Un tube pollinique tordu rend stérile

En règle générale, les plantes ont un double jeu de chromosomes, comme la plupart des mammifères et des humains. Un jeu provient du père, l'autre de la mère. Elles sont dites diploïdes. Or, il peut arriver que le nombre de jeux de chromosomes double d'une génération à l'autre : un organisme diploïde devient soudain tétraploïde, il a donc quatre jeux de chromosomes.

Contrairement à l'homme, où les génomes multiples sont généralement mortels, la polyploïdie peut présenter des avantages pour les plantes concernées. Les plantes à génome multiple s'adaptent mieux à l'environnement, sont tolérantes au sel ou résistantes à la sécheresse. De plus, elles produisent souvent des graines ou des fruits plus gros et ont un rendement plus élevé - des caractéristiques intéressantes pour les plantes utiles du futur.

Mais il y a un hic : les individus polyploïdes nouvellement formés d'une espèce végétale sont généralement totalement ou presque totalement stériles et ne peuvent pas être reproduits si facilement. La raison pour laquelle ces plantes sont stériles n'est pas encore entièrement élucidée.

Des gènes qui contrôlent le tube pollinique

Kirsten Bomblies, professeure de l'ETH en génétique moléculaire de l'évolution des plantes, et son équipe viennent de découvrir un mécanisme jusqu'ici non identifié pour expliquer la baisse de fertilité des polyploïdes. Dans une étude récente publiée dans la revue spécialisée page externeScience les chercheurs montrent que chez les plantes polyploïdes nouvellement formées, le tube pollinique ne se développe pas correctement.

Normalement, un grain de pollen qui reste collé sur le stigmate d'une fleur lors de la pollinisation germe en un long tube qui croît en ligne droite et sans ramification à travers l'ovaire jusqu'aux ovules. C'est là que se produit la fécondation.

Les chercheurs de l'ETH ont observé que dans les plantes polyploïdes nouvellement formées, le tube pollinique ne pousse ni droit ni suffisamment long. "Dans nos expériences, nous avons observé toutes les formes possibles", explique Bomblies, "tordues, ramifiées, courtes et même éclatées - mais aucun de ces tubes polliniques n'atteint sa cible". Selon cette conclusion, les cellules sexuelles mâles, situées à l'extrémité du tube pollinique, ne peuvent pas fusionner avec les ovules de la plante.

Bomblies et ses collaborateurs:trices ont étudié ce phénomène sur le cresson de fontaine (Arabidopsis arenosa). On trouve deux clones de cette fleur sauvage dans la nature : l'un avec un double jeu (comme nous les humains) et l'autre avec un jeu de chromosomes quadruple. Les écumes tétraploïdes ont réussi à surmonter l'inconvénient de la duplication du génome et à s'établir en populations indépendantes.

Dans des études antérieures, les chercheurs ont identifié dans les populations tétraploïdes de l'écume des sables des gènes liés à la fertilité de la plante et pour lesquels de nouvelles variantes ont été développées chez les tétraploïdes. Dans le présent travail, les chercheurs ont suivi à rebours les caractéristiques produites par ces gènes. Normalement, les chercheurs en génétique évolutive suivent plus souvent l'approche consistant à partir d'un caractère (phénotype) pour trouver les gènes à l'origine de ce caractère.

La recherche génétique à rebours a montré aux chercheurs de l'ETH que les deux gènes contrôlent la croissance du tube pollinique. Et : dans les populations établies de cresson de sable tétraploïdes, les gènes concernés sont souvent légèrement modifiés par rapport aux versions présentes chez les individus diploïdes. "L'évolution a donc trouvé un moyen de faire varier légèrement les deux gènes de manière à ce que les individus tétraploïdes soient fertiles", conclut Bomblies.

Une utilité encore incertaine pour la culture des plantes

Les scientifiques n'ont pas encore percé tous les secrets de la stérilité des polyploïdes nouvellement formés. "Nous étudions actuellement d'autres gènes candidats qui sont également impliqués dans la croissance du tube pollinique", explique la chercheuse.

Il faut encore étudier si les nouvelles connaissances peuvent être utilisées pour la sélection végétale. Les deux gènes sont toutefois dits hautement conservés. Cela signifie qu'ils ont été conservés au cours de l'histoire de l'évolution et qu'on les retrouve dans différentes espèces.

Bomblies estime donc qu'il est possible que les deux gènes de l'écume des sables puissent être transférés dans d'autres espèces. C'est ce à quoi elle s'emploie actuellement avec son groupe : les collaborateurs testent s'ils peuvent transférer les deux gènes dans l'arabette des champs (Arabidopsis thaliana), une proche parente de l'écume des sables. "Si nous parvenons à transférer cette construction génétique à une autre espèce, elle pourrait devenir intéressante pour la culture de nouvelles plantes utiles", explique la chercheuse en évolution.