À mesure que la population humaine continue d’exploser, le besoin d’une croissance efficace des cultures s’accroît également. Bien que de grands progrès aient été réalisés dans le domaine de la génétique et de la modification des plantes, il reste encore beaucoup à apprendre pour comprendre comment les caractéristiques des cultures, telles que la croissance des fruits, sont régulées entre les espèces végétales.
Une équipe de recherche à Laboratoire de Cold Spring Harbordirigé par Zachary Lippmann, PhD, ont identifié des systèmes de régulation divergents pour le même gène, CLAVATA3 (CLV3). Ce gène, conservé depuis plus de 125 millions d’années, est contrôlé différemment chez la tomate et chez Arabidopsis.
Ce travail est publié dans le journal «Restructuration extrême des régions cis-régulatrices contrôlant un régulateur de cellules souches végétales profondément conservé” dans Génétique PLOS.
« Un paradoxe frappant est que les gènes dont la séquence protéique, la fonction et le modèle d’expression sont conservés au fil du temps présentent souvent des séquences cis-régulatrices extrêmement divergentes. On ne sait toujours pas comment une évolution cis-régulatrice aussi drastique d’une espèce à l’autre permet de préserver la fonction des gènes, et dans quelle mesure ces différences influencent l’impact des variations cis-régulatrices au sein des espèces sur le changement phénotypique », écrivent les scientifiques.
« Ici, nous avons étudié ces questions en utilisant un régulateur de cellules souches végétales conservé dans son modèle d’expression et sa fonction sur environ 125 millions d’années. En utilisant l’édition du génome in vivo dans deux modèles éloignés, Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) et Tomate Solanum (tomate), nous avons généré plus de 70 allèles de délétion dans les régions en amont et en aval du gène répresseur des cellules souches CLAVATA3 (CLV3) et comparé leurs effets individuels et combinés sur un phénotype commun, le nombre de carpelles qui produisent des fruits.
« Nous avons constaté que les séquences en amont du CLV3 de la tomate sont très sensibles, même à de petites perturbations, par rapport à sa région en aval. En revanche, la fonction d’Arabidopsis CLV3 est tolérante à de graves perturbations en amont et en aval de la séquence codante. La combinaison des suppressions en amont et en aval a également révélé un résultat réglementaire différent. Alors que l’amélioration phénotypique résultant de l’ajout de mutations en aval était principalement faible et additive chez la tomate, la mutation des deux régions d’Arabidopsis CLV3 a provoqué des effets substantiels et synergiques, démontrant une distribution distincte et une redondance des séquences cis-régulatrices fonctionnelles.
“Nos résultats démontrent une malléabilité remarquable dans l’organisation structurelle cis-régulatrice d’un régulateur de cellules souches végétales profondément conservé et suggèrent qu’une reconfiguration majeure de l’espace des séquences cis-régulatrices est une force évolutive commune mais cryptique modifiant les relations génotype-phénotype à partir d’une variation réglementaire dans les cellules conservées. gènes. Enfin, nos résultats soulignent la nécessité d’une dissection spécifique à la lignée de l’architecture spatiale de la régulation cis afin de concevoir efficacement la variation des traits à partir des gènes de productivité conservés dans les cultures », ont écrit les scientifiques.
Créer des mutants pour étudier la fonction des gènes
En utilisant l’édition du génome des deux espèces, les chercheurs ont créé plus de 70 plantes mutantes. Ils ont exploré les régions régulatrices en amont et en aval de CLV3 pour déterminer les effets de ces régions sur l’expression de ce gène hautement conservé. « CLV3 aide les plantes à se développer normalement. S’il n’était pas allumé au moment précis, les plantes auraient un aspect très différent. Tous les fruits seraient énormes et pas idéaux », a déclaré Danielle Ciren, PhD, auteur principal de l’étude et récente doctorante.
Les mutations du gène CLV3 peuvent augmenter considérablement la taille des fruits, comme on le voit chez les tomates (rangée du haut) et Arabidopsis thaliana (rangée du bas).
Chez les tomates, les modifications apportées aux régions régulatrices au début de CLV3 ont eu un impact massif sur la taille des fruits, tandis qu’Arabidopsis n’a grossi que lorsque les cibles en amont et en aval ont été perturbées. Cela suggère qu’au moment de la divergence évolutive de ces plantes, il y a environ 125 millions d’années, une certaine force poussait ces changements de régulation.
« On ne peut pas remonter à l’ancêtre commun car ils n’existent plus. Il est donc difficile de dire quel était l’état d’origine et comment les choses ont été mélangées », a déclaré Ciren. « L’explication la plus simple est qu’il existe un élément réglementaire qui a été conservé dans une certaine mesure et qui a été modifié de manière subtile. C’est un peu inattendu.
En ce qui concerne la croissance des cultures, il n’existe pas de réponse simple consistant simplement à activer ou désactiver un gène. Le timing est primordial et la prise en compte de la taille des fruits et du rendement attendu est importante pour la durabilité de la croissance des cultures. « Il faut équilibrer croissance et rendement. Si une plante a des tomates géantes mais seulement deux, est-ce aussi bénéfique qu’un rendement inférieur ? Il n’y a pas de solution simple. Vous sacrifiez toujours quelque chose lorsque vous essayez d’améliorer quelque chose », a conclu Ciren.
2024-03-05 04:48:58
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