Dans la course à l'évolution, innover est certes nécessaire mais recycler des gènes existants est parfois plus efficace. De fait, des organismes très éloignés peuvent échanger un gène par transfert horizontal (HGT), un processus qui transcende les barrières entre espèces.
Dans un article publié dans
Nature Communications, des scientifiques nous dévoilent l'histoire évolutive rocambolesque du gène NAS transféré horizontalement de multiples fois au sein de l'arbre du vivant.
La petite histoire d'une grande transition
Il y a environ 500 millions d'années, une lignée de végétaux aquatiques a entrepris l'un des événements majeurs de l'évolution: la colonisation des terres émergées. Cette transition décisive s'est faite en collaboration avec des microorganismes, grâce:
- aux
mycorhizes, associations symbiotiques facilitant l'absorption des nutriments,
- et aux
transferts horizontaux de gènes (HGT), par lesquels des gènes issus de microorganismes ont été transmis à l'ancêtre des plantes, apportant de nouvelles fonctions adaptatives cruciales.
De cette lignée ont émergé deux grands groupes:
- les
bryophytes (mousses, hépatiques, anthocérotes),
- et les
plantes vasculaires (lycophytes, fougères, conifères, plantes à fleurs).
Souvent décrites comme des survivantes "primitives" en raison de leur morphologie simple, les bryophytes étaient considérées comme pauvres en innovations génétiques. De nouvelles données génomiques viennent contester cette vision.
L'étude de Dong et al., publiée dans
Nature Genetics, a mis à disposition une vaste ressource: le séquençage d'une centaine d'espèces de bryophytes, couvrant une grande partie de leur diversité évolutive.
Cette ressource montre que les bryophytes:
- disposent d'une boîte à outils génétiques extrêmement fournie,
- présentent plus de familles de gènes que les plantes vasculaires,
- et témoignent de nombreuses acquisitions génétiques tout au long de leur histoire évolutive.
Ainsi, derrière leur apparente simplicité se cache une richesse génomique remarquable, révélatrice d'une dynamique évolutive intense.
La NAS, un gène voyageur !
Dans un article publié dans la revue
Nature Communications, des scientifiques se sont intéressés au gène codant pour l'enzyme NAS. Elle catalyse la synthèse de la nicotianamine, un tripeptide qui lie et facilite le transport de métaux tels que le fer, le cuivre, le zinc ou le manganèse.
Absente chez les animaux, à l'exception d'un insecte, on retrouve la nicotianamine chez les plantes vasculaires, où elle participe principalement au transport à longue distance des métaux via les vaisseaux, ainsi que de façon inattendue chez la mousse modèle non-vasculaire
Physcomitrium patens, ou chez certains microorganismes.
Cette distribution fragmentée a conduit les scientifiques à reconstituer l'histoire du gène NAS au sein de l'arbre du vivant.
Le verdict est sans appel: l'évolution du gène NAS ne correspond pas à l'histoire évolutive du vivant. Pourquoi ? Parce que plusieurs transferts horizontaux de gènes se sont produits à différentes périodes, à partir de donneurs microbiens distincts.
Un exemple particulièrement frappant: le gène NAS de la mousse "ancestrale"
Physcomitrium n'est pas l'ancêtre des gènes NAS de plantes vasculaires "modernes", il est même environ 150 millions d'années plus jeune !
L'importance de la profondeur d'analyse pour une nouvelle vision de l'évolution des plantes terrestres
Grâce à la profondeur d'analyse rendue possible par les nouveaux génomes publiés par leurs collaborateurs, les scientifiques ont démontré que:
- Les bryophytes ont acquis la NAS auprès de quatre donneurs microbiens différents.
- Un gène acquis par HGT peut être remplacé par un second HGT plusieurs centaines de millions d'années plus tard, un phénomène encore jamais démontré.
- Un gène NAS a même été transféré d'une plante à graines vers un champignon ainsi que vers un insecte, la mouche blanche.
Ces travaux révèlent un scénario évolutif où:
- les transferts horizontaux de gènes jouent un rôle bien plus central que prévu,
- ces transferts sont probablement bien plus fréquents qu'estimé jusqu'ici,
- et ils peuvent servir non seulement à introduire de nouvelles fonctions, mais aussi à remplacer un gène existant.
Résumé des transferts horizontaux (HGT) du gène de la NAS au travers de l'arbre du vivant. Du centre vers l'extérieur: Bactéries/Champignons/Plantes terrestres (Embryophytes)/Métazoaires.
Chaque flèche horizontale indique un HGT indépendant de NAS. Chaque NAS est distinguée par un préfixe indicatif du groupe receveur. Par exemple, 1 /FunNAS, indique un transfert de NAS de champignon vers l'ancêtre d'un groupe comprenant les mousses Funariales. Au cours de l'évolution des mousses, une première NAS (FunNAS; 1) a été remplacée par une autre (HypNAS; 2), par deux HGTs successifs. À noter que Bemisia est à ce jour la seule représentante des metazoaires à posséder une NAS. La numérotation n'est pas indicative de l'ordre chronologique des transferts.
© B. Goffinet