Les algues fournissent des indices sur 600 millions d’années d’évolution des plantes

La surface de la Terre est recouverte de plantes. Elles constituent la majorité de la biomasse terrestre et présentent une grande diversité, des mousses aux arbres. Cette biodiversité étonnante est apparue grâce à un événement évolutif décisif qui ne s’est produit qu’une seule fois : la colonisation terrestre par les plantes.

Cela décrit le moment où un groupe d’algues, dont les descendants modernes peuvent encore être étudiés en laboratoire, a évolué en plantes et a envahi les terres du monde entier.

Un groupe international de chercheurs, mené par une équipe de l’Université de Göttingen, a généré de grandes quantités de données d’expression génique pour étudier les réseaux moléculaires qui opèrent chez l’une des algues les plus proches parentes des plantes terrestres, une humble algue unicellulaire appelée Mesotaenium endlicherianum. Leurs résultats ont été publiés dans Nature Plants.

Une algue modèle pour comprendre l’évolution des plantes

En utilisant une souche de Mesotaenium endlicherianum conservée depuis plus de 25 ans dans la collection de cultures d’algues de l’Université de Göttingen (SAG) et le dispositif expérimental unique disponible sur place, les chercheurs ont exposé Mesotaenium endlicherianum à une gamme continue de différentes intensités lumineuses et températures.

Janine Fürst-Jansen, chercheuse à l’Université de Göttingen, déclare : « Notre étude a commencé par l’examen des limites de résilience de l’algue – à la fois à la lumière et à la température. Nous l’avons soumise à une large gamme de températures allant de 8°C à 29°C. Nous avons été intrigués lorsque nous avons observé l’interaction entre une large tolérance à la température et à la lumière basée sur notre analyse physiologique approfondie.« 

La façon dont les algues réagissent n’a pas seulement été étudiée au niveau morphologique et physiologique, mais aussi en lisant les informations d’environ 10 milliards d’extraits d’ARN. L’étude a utilisé une analyse de réseau pour étudier le comportement partagé de près de 20 000 gènes simultanément.

Dans ces modèles partagés, des « gènes centraux » qui jouent un rôle central dans la coordination de l’expression génique en réponse à divers signaux environnementaux ont été identifiés. Cette approche a non seulement offert des informations précieuses sur la façon dont l’expression génique des algues est régulée en réponse à différentes conditions, mais aussi, combinée à des analyses évolutives, sur la façon dont ces mécanismes sont communs aux plantes terrestres et à leurs parents algaux.

Des outils génétiques partagés sur plus de 600 millions d’années d’évolution

Le professeur Jan de Vries, de l’Université de Göttingen, indique : « Ce qui est si unique dans cette étude, c’est que notre analyse de réseau peut pointer vers des boîtes à outils génétiques entières qui n’étaient pas connues pour fonctionner dans ces algues. Et lorsque nous regardons ces boîtes à outils génétiques, nous constatons qu’elles sont partagées sur plus de 600 millions d’années d’évolution des plantes et des algues !« 

Comme l’explique Armin Dadras, doctorant à l’Université de Göttingen : « Notre analyse nous permet d’identifier quels gènes collaborent chez diverses plantes et algues. C’est comme découvrir quelles notes musicales s’harmonisent systématiquement dans différentes chansons. Cette perspective nous aide à découvrir des modèles évolutifs à long terme et révèle comment certaines « notes » génétiques essentielles sont restées cohérentes chez un large éventail d’espèces végétales, un peu comme des mélodies intemporelles qui résonnent à travers différents genres musicaux.« 

En synthèse

Cette étude révèle comment une humble algue unicellulaire peut nous éclairer sur l’évolution des plantes terrestres. En soumettant Mesotaenium endlicherianum à différentes conditions et en analysant ses réponses physiologiques et génétiques, les chercheurs ont identifié des mécanismes moléculaires partagés avec les plantes terrestres malgré 600 millions d’années d’évolution séparée. Ces résultats soulignent l’importance de cet organisme modèle pour comprendre l’adaptation des plantes à la vie terrestre.

Pour une meilleure compréhension

Quelle algue a été étudiée ?

Les chercheurs ont étudié l’algue unicellulaire Mesotaenium endlicherianum, un proche parent des plantes terrestres.

Comment ont-ils procédé ?

Ils ont soumis cette algue à différentes conditions de température et de lumière, et analysé ses réponses physiologiques et génétiques.

Qu’ont-ils découvert ?

Ils ont identifié des mécanismes moléculaires partagés avec les plantes terrestres, malgré 600 millions d’années d’évolution séparée.

Pourquoi est-ce important ?

Cela montre que cette algue est un organisme modèle clé pour comprendre l’adaptation des plantes à la vie terrestre.

Quelles nouvelles perspectives cela ouvre-t-il ?

De futures études pourront explorer plus en détail les mécanismes partagés entre cette algue et les plantes terrestres.

Quelles sont les limites de l’étude ?

Elle ne porte que sur une seule espèce d’algue. D’autres algues ancestrales devront être étudiées.

Légende illustration principale : Échantillons de Mesotaenium endlicherianum conservés en toute sécurité dans la collection de cultures d’algues de l’université de Göttingen (SAG) depuis plus de 25 ans. Cette image montre le dispositif expérimental unique qui a permis aux chercheurs d’exposer le Mesotaenium endlicherianum à une gamme continue d’intensités lumineuses et de températures différentes.

Photo : Janine Fürst-Jansen

Publication: Dadras A, Fürst-Jansen JMR et al. “Environmental gradients reveal stress hubs predating plant terrestrialization”, Nature Plants 2023 DOI: 10.1038/s41477-023-01491-0