Après des siècles d'élevage, les tomates prennent maintenant toutes sortes de formes et de tailles, des cerises aux gros fruits anciens. Les scientifiques tentent de déterminer au niveau des gènes comment et pourquoi ces changements physiques se manifestent. Crédit :Lippman Lab/CSHL/HHMI
Les appétits humains ont transformé la tomate - l'ADN et tout. Après des siècles d'élevage, ce qui était autrefois une baie sud-américaine de la taille d'un pois prend maintenant toutes sortes de formes et de tailles, de la cerise au gros fruit ancien.
Aujourd'hui, les scientifiques découvrent comment ces changements physiques se manifestent au niveau des gènes - un travail qui pourrait guider les efforts modernes pour modifier la tomate, déclare Zachary Lippman, chercheur à l'Institut médical Howard Hughes.
Lui et ses collègues ont maintenant identifié des mutations cachées longtemps cachées dans les génomes de 100 types de tomates, y compris une plante sauvage à baies oranges des îles Galapagos et des variétés généralement transformées en ketchup et en sauce.
Leur analyse, décrite le 17 juin 2020, dans la revue Cell , est l'évaluation la plus complète de ces mutations - qui modifient de longues sections d'ADN - pour n'importe quelle plante. La recherche pourrait mener à la création de nouvelles variétés de tomates et à l'amélioration de celles qui existent déjà, dit Lippman. Selon les chercheurs, quelques-unes des mutations identifiées par son équipe modifient des caractéristiques clés, telles que la saveur et le poids.
Des études antérieures ont montré depuis longtemps que ces mutations existent dans les génomes des plantes, explique Lippman, généticien des plantes au Cold Spring Harbor Laboratory. "Mais jusqu'à présent, nous n'avions pas de moyen efficace de les trouver et d'étudier leur impact", dit-il.
Une fenêtre sur le génome
Des mutations ou des changements dans les quatre types de lettres d'ADN transportées dans les cellules d'un organisme peuvent modifier ses caractéristiques physiques. Les scientifiques qui étudient les plantes se sont généralement concentrés sur un petit type de mutation traitable, dans lequel une lettre d'ADN est échangée contre une autre.
Les mutations étudiées par l'équipe de Lippman sont beaucoup plus importantes - elles modifient la structure de l'ADN en copiant, supprimant, insérant ou déplaçant de longues sections d'ADN ailleurs dans le génome. Ces mutations, également appelées variations structurelles, se produisent dans tout le monde vivant. Des études chez l'homme, par exemple, ont lié ces variations à des troubles tels que la schizophrénie et l'autisme.
Les chercheurs ont montré que la variation structurelle, dans ce cas le nombre de copies d'un gène, peut altérer le fruit. Les plantes avec trois copies de gènes (à gauche) ont produit des fruits 30% plus gros que celles avec une (à droite). Crédit :M. Alonge et al./Cellule 2020
Les scientifiques peuvent identifier les mutations en lisant les lettres de l'ADN à l'aide d'une technique connue sous le nom de séquençage génétique. Cependant, les limites de cette technologie ont rendu difficile le décodage de longues sections d'ADN, explique Lippman. Les chercheurs n'ont donc pas été en mesure d'obtenir une image complète des mutations structurelles du génome.
Même ainsi, les phytogénéticiens soupçonnent que ces mutations contribuent de manière significative aux caractéristiques des plantes, explique Michael Purugganan, qui étudie le riz et les palmiers dattiers à l'Université de New York et n'a pas participé à la nouvelle étude. "C'est pourquoi ce document est si excitant", dit-il. L'équipe de Lippman a non seulement trouvé ces mutations dans la tomate et ses parents sauvages, mais a également déterminé comment elles fonctionnent dans les plantes, dit-il.
Un guide pour les futures tomates
La nouvelle étude, une collaboration avec Michael Schatz de l'Université Johns Hopkins et d'autres, a identifié plus de 200 000 mutations structurelles dans les tomates en utilisant une technique appelée séquençage à lecture longue. Lippman compare cela à regarder à travers une fenêtre panoramique de grandes sections du génome. En comparaison, un séquençage plus conventionnel n'offrait qu'un judas, dit-il.
La majorité des mutations qu'ils ont trouvées ne modifient pas les gènes qui codent les traits. Mais ce qui est clair, dit Lippman, c'est que bon nombre de ces mutations modifient les mécanismes contrôlant l'activité des gènes. Un de ces gènes, par exemple, contrôle la taille des fruits de la tomate. En modifiant la structure de l'ADN - dans ce cas, le nombre de copies du gène - l'équipe de Lippman a pu modifier la production de fruits. Les plantes dépourvues du gène n'ont jamais produit de fruits, tandis que les plantes avec trois copies du gène ont produit des fruits environ 30 % plus gros que celles qui n'en avaient qu'une seule copie.
L'équipe de Lippman a également démontré comment la structure de l'ADN peut influencer les traits dans un exemple qu'il qualifie de "remarquablement complexe". Ils ont montré que quatre mutations structurelles étaient nécessaires pour sélectionner un trait de récolte majeur dans les tomates modernes.
Ces types d'informations pourraient aider à expliquer la diversité des traits dans d'autres cultures et permettre aux sélectionneurs d'améliorer les variétés, déclare Lippman. Par exemple, peut-être que l'ajout d'une copie supplémentaire du gène de taille aux petites cerises de terre, un proche parent de la tomate, pourrait augmenter leur attrait en les rendant plus grosses, dit-il.
"L'un des Saint Graal en agriculture est de pouvoir dire:" Si je fais muter ce gène, je sais quel sera le résultat ", dit-il. "Le domaine fait des pas importants vers ce type d'élevage prévisible."
Référence :"Impacts majeurs de la variation structurelle généralisée sur l'expression des gènes et l'amélioration des cultures de la tomate" par Michael Alonge, Xingang Wang, Matthias Benoit, Sebastian Soyk, Lara Pereira, Lei Zhang, Hamsini Suresh, Srividya Ramakrishnan, Florian Maumus, Danielle Ciren, Yuval Levy, Tom Hai Harel, Gili Shalev-Schlosser, Ziva Amsellem, Hamid Razifard, Ana L. Caicedo, Denise M. Tieman, Harry Klee, Melanie Kirsche, Sergey Aganezov, T. Rhyker Ranallo-Benavidez, Zachary H. Lemmon, Jennifer Kim , Gina Robitaille, Melissa Kramer, Sara Goodwin, W. Richard McCombie, Samuel Hutton, Joyce Van Eck, Jesse Gillis, Yuval Eshed, Fritz J. Sedlazeck, Esther van der Knaap, Michael C. Schatz et Zachary B. Lippman, 17 juin 2020, Cellule .
DOI :10.1016/j.cell.2020.05.021
