Un nouvel arbre généalogique du tournesol révèle que la symétrie des fleurs a évolué plusieurs fois de manière indépendante. Espèce de la famille du tournesol avec ou sans symétrie florale bilatérale. Chrysanthemum lavandulifolium (en haut à gauche) et Artemisia annua (en haut à droite) sont des espèces étroitement apparentées de la même tribu ; le premier a des fleurs bilatéralement symétriques (les rayons) et le second non. Rudbeckia hirta (en bas à gauche) de la tribu des tournesols a des fleurs bilatéralement symétriques, contrairement à Eupatorium chinense (en bas à droite) de la tribu des Eupatorieae ; ces deux tribus sont des groupes étroitement liés. Un tournesol (au centre) présente des fleurs à symétrie bilatérale (les grandes fleurs en forme de pétales dans la rangée extérieure) et sans (les petites fleurs dans les rangées intérieures). Crédit: Guojin Zhang, laboratoire Ma, Penn State
L'arbre généalogique du tournesol a révélé que la symétrie des fleurs a évolué plusieurs fois indépendamment, un processus appelé évolution convergente, parmi les membres de cette grande famille végétale, selon une nouvelle analyse. L'équipe de recherche, dirigée par un biologiste de Penn State, a résolu davantage de branches les plus fines de l'arbre généalogique, donnant ainsi un aperçu de l'évolution de la famille des tournesols, qui comprend les asters, les marguerites et les cultures vivrières comme la laitue et l'artichaut.
Un article décrivant l'analyse et les résultats, qui, selon les chercheurs, pourraient aider à identifier des caractères utiles pour sélectionner sélectivement des plantes présentant des caractéristiques plus souhaitables, a été publié en ligne dans la revue. Communication végétale.
« L’évolution convergente décrit l’évolution indépendante de ce qui semble être le même trait dans différentes espèces, comme les ailes des oiseaux et des chauves-souris », a déclaré Hong Ma, titulaire de la chaire Huck sur le développement et l'évolution de la reproduction végétale, professeur de biologie à l'Eberly College of Science de Penn State et chef de l'équipe de recherche. «Cela peut rendre difficile la détermination du degré de parenté entre deux espèces en comparant leurs caractéristiques. Il est donc difficile de disposer d'un arbre généalogique détaillé basé sur ADN la séquence est cruciale pour comprendre comment et quand ces traits ont évolué.
Progrès dans la généalogie de la famille des tournesols
La tête de tournesol, par exemple, est en réalité un composite composé de plusieurs fleurs beaucoup plus petites. Alors que la tête est généralement radialement symétrique – elle peut être divisée en deux moitiés égales dans plusieurs directions comme une étoile de mer ou une tarte – les fleurs individuelles peuvent avoir différentes formes de symétrie. Selon la nouvelle étude, la symétrie bilatérale – où il n’y a qu’une seule ligne qui divise la fleur en deux moitiés égales – a évolué et a été perdue plusieurs fois indépendamment chez les tournesols au cours de l’histoire de l’évolution. Les chercheurs ont découvert que cette évolution convergente est probablement liée à des changements dans le nombre de copies et dans les modèles d’expression du gène régulateur floral, CYC2.
Ces dernières années, de nombreux arbres généalogiques pour un groupe d'espèces apparentées ont été construits en utilisant largement les transcriptomes, qui sont les séquences génétiques de pratiquement tous les gènes exprimés par une espèce, ont expliqué les chercheurs. Les transcriptomes sont plus faciles à acquérir que les séquences du génome entier de haute qualité pour une espèce, mais restent difficiles et coûteux à préparer et nécessitent des échantillons de plantes fraîches. Pour augmenter le nombre d'espèces disponibles à des fins de comparaison, l'équipe s'est tournée vers des séquences génomiques à faible couverture, produites par un processus appelé écrémage du génome et relativement peu coûteuses et faciles à préparer, même à partir d'échantillons de plantes séchées.
«Pour obtenir une séquence précise du génome entier d'une espèce, chaque lettre de son alphabet ADN doit être lue – ou couverte – plusieurs fois afin de minimiser les erreurs», a déclaré Ma. « Dans le but de construire un arbre généalogique, nous montrons dans cet article que nous pouvons nous en sortir avec des séquences génomiques à couverture inférieure. Cela nous a permis d’augmenter le nombre d’espèces dans notre analyse, ce qui, à son tour, nous a permis de résoudre davantage de branches les plus fines de l’arbre généalogique du tournesol.
L’équipe a utilisé une combinaison de transcriptomes accessibles au public et nouvellement générés, ainsi qu’un grand nombre de génomes écrémés nouvellement obtenus, pour un total de 706 espèces avec des représentants de 16 sous-familles, 41 tribus et 144 groupes de sous-tribus dans la famille du tournesol. Les sous-familles sont les subdivisions majeures de la famille, tandis que les tribus et sous-tribus peuvent contenir un ou plusieurs genres, ce qui constitue le niveau de classification juste au-dessus de l'espèce.
«Les versions précédentes de l'arbre généalogique du tournesol avaient établi les relations entre la plupart des sous-familles et de nombreuses tribus, qui sont équivalentes aux branches principales d'un arbre», a expliqué Ma. «Grâce à l'augmentation de la taille de notre échantillon, nous avons pu résoudre davantage de branches et de brindilles plus petites au niveau des sous-tribus et des genres. Cet arbre à plus haute résolution nous a permis de reconstruire où et quand des traits tels que la symétrie des fleurs ont évolué, démontrant que la symétrie bilatérale a dû évoluer plusieurs fois indépendamment.
Perspectives moléculaires et orientations futures
L'équipe a également étudié l'évolution moléculaire des gènes impliqués dans le développement des fleurs chez les tournesols. Ils ont découvert que l’un de ces gènes, CYC2, présent en plusieurs copies dans le génome de chaque espèce, était activé chez les espèces à fleurs bilatéralement symétriques, ce qui suggère qu’il pourrait faire partie de la base moléculaire de l’évolution convergente de ce trait. Pour tester davantage cela, l’équipe a réalisé des expériences pour quantifier l’expression du gène CYC2 dans les fleurs d’espèces présentant différents types de symétrie.
«Notre analyse a montré une relation claire entre l'expression de CYC2 et la symétrie des fleurs, ce qui suggère que les changements dans la façon dont ces gènes sont utilisés chez diverses espèces de tournesol sont probablement impliqués dans l'évolution convergente observée dans la famille», a déclaré Ma. « La famille du tournesol est l’une des deux plus grandes familles de plantes à fleurs, contenant plus de 28000 espèces, dont de nombreuses espèces agricoles et horticoles économiquement importantes. Comprendre comment ces espèces sont liées les unes aux autres nous permet de déterminer comment et quand leurs caractéristiques ont évolué. Ces connaissances pourraient également être utilisées pour identifier des traits utiles qui pourraient être reproduits dans des espèces domestiquées à partir d’espèces sauvages étroitement apparentées.
En plus de Ma, l'équipe de recherche comprend Guojin Zhang de Penn State ; Junbo Yang, Jie Cai, Zhi-Rong Zhang et Lian-Ming Gao de l'Institut de botanique de Kunming, en Chine; Caifei Zhang du Jardin botanique de Wuhan et du Centre de recherche commun sino-africain à Wuhan, en Chine; Bohan Jiao et Tiangang Gao du Laboratoire clé d'État sur la diversité végétale et les cultures spécialisées à Pékin, en Chine; et Jose L. Panero de l'Université du Texas à Austin.
Financement du Eberly College of Science et des Huck Institutes of the Life Sciences de Penn State, du programme de recherche stratégique prioritaire de l'Académie chinoise des sciences, des installations scientifiques à grande échelle de l'Académie chinoise des sciences et de la Fondation nationale des sciences naturelles. de Chine a soutenu cette recherche.
