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Traçabilité d'un arbre mature à sa graine d'origine via l'ADN

Traçabilité d'un arbre mature à sa graine d'origine via l'ADN


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Est-il possible de retracer une graine spécifique jusqu'à un arbre à pleine maturité ? Par exemple, une graine peut-elle être attribuée à la plante adulte sur la base de l'ADN ? Serait-il possible pour moi de cataloguer l'ADN d'une graine, puis des années plus tard d'être en mesure d'identifier la plante adulte à cette graine qui a été cataloguée ?


Comme l'embryon d'une graine contient généralement de nombreuses cellules, il devrait en théorie être possible d'obtenir de l'ADN à partir d'une graine sans la perturber (il peut y avoir des problèmes pragmatiques avec le protocole, selon les particularités de la graine).

Si vous avez l'ADN et que chaque graine a été produite par un événement de fécondation distinct, alors l'ADN de chaque graine serait unique et il devrait certainement être possible d'identifier un individu génétiquement, tout comme c'est le cas avec les animaux.

Cependant, toutes les graines ne sont pas génétiquement distinctes. Par exemple, de nombreuses plantes produiront également des graines de manière asexuée dans des conditions appropriées, un processus connu sous le nom d'apomixie. Si les graines sont produites de manière asexuée, votre seul espoir serait d'identifier différentes mutations dans différentes graines, ce qui est un signal beaucoup plus faible et susceptible d'échouer pour l'objectif auquel vous êtes destiné.


Implication de la méthylation de l'ADN dans le développement et la micropropagation des arbres

Les gènes ne constituent qu'une petite partie du génome total et le contrôle précis de leur expression représente un problème substantiel pour leur régulation. De plus, l'ADN non codant, qui contient des éléments répétitifs d'introns et des éléments transposables actifs, nécessite des mécanismes efficaces pour le faire taire à long terme. La différenciation et le développement cellulaires sont contrôlés par l'activation temporelle et spatiale et l'extinction de gènes spécifiques. Ces modèles d'expression génique doivent rester stables pendant de nombreuses générations cellulaires et durer ou changer lorsque les signaux de développement inductifs ont disparu ou que de nouveaux induisent de nouveaux programmes.

Qu'est-ce qui active et désactive les gènes ? Entre autres, la régulation des gènes est contrôlée par des mécanismes épigénétiques, définis comme toute activité de régulation des gènes qui n'implique pas également de modifications du code ADN et est capable de persister. Il est devenu évident que le contrôle épigénétique de la transcription est médié par des états spécifiques de la structure de la chromatine. Les associations de protéines chromosomiques spécifiques, les modifications post-traductionnelles des histones et la méthylation de l'ADN sont quelques-uns des mécanismes épigénétiques impliqués dans le contrôle des états de la chromatine. La recherche sur la méthylation de l'ADN peut être abordée de plusieurs points de vue, car il existe un large éventail de techniques disponibles pour étudier l'occurrence et la localisation de la méthyldésoxycytosine dans le génome. Plusieurs études traitant de la méthylation de l'ADN en relation avec le développement des arbres, la microproprogation et la variation somaclonale seront présentées, dans le but final de démontrer que les niveaux de méthylation de l'ADN sont caractéristiques des périodes saisonnières de croissance et sont liés à des fenêtres de compétence ouvertes chez les plantes.


Introduction

Le greffage des plantes, en tant que méthode traditionnelle de propagation asexuée, s'effectue le plus souvent en connectant deux segments de plantes, à savoir un morceau de pousse appelé « scion » et un morceau de racine connu sous le nom de « porte-greffe » (Fig. 1). Cette technique est pratiquée en agriculture depuis plus de 2500 ans 1 . Le greffage a été largement utilisé dans la production moderne de nombreuses cultures horticoles et de certains arbres forestiers, tels que les agrumes 2,3 , le poirier 4,5 , le raisin 6 , le manioc 7 et le cèdre 8 . La greffe de plantes est une pratique agricole ancienne pour la propagation de semis uniformes pour les espèces fruitières commerciales et pour éviter un état juvénile, car un greffon adulte greffé sur un porte-greffe juvénile conservera son état adulte et sa capacité à porter des fruits 9 . De plus, le greffage peut moduler la croissance des plantes 10 , améliorer le rendement et la qualité des cultures 11,12 et renforcer la résistance des cultures aux stress abiotiques et biotiques 10,13,14,15 sous la forme de combinaisons greffon–porte-greffe.

UNE Branche mûre d'orange douce avec des bourgeons pleins, qui peut être utilisée comme scion pour la greffe. B Semis annuel de Poncirus trifoliata, qui peut être utilisé comme porte-greffe pour le greffage. C Couper le bourgeon. Couper le porte-greffe. E Mettre le bourgeon sur porte-greffe. F Liaison du point de greffe avec un film plastique. g Découpage de la pousse du porte-greffe au-dessus du point de greffe après cicatrisation du point de greffe. H Le bourgeon vivant greffé sur le porte-greffe. je Nouvelle pousse sortant du bourgeon greffé. S scion, R porte-greffe

Récemment, des efforts croissants ont été faits pour disséquer les mécanismes moléculaires et physiologiques sous-jacents au greffage. Il a été prouvé que le transport à longue distance de molécules de signalisation, telles que les protéines mobiles, les ARNm, les petits ARN et les petites molécules, entre le greffon et le porte-greffe joue un rôle central dans la physiologie du greffage 16 . De plus, des polymorphismes de méthylation de l'ADN induits par l'hétérogreffe ont été détectés dans Hevea brasiliensis 17 , Solanacées plantes 18 , et Cucurbitacées plantes 19 . Certaines preuves suggèrent également que la modification épigénétique des modèles de méthylation de l'ADN peut expliquer certains phénomènes de transformation du greffon 20,21,22. Actuellement, les progrès des ressources génomiques et des techniques moléculaires offrent des opportunités importantes pour améliorer la compréhension des interactions greffon–porte-greffe.

Les cultures d'agrumes sont parmi les cultures d'arbres fruitiers les plus importantes au monde, avec une production mondiale dépassant 147 millions de tonnes en 2017 (FAO, 2017). En raison de leur longue juvénilité (temps de portage) et de leur grande hétérozygotie, les plants d'agrumes sont généralement reproduits par greffage pour maintenir les bonnes propriétés du cultivar et réduire la juvénilité 23 . Dans l'industrie des agrumes, l'utilisation de porte-greffes appropriés joue un rôle très important dans la production commerciale d'agrumes. Le porte-greffe a un impact significatif sur la vigueur de la plante, le rendement, la qualité des fruits et la résistance aux maladies 24,25,26,27 . De plus, le porte-greffe peut également affecter le métabolome du jus d'agrumes, qui détermine la saveur et la nutrition du fruit 3,28. De plus, le porte-greffe peut moduler la réponse métabolique à Candidatus Liberibacter asiaticus sur orange douce greffée 29 .

Grâce à une meilleure compréhension de l'interaction entre le porte-greffe et le greffon, la sélection d'excellents porte-greffes d'agrumes devient l'un des moyens les plus importants d'améliorer l'efficacité de la production d'agrumes et de faire face à l'environnement de plantation et au climat de plus en plus difficiles. Dans les pratiques de production d'agrumes à long terme, certains porte-greffes appropriés ont été largement utilisés dans différentes régions de croissance des agrumes, tels que le citrange Troyer, le citrange Carrizo et le citrimelo Swingle en Amérique 30 , le citron Rangpur au Brésil, l'orange aigre en Italie et au Mexique, le doux de Palestine citron et citron vert en Israël, et citron brut en Inde 31 . Les avantages communs de ces espèces de porte-greffes sont l'amélioration du potentiel des arbres et une meilleure tolérance au stress environnemental ou aux maladies des plantes. Cependant, chaque porte-greffe présente encore certains inconvénients qui l'empêchent de répondre aux demandes de production. Par exemple, le citrange Troyer et le citrange Carrizo sont sensibles à Citrus exocotis viroïde 32 , et le citron rugueux comme porte - greffe produit des fruits de mauvaise qualité 33 . Par conséquent, la sélection d'excellents porte-greffes pour l'industrie des agrumes est toujours en cours.

Poncirus trifoliata, une espèce sauvage étroitement apparentée à Agrumes appartenant à la sous-famille Aurantioideae de la famille des Rutacées, est un porte-greffe populaire pour l'industrie des agrumes en Chine. Il est diploïde et possède le même nombre de chromosomes (2m = 18) comme le Agrumes genre 34 . Il montre une bonne compatibilité de greffage avec la plupart des variétés d'agrumes et présente une adaptation favorable à une variété de conditions environnementales, telles que la résistance au froid et la tolérance aux facteurs de stress biotiques, y compris le dévastateur Huanglongbing 35,36,37. Les graines de Poncirus sont hautement polyembryonnaires et peuvent produire des semis uniformes pour faciliter la greffe et la gestion de la pépinière. En outre, P. trifoliata est également un parent précieux pour la sélection de porte-greffes en raison de ses caractéristiques favorables. Traversée de P. trifoliata avec l'orange donne le citrange Carrizo et Troyer, qui sont utilisés comme principaux porte-greffes commerciaux dans de nombreuses zones de production d'agrumes 30 . Exploiter les excellentes ressources génétiques de P. trifoliata et l'exploration des interactions porte-greffe-greffe peut favoriser l'amélioration des porte-greffes d'agrumes et le développement de l'industrie des agrumes.

Dans la présente étude, nous avons cherché à comprendre la base génétique de P. trifoliata comme porte-greffe d'agrumes. Nous avons assemblé de novo un génome de haute qualité de P. trifoliata par séquençage d'une molécule unique et cartes de méthylation de l'ADN du génome entier de P. trifoliata et l'orange douce ont été dessinées. Les changements induits par l'hétérogreffe dans la méthylation de l'ADN du génome entier et l'abondance des ARNs ont été évalués. Cette étude fournit un génome de porte-greffe d'agrumes important pour comprendre la biologie unique du greffage et devrait faciliter une meilleure application du greffage dans l'industrie des agrumes.


Code-barres ADN pour les cultures mineures et traçabilité alimentaire

Ce document de prospective aborde le problème de la traçabilité des cultures mineures. Ces types de cultures consistent en un grand nombre de plantes distribuées localement avec une production modeste en termes de superficie cultivée et de quantité de produit final. Du fait de la mondialisation, la diffusion des cultures mineures augmente en raison de leur intérêt pour la santé humaine ou de leur utilisation comme compléments alimentaires. Un tel phénomène implique un risque majeur de substitution d'espèces ou de mélange incontrôlé de produits végétaux manufacturés avec des conséquences graves pour la santé des consommateurs. Le besoin d'un système d'identification fiable est donc essentiel pour évaluer la qualité et la provenance des produits agricoles mineurs. Les techniques basées sur l'ADN peuvent aider à accomplir cette mission. En particulier, l'approche du codage à barres ADN a acquis un rôle de première importance grâce à son universalité et sa polyvalence. Ici, nous présentons les avantages de l'utilisation du code-barres ADN pour la caractérisation et la traçabilité des cultures mineures sur la base de nos études précédentes ou en cours au ZooPlantLab (Milan, Italie). Nous discutons également de la manière dont le code-barres ADN peut potentiellement être transféré du laboratoire à la chaîne d'approvisionnement alimentaire, du champ à la table.

1. Code-barres ADN pour l'identification des plantes

Les plantes en tant que producteurs primaires sont la base de la nutrition humaine depuis des temps immémoriaux. On estime qu'environ 7 000 espèces de plantes ont été cultivées pour la consommation dans l'histoire de l'humanité (données FAO) et un grand nombre de cultivars et de variétés sont également reconnus. La Commission des ressources génétiques pour l'alimentation et l'agriculture (http://www.fao.org/nr/cgrfa/cthemes/plants/en/) a estimé que 30 cultures sont généralement désignées actuellement comme des produits agricoles majeurs puisqu'elles fournissent 95 % de la les besoins énergétiques alimentaires (par exemple, le riz, le blé, le maïs et la pomme de terre). Ces ressources sont largement surveillées et bien caractérisées avec l'analyse de marqueurs ADN spécifiquement développés pour chaque cultivar (voir, par exemple, [1–3]). Au contraire, des outils fiables de caractérisation des variétés mineures sont loin d'être définis. Les cultures mineures comprennent les plantes à usage alimentaire, pharmaceutique, cosmétique et ornemental avec une production modeste en termes de superficie cultivée et de quantité de produit final [4]. Il n'y a pas de valeurs standard fixes pour définir une culture mineure cependant, conventionnellement, toutes les variétés locales pourraient être placées dans cette catégorie. La plupart de ces espèces ou variétés présentent des traits particuliers au point de vue alimentaire, pharmaceutique ou ornemental. Le Goji (Lycie barbarum L. [5]), Aronia (Aronia melanocarpa (Michx.), [6]), Peach Palm (Bactris gasipes Kunth [7]), Teff (Eragrostis tef (Zucc.) [8]) et le gombo (Abelmoschus esculentus (L.) Moench [9]). Un grand nombre de cultures mineures étaient généralement produites et consommées localement [10] mais, de nos jours, la demande continue des pays développés pour l'identification de nouveaux métabolites actifs pour la santé humaine et la nutrition a augmenté leur diffusion au niveau mondial [11-14]. Ce phénomène implique un risque majeur de substitution d'espèces ou de mélange incontrôlé de produits végétaux manufacturés. La substitution ou la falsification peuvent être délibérées (par exemple, pour maximiser les gains financiers) ou involontaires (par exemple, en raison d'une connaissance insuffisante des agriculteurs) mais elles peuvent en tout cas avoir de graves conséquences pour les consommateurs [14-19].

Compte tenu de ces prémisses, il est clair que la définition d'un système de traçabilité fiable est un aspect de préoccupation majeure lorsque des plantes, des parties de plantes ou des extraits de plantes sont utilisés dans l'industrie alimentaire. La nécessité d'une identification univoque est également essentielle pour engager des procédures d'assurance qualité des produits agricoles, pour authentifier leur provenance géographique (en cas d'appellation d'origine protégée) et pour prévenir les fraudes commerciales et les cas de falsification.

Les produits agricoles sont soumis à une transformation et à une fabrication rigoureuses avant d'être commercialisés en tant que produits finaux pour le consommateur. Ces processus modifient la structure de la plante, empêchant ainsi l'utilisation de caractères morphologiques pour identifier la plupart des produits agricoles. Pour dépasser cette limite, l'analyse des protéines et/ou de l'ADN est aujourd'hui utilisée comme le principal outil de traçabilité des plantes. Cependant, bien que les approches chimiques ou basées sur les protéines soient utiles pour caractériser la composition des produits frais, ces méthodes peuvent être biaisées par plusieurs facteurs tels que les processus de fabrication des aliments solides, le nombre limité d'isozymes détectables ou la spécificité élevée des tissus et des stades de développement. des marqueurs [20]. Les marqueurs d'ADN sont plus informatifs que les méthodes basées sur les protéines ou les produits chimiques car l'ADN résiste mieux aux processus industriels tels que le déchiquetage, l'ébullition, la cuisson sous pression ou les transformations induites par des agents chimiques (voir, par exemple, [18, 21, 22]). Cette propriété permet une identification réussie du matériel végétal, même lorsqu'il est présent en petites traces [23, 24]. De plus, la disponibilité de technologies avancées et de kits commerciaux efficaces pour l'extraction d'ADN permet d'obtenir un rendement acceptable de matériel génétique à partir de matériel végétal transformé ou dégradé [25].

En conséquence, les marqueurs ADN sont rapidement devenus les outils les plus utilisés dans les analyses génétiques des cultures et des cultivars, ainsi que dans le suivi et la certification des matières premières dans les processus de l'industrie alimentaire [26–32]. Les méthodes basées sur la PCR sont plus sensibles et plus rapides que les autres technologies pour caractériser les produits agricoles [1–3]. Parmi ceux-ci, des marqueurs moléculaires discontinus tels que les RAPD, les AFLP et leurs variantes (par exemple, ISSR, SSAP) ont été adoptés avec succès pour la caractérisation des espèces cultivées [24]. De plus, les systèmes basés sur le séquençage tels que les polymorphismes nucléotidiques simples (SNP) et les répétitions de séquences simples (SSR) sont également utilisés en raison de leur niveau élevé de polymorphisme et de leur reproductibilité élevée [30]. Cependant, étant très spécifiques aux espèces, ces approches nécessitent l'accès à la séquence d'ADN correcte des organismes et leur application est souvent limitée à une seule espèce.

Au cours de la dernière décennie, le codage à barres ADN a été proposé comme un outil universel basé sur l'ADN pour l'identification des espèces [33]. Le nom « code-barres ADN » fait référence au sens figuré à la façon dont un scanner infrarouge identifie de manière univoque un produit en utilisant les bandes du code produit universel (UPC). Parallèlement, cette approche repose sur l'analyse de la variabilité au sein d'une ou quelques régions standards du génome appelées « DNA barcode/s » [33]. La justification de la méthode est que la ou les séquences de codes-barres d'ADN correspondent de manière univoque à chaque espèce (c'est-à-dire une faible variabilité intraspécifique) mais diffèrent largement entre les taxons (c'est-à-dire une forte variabilité interspécifique) [33, 34]. Le codage à barres ADN a l'avantage de combiner trois innovations importantes : la molécularisation de l'approche d'identification (c'est-à-dire l'étude de la variabilité de l'ADN pour différencier les taxons), la standardisation du processus (de la collecte d'échantillons à l'analyse des résultats moléculaires) et l'informatisation (c'est-à-dire, la transposition non redondante des données à l'aide de l'informatique) [34].

Plusieurs régions plastidiales et nucléaires ont été proposées comme régions de codes à barres pour les plantes [35-37] et certaines d'entre elles sont maintenant utilisées pour l'identification des espèces cultivées, comme récemment examiné par [38]. En 2009, le Plant Working Group du CBOL (consortium for the barcode of life) a défini un panel de marqueurs core-barcode standard basé sur la combinaison de portions de deux régions plastidiales codantes : matK et rbcL [39, 40]. Malgré leur grande universalité en termes de succès d'amplification et de séquençage, l'analyse de ces régions codantes échoue dans certains cas en raison du partage interspécifique des séquences [41]. Les régions d'espacement transcrites internes de l'ADN ribosomique nucléaire (ITS) ont été recommandées comme marqueur supplémentaire étant très variable chez les angiospermes [40]. L'ITS fonctionne bien dans de nombreux groupes de plantes mais, dans certains cas, une évolution concertée incomplète et une variation intra-individuelle le rendent inapproprié comme code à barres universel pour les plantes [40]. Cependant, la combinaison de matK et rbcL avec la région non codante intergénique plastidiale trnH-psbA augmente les performances d'identification du code-barres ADN. En conséquence, l'utilisation de trnH-psbA est en croissance en raison de sa facilité d'amplification et de sa grande variabilité génétique parmi les taxons étroitement apparentés [15, 35, 42].

A l'Université de Milano-Bicocca (Milan, Italie), le groupe ZooPlantLab (http://www.zooplantlab.btbs.unimib.it/) est l'un des centres les plus actifs où le code-barres ADN est utilisé comme système de traçabilité universel. L'équipe de recherche ZooPlantLab étudie les problèmes concrets liés à la production agricole de cultures mineures en transférant le pipeline analytique du laboratoire à la chaîne d'approvisionnement alimentaire. Cette approche vise à surmonter les problèmes de traçabilité technique afin d'offrir des solutions solides au marché.

Dans les sections suivantes, nous présentons certaines des applications potentielles et des avantages du code-barres ADN pour l'identification et la traçabilité tout au long de la chaîne d'approvisionnement alimentaire des cultures mineures. Nous examinons également les approches les plus innovantes concernant le codage à barres ADN qui ont été récemment adoptées pour caractériser ces types de produits agricoles.

2. Traçabilité des cultures mineures dans la chaîne d'approvisionnement : le cas des épices

Les épices représentent un exemple clair de cultures mineures. La plupart appartiennent aux Lamiacées, une grande famille de 264 genres et près de 7 000 espèces décrites [78] caractérisées par des huiles aromatiques et des métabolites secondaires. Grâce à leurs profils chimiques particuliers, ces plantes sont couramment utilisées comme arôme pour la cuisine, essences pour les cosmétiques et composants actifs dans les médicaments. Compte tenu de leur importance économique, de nombreux membres des Lamiacées ont été largement étudiés avec différentes approches allant de la morphologie à la chimie et à la génétique afin de caractériser leur variabilité et d'améliorer la qualité des variétés cultivées [25, 26, 79, 80].

Bien que certaines espèces aient montré des traits morphologiques distinctifs, cette famille englobe de nombreux genres critiques tels que thym [43], où les différences entre les taxons étroitement apparentés se limitent à quelques caractères morphologiques mineurs. Cependant, la morphologie pourrait être inefficace pour tracer les épices tout au long de la chaîne d'approvisionnement (c'est-à-dire des sites de culture aux produits finaux) qui englobe généralement des processus de fabrication solides tels que le broyage, la poudre ou l'extraction aqueuse/alcoolique de matériel végétal.

Des agences internationales telles que l'American Spice Trade Association (ASTA, http://www.astaspice.org) et l'European Spice Association (ESA, http://www.esa-spices.org/) soutiennent la caractérisation du profil phytochimique pour évaluer la qualité des herbes et des épices. L'évaluation des caractéristiques chimiques est essentielle pour standardiser la production industrielle de produits dérivés des épices cependant, dans la plupart des cas, l'analyse des composés chimiques n'est pas en mesure d'identifier de manière univoque les plantes d'origine au niveau de l'espèce [26]. Pour cette raison, nous avons proposé l'approche du codage à barres ADN comme un outil universel et approprié pour caractériser et tracer les espèces aromatiques. Des analyses d'ADN ont été menées à partir de différentes parties de plantes [22] ou de leurs produits dérivés (par exemple, des huiles, des extraits) stockés dans différentes conditions (c'est-à-dire séchés, congelés). Dans notre étude [22], nous avons étudié 6 grands groupes d'épices de cuisine (c'est-à-dire la menthe, le basilic, l'origan, la sauge, le thym et le romarin), y compris leurs cultivars et hybrides les plus pertinents. Nous avons collecté des échantillons à différentes étapes de la chaîne d'approvisionnement industrielle, des semences et plantes cultivées par des agriculteurs privés ou dans des jardineries aux épices séchées commerciales ou à d'autres produits manufacturés. Nous avons également testé les performances du codage à barres ADN à partir d'extraits de plantes. Un bon rendement d'ADN de haute qualité a été obtenu grâce à des protocoles d'extraction de tous les échantillons considérés, puis utilisé pour les étapes suivantes de l'analyse (c'est-à-dire PCR et séquençage). Une quantité suffisante d'ADN a également été extraite de plusieurs extraits de plantes (Labra M., données non publiées) en utilisant des kits commerciaux. Ce premier résultat a confirmé que les procédés industriels de transformation de la matière première végétale tels que le séchage, le broyage, les extractions aqueuses ou alcooliques ne dégradent pas excessivement l'ADN. Parmi les quatre régions de codage à barres d'ADN testées (c'est-à-dire, rbcL, matK, trnH-psbA, et rpoB), les trnH-psbA classé premier dans les valeurs de divergence génétique entre les espèces, suivi par matK et rbcL. Au contraire, rpoB a montré la plus faible divergence de séquence parmi les taxons testés (voir [22] pour plus de détails).

Nos résultats appuient en partie les recommandations fournies par le CBOL [40]. En effet, les deux marqueurs de code-barres (c'est-à-dire, matK + rbcL) ont correctement attribué les épices testées au genre attendu et, dans la plupart des cas, elles ont également atteint le niveau de l'espèce. Cependant, les performances d'identification les plus élevées ont été obtenues en utilisant les trnH-psbA région du code-barres. Un exemple clair est celui du basilic (genre Ocimum), un groupe composé de 30 à 160 espèces avec de nombreux cultivars reconnus [81]. Dans notre étude, exclusif trnH-psbA haplotypes, ont été trouvés pour presque tous les cultivars testés, fournissant un système fiable pour leur identification. Ce résultat mérite d'être souligné car il est l'un des premiers éléments de preuve soutenant l'utilité du code-barres ADN pour discriminer les organismes à un niveau taxonomique inférieur à celui de l'espèce.

D'autres données importantes révélées par nos analyses concernaient la capacité du code-barres ADN à identifier les espèces parentales et hybrides chez certains membres des Lamiacées. Un exemple est représenté par le cas de la menthe poivrée (M. piperita L.), un hybride stérile entre M. aquatica L. × M. spicata L. [82, 83]. Les marqueurs plastidiaux utilisés dans cette étude ont confirmé que M. spicata L. est le parent maternel de M. piperita L. parce que les deux taxons présentaient le même profil ADN. Cependant, pour confirmer définitivement l'origine hybride de M. piperita L. et pour identifier l'hérédité parentale exacte, le marqueur codominant ITS2 a été séquencé (Labra M., données non publiées).

Dans l'ensemble, le résultat le plus pertinent de nos travaux a consisté en l'évaluation de l'universalité du code-barres ADN dans un contexte de traçabilité des cultures mineures. En utilisant une seule combinaison d'amorces pour chacun des rares marqueurs de codage à barres d'ADN et en suivant les protocoles de laboratoire standard, il est possible de reconnaître l'espèce d'origine à partir de différentes parties de plantes ou de matériaux transformés dérivés. La même approche est également utile pour valider plusieurs autres produits à base de plantes couramment distribués sur le marché tels que le thé [50], le safran [44, 84], le ginseng [69], le poivre noir [59], et bien d'autres (voir aussi le tableau 1 ). Ces cas soulignent clairement la grande polyvalence du codage à barres ADN. Il s'agit d'un authentique outil fonctionnel de traçabilité moléculaire des produits agricoles, car la plupart des cultures mineures n'ont pas encore été caractérisées avec des marqueurs privés tels que SSR ou SNP afin de permettre un système d'empreintes ADN fiable. De plus, le codage à barres ADN ne nécessite aucune connaissance préalable du génome végétal de l'espèce étudiée et les procédures analytiques peuvent être facilement adoptées par tout laboratoire équipé pour la biologie moléculaire.

3. Fraudes commerciales et substitutions dangereuses

De nos jours, la diffusion mondiale de plusieurs cultures mineures en l'absence de protocoles de traçabilité adaptés conduit à des cas fréquents de substitution de plantes et d'altérations involontaires ou délibérées. Il existe plusieurs exemples documentés de fraudes commerciales où des cultures mineures ont été remplacées par des taxons apparentés présentant une productivité ou une biomasse plus élevée mais sans les caractéristiques agronomiques et nutritionnelles des espèces/cultivars d'origine [27, 85, 86] (voir également le tableau 1). Des cas étonnants de ce phénomène ont été observés pour certaines des épices les plus courantes telles que l'origan méditerranéen falsifié avec Ciste incan L., Rubus caesius L. [87-89] et le safran substitué par Crocus vernus (L.) Colline, Carthame, et Curcuma [19, 44, 84]. Dans ce contexte, l'utilisation du code-barres ADN peut être déterminante car il permet non seulement de vérifier la présence/absence de l'espèce d'origine, mais aussi d'identifier la nature de l'espèce remplacée. L'un des cas de substitution les plus frappants jamais révélés par nos enquêtes concerne la viande de poisson (par exemple, vendue sous forme de tranches, de filets, de blocs, de surimi, de bâtonnets de poisson et de nageoires). Dans cette catégorie de produits, les procédés de fabrication conduisent souvent à la perte de toute caractéristique de diagnostic morphologique permettant d'identifier correctement l'espèce d'origine. Dans notre enquête moléculaire [90], nous avons documenté les substitutions fréquentes de Palombo (c'est-à-dire le nom vernaculaire italien pour Mustelus mustelus et Mustelus astéris) avec d'autres espèces de requins de moindre valeur. Notre test a montré qu'environ 80% des produits de la pêche triés ne correspondaient pas à ces deux espèces mais à d'autres espèces ou genres, dont certains sont pêchés ou commercialisés illégalement. Partant de cette expérience, nous avons testé l'utilité du code-barres ADN pour évaluer la contamination des produits d'origine végétale. Par exemple, dans une étude pilote sur les épices menée par notre groupe, nous avons détecté de l'ADN contaminant dans des échantillons commerciaux de sauge (c. Salvia) produites par des agriculteurs locaux. Cet ADN correspondait à des espèces appartenant à la famille des Poacées (i.e., Festuca sp.). Nous avons émis l'hypothèse que ces plantes contaminantes ont été accidentellement cultivées avec la sauge et que des fragments d'entre elles ont été collectés par erreur, déchiquetés et par conséquent mélangés aux produits commerciaux finaux (Labra M., données non publiées). Ces conditions sont dangereuses si le taxon contaminant est toxique ou allergène pour l'homme. Un exemple typique est celui des noix et des amandes qui provoquent des allergies chez de nombreuses personnes [91]. Plusieurs produits alimentaires commerciaux (par exemple, boulangerie, pâtisserie et collations) ont montré une contamination par ces plantes (voir, par exemple, [76, 92]). Dans ce cas également, le codage à barres ADN agit comme un outil très polyvalent, permettant la détection des deux espèces (et de nombreux autres taxons allergènes) même lorsqu'elles étaient présentes à l'état de traces [76].

De même, le codage à barres ADN peut être efficace pour identifier les espèces végétales provoquant une intoxication ou un empoisonnement chez les consommateurs. Ces dernières années, les expositions aux plantes comptent parmi les cas d'intoxication les plus fréquents signalés par les centres antipoison [15, 93, 94]. Beaucoup d'entre eux sont dus à une erreur d'identification par inadvertance, comme indiqué dans [95] où les auteurs ont documenté l'échange de salade spontanée (Lactuca alpin (L.) Wallr.) avec Aconit spp. et ail sauvage (Allium ursinum L.) avec Colchique sp. Les deux Aconit et Colchique contiennent des métabolites toxiques ayant de graves conséquences pour la santé humaine après ingestion [96, 97]. Notre analyse a montré que le codage à barres ADN nous permettait de détecter la présence de plantes vénéneuses et d'identifier des régions amplifiées à séquences spécifiques (SCAR) utiles dans une approche PCR en temps réel pour un diagnostic rapide dans les centres antipoison [60].

4. Identification moléculaire végétale dans des matrices complexes

La plupart des produits alimentaires et cosmétiques sont constitués d'un pool d'espèces végétales, de cultures majeures et mineures et d'espèces spontanées. Celles-ci sont considérées comme des matrices complexes [31] et, pour établir la traçabilité, la disponibilité d'outils universels capables d'identifier de manière univoque chaque espèce végétale est nécessaire. Nous soulignons que les hypothèses pour lesquelles la (les) région(s) de code-barres d'ADN et les amorces utilisées sont universelles [33] impliquent que lorsque la méthode est appliquée à des matrices complexes, les amplifications PCR produiront plusieurs amplicons de code-barres d'ADN, correspondant à différentes espèces. Pour cette raison, nous avons testé cette méthode de diagnostic pour identifier la composition végétale sur différents produits mélangés tels que les pots-pourris commerciaux [14] et les miels multifleurs (Bruni et al., soumis). Pour la plupart de ces produits à base de plantes, une liste détaillée des ingrédients n'est pas indiquée sur l'étiquette, par conséquent, il est difficile de comprendre quelles espèces sont utilisées pour leur préparation et surtout à quel point elles sont sûres pour la santé humaine. Dans le cas des pots-pourris, nos résultats ont montré que les ingrédients principaux sont de simples plantes aromatiques (ex. espèces de Lamiacées) qui sont parfois comestibles (ex. Salvia officinalis L. Ocimum basilicum L.) ou ornementales (par exemple, Splendeur de la Salvia Sellow ex J.A. Schultes, Lavandula angustifolia Miller) sans effets négatifs sur la santé humaine. Dans d'autres cas, ces produits ont révélé la présence de plantes produisant des métabolites toxiques naturels, tels que des alcaloïdes dangereux pour la santé humaine [14, 98-100]. Cependant, le principal élément critique pour l'identification de matrices complexes à base de plantes est la disponibilité de bases de données de référence de codes-barres ADN [101, 102]. À ce jour, le Barcode of Life Data System (c'est-à-dire BOLD, http://www.boldsystems.org/ [103]) contient 52 767 séquences d'ADN végétal, bien que plusieurs cultures mineures et variétés locales soient manquantes. Des travaux récents, édités par notre laboratoire et d'autres groupes, ont mis en évidence le besoin d'archives de référence dédiées aux données de codes-barres ADN pour ces types de plantes [31, 67, 101, 102, 104, 105]. Dans une autre étude, nous avons démontré qu'à partir d'une base de données locale robuste, il est possible de caractériser la composition pollinique du miel multiflore, l'une des matrices alimentaires les plus complexes. Nos tests, menés sur des échantillons de miel produit dans les Alpes italiennes, ont montré la présence bien visible de taxons endémiques. Ce résultat nous a permis d'évaluer non seulement la composition des miels, mais aussi leur origine géographique (Bruni et al., soumis). Voir également le tableau 1 pour d'autres exemples.

Par rapport aux produits agricoles fabriqués par une seule plante, la caractérisation moléculaire de matrices complexes nécessite quelques avancées techniques, notamment concernant l'étape de séquençage. La méthode traditionnelle de séquençage de l'ADN [106] ne peut être adoptée que pour le séquençage direct d'amplicons dérivant d'un seul taxon. Les matrices complexes contiennent souvent des mélanges d'ADN provenant de nombreux individus appartenant à un certain groupe taxonomique (par exemple, les angiospermes) et l'amplification de l'ADN peut générer des amplicons de la même taille pour un certain locus (par exemple, une région de code-barres d'ADN pour l'identification des plantes), ce qui entrave séquençage avec l'approche de Sanger. Une solution possible pourrait être l'adoption d'une étape de clonage préliminaire pour séparer des matrices d'ADN uniques, mais cette stratégie a ses propres limites (par exemple, des coûts élevés) et peut introduire des biais (par exemple, une faible représentation des colonies séquencées dans le cas de matrices très complexes [107, 108]). La récupération des séquences d'ADN des dizaines à des milliers d'échantillons présents dans une matrice alimentaire complexe nécessite la capacité de lire l'ADN à partir de plusieurs modèles en parallèle. Depuis 2005, les avancées dans le domaine des technologies de séquençage de nouvelle génération (NGS) [109] ont permis de résoudre ce problème avec des coûts de plus en plus bas. À ce jour, plusieurs modèles de dispositifs de séquençage à haut débit ont été commercialisés sur la base de différentes chimies et techniques de détection [108]. Les technologies NGS peuvent générer jusqu'à des dizaines de millions de lectures de séquençage en parallèle et ces approches sont utilisées dans diverses applications, notamment la traçabilité des matrices alimentaires contenant des produits agricoles [73, 74, 110].

En conclusion, compte tenu de l'évolution rapide et de la standardisation des avancées du NGS, nous pensons qu'une approche universelle telle que le codage à barres ADN combinée à ceux-ci peut offrir une nouvelle opportunité pour la traçabilité des cultures mineures du champ à la table.

Conflit d'interêts

Les auteurs déclarent qu'il n'y a pas de conflit d'intérêts concernant la publication de cet article.

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Droits d'auteur

Copyright © 2014 Andrea Galimberti et al. Il s'agit d'un article en libre accès distribué sous la licence Creative Commons Attribution, qui permet une utilisation, une distribution et une reproduction sans restriction sur n'importe quel support, à condition que l'œuvre originale soit correctement citée.


Évaluation de l'homogénéité génétique des plantes in vitro de Tecomella undulata (Sm.) Semblent. utilisant des marqueurs moléculaires

Tecomella undulata (Sm.) Seem (famille des Bignoniaceae) est un arbre à bois économiquement et pharmaceutiquement important des régions arides de l'Inde. La surexploitation des peuplements naturels associée à un minimum d'efforts de conservation et de reboisement a conduit à son incorporation dans la liste des espèces menacées. Ce genre monotypique ne peut être multiplié que par graines car aucune méthode n'est disponible pour sa multiplication végétative. Par conséquent, le protocole de multiplication de T. undulata via la régénération directe à l'aide de segments nodaux d'arbres matures a été standardisée. L'authentification de l'homogénéité génétique de ces plantes in vitro est nécessaire pour l'application à l'échelle commerciale du protocole de micropropagation développé. Des marqueurs moléculaires basés sur la PCR qui sont apparus comme des outils simples, rapides, fiables et efficaces pour tester l'homogénéité génétique des plantes in vitro ont été utilisés dans la présente étude. Des marqueurs arbitraires (ADN polymorphe amplifié au hasard, RAPD), semi-arbitraires (répétition de séquence simple, polymorphisme ISSR start codon ciblé (SCoT)) et basés sur la séquence (répétition de séquence simple, SSR) ont été utilisés. Des échantillons d'ADN de pousses maintenues in vitro pendant 2 ans collectés après tous les 4 cycles de sous-culture (de 3 semaines chacun) et de plantules transférées sur le terrain ont été comparés à l'ADN de l'arbre mère à l'aide de 131 amorces (25 chacune de RAPD, ISSR, SCoT et 56 SSR) . Des fragments d'ADN non ambigus et reproductibles ont été produits par 77 amorces (21 RAPD, 20 ISSR, 22 SCoT et 14 SSR). Un total de 71, 93, 94 et 42 fragments d'ADN distincts et mesurables ont été produits par les amorces RAPD, ISSR, SCoT et SSR respectivement avec une moyenne de 3,38, 4,65, 4,27 et 3,0 fragments d'ADN par amorce. Le caractère fidèle du type des plantes in vitro de T. undulata subissant jusqu'à 32 passages de sous-culture sur une période d'environ 2 ans a été authentifié par des fragments d'ADN monomorphes amplifiés avec toutes les combinaisons d'amorces. Par conséquent, le protocole de micropropagation développé peut être utilisé en toute sécurité à une échelle commerciale pour multiplier T. undulata les plantes.

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3 CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Les orientations présentées ici montrent que le reboisement est plus complexe qu'on ne le pense souvent au départ. Il n'y a pas de solution universelle et facile à une initiative réussie étant donné l'extraordinaire diversité d'espèces, de types de forêts, de sites et d'environnements culturels et économiques. Dans de nombreux cas où les moyens de subsistance dépendent de paysages modifiés, les objectifs de restauration ne peuvent être atteints qu'en créant une mosaïque d'utilisations des terres au niveau du paysage et en s'engageant avec la société dans son ensemble (Figure 5).

Malgré la complexité inhérente aux initiatives de reboisement, il existe des exemples de réussite sur lesquels s'appuyer et développer davantage. Au cours des 30 dernières années, les écologistes ont transformé le concept de restauration forestière en un objectif réalisable, ayant développé des outils pour surmonter les obstacles techniques et de connaissances à sa mise en œuvre grâce à une recherche scientifique solide. Cela signifie que les appels lancés par l'ONU et de nombreuses autres organisations pour restaurer la forêt sur des centaines de millions d'hectares dans le monde - inconcevable auparavant - deviennent de plus en plus réalisables. Cependant, la réalisation d'objectifs aussi ambitieux ne se fera qu'à travers un examen attentif des divers aspects abordés dans cette revue.

Les partenariats impliquant de multiples parties prenantes (entreprises, gouvernements, ONG, scientifiques, praticiens, propriétaires fonciers) sont susceptibles de produire les avantages les plus durables à long terme. Surmonter les obstacles socio-économiques et politiques à la restauration des forêts nécessitera également une bonne gouvernance, des mécanismes de financement à long terme, des mesures de protection juridique consacrées pour les sites restaurés et une communication efficace entre les parties prenantes à l'interface science-politique-pratique.

De vastes programmes de reboisement sont maintenant en cours à travers la planète, et ceux-ci nécessiteront un suivi afin que les opportunités d'apprentissage ne soient pas perdues. Nous devons nous appuyer sur les meilleures preuves scientifiques disponibles et mettre en œuvre des expériences soigneusement planifiées, reproduites et contrôlées à grande échelle spatiale. Ceci est essentiel pour tester objectivement et améliorer continuellement l'efficacité des constructions socio-économiques existantes, telles que la foresterie communautaire, la REDD+, la RPF et les PSE. Surtout, les politiciens et les décideurs doivent agir maintenant pour opérer un changement de paradigme rapide dans la façon dont nous protégeons les forêts existantes et restaurons de nouvelles en utilisant des espèces indigènes, au profit à la fois des humains et de la nature. Ils doivent utiliser des réglementations innovantes, des incitations et tous les leviers à leur disposition.

Les initiatives massives de reboisement actuellement en cours, la prochaine Décennie des Nations Unies pour la restauration écologique et les aspirations à une reprise verte post-COVID, ont généré un espoir et un optimisme sans précédent que la restauration des forêts peut réellement améliorer l'écologie mondiale tout en améliorant les moyens de subsistance locaux. Cependant, il ne le fera que s'il est basé sur une science solide, guidé par les connaissances autochtones et les communautés locales, soutenu par une gouvernance équitable et encouragé par des mécanismes de financement à long terme. Nous espérons que les 10 règles d'or décrites ici aideront tous ceux qui sont impliqués dans la restauration des forêts de la Terre à aborder ces problèmes de manière fructueuse et à transformer l'espoir et l'optimisme en réalité.


Matériaux et méthodes d'amplification

Espèces d'étude et stratégie d'échantillonnage

Castanospermum australe (haricot noir) est distribué le long de la côte est de l'Australie, du cap York jusqu'au nord subtropical de la Nouvelle-Galles du Sud (Fig. 1). C'est un grand arbre riverain (jusqu'à 40 m) bien représenté dans le sous-étage des forêts anciennes que l'on retrouve également dans les trouées de chute d'arbres et les habitats perturbés. La physiologie des semis suggère que cette espèce peut agir comme un arbre en début de succession, ainsi qu'un arbre en phase de maturité [30]. Le haricot noir produit des grappes cauliflores de 5 à 15 cm de long, avec des fleurs orange à rouge de 30 à 40 mm de long qui attirent à la fois les vertébrés et les insectes pollinisateurs.

Les gousses, mesurant jusqu'à 20 cm de long, contiennent de trois à cinq graines de 3 cm de large et sont flottantes et tolérantes au sel [17]. La graine comprend de gros cotylédons avec un rôle non photosynthétique. Après la germination, des banques de semis à longue durée de vie peuvent être établies. La capacité des graines à se disperser à travers les océans est justifiée par la répartition de l'espèce, qui s'étend sur une zone considérable du sud-ouest du Pacifique, de l'Australie orientale à la Nouvelle-Calédonie et au Vanuatu, et par une relation phylogénétique et phytochimique étroite entre les espèces monotypiques. Castanospermum et le genre de forêt tropicale d'Amérique du Sud Alexa (neuf espèces [31], [32]). Les graines de C. australe contiennent des concentrations élevées d'alcaloïdes et de saponines qui peuvent dissuader la prédation des graines [33]. Ces composés ont reçu une attention scientifique importante en relation avec leurs propriétés anti-virales [34], ainsi que par rapport à leur toxicité [18].

Notre stratégie d'échantillonnage dans le contexte de la dispersion autochtone locale s'est concentrée sur des sites représentant la marge de distribution sud de l'espèce dans le nord de la Nouvelle-Galles du Sud (NNSW, Australie) et n'était pas destinée à représenter de manière exhaustive toutes les populations pour explorer la connectivité à l'échelle du continent ou des questions biogéographiques plus larges. . L'échantillonnage a été effectué en vertu d'une licence scientifique (#100569), Section 132c de la National Parks and Wildlife Services Act 1974 émise par le New South Wales Office of Environment and Heritage (l'échantillonnage n'impliquait pas d'espèces menacées ou protégées). L'objectif était d'assurer une représentation géographique suffisante dans les principales zones de captage du NNSW afin d'étudier les hypothèses d'homogénéité génomique par rapport à l'hétérogénéité génomique. Des génomes de plaste hérités de la mère hautement homogènes dans la zone d'étude suggéreraient une dispersion rapide et récente à partir d'un petit événement fondateur, tandis que l'hétérogénéité des plastes suggérerait une persistance locale plus longue et/ou plusieurs événements fondateurs. L'accent mis sur le NNSW a été influencé par la rareté actuelle de la faune locale dispersée et l'absence de mégafaune [27], et par notre compréhension de la dynamique locale de la forêt tropicale et de l'impact des processus environnementaux et biogéographiques sur la distribution des espèces et l'assemblage de la communauté [28], [29 ].

Des sites représentatifs des tropiques humides australiens (AWT, nord du Queensland, Australie) ont également été inclus en tant qu'échantillon comparatif du nord et disjoint sur le plan latitudinal de la région de la forêt tropicale avec la plus grande diversité de flore et de faune d'Australie (y compris le représentant restant de la mégafaune de la forêt tropicale, le casoar : Casuarius casuarius johsonii). Cette zone septentrionale a également un dossier archéologique étendu de l'utilisation de C. australegraines de [26].

Huit individus matures ont été échantillonnés sur chaque site (pour un total de 96 individus sur 12 sites), des précautions ont été prises pour éviter les sites impactés par l'activité humaine moderne et l'échantillonnage a été limité aux réserves ou aux aires de conservation (tableau 1).

Les sites sont disposés selon un schéma latitudinal, en commençant par les sites nordiques comparatifs (AWT) suivis des principaux sites d'étude (NNSW). Les noms (et abréviations), les détails de l'emplacement, l'altitude et la distance de la côte sont répertoriés.

Collecte de données anthropologiques

Une recherche documentaire sur ordinateur a été menée en 2015 et 2016 pour compiler la documentation historique des premières observations européennes coloniales sur l'utilisation et le mouvement des Autochtones par les Autochtones. C. australe ainsi que toute information linguistique ou culturelle (e.g., légendes, Songlines). Les sources recherchées comprenaient JSTOR, Google Scholar, Google et l'Institut australien des aborigènes et des insulaires du détroit de Torres étudient les bases de données électroniques MURA en utilisant les noms scientifiques et communs (haricot noir, châtaignier de Moreton Bay, haricot) et les noms tribaux aborigènes du NNSW (Bundjalung, Githabul , Gidabul, Bandjalang, Widjabul et les variantes orthographiques de ces noms). Nous avons également étudié les dictionnaires de langues autochtones et toute autre documentation historique du NNSW, y compris la vaste bibliothèque privée de l'expert en histoire autochtone de Tweed Valley, Ian Fox. Les références aux sites autochtones importants, aux lignes de chant et aux sentiers du NNSW ont été cartographiées à l'aide de QGIS (version 2.18, www.qgis.org).

En 2016, cinq dépositaires des connaissances autochtones du NNSW ont été interrogés au sujet de leur connaissance des C. australe. Les entretiens semi-structurés ont été animés par Oliver Costello et Emilie Ens et centrés sur les questions présentées dans l'annexe S2. L'approbation de l'éthique de la recherche humaine a été reçue de l'Université Macquarie pour enregistrer des entretiens sur C. australe. Toutes les personnes dans ce manuscrit et les informations à l'appui ont donné leur consentement éclairé écrit (comme indiqué dans le formulaire de consentement PLOS et dans un formulaire de consentement standard de l'Université Macquarie) pour publier ces détails de cas.

Bien que la terminologie non autochtone postcoloniale du savoir, des chants et de la danse autochtones soit souvent décrite comme des histoires ou des légendes « rêvantes », ces formes d'expression contiennent souvent des connaissances fondées sur des observations, des actions et des leçons passées qui ont été codées au fil des millénaires dans formes oralement transférables et mémorisables. Ils ne doivent pas être considérés comme des mythes ou des contes de fées. La pensée scientifique occidentale nous a dit que la vérité doit être séparée des interprétations religieuses ou spirituelles, ce qui a entraîné des malentendus modernes et une mauvaise interprétation de nombreux systèmes de connaissances traditionnels ou autochtones à travers le monde [35].

Séquençage du génome chloroplastique et de l'ADN ribosomique

Les processus dynamiques de population médiés par différents mécanismes produisent des modèles génétiques distincts, en particulier en ce qui concerne l'expansion à travers le paysage. L'étude de la variation de l'ADN chloroplastique (ADNcp) à travers le paysage fournit des méthodes largement applicables pour quantifier la dispersion induite par les graines à travers une gamme d'échelles spatiales [36]. L'hérédité maternelle et la nature conservée de l'ADN chloroplastique le rendent particulièrement utile pour explorer la dispersion médiée par les graines, bien que les approches de séquençage traditionnelles puissent fournir une puissance analytique limitée [37]. Les approches basées sur l'ADN récemment développées qui permettent l'analyse de génomes de plastes entiers et d'autres séquences d'ADN hautement répétitives offrent de nouvelles opportunités pour détecter des modèles au niveau du paysage, même chez les espèces non modèles à faible diversité [38], [39]. Ici, nous avons utilisé l'écrémage du génome (défini comme le séquençage à faible couverture de l'ADN total [40]) et des analyses bioinformatiques pour capturer la variation du polymorphisme nucléotidique unique (SNP) dans le chloroplaste et l'ADN ribosomique nucléaire [28].

Le tissu foliaire a été prélevé sur 96 individus (huit individus de chacun des 12 sites d'étude selon la stratégie d'échantillonnage) et stocké à -80°C avant l'extraction de l'ADN. L'ADN total a été extrait de chaque individu à l'aide des kits Qiagen DNeasy Plant Mini et les échantillons d'ADN ont été quantifiés à l'aide d'un fluoromètre Qubit 2.0 (Life Sciences). Pour préparer des bibliothèques génomiques spécifiques au site, les huit extraits d'ADN obtenus à partir de chaque site ont été normalisés et regroupés pour le séquençage de nouvelle génération. Comme notre objectif était de quantifier la variation des nucléotides au sein et entre les sites plutôt que de caractériser les individus, nous avons utilisé des échantillons regroupés par site et mesuré la variation intra-site (je.e., SNP détectés dans un pool spécifique à un site) ainsi que la variation entre les sites (je.e., différences de séquences fixes entre les sites) [39]. La préparation de la bibliothèque a suivi les protocoles standard de Nextera (Illumina Inc., San Diego, CA, États-Unis), et le séquençage par paires (2x150 pb) du fusil de chasse a été effectué sur un Illumina Genome Analyzer (GAIIx) par le Ramaciotti Center for Genomics (University of NSW, Australie). Les détails des sorties de séquençage des fusils de chasse sont donnés dans l'annexe S5.

Les lectures appariées ont été importées dans CLC Bio Genomics Workbench (version 6.5, www.clcbio.com) et les séquences ont été coupées à l'aide des paramètres par défaut pour supprimer les lectures de mauvaise qualité et les lectures de moins de 50 pb. Pour activer le mappage de lecture et la détection de SNP, des séquences de référence représentant le C. australe Le génome chloroplastique et l'ADN ribosomique nucléaire ont été assemblés à partir de chacune des bibliothèques de fusils de chasse spécifiques au site selon une approche standardisée [39]. Les lectures de chaque bibliothèque ont été mappées séparément sur les séquences de référence construites avec la similarité de mappage et la fraction de longueur fixées à 0,8 et 0,9 respectivement.

La détection des variants au sein de la population a été effectuée avec une fréquence minimale des variants définie comme la contribution en pourcentage de chaque individu inclus dans le pool (je.e., 12,5%). Pour les variantes à confirmer, une couverture minimale de 20x a été utilisée et une inspection visuelle a vérifié leur présence dans les deux sens avant et arrière. Les séquences consensus (représentant chaque site) des cartographies de lecture chloroplastique et ribosomique ont été importées dans Geneious Pro (R8, www.geneious.com, Biomatters Ltd.) pour alignement. Les zones de faible couverture ont été supprimées et l'emplacement du SNP a été annoté sur les fichiers de consensus [39].

Afin d'obtenir une représentation simple des distances génomiques entre les populations, les distances par paires ont été calculées à l'aide du plugin MAFFT dans Geneious avec les paramètres par défaut. Un alignement de séquences chloroplastiques de tous C. australe sites a été analysé à l'aide du plugin MrBayes dans Geneious [41], et un arbre de relations a été généré en utilisant la variation de taux distribuée gamma et un modèle de substitution HKY85, avec les 100 000 premiers d'une longueur de chaîne de 5 000 000 rejetés comme burn-in, et quatre sites chauffés les chaînes ont été exécutées avec une fréquence de sous-échantillonnage de 5 000. L'objectif de l'arbre n'était pas d'estimer la topologie des ramifications ou les relations plus profondes entre ses branches, mais de représenter visuellement la diversité au sein de la lignée focale (Fig. 1).

En plus des mesures de la diversité intra-population et de la distance inter-population, nous avons estimé la diversité intra-bassin et la distance inter-bassin. La diversité des SNP à l'intérieur du bassin versant a été déterminée par le nombre total de SNP fixes trouvés uniquement dans un bassin versant mais pas dans d'autres bassins (je.e., nombre de SNP fixes et uniques). Le nombre moyen de SNP entre les bassins versants (ainsi que le nombre moyen de SNP différenciant entre NNSW et AWT) a été déterminé par le nombre total de SNP fixes qui différenciaient les bassins versants (ou régions) les uns des autres [28].


Le maïs du futur a des centaines d'années et fabrique son propre mucus

Dans les années 1980, Howard-Yana Shapiro, aujourd'hui directeur de l'agriculture chez Mars, Incorporated, recherchait de nouvelles sortes de maïs. Il se trouvait dans le district de Mixes d'Oaxaca, dans le sud du Mexique, la région où les précurseurs du maïs (ou maïs) ont évolué pour la première fois, lorsqu'il a localisé l'un des maïs les plus étranges jamais vus. Non seulement il faisait de 16 à 20 pieds de haut, éclipsant les 12 pieds dans les champs américains, mais il a fallu six à huit mois pour mûrir, bien plus longtemps que les 3 mois nécessaires pour le maïs conventionnel. Pourtant, il a atteint ces hauteurs impressionnantes dans ce que l'on peut appeler charitablement un sol pauvre, sans l'utilisation d'engrais. tige de maïs, dégoulinant d'un gel clair et sirupeux.

Shapiro soupçonnait que ces doigts muqueux pourraient être le Saint Graal de l'agriculture. Il croyait que les racines permettaient à cette variété unique de maïs, surnommée Sierra Mixe et cultivée localement pendant des centaines voire des milliers d'années, de produire son propre azote, un nutriment essentiel pour les cultures qui est généralement appliqué comme engrais en quantités épiques.

L'idée semblait prometteuse, mais sans outils ADN pour examiner les spécificités de la façon dont le maïs produisait de l'azote, la découverte a été mise de côté. Près de deux décennies plus tard, en 2005, Alan B. Bennett de l'Université de Californie, Davis, avec Shapiro et d'autres chercheurs, ont commencé à utiliser une technologie de pointe pour étudier les propriétés de fixation de l'azote du maïs flegmy, constatant qu'en effet, les bactéries vivant dans le mucus extrayaient l'azote de l'air, le transmutant en une forme que le maïs pouvait absorber.

Aujourd'hui, après plus d'une décennie de recherches sur le terrain et d'analyses génétiques, l'équipe a publié ses travaux dans la revue PLOS Biology. Si le caractère fixateur d'azote pouvait être cultivé dans le maïs conventionnel, lui permettant de produire ne serait-ce qu'une partie de son propre azote, il pourrait réduire le coût de l'agriculture, réduire les émissions de gaz à effet de serre et stopper l'un des principaux polluants dans les lacs, les rivières et les océan. En d'autres termes, cela pourrait conduire à une deuxième révolution de l'azote.

La production synthétique d'azote est peut-être la plus grande réussite du 20e siècle. La découverte du procédé Haber-Bosch et ses raffinements, dans lesquels l'azote est extrait de l'air sous haute chaleur et pression en présence d'un catalyseur, a conduit à trois prix Nobel distincts. Et ils sont bien mérités. On estime que les rendements des cultures ont plus que doublé entre 1908 et 2008, les engrais azotés synthétiques étant responsables jusqu'à la moitié de cette croissance. Certains chercheurs ont lié la croissance massive de la population humaine au cours des soixante-dix dernières années à l'utilisation accrue d'engrais azotés. Sans cela, nous devrions cultiver près de quatre fois plus de terres ou avoir des milliards de personnes de moins dans le monde.

Mais produire tout cet azote a des conséquences. On estime que la fabrication d'engrais via le procédé Haber-Bosch utilise entre 1 et 2 pour cent de l'énergie mondiale, émettant beaucoup de gaz à effet de serre. Et l'azote synthétique lave régulièrement les champs dans les cours d'eau, entraînant une prolifération massive d'algues qui aspirent tout l'oxygène, tuant les poissons et d'autres organismes. Tant d'azote va dans les rivières et les ruisseaux que de grandes zones mortes se sont développées à l'embouchure des rivières du monde, dont une dans le golfe du Mexique qui, l'année dernière, faisait la taille du New Jersey. Mark Sutton du UK Centre for Ecology and Hydrology appelle l'azote "le parrain de la pollution" ses effets sont partout, mais vous ne voyez jamais vraiment le coupable.

Les chercheurs ont même transplanté le maïs à Madison, dans le Wisconsin, découvrant qu'il était toujours capable de produire son propre azote à partir de son environnement d'origine. (Photo : Jean-Michel Ané)

Mais nous ne pouvons pas simplement arrêter l'azote sans voir de réductions majeures dans l'agriculture. Bien qu'une meilleure gestion et de meilleures pratiques agricoles puissent aider à le garder hors des cours d'eau, ces stratégies ne suffisent pas à résoudre les problèmes écologiques de l'azote. C'est pourquoi les chercheurs se sont demandé pendant des décennies s'il existait un moyen d'aider les cultures céréalières comme le maïs et le blé à produire leur propre azote.

L'idée n'est pas aussi farfelue qu'il y paraît. De nombreuses plantes, en particulier les légumineuses comme le soja, les arachides et le trèfle, ont une relation symbiotique avec les bactéries Rhizobium, qui produisent de l'azote pour elles. Les plantes poussent des nodules racinaires où les bactéries s'installent et sirotent des sucres végétaux tout en convertissant l'azote de l'air en une forme que les plantes peuvent utiliser. Si une relation symbiotique similaire pouvait être trouvée qui fonctionne dans les cultures céréalières comme le maïs et le blé, les chercheurs pensent que nous pourrions réduire notre utilisation du polluant.

C'est pourquoi le mucus de maïs est si important, et pourquoi Bennett et son équipe ont passé huit ans à étudier et à réétudier les bactéries et le gel pour se convaincre que le maïs était effectivement capable de produire son propre azote. À l'aide du séquençage de l'ADN, ils ont pu montrer que les microbes contenus dans la boue portaient des gènes de fixation de l'azote et ont démontré que le gel excrété par le maïs, qui est riche en sucre et pauvre en oxygène, est parfaitement conçu pour favoriser la fixation de l'azote. À l'aide de cinq tests différents, ils ont montré que l'azote produit par les microbes se rendait ensuite dans le maïs, fournissant 30 à 80 pour cent des besoins de la plante. Ils ont ensuite produit une version synthétique de la boue et l'ont ensemencée avec les microbes, constatant qu'ils produisaient également de l'azote dans cet environnement. Ils ont même cultivé Sierra Mixe à Davis, en Californie, et à Madison, dans le Wisconsin, montrant qu'il pouvait effectuer son tour spécial en dehors de son territoire au Mexique.

"Ce mécanisme est totalement différent de celui utilisé par les légumineuses", dit Bennett, ajoutant qu'il peut également exister dans d'autres cultures. « Il est certainement concevable que des types de systèmes similaires existent dans de nombreuses céréales. Le sorgho, par exemple, a des racines aériennes et du mucilage. Peut-être que d'autres ont des mécanismes plus subtils qui se produisent sous terre qui pourraient exister plus largement. Maintenant que nous en sommes conscients, nous pouvons les rechercher.

Le co-auteur Jean Michel-Ane de l'Université du Wisconsin, Madison, convient que cette découverte ouvre toutes sortes de nouvelles possibilités. « Concevoir du maïs pour fixer l'azote et former des nodules racinaires comme les légumineuses est un rêve et un combat des scientifiques depuis des décennies. Il s'avère que ce maïs a développé une manière totalement différente de résoudre ce problème de fixation de l'azote. La communauté scientifique a probablement sous-estimé la fixation de l'azote dans d'autres cultures en raison de son obsession pour les nodules racinaires », dit-il dans un communiqué. “Ce maïs nous a montré que la nature peut trouver des solutions à certains problèmes bien au-delà de ce que les scientifiques pourraient imaginer.”

Il s'avère que la nature a encore plus d'astuces dans son sac pour produire de l'azote que les chercheurs commencent à peine à maîtriser. Il y a plusieurs autres projets en cours visant à faire en sorte que les cultures céréalières et maraîchères fassent le Haber-Bosching pour nous. L'une des plus prometteuses est l'utilisation d'endophytes, ou de micro-organismes comme les bactéries et les champignons qui vivent dans les espaces intercellulaires des plantes. La chercheuse de l'Université de Washington, Sharon Doty, s'est intéressée aux organismes il y a quelques décennies. Elle étudiait les saules et les peupliers, qui sont parmi les premiers arbres à pousser sur des terres perturbées après des événements comme une éruption volcanique, des inondations ou des chutes de pierres. Ces arbres poussaient à partir de gravier de rivière, avec pratiquement aucun accès à l'azote dans le sol. À l'intérieur de leurs tiges, cependant, Doty a trouvé des endophytes qui fixaient l'azote pour les arbres, aucun nodule racinaire n'était nécessaire. Depuis lors, elle a découvert des dizaines de variétés d'endophytes, dont beaucoup aident les plantes de manière surprenante. Certains produisent de l'azote ou du phosphore, un autre nutriment important, tandis que d'autres améliorent la croissance des racines et certains permettent aux plantes de survivre dans des conditions de sécheresse ou de forte teneur en sel.

« Il y a toute une série de microbes différents qui peuvent fixer l'azote et un large éventail d'espèces végétales affectées par eux », dit-elle. Ses tests ont montré que les microbes peuvent doubler la productivité des plants de poivrons et de tomates, améliorer la croissance du riz et conférer une tolérance à la sécheresse à des arbres comme les sapins de Douglas. Certains permettent même aux arbres et aux plantes d'aspirer et de décomposer les contaminants industriels et sont maintenant utilisés pour nettoyer les sites du Superfund. « L'avantage d'utiliser des endophytes est qu'il s'agit d'un très grand groupe. Nous avons trouvé des variétés qui fonctionnent avec le riz, le maïs, les tomates, les poivrons et d'autres plantes cultivées importantes sur le plan agricole.

En fait, les endophytes pourraient se retrouver entre les mains des agriculteurs le plus tôt possible. IntrinsyxBio, basée à Los Altos, en Californie, commercialise certains des endophytes de Doty. Le directeur scientifique John L. Freeman a déclaré dans une interview que la société était sur la bonne voie pour avoir un produit prêt à être commercialisé en 2019. L'objectif est de fournir plusieurs souches d'endophytes aux plantes, très probablement en enrobant les graines. Une fois que ces bactéries ont élu domicile à l'intérieur de la plante, elles devraient pomper environ 25 pour cent de l'azote dont elle a besoin.

Une autre société de biotechnologie, appelée Pivot Bio, a récemment annoncé qu'elle testait en version bêta une solution similaire, utilisant des microbes fixateurs d'azote qui se développent dans les systèmes racinaires du maïs.

Le nouveau domaine émergent de la biologie synthétique s'attaque également au problème de l'azote. Joyn Bio, basé à Boston, formé en septembre dernier, est un co-projet entre Bayer et Ginkgo Bioworks, une société de biotechnologie expérimentée dans la création de levures et de bactéries personnalisées pour l'industrie alimentaire et des arômes, entre autres projets de « microbes de conception ». Joyn parcourt actuellement la bibliothèque de Bayer de plus de 100 000 microbes pour trouver un hôte capable de coloniser avec succès les plantes, similaire aux endophytes de Doty. Ensuite, ils espèrent modifier ce "châssis hôte" avec des gènes qui lui permettront de fixer l'azote. "Plutôt que de compter sur la nature et de trouver un microbe magique, dont nous ne pensons pas qu'il existe, nous voulons trouver notre microbe hôte et l'affiner pour qu'il fasse ce dont nous avons besoin pour le maïs ou le blé", explique Joyn. PDG Michael Mille.

La Fondation Gates est également de la partie, soutenant des projets visant à conférer aux céréales les capacités de fixation de l'azote des légumineuses. D'autres équipes espèrent que l'avènement de l'informatique quantique suralimentée ouvrira de nouveaux domaines de la chimie et identifiera de nouveaux catalyseurs qui rendront le processus Haber-Bosch beaucoup plus efficace.

Bien qu'il soit peu probable qu'une solution à elle seule puisse remplacer 100 % des engrais synthétiques utilisés par les humains, peut-être qu'ensemble, ces projets pourraient faire une sérieuse brèche dans la pollution par l'azote. Bennett espère que Sierra Mixe et ce que son équipe en a appris feront partie de la révolution de l'azote, bien qu'il admette qu'il faudra beaucoup de temps avant que ses doigts de maïs gluants ne commencent à produire de l'azote dans les cultures conventionnelles. Il veut maintenant identifier les gènes qui produisent les racines aériennes et déterminer lesquels des milliers de microbes découverts dans le mucilage fixent réellement l'azote.

"Je pense que ce que nous faisons pourrait être complémentaire à ces approches [de la biologie des endoyphtes et de la biologie synthétique]", dit-il. "Je pense que nous verrons de nombreuses stratégies divergentes, et dans 5 à 10 ans, quelque chose émergera qui aura un impact sur la façon dont le maïs obtient l'azote."

Note de l'éditeur 15/08/18 : Une version antérieure de cet article a mal orthographié le nom de John L. Freeman et a mal identifié sa société actuelle.

À propos de Jason Daley

Jason Daley est un écrivain basé à Madison, dans le Wisconsin, spécialisé dans l'histoire naturelle, la science, les voyages et l'environnement. Son travail est paru dans Découvrir, Science populaire, À l'extérieur, Journal des hommes, et d'autres revues.


Évolution des gymnospermes

Les fougères à graines ont donné naissance aux gymnospermes au Dévonien, leur permettant de s'adapter aux conditions sèches.

Objectifs d'apprentissage

Expliquez comment et pourquoi les gymnospermes sont devenus le groupe végétal dominant pendant la période permienne

Points clés à retenir

Points clés

  • Les fougères à graines ont été les premières plantes à graines, protégeant leurs parties reproductrices dans des structures appelées cupules.
  • Les fougères à graines ont donné naissance aux gymnospermes au Paléozoïque, il y a environ 390 millions d'années.
  • Les gymnospermes comprennent les gingkos et les conifères et habitent de nombreux écosystèmes, tels que la taïga et les forêts alpines, car ils sont bien adaptés au froid.
  • Les véritables plantes à graines sont devenues plus nombreuses et diversifiées au cours de la période carbonifère il y a environ 319 millions d'années, une explosion qui semble être due à un événement de duplication du génome entier.

Mots clés

  • cupule: toute petite structure en forme de tasse
  • gymnosperme: toute plante, comme un conifère, dont les graines ne sont pas enfermées dans un ovaire
  • mutualisme: toute interaction entre deux espèces qui profite aux deux

Évolution des gymnospermes

Fougères à graines: Cette feuille fossilisée est de Glossopteris, une fougère à graines qui a prospéré pendant l'âge du Permien (il y a 290-240 millions d'années).

La plante fossile Elkinsia polymorphe, une fougère à graines de la période dévonienne (il y a environ 400 millions d'années) est considérée comme la première plante à graines connue à ce jour.Les fougères à graines produisaient leurs graines le long de leurs branches sans structures spécialisées. Ce qui en fait les premières vraies plantes à graines, c'est qu'elles ont développé des structures appelées cupules pour enfermer et protéger l'ovule (le gamétophyte femelle et les tissus associés) qui se développe en une graine lors de la fécondation. Les plantes à graines ressemblant aux fougères arborescentes modernes sont devenues plus nombreuses et plus diversifiées dans les marais houillers de la période carbonifère. Cela semble avoir été le résultat d'un événement de duplication du génome entier il y a environ 319 millions d'années.

Gymnospermes de la taïga: Cette forêt boréale (taïga) a des plantes basses et des conifères, car ces plantes sont mieux adaptées aux conditions plus froides et plus sèches.

Les archives fossiles indiquent que les premiers gymnospermes (progymnospermes) sont très probablement originaires de l'ère paléozoïque, au cours de la période du Dévonien moyen, il y a environ 390 millions d'années. Après les périodes humides du Mississippien et du Pennsylvanien, dominées par les fougères géantes, la période du Permien est sèche. Cela a donné un avantage reproductif aux plantes à graines, qui sont mieux adaptées pour survivre aux périodes de sécheresse. Les Ginkgoales, un groupe de gymnospermes avec une seule espèce survivante, le Gingko biloba, ont été les premiers gymnospermes à apparaître au Jurassique inférieur. Les gymnospermes se sont développés à l'ère mésozoïque (il y a environ 240 millions d'années), supplantant les fougères dans le paysage et atteignant leur plus grande diversité à cette époque. Il a été suggéré qu'au milieu de l'ère mésozoïque, la pollinisation de certains groupes éteints de gymnospermes était effectuée par des espèces éteintes de scorpionflies qui avaient une trompe spécialisée pour se nourrir de gouttes de pollinisation. Les scorpionflies se sont probablement engagées dans des mutualismes de pollinisation avec les gymnospermes, bien avant la coévolution similaire et indépendante des insectes se nourrissant de nectar sur les angiospermes.

La période jurassique était autant l'âge des cycas (gynospermes ressemblant à des palmiers) que l'âge des dinosaures. Les gingkoales et les conifères plus familiers parsèment également le paysage. Bien que les angiospermes (plantes à fleurs) soient la principale forme de vie végétale dans la plupart des biomes, les gymnospermes dominent encore certains écosystèmes, tels que la taïga (forêts boréales) et les forêts alpines à haute altitude en raison de leur adaptation aux conditions de croissance froides et sèches.


Isolement Reproductif

Avec suffisamment de temps, la divergence génétique et phénotypique entre les populations affectera les caractères qui influencent la reproduction : si les individus des deux populations étaient réunis, l'accouplement serait moins probable, mais si l'accouplement avait lieu, la progéniture serait non viable ou infertile. De nombreux types de caractères divergents peuvent affecter l'isolement reproductif, la capacité de se croiser, des deux populations.

L'isolement reproductif peut avoir lieu de diverses manières. Les scientifiques les organisent en deux groupes : les barrières prézygotiques et les barrières postzygotiques. Rappelons qu'un zygote est un œuf fécondé : la première cellule du développement d'un organisme qui se reproduit sexuellement. Par conséquent, une barrière prézygotique est un mécanisme qui empêche la reproduction d'avoir lieu. Cela inclut les barrières qui empêchent la fécondation lorsque les organismes tentent de se reproduire. Une barrière postzygotique apparaît après la formation du zygote. Cela inclut les organismes qui ne survivent pas au stade embryonnaire et ceux qui naissent stériles.

Certains types de barrières prézygotiques empêchent complètement la reproduction. De nombreux organismes ne se reproduisent qu'à certaines périodes de l'année, souvent juste une fois par an. Les différences dans les calendriers de reproduction, que nous appelons l'isolement temporel, peuvent agir comme une forme d'isolement reproductif. Par exemple, deux espèces de grenouilles habitent la même zone, mais l'une se reproduit de janvier à mars alors que l'autre se reproduit de mars à mai (Figure 9).

Figure 9 : Ces deux espèces de grenouilles apparentées présentent un isolement reproducteur temporel. (a) Rana aurora se reproduit plus tôt dans l'année que (b) Rana boylii. (crédit a : modification de l'œuvre par Mark R. Jennings, USFWS crédit b : modification de l'œuvre par Alessandro Catenazzi)

Dans certains cas, les populations d'une espèce se déplacent ou sont déplacées vers un nouvel habitat et s'installent dans un endroit qui ne chevauche plus les autres populations de la même espèce. Nous appelons cette situation l'isolement de l'habitat. La reproduction avec l'espèce parentale cesse et un nouveau groupe existe qui est désormais indépendant sur le plan reproducteur et génétique. Par exemple, une population de grillons divisée après une inondation ne pouvait plus interagir les unes avec les autres. Au fil du temps, les forces de sélection naturelle, la mutation et la dérive génétique entraîneront probablement une divergence entre les deux groupes (Figure 10).

Illustration 10 : La spéciation peut se produire lorsque deux populations occupent des habitats différents. Les habitats n'ont pas besoin d'être éloignés les uns des autres. Le grillon (a) Gryllus pennsylvanicus préfère les sols sablonneux, et le grillon (b) Gryllus firmus préfère les sols limoneux. Les deux espèces peuvent vivre à proximité, mais en raison de leurs préférences de sol différentes, elles sont devenues génétiquement isolées.

L'isolement comportemental se produit lorsque la présence ou l'absence d'un comportement spécifique empêche la reproduction. Par exemple, les lucioles mâles utilisent des motifs lumineux spécifiques pour attirer les femelles. Diverses espèces de lucioles affichent leurs lumières différemment. Si un mâle d'une espèce tentait d'attirer la femelle d'une autre, elle ne reconnaîtrait pas le motif lumineux et ne s'accouplerait pas avec le mâle.

D'autres barrières prézygotes fonctionnent lorsque des différences dans leurs cellules gamétiques (œufs et spermatozoïdes) empêchent la fécondation d'avoir lieu. Nous appelons cela une barrière gamétique. De même, dans certains cas, des organismes étroitement apparentés tentent de s'accoupler, mais leurs structures de reproduction ne s'emboîtent tout simplement pas. Par exemple, les demoiselles mâles de différentes espèces ont des organes reproducteurs de forme différente. Si une espèce essaie de s'accoupler avec la femelle d'une autre, leurs parties du corps ne s'emboîtent tout simplement pas. (Illustration 11).

Illustration 11 : La forme de l'organe reproducteur mâle varie selon les espèces de demoiselles mâles et n'est compatible qu'avec la femelle de cette espèce. L'incompatibilité des organes reproducteurs maintient l'espèce isolée sur le plan de la reproduction.

Chez les plantes, certaines structures visant à attirer un type de pollinisateur empêchent simultanément un pollinisateur différent d'accéder au pollen. Le tunnel par lequel un animal doit accéder au nectar peut varier considérablement en longueur et en diamètre, ce qui empêche la plante de se polliniser avec une espèce différente (Figure 12).

Figure 12 : Certaines fleurs ont évolué pour attirer certains pollinisateurs. La (a) large fleur de digitale est adaptée à la pollinisation par les abeilles, tandis que la (b) longue fleur de liane trompette en forme de tube est adaptée à la pollinisation par les colibris.

Lorsque la fécondation a lieu et qu'un zygote se forme, les barrières post-zygotiques peuvent empêcher la reproduction. Dans de nombreux cas, les individus hybrides ne peuvent pas se former normalement dans l'utérus et ne survivent tout simplement pas au-delà des stades embryonnaires. Nous appelons cette inviabilité hybride parce que les organismes hybrides ne sont tout simplement pas viables. Dans une autre situation postzygotique, la reproduction conduit à une naissance hybride et à une croissance stérile. Par conséquent, les organismes sont incapables de reproduire leur propre progéniture. Nous appelons cela la stérilité hybride.

Influence de l'habitat sur la spéciation

La spéciation sympatrique peut également avoir lieu par d'autres moyens que la polyploïdie. Par exemple, considérons une espèce de poisson qui vit dans un lac. À mesure que la population augmente, la concurrence pour la nourriture augmente. Sous la pression de trouver de la nourriture, supposons qu'un groupe de ces poissons ait la flexibilité génétique pour découvrir et se nourrir d'une autre ressource que les autres poissons n'utilisent pas. Et si cette nouvelle source de nourriture était située à une profondeur différente du lac ? Au fil du temps, ceux qui se nourrissent de la deuxième source de nourriture interagiraient davantage les uns avec les autres que les autres poissons, par conséquent, ils se reproduiraient également ensemble. La progéniture de ces poissons se comporterait probablement comme leurs parents : se nourrissant et vivant dans la même zone et se tenant à l'écart de la population d'origine. Si ce groupe de poissons continuait à rester séparé de la première population, une spéciation sympatrique pourrait éventuellement se produire car davantage de différences génétiques s'accumulaient entre eux.

Ce scénario se déroule dans la nature, tout comme d'autres qui conduisent à l'isolement reproductif. L'un de ces endroits est le lac Victoria en Afrique, célèbre pour sa spéciation sympatrique de cichlidés. Les chercheurs ont découvert des centaines d'événements de spéciation sympatrique chez ces poissons, qui se sont non seulement produits en grand nombre, mais aussi sur une courte période de temps. La figure 13 montre ce type de spéciation parmi une population de cichlidés au Nicaragua. Dans ce lieu, deux types de cichlidés vivent dans le même emplacement géographique mais ont des morphologies différentes qui leur permettent de manger diverses sources de nourriture.

Illustration 13 : Les cichlidés du lac Apoyeque, au Nicaragua, montrent des signes de spéciation sympatrique. Le lac Apoyeque, un lac de cratère, a 1800 ans, mais des preuves génétiques indiquent qu'une seule population de cichlidés a peuplé le lac il y a seulement 100 ans. Néanmoins, deux populations avec des morphologies et des régimes alimentaires distincts existent maintenant dans le lac, et les scientifiques pensent que ces populations pourraient être à un stade précoce de spéciation.


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