Une étude révolutionnaire cartographie les relations génétiques de plus de 9 500 espèces de plantes à fleurs, créant ainsi un arbre de vie avancé qui améliore notre compréhension de leur histoire évolutive et de leurs utilisations potentielles dans divers domaines scientifiques. Crédit : Issues.fr.com
Le plus grand arbre de vie jamais créé pour les plantes à fleurs a été construit en séquençant les ADN de plus de 9 500 espècestraçant les connexions évolutives et génétiques entre ces plantes.
Une étude récente publiée dans la revue Nature, rédigé par une équipe internationale de 279 chercheurs, dont trois scientifiques du Jardin botanique de New York (NYBG), offre les dernières informations sur les relations évolutives et génétiques entre les plantes à fleurs. Ces plantes représentent environ 90 pour cent de toutes les espèces végétales connues.
En utilisant 1,8 milliard de lettres de code génétique provenant de plus de 9 500 espèces couvrant près de 8 000 genres de plantes (groupes d’espèces étroitement apparentées), l’équipe de recherche a pu créer l’arbre de vie le plus détaillé : une représentation graphique des relations entre espèces semblable à un arbre généalogique. – à ce jour pour ce groupe de plantes, apportant un nouvel éclairage sur l'histoire évolutive des plantes à fleurs et leur ascension vers la domination écologique sur Terre. Les auteurs de l'étude pensent 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 à la double crise de la biodiversité et du climat.
Fabián Michelangeli, Ph.D., conservateur de la botanique tropicale à l'Abess et directeur de l'Institut de botanique systématique du NYBG, a contribué à cette étape majeure de la science végétale ; Gregory M. Plunkett, Ph.D., directeur et conservateur du programme Cullman de NYBG pour la systématique moléculaire ; et John D. Mitchell, scientifique affilié au NYBG.
Une équipe internationale de chercheurs, comprenant trois scientifiques du Jardin botanique de New York (NYBG), a utilisé le code génétique de plus de 9 500 espèces de plantes à fleurs pour créer l’arbre de vie évolutif le plus détaillé à ce jour pour ce groupe de plantes. Crédit : RBG Kew
« Bien que les principaux objectifs de ce projet à grande échelle étaient de comprendre les relations entre tous les genres de plantes à fleurs, il met également en lumière le calendrier des événements majeurs dans l'évolution des formes florales complexes et des histoires de vie », a déclaré le Dr Michelangeli. «Des analyses à grande échelle comme celle-ci peuvent fournir un contexte pour les stratégies de conservation, l'agriculture durable et de nombreuses autres applications nécessitant des connaissances de base sur la biodiversité. Comprendre les relations entre les organismes est la pierre angulaire de toutes les sciences et applications de la biodiversité.
L'équipe de recherche, dirigée par les Jardins botaniques royaux de Kew et impliquant 138 organisations à l'échelle internationale, a utilisé 15 fois plus de données que n'importe quelle étude comparable sur l'arbre de vie des plantes à fleurs. Parmi les espèces incluses dans l’étude, l’ADN de plus de 800 n’avait jamais été séquencé auparavant. La quantité considérable de données révélées par cette recherche, dont le traitement prendrait 18 ans à un seul ordinateur, constitue un énorme pas en avant vers la construction d’un arbre de vie pour les 330 000 espèces connues de plantes à fleurs.
Drs. Michelangeli, Plunkett et M. Mitchell ont fourni leur expertise sur les familles de plantes qu'ils étudient ainsi que des échantillons savamment identifiés pour une variété de groupes de plantes, avec une grande proportion provenant de la famille des plantes tropicales Melastomataceae, qui est la spécialité du Dr Michelangeli, et le Familles des Apiacées (persil ou carotte) et des Araliacées (ginseng), étudiées par le Dr Plunkett.
Déverrouiller des spécimens d’herbiers historiques pour une recherche de pointe
L’arbre de vie des plantes à fleurs, tout comme un arbre généalogique, permet aux scientifiques 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. La compréhension scientifique 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.
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 plantes séchées et conservées dans les collections d'herbiers du monde, qui comprennent près de 400 millions de spécimens, peuvent désormais être étudiés génétiquement. À l’aide de tels spécimens, l’équipe a réussi à séquencer un sandwort (Arenaria globiflora) collectés il y a près de 200 ans au Népal et, malgré la mauvaise qualité de son ADN, ont pu le placer sur l'arbre de vie. L'équipe a même analysé des plantes disparues, comme l'olivier de l'île de Guadalupe (Hesperelaea palmeri), qui n'a pas été vue vivante depuis 1875. En fait, 511 des espèces séquencées sont déjà en danger d'extinction, selon la Liste rouge, la compilation faisant autorité des espèces végétales, fongiques et animales menacées dans le monde, maintenue par l'International Union pour la conservation de la nature.
Sur l’ensemble des 9 506 espèces séquencées, plus de 3 400 provenaient de matériel provenant de 163 herbiers répartis dans 48 pays. Des documents supplémentaires provenant de collections de plantes du monde entier, tels que des banques d'ADN, des graines et des collections vivantes, ont été essentiels pour combler les principales lacunes des connaissances et apporter un nouvel éclairage sur l'histoire de l'évolution des plantes à fleurs. L’équipe a également bénéficié de données accessibles au public sur plus de 1 900 espèces, soulignant la valeur de l’approche scientifique ouverte pour la future recherche génomique.
Illuminer « l’abominable mystère » de Darwin
Les plantes à fleurs représentent 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 Charles 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, des 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 Joseph Dalton Hooker, son proche confident et directeur des Jardins botaniques royaux de Kew, il écrit : « 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 chercheurs 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 la diversité des plantes à floraison précoce explosait, donnant naissance à plus de 80 pour cent 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.
Assembler un arbre de vie aussi étendu aurait été impossible sans la collaboration de scientifiques du monde entier. Au total, 279 auteurs ont participé à la recherche, représentant de nombreuses nationalités différentes et provenant de 138 organisations dans 27 pays. Des collaborateurs internationaux ont partagé leur expertise botanique unique ainsi que de nombreux échantillons de plantes inestimables du monde entier qui n'auraient pu être obtenus sans leur aide. La nature globale de l’arbre est en grande partie le résultat de ce vaste partenariat.
« Des efforts comme celui-ci montrent comment la communauté scientifique internationale peut s'unir pour collaborer et produire quelque chose qu'aucun groupe de recherche ou institution ne peut réaliser seul », a déclaré le Dr Michelangeli.
Faire bon usage de l’arbre de vie, une plante à fleurs
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 aux scientifiques 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. Les auteurs de l'étude estiment qu'un tel libre accès est essentiel pour démocratiser l'accès aux données scientifiques à travers le monde.
Le libre accès aidera également 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 à potentiel médicinal. De la même manière, l’arbre de vie peut être utilisé pour mieux comprendre et prédire comment les ravageurs et les maladies pourraient affecter les plantes du monde à l’avenir. En fin de compte, notent les auteurs, les applications des données dépendront de l’ingéniosité des scientifiques.
