Un génome de référence amélioré facilite la sélection du seigle et du blé
« La nouvelle séquence de référence représente un bond en avant pour la recherche et la sélection du seigle »
Le seigle n'est pas seulement une plante cultivée résistante et à haut rendement, mais il constitue également un précieux patrimoine génétique pour la sélection du blé. Une équipe de recherche internationale dirigée par l’Institut Leibniz IPK a considérablement amélioré les bases de la recherche et de la sélection en publiant une séquence génomique de référence de très haute qualité. Cette séquence représente pour la première fois les centromères complets des sept paires de chromosomes. Les centromères jouent un rôle essentiel dans la répartition correcte de l’information génétique lors de la division cellulaire. Les résultats de cette étude viennent d’être publiés dans la revue spécialisée « Nature Communications ».
Le seigle partage une histoire évolutive étroite et ancienne avec l’orge et le blé. Son histoire en tant que culture importante est toutefois nettement plus courte. Alors que l’orge et le blé ont été « domestiqués » il y a 10 000 ans dans ce qu’on appelle le Croissant fertile du Proche-Orient, le seigle s’est d’abord répandu comme une mauvaise herbe des champs. Ce faisant, le seigle a progressivement acquis certaines caractéristiques de ses deux « grands frères et sœurs », jusqu’à ce qu’il devienne lui aussi une culture à part entière il y a 5 000 à 6 000 ans et qu’il s’impose comme la principale céréale panifiable en Europe du Nord au Moyen Âge.
Le génome vaste et complexe du seigle pose toutefois des défis à la science. Non seulement son patrimoine génétique est nettement plus vaste que celui de l’être humain, mais il est composé à près de 90 % de séquences d’ADN répétitives. Les séquences de référence existantes, telles que celle établie en 2021 à l’IPK, ont constitué des avancées très utiles et importantes pour la recherche et la sélection. Elles restaient toutefois incomplètes et trop imprécises. Elles comportaient des lacunes, des segments mal alignés, des régions effondrées et, surtout, des centromères incomplètement cartographiés. Ces derniers jouent un rôle fondamental lors de la division cellulaire pour doter les cellules filles en formation du même patrimoine génétique, afin qu’elles deviennent fonctionnelles.
Pour établir la séquence de référence désormais améliorée, l’équipe de recherche a utilisé les technologies de séquençage les plus modernes disponibles à l’IPK grâce à des financements fédéraux et régionaux. Dans un premier temps, de longues molécules d’ADN de la lignée Lo7 ont été séquencées. Cette lignée constitue un génotype de référence bien établi dans la recherche sur le seigle. Les longs fragments séquencés permettent de couvrir plus efficacement les zones du génome difficiles à décrypter. Dans un deuxième temps, les fragments d’ADN ont été replacés dans leur ordre correct sur les sept chromosomes. Les chercheurs ont ensuite vérifié la nouvelle séquence de référence à l’aide de plusieurs méthodes indépendantes et ont pu confirmer la haute qualité de la séquence génomique.
« La nouvelle séquence de référence représente un bond en avant pour la recherche et la sélection du seigle », explique le Dr Erwang Chen, premier auteur de l’étude. « Elle est plus complète que les versions précédentes, corrige les erreurs d’alignement antérieures et ouvre l’accès à des régions du génome en vue d’une analyse et d’une exploitation plus approfondies », précise le chercheur de l’IPK. « Dans ces régions, il existe des segments identiques en répétition directe qui, dans les versions précédentes, n’apparaissaient que sous forme effondrée et ne pouvaient pas être correctement résolus. » La composition correcte des centromères constitue notamment une avancée majeure. « Ces zones étaient jusqu’à présent particulièrement difficiles à décrypter. Grâce à la nouvelle séquence, nous pouvons désormais voir comment ces zones centrales des chromosomes sont structurées et quels éléments d’ADN les caractérisent », explique le Dr Erwang Chen. De plus, l’équipe de recherche de l’IPK a pu démontrer que certains éléments d’ADN mobiles, appelés transposons, étaient encore actifs récemment dans les centromères du seigle. « Cela prouve que les centromères peuvent évoluer différemment entre des espèces de céréales étroitement apparentées. » En effet, les transposons entraînent des variations, qui se traduisent par des fonctions différentes.
Les nouvelles découvertes concernant le bras « court » du chromosome 1R du seigle, appelé 1RS, présentent un intérêt particulier pour la sélection. Celui-ci a déjà été transféré à plusieurs variétés de blé par croisement et améliore des caractéristiques telles que la résistance aux maladies, la tolérance au stress et le rendement. Les gènes de résistance aux champignons phytopathogènes, tels que la rouille ou l’oïdium, sont particulièrement connus. L’étude montre que les segments 1RS utilisés dans le blé sont tous plus ou moins identiques, ou du moins très proches les uns des autres. Si l’on compare désormais ce segment dans les différents génotypes de seigle séquencés, on constate que cette région présente une variabilité bien plus grande chez le seigle.
« Cela signifie que la diversité du seigle recèle encore un potentiel inexploité considérable », souligne le professeur Nils Stein, directeur du département « Banque de gènes ». « Grâce au nouveau niveau de séquençage du génome du seigle que nous avons atteint, nous pouvons désormais passer à l’étape suivante. Dans le cadre du projet de recherche « RyeHub », financé par le ministère fédéral allemand de la Recherche, de la Technologie et de l’Espace (BMFTR), nous avons déjà commencé à séquencer de nombreux génomes de seigle afin de constituer ce que l’on appelle un pangénome du seigle. Cela sert de base à l’exploration systématique de la diversité génomique du seigle à des fins de recherche et de sélection. » Les chercheurs désignent par « pangénome » l’ensemble des gènes ou des séquences d’ADN d’une espèce.
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