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Coordonnés par Chloé Girard, chargée de recherche CNRS à l’Institut de biologie intégrative de la cellule[1] de récents travaux de recherche sur les mécanismes impliquées dans la reproduction des végétaux remettent en question les connaissances sur leur brassage génétique. Grâce à des approches par séquençage d’ADN à haut débit, une nouvelle cartographie des événements de « crossovers », ces endroits où les chromosomes échangent leur ADN, a été établie et ouvre de nouvelles perspectives pour la sélection végétale.

Chloé Girard étudie les mécanismes moléculaires de la méiose, le processus fondamental de la reproduction sexuelle des êtres vivants. « Il consiste en une double division cellulaire qui réduit de moitié le nombre de chromosomes, et qui participe à la formation des gamètes reproducteurs chez les plantes. » C'est lors de la méiose que sont formés les crossovers qui permet le brassage génétique, essentiel à la diversité au sein des espèces. Ce brassage crée de nouvelles combinaisons d’allèles — les différentes versions d'un même gène.

« Nous transmettons à nos enfants un mélange des allèles hérités de nos parents, explique la généticienne. Chaque gène possède deux allèles : une copie maternelle et une copie paternelle. Ces copies varient entre elles par de toutes petites différences dans leur séquence d’ADN, on parle alors de polymorphisme (plusieurs formes). La reproduction sexuée permet de réassembler ces allèles parentaux, grâce aux crossovers entre les chromosomes homologues (ou d’une même paire). Ces crossovers (enjambements en français) permettent d’assembler des allèles sur le même chromosome, alors qu’ils étaient sur des chromosomes différents chez les parents, et cette nouvelle combinaison peut ensuite être transmise à la descendance. »

L’ADN d’Arabidopsis

La question qui fonde les recherches de Chloé Girard est de déterminer comment les crossovers sont distribués le long des chromosomes. « Leur distribution n'est ni uniforme ni aléatoire. Ces échanges, qui déterminent la manière dont les allèles sont brassés, n’apparaissent pas n’importe où et privilégient certaines zones à d’autres, explique-t-elle. Et notamment, la présence de polymorphisme elle-même pouvait influencer cette distribution. »

Des études sur la levure montrent qu'un fort polymorphisme entraîne un effet négatif sur la formation des crossovers : plus il y a de différences entre les chromosomes, moins les crossovers ont de chance de se former à cet endroit-là. En étudiant la plante Arabidopsis thaliana, et basé sur des travaux de collègues européens, Chloé Girard soupçonne au contraire un effet positif. C'est en partant de ce constat que l'idée du projet ANR Polyrec (pour Polymorphisme et RECombinaison) a germé. « J’ai eu envie de comprendre pourquoi le polymorphisme avait un tel impact sur la distribution des crossovers chez cette plante, révèle Chloé Girard. J’ai donc voulu cartographier, localiser le long des chromosomes, les événements de crossovers en réponse à des niveaux différents de polymorphismes. »

Ce projet « Jeune chercheur » (2020-2024) a été financé par l’Agence nationale de la recherche (ANR), dont l’objectif est de soutenir l’excellence de la recherche et l’innovation française sur le plan national, européen et international. Il a notamment permis de constituer une équipe composée d’un doctorant, dont la soutenance de thèse récente a marqué une étape clé du projet, ainsi que deux ingénieurs.

Cartographier l'échange génétique

Le matériel génétique, élaboré par l'équipe, a été envoyé au Max Planck Institute de Cologne pour être séquencé. Cette collaboration a permis de répondre aux besoins très spécifiques du projet : séquencer un grand nombre d'individus à faible couverture, une méthodologie non conventionnelle dans la recherche génomique (qui privilégie le séquençage profond de peu d’individus). L’équipe a ainsi réalisé une carte à haute résolution des événements de crossovers, et observé les différences lorsque l’on fait varier à la distribution du polymorphisme le long des chromosomes.

« Il s'agissait également d'établir le comportement de différents types de crossovers face à cette diversité génétique et de procéder à un criblage génétique pour identifier de nouveaux acteurs régulateurs », complète la chercheuse. Les travaux ont également abouti à la mise au point d'un pipeline bio-informatique capable de traiter automatiquement les données de séquençage issues de plus d'un millier d'individus.

Les travaux du projet Polyrec ont d’abord abouti à une avancée scientifique majeure. L’obtention de la carte à haute résolution des crossovers a révélé un effet inattendu et spectaculaire. Une caractéristique de distribution des crossovers, considérée jusqu'alors comme « immuable » chez Arabidopsis a tout simplement disparu sur la nouvelle carte. « Nous pensions l'altérer à la marge or nous l'altérons complètement. Le profil n'a plus rien à voir. C'est du jamais vu. Moi-même je n'y croyais pas ! » Ces données obligent ainsi la communauté scientifique à reconsidérer « les tables » de la génétique.

L'auto-fécondation favorable à la diversité

« Contrairement à des organismes comme la levure, qui dépend d'une rencontre entre deux individus génétiquement distincts pour se reproduire, Arabidopsis pratique majoritairement l'auto-fécondation, explique Chloé Girard. L'individu porte simultanément, au sein de la même fleur, l'organe reproducteur femelle (le pistil) et les organes mâles (les étamines) ». Cette organisation des organes sexuels favorise le croisement avec soi-même (auto-fécondation). Or, l'auto-fécondation entraîne une forte tendance des génomes à devenir homozygotes, c'est-à-dire à perdre leurs différences au fil des générations.

Ainsi, dans le cadre du projet Polyrec, une hypothèse évolutive centrale a émergé. « Pour combattre cette tendance à l’homozygotie, la plante aurait développé une stratégie consistant à « faire des crossovers » là où il y a de la diversité. En ciblant l'échange génétique sur les régions encore polymorphes, l'organisme parvient à maintenir l'hétérozygosité, c'est-à-dire la présence de différences au sein de son génome. »

Le mystère reste entier quant aux mécanismes qui permettent cette redistribution des crossovers vers les régions les plus polymorphes. Et notamment, il reste à expliquer pourquoi la même protéine provoque un effet inverse sur la formation des crossovers chez la levure et chez Arabidopsis. C’est pourquoi Chloé Girard étend ses recherches à d'autres espèces, comme Arabidopsis suecica (un polyploïde), mais aussi le riz et le colza, dans le cadre d’un futur projet ANR. « Comprendre comment le polymorphisme peut affecter la recombinaison a un grand potentiel non seulement pour comprendre les forces contribuant à l'évolution des génomes, mais aussi pour améliorer les programmes de sélection végétale », conclut la chercheuse.