Le lotus d’eau sacré asiatique, Nelumbo nucifera — le piédestal de choix pour une variété de divinités égyptiennes et indiennes. Il est facile de comprendre pourquoi. Domaine public. Cliquez sur l’image pour le lien.
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Pour les animaux, hériter de plus que les deux copies habituelles de l’ADN est généralement une très mauvaise chose. Cela peut se produire lorsque deux spermatozoïdes fécondent un ovule, ou lorsque la division cellulaire sexuelle fait une erreur, laissant un spermatozoïde ou un ovule avec le double de la charge utile approuvée. Mais pour les embryons animaux, le résultat est généralement le même : la mort.
C’est particulièrement vrai chez les mammifères et les oiseaux, où plus de deux copies — une condition appelée polyploïdie — produit quelque chose appelé par euphémisme « perturbation générale du développement ». En pratique, cela signifie l’effondrement du système, et cela se produit très rapidement. Chez l’homme, trois copies ou plus du génome entier se produisent dans environ 5 % des fausses couches humaines.
On ne connaît que deux cas de polyploïdie réussie chez les oiseaux, et un seul chez les mammifères : le rat viscacha rouge d’Amérique du Sud (qui est beaucoup plus mignon qu’il n’y paraît). Il possède quatre copies de son génome, ce qui le rend tétraploïde.
La polyploïdie est légèrement plus fréquente chez les autres animaux. Quelques centaines de cas de polyploïdie sont connus chez les insectes, les reptiles, les amphibiens, les crustacés, les poissons et d’autres animaux « inférieurs ». La polyploïdie peut souvent être induite chez ces créatures ; un poisson appelé « truite triploïde » fait fureur chez les pêcheurs à la ligne du nord-ouest du Pacifique. Les trois jeux de chromosomes de ce poisson ne peuvent pas s’apparier correctement au cours de la division cellulaire sexuelle, ce qui le rend stérile mais lui permet de devenir plus gros que ses congénères diploïdes, puisqu’il ne gaspille pas d’énergie pour des frivolités telles que les œufs, le sperme et l’accouplement. Vous savez ce que les pêcheurs pensent des gros poissons, aussi les « triploïdes » ont-ils déjà inspiré les vidéos de pêche épiques requises.
Bien que la polyploïdie ne soit pas courante chez les animaux, on soupçonne qu’elle ait pu jouer un rôle dans l’évolution, il y a des éons, des vertébrés, des poissons à rayons et de la famille des saumons (dont font partie les truites). Mais dans l’ensemble, la polyploïdie est une affaire risquée et souvent dangereuse pour les animaux.
Ce n’est pas le cas pour les plantes, qui semblent avoir une attitude plus complaisante à l’égard de toute cette affaire.
Dans mon billet du début de semaine sur une mousse diploïde mutante, j’ai mentionné qu’elle était capable de fabriquer des œufs et des spermatozoïdes fonctionnels avec deux copies du génome au lieu d’une seule habituellement. En d’autres termes, la progéniture de ce mutant serait tétraploïde. Le fait que ces plantes semblent capables de produire une descendance polyploïde viable suggère que la polyploïdie peut être un instrument d’évolution chez les mousses, comme c’est le cas pour de nombreuses autres plantes, ont suggéré les auteurs de l’article dont j’ai parlé.
Car chez les plantes, contrairement aux animaux, la polyploïdie est courante, apparemment inoffensive, et souvent actionnée par la sélection naturelle comme instrument de spéciation. Peut-être que les plantes tolèrent mieux la duplication du génome que les animaux parce qu’elles ont des plans corporels intrinsèquement plus flexibles que les animaux, et peuvent plus facilement faire face aux changements anatomiques grossiers qui pourraient l’accompagner.
Quelle que soit la raison, la polyploïdie des plantes est endémique. Les scientifiques ont estimé que la moitié à deux tiers des plantes à fleurs sont polyploïdes, y compris plus de 99% des fougères et 80% des espèces de la famille des graminées — à l’origine du riz, du blé, de l’orge, de l’avoine et du maïs. Il en va de même pour une grande partie de nos autres cultures, notamment la canne à sucre, les pommes de terre, les patates douces, les bananes, les fraises et les pommes. Il se pourrait bien que nous ayons sélectionné artificiellement ce phénomène. Chez les plantes, la duplication du génome semble souvent aider à fabriquer plus de choses, ce qui est une bonne chose si vous cherchez à manger ces choses.
Bien que la duplication du génome puisse se produire d’elle-même chez les plantes par les mêmes mécanismes que j’ai mentionnés plus haut pour les animaux, ce n’est pas la façon la plus courante. Elle fait plus fréquemment suite à un croisement accidentel de deux espèces étroitement apparentées. Cela produit généralement une progéniture stérile, car les chromosomes mal assortis n’ont rien à quoi s’apparier pendant la division cellulaire sexuelle. Mais si, par hasard, cette chimère duplique son génome, la fertilité est rétablie en appariant le lot assorti. Simultanément, un organisme tétraploïde et une nouvelle espèce ont été créés.
Par exemple, deux des principales variétés de blé cultivées aujourd’hui sont le résultat du doublement et du quadruplement hybride séquentiel des génomes de ses ancêtres graminées sauvages. L’espèce ancestrale d’origine possédait 14 chromosomes. Aujourd’hui, les agriculteurs plantent à la fois du blé dur tétraploïde à 28 chromosomes et du blé panifiable hexaploïde à 42 chromosomes. Le blé dur permet d’obtenir des pâtes plus savoureuses, tandis que la farine hexaploïde, riche en gluten, forme des réseaux de protéines qui s’étirent en un pain plus noble et plus léger.
Deux autres plantes polyploïdes ont fait des vagues la semaine dernière : l’utriculaire carnivore et le lotus sacré. Si l’utriculaire a été sous les feux de la rampe, c’est grâce à la découverte qu’elle est presque exempte d’ADN « poubelle » ne codant pas pour les protéines, un matériel dont presque tous les autres organismes complexes sont inondés, vous y compris.
Mais la minuscule plante mangeuse d’insectes a réussi à atteindre cette parcimonie malgré trois cycles de duplication du génome. En théorie, elle possède huit copies de chaque gène, par rapport à l’ancêtre à deux copies de presque toutes les vraies ou « eudicots », un groupe massif de plantes à fleurs. Cela en fait une octoploïde. (Elle est peut-être même plus ploïde que cela si l’on tient compte du fait que les eudicots semblent avoir triplé leur génome peu après leur évolution). Mais en pratique, et pour des raisons que les scientifiques ne comprennent pas entièrement, l’utriculaire a en quelque sorte supprimé toutes les copies, sauf une, de la plupart de ses gènes dupliqués, ainsi que la grande majorité de son ADN non codant pour les protéines. Maintenant *c’est* l’efficacité.
La séquence génétique complète du lotus sacré a été publiée le 10 mai. Le lotus semble être la première plante à s’être séparée du reste des eudicots, avant même la triplication précoce du génome à laquelle je faisais allusion ci-dessus. Mais elle a doublé séparément son propre génome quelque temps après. De façon suspecte, rapportent les auteurs de l’article révélant sa séquence, ce doublement semble avoir eu lieu il y a environ 65 millions d’années.
Ceci est notable, bien sûr, parce que c’est juste à peu près l’époque où notre planète s’est fait assommer par l’astéroïde qui a dit sayonara aux dinosaures — mais aussi à environ 60% des espèces végétales. En période de stress environnemental, notent les auteurs, les plantes qui ont dupliqué leur génome semblent mieux s’adapter et survivre. On pourrait spéculer que c’est grâce à la matière première qu’un deuxième ensemble de gènes superflus fournit à la sélection naturelle pour créer des protéines avec de nouvelles fonctions.
De nombreuses autres espèces végétales semblent avoir doublé leurs génomes à l’époque de l’impact de l’astéroïde K-T, écrivent les auteurs, ce qui suggère que, quelles que soient les conditions de l’époque, la polyploïdie semble avoir été une bonne stratégie de survie pour les plantes. C’était également une option bien moins disponible pour les animaux, qui, pour cette raison et probablement pour bien d’autres (ils n’ont pas la capacité de certaines plantes à fabriquer des structures de repos fortifiées et à entrer en dormance, par exemple), ont subi des pertes plus importantes. On pense que peut-être 80 % des espèces animales de la Terre ont disparu dans les suites catastrophiques de l’impact.
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