Vulgarisation scientifique

Vous avez tous connaissance du fait que, par exemple dans le genre Ophrys, il existe de nombreux taxons que la morphologie distingue, mais que les séquences nucléotidiques de l’ADN nucléaire, chloroplastique et mitochondrial peinent le plus souvent à séparer. Fort heureusement, nous savons désormais que la variabilité génétique n’est pas seulement liée au polymorphisme résultant de mutations comme le changement d’une paire de nucléotides de l’ADN (single nucleotide polymorphism ou SNP), ou encore comme les insertions-délétions (indels) de très courtes séquences de nucléotides. En effet, de nouvelles formes de variabilité à l’origine de divers polymorphismes, ont été décelées dans les génomes. Il s’agit de changements non pas dans la séquence de l’ADN, mais de modifications dans l’expression du génome : méthylation des cytosines de l’ADN, modifications des histones, ou de modification dans la structure du génome : CNVs pour copy number variations ou variations du nombre de copies de certains gènes, polyploidie et ses conséquences (comme l’élimination ou l’extinction d’une copie de gène dupliqué, la divergence fonctionnelle des copies de gènes dupliqués, les réarrangements chromosomiques, etc....). Comme l’ont montré Soltis et al. (2009) chez les Angiospermes, les radiations évolutives succèdent aux événements de polyploïdisation. Il est à peu près certain, au moins pour les génomes végétaux, que l’hybridation et la polyploïdie (notamment l’allopolyploïdie qui regroupe des génomes sensiblement différents), en enrichissant les génomes en nouvelles copies de gènes, sont le support de leur histoire évolutive. Il n’est pas possible d’expliquer l’évolution du vivant par les seules mutations ponctuelles, et il s’est avéré nécessaire d’intégrer mutations ponctuelles, indels, méthylation des cytosines de l’ADN, modifications des histones, CNVs, polyploïdie, etc…, pour mieux rendre compte de leur évolution.
Je lisais ou relisais quelques articles ayant trait aux mécanismes épigénétiques (entendus ici comme variation de l’expression du génome sans altération de la séquence des nucléotides de l’ADN). J’en retiens deux parmi les plus intéressants. C’est mon (bon) coté « bio » qui me pousse à vous en parler. Ceci afin de vous faire réfléchir au sujet des mécanismes épigénétiques dont l’importance n’est pas encore apparue clairement dans le monde des Orchidées.
J’espère, que cela va vous intéresser, à un moment ou débutent à peine (et seulement pour les veinards du sud) les balades.



Méthylation de l’ADN
Pour ceux d’entre vous qui s’intéressent de près ou de loin aux abeilles (j’espère qu’ils sont nombreux), je vous résume le contenu d’un article de 2008 écrit par des collègues australiens (Kucharski R, Maleszka J, Foret S, Maleszka R, 2008 Nutritional Control of Reproductive Status in Honeybees via DNA Methylation. Science 379 : 1827-1830).
Comme vous le savez certainement, différentes abeilles (sociales ou solitaires) sont les pollinisatrices de pas mal de nos Ophrys. « Dans une ruche, la reine (fertile) et les ouvrières (stériles) constituent les deux formes de femelles adultes. Reines et ouvrières se développent à partir de larves génétiquement identiques, mais nourries différemment (les reines à partir de gelée royale). Kucharski et al. (2008) ont pu montrer que l’extinction, chez les larves nouvellement écloses, de l’expression d’une enzyme particulière (une « DNA methyl transférase » nommée Dnmt3), connue pour permettre une reprogrammation épigénétique globale, simule l’effet de la gelée royale et permet la formation de reines (ovaires développés) chez Apis mellifera.
La méthylation de l’ADN est utilisée chez Apis mellifera pour stocker de l’information épigénétique. Cette information peut être modifiée par la nutrition. Ainsi, la souplesse des modifications épigénétiques permet de profonds changements, avec des conséquences sur le type de développement et le comportement. Cette étude montre que chez A. mellifera, la méthylation de l’ADN est une composante importante d’un réseau épigénétique contrôlant un aspect fondamental de la sociabilité, la répartition du travail par la reproduction. »
Ceci pour montrer que le déterminisme du sexe résulte (et c’est également vrai chez les Mammifères ou les Cucurbitaceae) de subtiles variations épigénétiques qui éteignent ou remettent en fonction certains gènes. Ce type de régulation doit nécessairement trouver des applications chez nos Orchidées.

Variations du nombre de copies de gènes
Je voudrais illustrer la très grande importance des variations du nombre de copies de séquences ADN, pour faire simple de gènes (CNVs), par un exemple très intéressant, dont il est facile de percevoir les implications pour nos Orchidées terrestres. « Les CNVs paraissent être un moyen rapide de modifier le nombre de gènes, ce qui peut directement modifier le phénotype. Si cet effet est bénéfique et soumis à une forte pression sélective durant plusieurs générations, le nombre de copies peut croître et l’effet phénotypique peut s’intensifier. Un remarquable exemple d’une très rapide évolution d’un génome végétal a récemment été publié (Gaines et al., 2010), impliquant la résistance au glyphosate d’Amaranthus palmeri, une (trop) importante mauvaise herbe de la partie sud des Etats-Unis. Le glyphosate est un herbicide non sélectif qui agit en inhibant l’activité de la 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS), une enzyme importante dans la voie de biosynthèse des shikimate, chez les plantes. Cette voie de biosynthèse convertit le phosphoenol pyruvate (PEP) en chorismate, présurseur de la biosynthèse des acides aminés aromatiques. L’enzyme EPSPS catalyse la biosynthèse du 5-enolpyruvylshikimate-3-phos¬phate (EPSP) à partir du shikimate-3-phosphate (S3P) et de la PEP. Chez les plantes sensibles, le glyphosate occupe le site de liaison au PEP de la protéine EPSPS en agissant comme un inhibiteur compétitif de son activité enzymatique. Durant des années, le glyphosate a été utilisé de façon efficace pour contrôler l’envahissement et la croissance de nombreuses mauvaises herbes incluant Amaranthus palmeri. Mais il y a maintenant 8 ans, des populations d’A. palmeri résistantes au glyphosate ont été décelées en Georgie, et depuis cette date, la zone infestée dans cet état et dans d’autres états des Etats-Unis, s’est considérablement accrue (Gaines et al., 2010). Il a été possible de montrer que la résistance d’A. palmeri au glyphosate est la conséquence d’un accroissement du nombre de copies du gène EPSPS, résultant dans une augmentation de la quantité de transcrits puis de protéines EPSPS, permettant un taux de survie accru à des doses plus élevées de glyphosate (Gaines et al., 2010, 2011). Les plantes résistantes possèdent un nombre plus élevé de copies du gène EPSPS (de l’ordre de 40 à 100 fois plus que les plantes sensibles au glyphosate. La production plus forte d’enzymes EPSPS, due à un accroissement du nombre de copies du gène, permet aux plantes de surmonter l’effet inhibiteur du glyphosate, très probablement en fournissant un nombre de molécules d’enzyme suffisamment élévé pour qu’une partie d’entre elles puissent se lier à leur substrat physiologique (la PEP), même en présence de glyphosate. » Ainsi que le confirment Zmienko et al. (2014), la résistance au glyphosate (récente, mais en expansion rapide) existe également chez Amaranthus tuberculatus et dans des populations de l’Arkansas du ray-grass d’Italie (Lolium perenne ssp. mul¬tiflorum), plantes chez lesquelles cette résistance est également attribuée à un accroissement du nombre de copies du gène EPSPS. Ces exemples EPSPS montrent que l’accumulation du nombre de copies constitue un mécanisme d’évolution très rapide dans des conditions de forte pression de sélection.

J’espère que ces quelques lignes vous ont intéressés, non seulement pour le type d’information (variations dans l’expression du génome) mais surtout pour le fait que l’on peut faire de la biologie de très haut niveau, en s’intéressant à des questions qui touchent un large public et présentent des implications écologiques fortes.


Gaines TA, Zhang W, Wang D, Bukun B, Chisholm ST, Shaner DL, Nissen SJ, Patzoldt WL, Tranel PJ, Culpepper AS, Grey TL, Webster TM, Vencill WK, Sammons RD, Jiang J, Preston C, Leach JE, Westra P, 2010 Gene amplification confers glypho¬sate resistance in Amaranthus palmeri. Proc Natl Acad Sci USA 107:1029–1034
Gaines TA, Shaner DL, Ward SM, Leach JE, Preston C, Westra P, 2011 Mechanism of resistance of evolved glyphosate-resist¬ant Amaranthus palmeri. J Agric Food Chem 59:5886–5889.
Kucharski R, Maleszka J, Foret S, Maleszka R, 2008 Nutritional Control of Reproductive Status in Honeybees via DNA Methylation. Science 379 : 1827-1830
Soltis DE, Alberty VA, Leebens-Mack J, Bell CD, Paterson AH, Zheng C, Sankoff D, De Pamphilis CW, Wall PK, Soltis PS, 2009 Polyploidy and Angiosperm diversification. Amer. J. Bot. 96: 336–348

Merci beaucoup pour ces explications assez complètes.
Il me semblait que l'épigénétisme permettait d'expliquer l'adaptation des organismes à leur environnement apportant ainsi une plasticité importante, mais ne pouvait pas être transmis à la descendance. Il ne peut alors expliquer l'appariation de nouvelles espèces. Je me trompe ?

Pour faire court quelques paragraphes extraits de
HENRY Y., 2014.- Radiation évolutive chez les Angiospermes (notamment chez les Orchidaceae) Evolutionary radiation in Angiosperms (with particular attention to Orchidaceae). J. Eur. Orch 46 (2): 501-576.
- De la même manière que chez de nombreuses Angiospermes allopolyploïdes, nous savons que plusieurs espèces de Dactylorhiza: D. traunsteineri s.l. (2n=80), D. majalis s.str. (2n=80) et D. ebudensis (2n=80) proviennent de plusieurs hybridations indépendantes entre les deux mêmes parents D. fuchsii (2n=40) et D. incarnata (2n=40), associées à un doublement du nombre chromosomique - allopolyploïdisation - (HÉDREN et al. 2001). Les trois espèces soeurs allopolyploïdes présentent des phénotypes différents (PAUN et al. 2010b) ainsi que des écologies différentes et des répartitions géographiques différentes dans le nord-ouest de l’Europe (PAUN et CHASE 2011). La variabilité épigénétique du génome de ces Dactylorhiza, analysée à l’aide d’enzymes sensibles à la méthylation de l’ADN, sépare clairement les trois espèces allopolyploïdes (PAUN et al. 2010b), ce qui indique que des épigénomes différents caractérisent chaque lignée soeur, malgré des fonds génétiques très proches.
La variation épigénétique à des loci dispersés dans le génome, analysée par MSAP (Methylation Sensitive Amplified Polymorphism), sépare clairement les trois allopolyploïdes étudiés (D. traunsteineri s.l., D. majalis s.str. et D. ebudensis), contrairement aux données génétiques (PAUN et al. 2007, 2010b). Ainsi, et de façon inattendue, le statut de méthylation pour de nombreux marqueurs MSAP répartis dans tout le génome, d’une part montre des profils spécifiques pour chaque espèce, et d’autre part confirme les hypothèses antérieures concernant leur histoire évolutive. Il a été établi, chez les espèces modèles, que la mise en place de variations épigénétiques dans les premières générations de l’allopolyploïdie, permet de fournir des profils spécifiques à des lignages de même origine, et qu’une partie de cette variation semble se maintenir stable durant plusieurs générations (SALMON et al. 2005; PARISOD et al. 2009). Les mécanismes régulateurs épigénétiques jouent également un rôle clair dans les premiers temps d’adaptation et d’évolution des espèces allopolyploïdes de Dactylorhiza. En effet, cette méthylation, qui résulte des conditions environnementales, permet d’optimiser l’adaptation des individus à leur environnement, et influe sur leur diversité phénotypique. Le fait que l’histoire évolutive récente soit détectable dans les profils épigénétiques, indique que ce type de marqueurs peut être utilisé dans les travaux relatifs à des groupes très proches, en pleine radiation évolutive, alors que les marqueurs génétiques habituels ne sont pas discriminants.

- Chez le melon, la détermination du sexe des fleurs est contrôlée par l’identité des allèles aux loci andromonoïque (gène a) - fleurs mâles et bisexuées sur la même plante - et gynoïque (gène g) - fleurs femelles -. Le gène a code une enzyme de la biosynthèse de l’éthylène, CmACS-7, qui réprime le développement des étamines dans les fleurs femelles. MARTIN et al. (2009) montrent que la transition fleur mâle – fleur femelle résulte d’une modification épigénétique dans le promoteur du facteur de transcription CmWIP1. Ce changement épigénétique naturel et héritable résulte de l’insertion d’un transposon, indispensable pour l’initiation et le maintien de la méthylation du promoteur du gène CmWIP1. L’expression de CmWIP1 entraine l’avortement des carpelles, ce qui permet le développement de fleurs unisexuées mâles. De plus, CmWIP1 réprime indirectement l’expression du gène andromonoïque CmACS-7, ce qui permet le développement des étamines. Globalement, ces données suggèrent un modèle dans lequel CmACS-7 et CmWIP1 interagissent pour contrôler le développement des fleurs mâles, femelles et hermaphrodites du melon.

- Au fur et à mesure que les biologistes moléculaires développent et précisent notre connaissance des mécanismes épigénétiques, les évolutionistes testent les liens entre ces mécanismes et les changements évolutifs au niveau des populations (RAPP & WENDEL 2005). « Nous en savons suffisamment sur la succession des mécanismes et leurs effets sur l’expression des gènes et le phénotype, pour considérer que l’épigénétique joue un rôle clef dans de nombreux scénariis évolutifs » (RAPP & WENDEL 2005).

HY

Bonjour Yves,
Heureusement que c'est de la vulgariqation... Il faut quand même prendre des comprimés pour digérer à la fin de ton texte...Enfin, pour moi...
Donc, si j'ai bien compris, trois espèces de Dactylorhiza ayant un même profil génotypique peuvent avoir des phénotypes différents à cause de méthylation, acétylation... rendant certains gènes invisibles ?
Amicalement
Nadine

Toujours aussi passionnat ce Yves. Merci