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Interactions entre génomes nucléaire et cytoplasmique chez les plantes

Des lignées d’Arabidopsis thaliana, dans lesquelles génomes nucléaire et cytoplasmique proviennent de souches naturelles différentes, ont permis de montrer que les interactions nucléo-cytoplasmiques ont un impact sur des caractères adaptatifs en conditions naturelles. Ces interactions participent à des barrières reproductives entre des souches distantes et peuvent ainsi contribuer à la spéciation.

Jeune homme observant des plants d'arabidopsis thaliana ou Arabette des dames, dans une serre confinée de l'UMR Génomique végétale du centre de recherche Inra de Versailles-Grignon.. © Bertrand NICOLAS - Inra, NICOLAS Bertrand
Mis à jour le 27/06/2017
Publié le 21/06/2017

L’amélioration des plantes fait face au double défi de préparer l'agriculture future à de nouvelles contraintes environnementales, comme une alimentation en eau limitée, tout en améliorant sa durabilité et en réduisant sa dépendance à l'égard des intrants chimiques. Cela implique que les futures variétés possèdent une physiologie robuste et bien adaptée notamment aux stress environnementaux.

L'impact des interactions nucléo-cytoplasmiques sur des caractères phénotypiques essentiels à la valeur sélective des plantes et /ou aux performances agronomiques des cultures est bien documenté au niveau interspécifique. Par contre, l’implication des facteurs cytoplasmiques et des interactions nucléo-cytoplasmiques au niveau intraspécifique est peu étudiée et leurs effets sont largement négligés dans les stratégies d'amélioration des plantes. Il convient également de se rappeler que les interactions nucléo-cytoplasmiques participent à des stérilités mâles qui sont exploitées pour la production d’hybrides de plantes cultivées, mais peuvent également contribuer à l’établissement de barrières reproductives limitant les brassages génétiques.

Des cytolignées d’Arabidopsis thaliana permettent d'étudier la co-adaptation nucléo-cytoplasmique …

Dans la perspective d’explorer les interactions nucléo-cytoplasmiques, des chercheurs de l’Inra ont construit 56 cytolignées de la plante modèle Arabidopsis thaliana dans lesquelles le génome des organites (chloroplastes et mitochondries) et le génome nucléaire proviennent de différents variants naturels. Cette construction a été réalisée à partir de croisements réciproques entre huit souches qui représentent l'essentiel de la diversité de l'espèce des "cytolignées".

Grâce à ce matériel, ils ont montré que les interactions nucléo-cytoplasmiques ont un impact sur le phénotype des plantes dans des conditions naturelles, notamment sur des caractères adaptatifs liés à la germination, l’accumulation des ressources, la phénologie, la dispersion des graines, la fécondité et la survie.

…et révélent une stérilité mâle cytoplasmique

Ce matériel a également permis de mettre en évidence une stérilité mâle cytoplasmique cryptique chez A. thaliana. Cette stérilité mâle cytoplasmique participe à la stérilité d'un hybride entre deux variants distants. Ainsi, les conflits génomiques qui sous-tendent la stérilité mâle cytoplasmique peuvent concourir à édifier des barrières reproductives entre des souches distantes d'une même espèce, qui limitent parfois l’exploitation des ressources génétiques en amélioration des plantes cultivées.

La ressource génétique produite et les résultats obtenus ouvrent la voie à une meilleure prise en compte des interactions entre noyau et cytoplasme dans la compréhension de l’élaboration du phénotype, et à leur exploitation en amélioration des plantes. De plus, ils permettront l'identification de mécanismes moléculaires à l’origine d’un isolement reproductif susceptible de conduire à la spéciation, et la compréhension de l'histoire évolutive des locus impliqués.

 

 

Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet CYTOPHENO - Co-adaptation nucléo-cytoplasmique et phénotypes adaptatifs des plantes (ANR 2012-2016).

En savoir plus

Roux F, Mary-Huard T, Barillot E, Wenes E, Botran L, Durand S, Villoutreix R, Martin-Magniette M-L, Camilleri C, Budar F (2016) Cytonuclear interactions affect adaptive traits of the annual plant Arabidopsis thaliana in the field. Proceedings of the National Academy of Sciences 113: 3687.

Simon M, Durand S, Pluta N, Gobron N, Botran L, Ricou A, Camilleri C, Budar F (2016) Genomic Conflicts that Cause Pollen Mortality and Raise Reproductive Barriers in Arabidopsis thaliana. Genetics 203: 1353.