Les études génomiques et l'imagerie par tomographie revivent une spécialité scientifique après son déclin

 Dr. Mahmoud Ali Shaher Al-Shahin - Département des sciences de la vie

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 Lorsque Elizabeth Kellogg a terminé son doctorat en 1983, elle craignait que ses compétences soient déjà obsolètes, car elle avait étudié la morphologie des plantes (qui étudie la structure et la forme des plantes) et leur classification ; elle examinait avec soin la diversité magnifique des formes de plantes pour comprendre comment les différentes espèces de plantes étaient liées entre elles. Cependant, la plupart de ses collègues s'étaient déjà tournés vers une nouvelle approche : la biologie moléculaire. Kellogg déclare : "Soudain, tout travail nécessitait des techniques de biologie moléculaire, et cela semblait comme si j'avais appris l'art de décorer des manuscrits avec de l'or et des couleurs, puis quelqu'un avait inventé l'imprimerie". Kellogg a obtenu son diplôme alors qu'une révolution dans la biologie des plantes était sur le point d'éclater. Au cours des quelques décennies suivantes, alors que les chercheurs adoptaient les outils moléculaires et la technique de séquençage de l'ADN, les analyses détaillées des traits et des caractéristiques physiques des plantes n'intéressaient plus les scientifiques, et les généticiens n'avaient plus besoin d'expertise pour comparer les différentes espèces de plantes, car beaucoup d'entre eux n'avaient étudié que quelques organismes modèles, comme la plante Arabidopsis thaliana.

Dans les universités, les départements de botanique ont commencé à diminuer et à se réduire, tandis que les départements de biologie moléculaire augmentaient, et Kellogg - qui travaille actuellement au Donald Danforth Plant Science Center à Saint-Louis, dans le Missouri - s'est rapidement adaptée à ces changements ; elle a étudié le génome et l'a combiné avec ses compétences en morphologie des plantes pour suivre l'évolution des traits fondamentaux chez les espèces sauvages apparentées aux cultures alimentaires. Cependant, elle a récemment remarqué un regain d'intérêt pour les anciennes méthodes ; les avancées dans la technologie d'imagerie par rayons X, qui permettent aux chercheurs d'examiner la structure des plantes en trois dimensions, signifient que les biologistes recherchent à nouveau une expertise en morphologie des plantes et en physiologie. De plus, les avancées dans l'édition génétique et le séquençage génétique ont permis aux généticiens d'apporter des modifications à l'ADN dans un plus grand nombre de plantes, renouvelant ainsi leur appétit pour comprendre la diversité des plantes.

Les biologistes des plantes espèrent qu'en combinant les nouvelles approches d'étude des plantes avec des données provenant d'études génomiques et des laboratoires d'imagerie par rayons X, ils pourront fournir de meilleures réponses aux questions que les biologistes se posent depuis plus de cent ans : comment les gènes et l'environnement façonnent la riche diversité des formes physiques des plantes. Kellogg déclare : "La recherche des scientifiques commence à dépasser des systèmes spécifiques pour considérer les plantes dans leur ensemble", soulignant que la morphologie des plantes était autrefois une science d'étude de la forme et de la structure pour elle-même, mais qu'elle est maintenant utilisée comme un outil pour comprendre comment les caractéristiques des plantes sont liées à l'activité des gènes à travers les différentes espèces, ajoutant : "Elle revient, mais sous une nouvelle forme".

La deuxième génération de la botanique 

Les scientifiques en morphologie des plantes retracent leurs racines au philosophe et poète allemand Johann Wolfgang von Goethe, qui a vécu au XVIIIe siècle, et qui a compris l'énorme étendue de la diversité des plantes, et a entrepris de rechercher une plante qui serait le modèle original dont toutes les formes dérivent. Cette idée rêveuse n'a pas trouvé son chemin dans la réalité, mais les scientifiques ont suivi son exemple en comparant la structure et les fonctions des plantes pour en apprendre davantage sur l'évolution des plantes. Plus tard, la question de l'évolution des plantes occupera Charles Darwin, qui a qualifié la rapide prolifération de cette vaste gamme de formes de fleurs et de stratégies de pollinisation utilisées de "mystère odieux".

Bien que l'ère des études génomiques ait éloigné de nombreux biologistes des plantes de l'étude de la morphologie, la dernière génération de développements technologiques les oriente vers le retour aux questions qui ont préoccupé Goethe et Darwin. Parmi ces développements technologiques, les appareils d'imagerie par tomographie, qui peuvent créer des modèles tridimensionnels de la structure interne des plantes sans détruire les tissus. Par exemple, à l'Université de Vienne, le scientifique en morphologie des plantes Yannick Staudt a utilisé des appareils de tomographie pour analyser les secrets d'un groupe trompeur de fleurs d'orchidées européennes ; alors que de nombreuses plantes d'orchidées récompensent les insectes pollinisateurs avec du nectar, d'autres imitent le partenaire de reproduction de ces insectes, ou imitent des fleurs riches en nectar mais sans offrir de récompenses. Les biologistes se sont demandé depuis l'époque de Darwin comment ces espèces trompeuses d'orchidées prospèrent ; car il est peu probable que les insectes s'y dirigent plus d'une fois. Les études de Staudt suggèrent que ces plantes pourraient produire plus d'ovules - cette partie de l'ovaire de la plante qui devient des graines - pour compenser les faibles taux de pollinisation.

Certains chercheurs combinent la technique d'imagerie tridimensionnelle avec des outils moléculaires. Au John Innes Centre à Norwich, au Royaume-Uni, le laboratoire d'Enrico Coen utilise une technique appelée tomographie par projection lumineuse pour capturer des images tridimensionnelles des plantes pendant leur croissance. Il peut également photographier les insectes pollinisateurs à la recherche de nectar à l'intérieur des fleurs, ou qui se retrouvent piégés par des plantes carnivores. En même temps, l'équipe surveille l'activité génétique dans les plantes en marquant les protéines clés avec des étiquettes lumineuses. Coen indique qu'en combinant des études de morphologie classique avec la technique d'imagerie tridimensionnelle et des idées de biologie du développement, l'équipe de recherche espère en apprendre davantage sur les mécanismes qui conduisent à la formation des formes des plantes. Dans une étude, par exemple, Coen et son équipe ont observé la croissance des fleurs d'orge et ont expliqué pourquoi ce processus ne se déroule pas comme prévu dans une version mutante de la plante d'orge découverte pour la première fois au Népal dans les années 1830.

Les nouvelles techniques d'imagerie par rayons X visent directement à améliorer la culture des récoltes. Dans un champ de la ville de Jülich en Allemagne, des drones et de petits ballons équipés de caméras thermiques survolent les plantes, tandis que des véhicules sans conducteur appelés Field Cops transportent des capteurs et parcourent le sol. Ces efforts au Centre d'étude des modèles de plantes à Jülich s'inscrivent dans une tendance croissante à collecter rapidement des données sur les caractéristiques des plantes. Au départ, ces efforts comprenaient une gamme limitée de caractéristiques, telles que les taux de croissance ou le nombre de graines produites, mais, comme le souligne Dirk Inzé, biologiste moléculaire des plantes à l'Université de Gand en Belgique, les drones et les robots ont été équipés de capteurs plus avancés. Certains de ces outils peuvent désormais collecter des données sur la structure et la composition des plantes, comme la forme des branches et des feuilles, en utilisant des scanners laser et des capteurs de profondeur. Des appareils de scan similaires ont également été utilisés avec des plantes cultivées en laboratoire pour analyser la croissance rythmique des feuilles et relier cette croissance à un composé protéique spécifique.

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Du génome aux formes

Les laboratoires de biologie moléculaire pourraient trouver ce qui les attire à revenir à la botanique ; car la lecture de l'ADN est devenue - comme dans d'autres domaines des études génomiques - peu coûteuse, au point que le séquençage de l'ADN d'une espèce de plante n'est plus une fin en soi. Le premier génome d'une plante - celui de l'Arabidopsis thaliana - a été publié en 2000, et depuis lors, plus de 250 espèces de plantes ont été séquencées. William Friedman, directeur de l'Arnold Arboretum (un champ d'expérimentation où les plantes sont cultivées à des fins scientifiques) de l'Université Harvard à Boston, dans le Massachusetts, déclare : "Maintenant, les chercheurs veulent comprendre comment le génome explique l'évolution et les formes".

En 2017, par exemple, la revue qui a annoncé le génome d'une espèce d'orchidée connue sous le nom d'Apostasia shenzhenica a inclus une analyse des gènes qui pourraient être responsables d'aspects uniques de la morphologie de l'orchidée, y compris les lèvres, qui sont cette partie des fleurs d'orchidées qui attire les insectes et sert de plateforme d'atterrissage pour eux.

Miltos Tsiantis, de l'Institut Max Planck pour la recherche sur la culture des plantes à Cologne, en Allemagne, déclare : "Il est maintenant probable de comprendre comment les changements génétiques influencent la forme". En 2014, son laboratoire a utilisé la génétique et l'imagerie par passage du temps pour comprendre comment un gène spécifique affecte la forme des feuilles en restreignant la croissance des cellules sur les bords des feuilles d'une espèce de moutarde connue sous le nom de "Cardamine hirsuta" ; alors que les feuilles de Cardamine hirsuta se développent en une série de folioles autour de la tige, l'absence de ce gène a conduit à la croissance de feuilles simples en forme ovale que l'on voit dans la plante Arabidopsis thaliana.

Le scientifique en morphologie des plantes Dan Schitwood - qui travaille actuellement à l'Université d'État du Michigan à East Lansing - a utilisé la puissance du séquençage de l'ADN pour étudier l'expression génétique dans la plante Caulerpa taxifolia, une algue marine qui forme des structures complexes comprenant une tige et des feuilles ressemblant à des fougères à partir d'une seule cellule de grande taille. Certains biologistes ont déclaré que le nombre et le taux de division cellulaire sont ce qui forme la morphologie de la plante, mais l'étude de Schitwood montre que l'expression génétique dans cette algue marine unicellulaire varie de manière à égaler l'expression génétique dans des structures similaires dans des plantes multicellulaires, ce qui indique que la cellule divisée ne détermine pas toujours la forme.

Les outils moléculaires avancés d'aujourd'hui ont rendu possible la modification de l'ADN dans des plantes qui étaient auparavant très difficiles à manipuler. L'outil d'édition du génome CRISPR-Cas9 a permis aux chercheurs d'apporter des modifications à des gènes spécifiques dans un large éventail de plantes. Ils l'ont utilisé, par exemple, pour transformer une plante de liseron violette en blanche, et pour modifier les gènes impliqués dans la construction des parois cellulaires dans les fleurs d'orchidées.

Chelsea Specht, biologiste des plantes à l'Université Cornell, déclare que les chercheurs perdent beaucoup lorsqu'ils ne prennent pas le temps de réfléchir à la diversité des formes des plantes dans la nature et de l'étudier. Chelsea a été témoin de cas où les scientifiques n'ont pas réalisé que les mutations génétiques - ou les formes mutantes de la plante Arabidopsis thaliana, où les motifs de branches changent - sont des formes de plantes récurrentes, se produisant naturellement, et se trouvant dans d'autres lignées. Elle souligne que lorsque cela se produit, les chercheurs manquent d'opportunités pour mettre ces traits dans un contexte évolutif.

Un camp d'entraînement pour la botanique

La possibilité de la disparition de l'expertise dans ce domaine a beaucoup préoccupé Friedman, au point qu'en 2013, lui et sa femme Pamela Diggle - scientifique en morphologie des plantes à l'Université du Connecticut à Storrs - ont lancé un camp d'entraînement intensif pour les biologistes afin d'étudier la botanique. Diggle déclare : "Préserver ce savoir de l'extinction est l'une de mes missions en tant qu'académique, il est essentiel de garder ces informations vivantes dans la communauté".

Le programme a d'abord été financé par la National Science Foundation des États-Unis, et l'organisation New Phytologist Trust - une organisation à but non lucratif spécialisée dans l'étude des sciences des plantes à Lancaster, au Royaume-Uni - prévoit de prendre en charge les frais du programme à partir de cette année. Le programme accepte environ 12 scientifiques chaque année, dont certains viennent de laboratoires qui se concentrent généralement sur la biologie moléculaire et les études génomiques. Friedman indique que le nombre de candidats au programme est généralement six fois supérieur au nombre de places disponibles.

Jaimie Costion - généticienne évolutive - a rejoint ce programme en 2013 pour acquérir les compétences nécessaires pour explorer les traits végétaux dans le genre de plantes Jaltomata. Ces espèces sont considérées comme des parentes des plantes de base utilisées en cuisine, comme les tomates et les pommes de terre, mais elles se distinguent par des fleurs variées, distinctives et récemment développées ; certaines sont plates tandis que d'autres sont tubulaires, certaines récompensent les insectes pollinisateurs avec un nectar visqueux de couleur orange, tandis que d'autres produisent un nectar rouge sucré.

Costion déclare : "Ces espèces de plantes présentent une diversité incroyable qui n'a jamais été étudiée auparavant, et je voulais comprendre d'où vient cette diversité". Costion a utilisé ce qu'elle a appris en étudiant la morphologie des plantes pour détailler l'évolution des fleurs dans cinq espèces de ce genre dans sa thèse de doctorat. Actuellement, Costion - qui travaille maintenant comme chercheuse postdoctorale à l'Université du Vermont à Arlington - étudie l'immense variété de compositions de nectar et effectue des analyses génétiques sur une vaste gamme de formes de fleurs.

Friedman espère que d'autres suivront les traces de Costion ; en combinant ces approches et les techniques de comparaison classiques, ils parviendront à de nouvelles idées sur les questions qui ont poursuivi les chercheurs pendant des décennies. Friedman ajoute : "À quoi ressemblaient les premières fleurs ? Vous pouvez probablement ouvrir un livre datant de 1900 et poser les mêmes questions que les chercheurs se posaient sur la structure fondamentale des plantes. Nous savons plus de choses aujourd'hui, mais nous ne connaissons pas nécessairement les réponses".