Avril 2008 - La paléo-génomique ou comment reconstruire l’histoire des génomes des céréales sur 90 millions d’années pour l’amélioration des variétés de demain


Les chercheurs de l’INRA ont modélisé l’évolution des génomes de céréales (riz, blé, sorgho et maïs) à partir d’un ancêtre commun à 5 chromosomes. Pour cela, ils ont étudié les duplications du génome de blé et ont réalisé une analyse comparée avec le génome du riz et d’autres céréales. Le modèle, qui définit précisément les régions chromosomiques du riz, du blé, du sorgho et du maïs portant des gènes communs, permettra d’utiliser les connaissances acquises sur les génomes de l’ensemble de ces espèces pour améliorer chez le blé des caractéristiques agronomiques aussi importantes que le rendement, la résistance aux stress… Les céréales regroupent plus de 10 000 espèces et constituent la famille botanique la plus importante pour l’agriculture mondiale.

Les chercheurs de l’INRA ont identifié et analysé 7 duplications (copies) génomiques conservées entre les génomes de blé et de riz, appelées paléo-duplications. Ils ont identifié dans un premier temps 12 régions dupliquées au sein du génome de blé en analysant les relations d’homologies entre 6426 gènes cartographiés chez le blé. Parallèlement, sur la base des 42654 gènes annotés à l’heure actuelle chez le riz (génome totalement séquencé et annoté depuis 2005), ils ont mis en évidence 29 duplications chromosomiques au sein de ce génome. La comparaison des séquences des gènes disponibles chez le blé et des gènes annotés chez le riz leur a ensuite permis de caractériser finement 13 blocs de synténie (blocs de conservation de l’ordre des gènes) entre ces deux génomes. En intégrant les informations relatives aux duplications identifiées chez le blé et le riz ainsi que les blocs de synténie liant les deux génomes, ils ont pu identifier et caractériser 7 événements de paléo-duplication conservés entre les deux génomes.

Toutes les céréales sont issues d’un ancêtre à 5 chromosomes

Finalement, en poursuivant l’analyse comparée avec les données disponibles chez le sorgho et le maïs, les chercheurs ont construit un modèle évolutif des génomes de céréales (riz, blé, sorgho et maïs) à partir d’un ancêtre commun à 5 chromosomes.

Ce modèle permet de suivre le devenir des fragments chromosomiques aboutissant à des nombres de chromosomes différents dans les 4 espèces étudiées. Il propose pour la première fois un génome ancêtre à 5 chromosomes (datant de 90 millions d’années) et un intermédiaire à 12 chromosomes, apparu il y a 60 millions d’années, dont le riz reste le plus proche représentant.

Le transfert de connaissances d’une céréale à une autre est facilité

La connaissance de la structure de l’ancêtre commun des génomes de céréales et des relations entre certaines régions chromosomiques des espèces cultivées permet aux chercheurs d’identifier avec précision les régions au sein des génomes du riz, du blé, du sorgho du et maïs qui portent des gènes ayant une origine commune. Grâce à ce résultat, les informations obtenues sur la fonction d’un gène chez une de ces espèces (par exemple rôle dans la hauteur de la plante, la vernalisation, etc…) devraient permettre d’interpréter plus facilement sa fonction dans les autres espèces.

Ce modèle qui définit précisément les régions chromosomiques du riz, du blé, du sorgho et du maïs qui portent des gènes en commun est un outil pour améliorer chez le blé des caractéristiques agronomiques aussi importantes que le rendement, la résistance aux stress… Le séquençage complet en cours des génomes du maïs, du sorgho et du brome sera utilisé pour compléter et valider ce modèle évolutif.

La polyploïdie a joué un rôle majeur dans l’évolution des génomes des céréales

La polyploïdie (le doublement du contenu chromosomique) constitue un mécanisme important de diversification et de génération de variabilité génétique dans le cadre de l’adaptation des plantes à leur environnement. La majorité des plantes, y compris les plantes cultivées, sont des polyploïdes, soit relativement récents (comme le colza, le blé, le cotonnier, la pomme de terre, la luzerne), soit anciens, retenant encore des "vestiges" d'événements de polyploïdisation plus anciens tels que le riz et le maïs.

Les génomes des céréales ont subit différents événements de polyploïdisation au cours de leur évolution, dont certains remontent à leur ancêtre commun il y a plus de 90 millions d’années. Les analyses de génomique comparées dans cette famille permettent d’étudier les mécanismes de fusions, translocations, duplications qui façonnent l’évolution des espèces ainsi que leur impact sur le fonctionnement des gènes et des génomes.

Références :
Salse J, Bolot S, Throude M, Jouffe V, Piegu B, Masood U, Calcagno T, Cooke R, Delseny M, Feuillet C (2008) Identification and characterization of conserved duplications between rice and wheat provide new insight into grass genome evolution. Plant Cell. Published on January 4, 2008; 10.1105/tpc.107.056309
Salse J, Feuillet C (2007) Comparative genomics of cereals. Chapter 18 in Genomics-Assisted Crop Improvement ; published by Springer Verlag. pp 177-205

Contacts :
Jérôme SALSE
tél. : 04 73 62 43 80
jerome.salse@clermont.inra.fr
Equipe Structure, fonction et évolution des génomes de blé
Unité mixte de recherche «Génétique, Diversité et Ecophysiologie des Céréales» INRA-Université Clermont II,
Département «Génétique et amélioration des plantes »
Centre de Clermont-Ferrand-Theix.