POGED: A Plant Orthologous Group Evolution Database

Pour comprendre comment la vie sur terre a évolué, les scientifiques regardent souvent les manuels d'instructions à l'intérieur des cellules : les gènes. Tout comme un arbre généalogique retrace les liens de parenté entre les personnes, un arbre généalogique de familles de gènes retrace la façon dont des gènes spécifiques ont changé et se sont multipliés au cours de millions d'années. Lorsqu'une espèce se divise en deux, ses gènes se divisent aussi ; ces gènes apparentés sont appelés orthologues. En comparant ces orthologues entre différentes plantes, les chercheurs peuvent voir comment la nature a ajusté les fonctions biologiques pour aider les organismes à survivre dans de nouveaux environnements, des profondeurs de l'océan aux déserts les plus arides. Cependant, effectuer cette comparaison est incroyablement difficile. Il existe des milliers d'espèces végétales, chacune possédant des millions de gènes, et trier ces données pour trouver les véritables parents nécessite des compétences informatiques complexes que de nombreux biologistes ne possèdent pas. Sans une carte claire, il est facile de s'y perdre dans le volume colossal de données, manquant ainsi les changements subtils qui expliquent pourquoi une fougère est différente d'une fleur ou pourquoi une mousse survit à l'ombre tandis qu'un cactus prospère sous le soleil.

Une équipe de chercheurs a conçu un nouvel outil numérique pour résoudre ce problème, créant une carte complète des relations génétiques à travers le monde vert des plantes et des algues. Ils l'appellent la base de données POGED (Plant Orthologous Group Evolution Database). Au lieu de forcer les scientifiques à exécuter eux-mêmes des programmes informatiques compliqués, POGED effectue le travail difficile en amont. Elle a rassemblé les données génétiques de 57 espèces différentes, allant des algues vertes simples et des mousses aux plantes à fleurs complexes comme le blé, le riz et la tomate. La base de données utilise des logiciels puissants pour regrouper les gènes qui partagent un ancêtre commun et pour identifier les parties fonctionnelles spécifiques, ou domaines, qui composent chaque protéine. Cela permet à n'importe quel chercheur, quel que soit son bagage technique, de voir instantanément comment une famille de gènes spécifique a évolué à travers tout l'arbre de la vie verte.

La base de données fonctionne comme une bibliothèque hautement organisée où l'on peut rechercher des gènes de plusieurs manières différentes. Si un scientifique étudie un gène spécifique, il peut taper son nom, et le système lui montrera immédiatement les gènes correspondants dans les 57 espèces. Il fournit ensuite un arbre généalogique visuel montrant comment ces gènes sont liés et propose une liste des séquences génétiques réelles pour des études plus approfondies. Alternativement, si un chercheteur s'intéresse à un type spécifique de bloc de construction de protéine, il peut effectuer une recherche par ce composant. Le système trouvera alors chaque protéine dans chaque espèce contenant ce bloc spécifique, montrant comment les parties environnantes de la protéine ont changé au fil du temps. Ceci est crucial car l'arrangement de ces blocs de construction détermine souvent la fonction d'une protéine. La base de données permet également aux scientifiques de télécharger leurs propres données génétiques pour les comparer aux 57 espèces déjà stockées, ou d'effectuer des recherches de similitude standards pour trouver de nouveaux candidats à l'étude.

Pour prouver l'efficacité de l'outil, les chercheurs l'ont testé sur un groupe de gènes bien connu appelé MAPKs, qui agissent comme des messagers à l'intérieur des cellules végétales, aidant ces dernières à répondre aux signaux de stress et de croissance. Lorsqu'ils ont utilisé POGED pour examiner ces gènes, la base de données les a correctement classés en deux grandes familles basées sur leur structure interne, correspondant à ce que les scientifiques savaient déjà grâce à des années de recherche manuelle. Cela a confirmé que la base de données pouvait distinguer avec précision les différents embranchements évolutifs. L'équipe a ensuite utilisé l'outil pour examiner un bloc de construction protéique spécifique présent dans de nombreuses enzymes végétales. Ils ont découvert que, bien que ce bloc central soit commun, il est souvent attaché à différents blocs « accessoires » dans différentes plantes. Par exemple, chez certaines plantes, il est couplé à des blocs qui aident la plante à percevoir le monde extérieur, tandis que chez d'autres, il est couplé à des blocs qui l'aident à reconnaître les bactéries. Ce schéma a révélé comment les plantes ont évolué vers de nouvelles façons de percevoir leur environnement en réorganisant simplement ces parties modulaires.

Les chercheurs ont également utilisé POGED pour explorer l'histoire de la manière dont les plantes ont appris à survivre sur terre. En retraçant l'évolution des gènes impliqués dans la fermeture des minuscules pores sur les feuilles, appelés stomates, la base de données a aidé à confirmer que la capacité de fermer ces pores en réponse à des signaux de sécheresse existait chez les ancêtres des plantes terrestres, bien avant l'apparition des plantes à fleurs. De plus, l'outil a aidé à découvrir comment certaines fougères ont évolué pour ouvrir leurs stomates très rapidement en réponse à la lumière bleue. L'analyse a montré que ces fougères ont subi plusieurs cycles de duplication de gènes, leur donnant des copies supplémentaires des gènes nécessaires à cette réponse rapide. Ce boost génétique a probablement permis de prospérer dans les conditions de faible luminosité des fonds de forêts, les aidant à devenir l'un des groupes de plantes les plus diversifiés de la Terre aujourd'hui.

La création de POGED représente une étape importante pour la science végétale car elle rend les données évolutives complexes accessibles à tous. En intégrant les données de 57 espèces représentatives et en automatisant le travail difficile de recherche des parents génétiques, la base de données permet aux scientifiques de se concentrer sur la découverte plutôt que sur le traitement des données. Elle a déjà été utilisée pour identifier des gènes qui aident les plantes à tolérer le sel, la chaleur et les métaux lourds, ainsi que pour comprendre comment les plantes communiquent entre elles. À mesure que de nouveaux génomes seront séquencés et ajoutés à la collection, cet outil continuera de servir de centre névralgique pour comprendre comment le monde vert a changé et s'est adapté au cours de centaines de millions d'années, offrant une vue claire de l'histoire génétique qui sous-tend la diversité de la vie sur notre planète.