Comparative plastome genomics of Lobeliain the Mexican Transition Zone reveals conserved genome structure (Campanulaceae: Lobelioideae)

À l'intérieur des cellules de presque toutes les plantes de la Terre se trouve une minuscule bibliothèque indépendante d'instructions génétiques. Ces instructions, logées dans des structures appelées chloroplastes, indiquent à la plante comment transformer la lumière du soleil en nourriture. Depuis des centaines de millions d'années, la disposition de ces bibliothèques génétiques est restée remarquablement stable, comme un livre classique qui aurait été réimprimé pendant des générations sans que l'ordre de ses chapitres ou son nombre de pages ne change. Cette stabilité est si forte que lorsque les scientifiques découvrent une plante dotée d'une structure génétique radicalement différente, cela apparaît comme un événement rare et significatif. Cependant, dans la famille de plantes appelée Campanulaceae, qui comprend les campanules et les lobélies, l'histoire est plus complexe. Cette famille est célèbre pour avoir des bibliothèques génétiques qui ont été mélangées, découpées et collées d'une manière qui enfreint les règles habituelles. Bien que les scientifiques sachent depuis longtemps que ces réarrangements se produisent, ils manquaient d'une carte détaillée de la manière dont ils surviennent dans l'un des groupes les plus diversifiés de cette famille : les lobélies de la zone de transition mexicaine.

Cette région, où les climats frais d'Amérique du Nord rencontrent les climats chauds des tropiques d'Amérique centrale, est un foyer de diversité végétale. Elle abrite des dizages d'espèces de Lobelia, un genre qui a longtemps laissé perplexes les botanistes car ses différents groupes ne s'emboîtent pas toujours parfaitement dans l'arbre généalogique de la famille. Pour comprendre comment ces plantes sont liées et comment leurs bibliothèques génétiques ont changé au fil du temps, une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de lire le code génétique complet de quarante et une espèces de lobélies différentes et de leurs parents proches. Ils ne se sont pas contentés d'examiner quelques phrases éparses du livre génétique ; ils ont assemblé le volume entier pour chaque espèce. En comparant ces cartes génétiques complètes, ils voulaient voir si le mélange chaotique observé dans la famille végétale plus large se produisait partout dans cette région spécifique, ou si ces lobélies particulières avaient réussi à garder leurs livres génétiques largement intacts.

Les chercheurs ont rassemblé des échantillons de plantes auprès d'herbiers, qui sont des collections de spécimens de plantes conservés, et ont extrait le matériel génétique des feuilles. À l'aide de puissantes machines de séquençage, ils ont lu l'ADN et assemblé les cartes génétiques circulaires complètes pour quarante et une espèces, comprenant trente-huit lobélies et trois espèces d'un genre étroitement apparenté appelé Diastatea. Lorsqu'ils ont juxtaposé ces cartes, la première chose qu'ils ont remarquée fut un sentiment de l'ordre surprenant. Malgré la réputation de cette famille de plantes pour avoir des génomes désordonnés et réarrangés, la structure globale de la bibliothèque génétique de ces lobélies mexicaines était hautement conservée. Pour la plupart des espèces, la disposition des gènes et la taille du génome étaient presque identiques, suggérant que pour ce groupe spécifique, le livre génétique n'a pas été beaucoup réécrit.

Cependant, au sein de cet ordre général, l'équipe a trouvé deux exceptions distinctes qui agissaient comme des signatures uniques pour des espèces spécifiques. Chez une espèce, Lobelia gypsophila, une grande section de la bibliothèque génétique avait été retournée. Cette inversion, qui affecte un segment contenant plusieurs gènes importants, n'a été trouvée que dans cette seule espèce et non chez ses parents proches. Dans une autre espèce, Lobelia yucatana, la bibliothèque génétique avait légèrement rétréci car une section répétitive spécifique, qui sert habituellement d'ancre stabilisatrice dans le génome, était devenue beaucoup plus courte. Ce raccourcissement a provoqué l'expansion d'une autre partie du génome pour combler le vide. Ces changements n'étaient pas répandus dans tout le groupe mais étaient des incidents isolés, survenant dans une seule espèce chacun.

L'étude a également examiné un gène spécifique appelé infA, qui aide la cellule à commencer à lire les instructions génétiques. Chez de nombreuses plantes, ce gène a été perdu ou brisé au fil du temps. Les chercheurs ont découvert que parmi les quarante et une espèces étudiées, le gène fonctionnait parfaitement chez trente d'entre elles. Dans cinq espèces, le gène était présent mais brisé, comme une phrase avec des lettres manquantes qui la rend illisible. Dans six autres espèces, le gène était complètement absent. Ce schéma a montré que la perte ou la rupture de ce gène s'est produite de manière indépendante dans différentes branches de l'arbre généalogique, plutôt que d'être un événement unique ayant affecté l'ensemble du groupe à la fois.

Lorsque les chercheurs ont utilisé ces cartes génétiques complètes pour construire un arbre généalogique, les résultats ont clarifié certaines questions de longue date sur la parenté de ces plantes. L'analyse a confirmé que quatre des cinq grands groupes de lobélies de la région sont des familles naturelles distinctes. Cependant, elle a également confirmé que le cinquième groupe, connu sous le nom de Stenotium, n'est pas une seule famille naturelle mais est plutôt un mélange de différentes lignées qui ne partagent pas un ancêtre commun exclusif à elles. De plus, l'étude a montré que le genre Diastatea, que l'on pensait séparé, s'insère en réalité au sein du groupe mixte Stenotium. Cela suggère que la manière actuelle dont les scientifiques nomment et regroupent ces plantes doit être révisée pour refléter leur véritable histoire évolutive.

Les conclusions brossent le portrait d'un groupe de plantes qui, bien que vivant dans une région connue pour sa diversité, ont conservé une architecture génétique interne étonnamment stable. Les rares changements qui se sont produits étaient spécifiques à des espèces individuelles plutôt que des changements massifs à travers tout le groupe. Cela contraste avec l'histoire plus large de la famille des plantes, où les réarrangements génétiques massifs sont courants. L'étude fournit une base solide pour comprendre l'évolution de ces plantes et offre une vue plus claire de leurs relations. En montrant que la structure génétique est principalement conservée, les chercheurs ont offert aux botanistes un cadre fiable pour étudier l'histoire de ces plantes, tandis que les rares changements uniques qu'ils ont trouvés servent de marqueurs aidant à distinguer des espèces et des lignées spécifiques.