour notre compréhension de l'arbre de vie des plantes à fleurs en analysant les données génétiques de plus de 9 500 espèces. Cette recherche, impliquant une collaboration internationale et des avancées technologiques significatives, fournit des informations cruciales pour la classification, la conservation et la découverte médicinale des plantes. Les résultats sont librement accessibles, promettant d’améliorer les futures études et applications botaniques.
Les scientifiques ont construit un arbre de vie révolutionnaire en utilisant 1,8 milliard de lettres de code génétique.
Une étude récente publiée dans la revue Nature par une équipe internationale de 279 scientifiques, dont trois biologistes de l'Université du Michigan, fournit les dernières informations sur l'arbre de vie des plantes à fleurs.
Utilisant 1,8 milliard de lettres de code génétique provenant de plus de 9 500 espèces Couvrant près de 8 000 genres de plantes à fleurs connus (environ 60 %), cette réalisation jette un nouvel éclairage sur l’histoire évolutive des plantes à fleurs et leur ascension vers la domination écologique sur Terre.
Dirigée par des scientifiques des Royal Botanic Gardens de Kew, l'équipe de recherche estime que les données aideront les futures tentatives visant à identifier de nouvelles espèces, à affiner la classification des plantes, à découvrir de nouveaux composés médicinaux et à conserver les plantes face au changement climatique et à la perte de biodiversité.
Cette étape majeure pour la science végétale, impliquant 138 organisations à l'échelle internationale, a été construite sur 15 fois plus de données que n'importe quelle étude comparable sur l'arbre de vie des plantes à fleurs. Parmi les espèces séquencées pour cette étude, plus de 800 n'ont jamais eu leur ADN séquencé auparavant.
Défis technologiques et solutions
La quantité considérable de données révélées par cette recherche, dont le traitement prendrait 18 ans à un seul ordinateur, constitue un grand pas en avant vers la construction d'un arbre de vie pour les 330 000 espèces connues de plantes à fleurs – une entreprise massive de l'initiative Tree of Life de Kew.
« Analyser cette quantité de données sans précédent pour décoder les informations cachées dans des millions de séquences d’ADN était un défi de taille. Mais cela a également offert l’opportunité unique de réévaluer et d’étendre nos connaissances sur l’arbre de vie végétal, ouvrant ainsi une nouvelle fenêtre pour explorer la complexité de l’évolution des plantes », a déclaré Alexandre Zuntini, chercheur aux Royal Botanic Gardens de Kew.
Tom Carruthers, chercheur postdoctoral dans le laboratoire du biologiste évolutionniste de l'UM Stephen Smith, est co-auteur principal de l'étude avec Zuntini, avec qui il a déjà travaillé à Kew. Le systématicien des plantes de l'UM, Richard Rabeler, est co-auteur.
Arbre de vie angiosperme. Crédit : RBG Kew
« Les plantes à fleurs nous nourrissent, nous habillent et nous accueillent chaque fois que nous entrons dans les bois. La construction d’un arbre de vie végétal à fleurs constitue un défi et un objectif important dans le domaine de la biologie évolutive depuis plus d’un siècle », a déclaré Smith, co-auteur de l’étude et professeur au département d’écologie et de biologie évolutive de l’UM. « Ce projet nous rapproche de cet objectif en fournissant un ensemble de données massif pour la plupart des genres de plantes à fleurs et en proposant une stratégie pour atteindre cet objectif. »
Smith a joué deux rôles sur le projet. Tout d'abord, des membres de son laboratoire, dont Drew Larson, ancien étudiant diplômé de l'UM, se sont rendus à Kew pour aider à séquencer les membres d'un groupe de plantes vaste et diversifié appelé Ericales, qui comprend les myrtilles, le thé, l'ébène, les azalées, les rhododendrons et les noix du Brésil.
Deuxièmement, Smith a supervisé les analyses et la construction de l'ensemble de données du projet avec William Baker et Felix Forest des Royal Botanic Gardens de Kew et Wolf Eisenhardt de Université d'Aarhus.
« L’un des plus grands défis auxquels l’équipe a été confrontée était la complexité inattendue qui sous-tend de nombreuses régions génétiques, où différents gènes racontent différentes histoires évolutives. Des procédures ont dû être développées pour examiner ces modèles à une échelle jamais réalisée auparavant », a déclaré Smith, également directeur du programme de biologie et conservateur associé en informatique de la biodiversité à l'UM Herbarium.
Nouvelles perspectives sur l’évolution
En tant que co-responsable de l'étude, les principales responsabilités de Carruthers comprenaient la mise à l'échelle de l'arbre évolutif dans le temps à l'aide de 200 fossiles, l'analyse des différentes histoires évolutives des gènes sous-jacents à l'arbre évolutif global et l'estimation des taux de diversification dans différentes lignées de plantes à fleurs à différents moments. .
« Construire un si grand arbre de vie pour les plantes à fleurs, basé sur autant de gènes, met en lumière l'histoire évolutive de ce groupe spécial, nous aidant à comprendre comment ils sont devenus une partie intégrante et dominante du monde », a déclaré Carruthers. dit. « Les relations évolutives présentées – et les données qui les sous-tendent – constitueront une base importante pour de nombreuses études futures. »
L’arbre de vie des plantes à fleurs, tout comme notre propre arbre généalogique, nous permet de comprendre les relations entre les différentes espèces. L'arbre de vie est découvert en comparant les séquences d'ADN entre différentes espèces pour identifier les changements (mutations) qui s'accumulent au fil du temps, comme un enregistrement fossile moléculaire.
Notre compréhension de l’arbre de vie s’améliore rapidement parallèlement aux progrès de la technologie de séquençage de l’ADN. Pour cette étude, de nouvelles techniques génomiques ont été développées pour capturer magnétiquement des centaines de gènes et des centaines de milliers de lettres de code génétique de chaque échantillon, des ordres de grandeur supérieurs aux méthodes précédentes.
Arenaria globilfora. Crédit : RBG Kew
L’un des principaux avantages de l’approche de l’équipe est qu’elle permet de séquencer une grande diversité de matériel végétal, ancien et nouveau, même lorsque l’ADN est gravement endommagé. Les vastes trésors de matériel végétal séché des collections d'herbiers du monde, qui comprennent près de 400 millions de spécimens scientifiques de plantes, peuvent désormais être étudiés génétiquement.
« À bien des égards, cette nouvelle approche nous a permis de collaborer avec les botanistes du passé en exploitant la richesse des données contenues dans des spécimens d'herbiers historiques, dont certains ont été collectés dès le début du 19e siècle », a déclaré Baker. , responsable principal de la recherche pour l'initiative Tree of Life de Kew.
« Nos illustres prédécesseurs, comme Charles Darwin ou Joseph Hooker, n’auraient pas pu prévoir l’importance que ces spécimens prendraient aujourd’hui dans la recherche génomique. L’ADN n’a même pas été découvert de leur vivant. Notre travail montre à quel point ces incroyables musées botaniques sont importants pour les études révolutionnaires sur la vie sur Terre. Qui sait quelles autres opportunités scientifiques non découvertes s’y trouvent ?
Sur l’ensemble des 9 506 espèces séquencées, plus de 3 400 provenaient de matériel provenant de 163 herbiers répartis dans 48 pays.
« L'échantillonnage de spécimens d'herbier pour l'étude des relations entre les plantes rend l'échantillonnage à grande échelle dans diverses régions du monde beaucoup plus réalisable que si l'on devait voyager pour obtenir du matériel frais sur le terrain », a déclaré Rabeler de l'UM, chercheur émérite et ancien collectionneur. directeur de l'herbier de l'UM.
Pour le projet Arbre de vie, Rabeler a aidé à vérifier l'identité des spécimens d'herbier sélectionnés pour l'échantillonnage et à analyser les données obtenues.
Les plantes à fleurs représentent à elles seules environ 90 % de toute la vie végétale connue sur terre et se trouvent pratiquement partout sur la planète, des tropiques les plus humides aux affleurements rocheux de la péninsule Antarctique. Et pourtant, notre compréhension de la manière dont ces plantes ont fini par dominer la scène peu après leur origine a déconcerté les scientifiques pendant des générations, y compris Darwin.
Les plantes à fleurs sont apparues il y a plus de 140 millions d'années, après quoi elles ont rapidement dépassé les autres plantes vasculaires, y compris leurs plus proches parents vivants, les gymnospermes (plantes non fleuries qui ont des graines nues, comme les cycadales, les conifères et le ginkgo).
Darwin était intrigué par l’apparition apparemment soudaine d’une telle diversité dans les archives fossiles. Dans une lettre de 1879 adressée à Hooker, son proche confident et directeur des Jardins botaniques royaux de Kew, il écrivait : « Le développement rapide, autant que nous puissions en juger, de toutes les plantes supérieures au cours des temps géologiques récents est un abominable mystère. »
À l’aide de 200 fossiles, les auteurs ont adapté leur arbre de vie au temps, révélant ainsi l’évolution des plantes à fleurs au fil des temps géologiques. Ils ont découvert que les plantes à floraison précoce explosaient effectivement en diversité, donnant naissance à plus de 80 % des principales lignées qui existent aujourd’hui peu après leur origine.
Cependant, cette tendance a ensuite décliné à un rythme plus régulier au cours des 100 millions d'années suivantes jusqu'à une nouvelle poussée de diversification il y a environ 40 millions d'années, coïncidant avec une baisse mondiale des températures. Ces nouvelles découvertes auraient fasciné Darwin et aideront sûrement les scientifiques d'aujourd'hui à relever le défi de comprendre comment et pourquoi les espèces se diversifient.
Collaboration mondiale et libre accès
Assembler un arbre de vie aussi étendu aurait été impossible sans la collaboration des scientifiques de Kew avec de nombreux partenaires à travers le monde. Au total, 279 auteurs ont participé à la recherche, représentant de nombreuses nationalités différentes et provenant de 138 organisations dans 27 pays.
« La communauté végétale a une longue histoire de collaboration et de coordination du séquençage moléculaire pour générer un arbre de vie végétal plus complet et plus robuste. Les efforts qui ont conduit à cet article se poursuivent dans cette tradition, mais s'intensifient de manière assez significative », a déclaré Smith de l'UM.
L’arbre de vie, une plante à fleurs, présente un énorme potentiel dans la recherche sur la biodiversité. En effet, tout comme on peut prédire les propriétés d’un élément en fonction de sa position dans le tableau périodique, la localisation d’une espèce dans l’arbre de vie permet de prédire ses propriétés. Les nouvelles données seront donc inestimables pour améliorer de nombreux domaines scientifiques et au-delà.
Pour ce faire, l'arbre et toutes les données qui le sous-tendent ont été rendus ouvertement et librement accessibles au public et à la communauté scientifique, notamment via le Kew Tree of Life Explorer.
Le libre accès aidera les scientifiques à tirer le meilleur parti des données, par exemple en les combinant avec l’intelligence artificielle pour prédire quelles espèces végétales peuvent contenir des molécules au potentiel médicinal.
De la même manière, l’arbre de vie peut être utilisé pour mieux comprendre et prédire comment les ravageurs et les maladies affecteront les plantes à l’avenir. En fin de compte, notent les auteurs, les applications de ces données dépendront de l’ingéniosité des scientifiques qui y accéderont.
