Le génome de la rhubarbe noble (Rheum nobile), une plante de serre, ouvre une fenêtre sur l'adaptation alpine

Aug 22, 2023

Biologie des communications volume 6, Numéro d'article : 706 (2023) Citer cet article

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Les plantes de serre sont des espèces qui emprisonnent la chaleur grâce à une morphologie et une physiologie spécialisées, imitant une serre humaine. Dans la région alpine himalayenne, la morphologie hautement spécialisée des serres a évolué indépendamment en lignées distinctes pour s’adapter au rayonnement UV intensif et aux basses températures. Nous démontrons ici que la structure de la serre – des feuilles caulinaires spécialisées – est très efficace pour absorber la lumière UV mais transmettre la lumière visible et infrarouge, créant ainsi un microclimat optimal pour le développement des organes reproducteurs. Nous révélons que ce syndrome de serre a évolué au moins trois fois indépendamment dans le genre rhubarbe Rheum. Nous rapportons la séquence du génome de la plante phare de serre Rheum nobile et identifions les modules clés du réseau génétique en association avec la transition morphologique vers des feuilles de serre spécialisées, y compris la biogenèse active de la paroi cellulaire secondaire, la biosynthèse de la cutine cuticulaire régulée positivement et la suppression de la photosynthèse et de la biosynthèse des terpénoïdes. L'organisation distincte de la paroi cellulaire et le développement des cuticules pourraient être importants pour les propriétés optiques spécialisées des feuilles de serre. Nous constatons également que l’expansion des LTR a probablement joué un rôle important dans l’adaptation de la rhubarbe noble aux environnements de haute altitude. Notre étude permettra des analyses comparatives supplémentaires pour identifier la base génétique sous-jacente à l'apparition convergente du syndrome de la serre.

Le soulèvement tertiaire et quaternaire des montagnes a exposé les organismes à des conditions alpines exigeantes et accéléré l’évolution des biotas alpins1,2. Les plantes ont réagi aux environnements alpins difficiles avec un haut degré de spécialisation1,3, conduisant à diverses formes de vie, notamment des plantes en coussin, des rosettes géantes et des plantes succulentes3. Dans les régions himalayennes, la zone alpine tempérée la plus riche en espèces au monde, des morphologies spécialisées ont évolué en réponse à des conditions environnementales hostiles, notamment des températures basses, un rayonnement solaire élevé, des vents forts et une courte saison de croissance1. Les morphologies spécialisées comprennent les plantes laineuses (plantes couvertes de poils laineux denses), les plantes penchées (plantes à fleurs tournées vers le sol) et les plantes de serre. Les plantes de serre sont peut-être les plus frappantes, avec des inflorescences abritées par des feuilles semi-translucides qui créent un intérieur plus chaleureux et peuvent être comparées au verre d'une serre4,5,6. La plante alpine himalayenne la plus importante est la rhubarbe noble [Rheum nobile Hook.f. & Thomson, Polygonaceae)], qui est la plante phare sous serre adaptée aux hautes altitudes (>4000 m)7.

Contrairement à ses concurrentes sympatriques qui sont généralement naines ou prostrées, la rhubarbe noble atteint une hauteur de 2 m en floraison, ce qui la rend très visible dans la région alpine. La remarquable morphologie en forme de serre était considérée comme essentielle pour que les plantes puissent faire face aux basses températures et aux forts rayonnements UV à haute altitude8,9,10. Ce trait adaptatif s'est également révélé important pour le mutualisme entre les plantes et les moucherons pollinisateurs Bradysia consommateurs de graines, fournissant un abri pour la ponte des adultes et le développement des larves .

Élucider la base génétique des traits adaptatifs est un objectif central de la génétique évolutive14. La modification génomique associée à l'adaptation aux hautes altitudes a été bien documentée chez les animaux15 mais a été moins explorée chez les plantes par rapport à la grande diversité de la flore alpine. Mais en tant que plantes emblématiques du paysage alpin, les plantes de serre sont devenues le centre d’intérêts écologiques et évolutifs plus importants8,10,12,13,16,17,18,19. Des études sur la fonction écologique des structures spécialisées des plantes alpines, telles que le couvert foliaire en forme de coussin20,21,22,23, les feuilles et inflorescences velues24,25,26, les bractées feuillues8,12,13 et les capitules penchés27,28 ont révélé que ces caractéristiques sont particulièrement efficaces pour piéger la chaleur. Par exemple, la température à l’intérieur du couvert foliaire de la plante coussin Silene acaulis (L.) Jacq. est généralement 15 °C plus élevée que la température ambiante pendant les jours clairs d’été20. Ces avantages thermiques sont essentiels à la croissance, au développement, au métabolisme et à la reproduction des plantes qui habitent les environnements constamment froids et venteux des régions alpines25. De plus, l’orientation vers le bas des fleurs et des feuilles en forme de serre est censée être utile pour protéger les parties reproductrices sensibles des rayons UV et des tempêtes fréquentes10,12,13,27,28,29. Malgré de grands progrès dans la compréhension de l’écologie fonctionnelle de ces extrémophiles, les bases génétiques facilitant leur fascinante adaptation sont mal comprises, en raison du manque d’informations génomiques.