Epigénétique : un peuplier de 330 ans raconte sa vie
Tout comme les mutations génétiques, les modifications épigénétiques, c'est-à-dire les remaniements des gènes qui ne se produisent pas sur la séquence d'ADN primaire, se produisent parfois de manière aléatoire chez les plantes et peuvent être transmises de génération en génération. Une équipe de recherche montre maintenant pour la première fois, à l'exemple des arbres, que de telles "épimutations" augmentent continuellement au cours de la vie d'une plante et peuvent être utilisées comme horloge moléculaire pour déterminer l'âge d'un arbre.
L'épigénétique étudie les modifications héréditaires de l'activité des gènes qui ne sont pas dues à des changements de la séquence d'ADN primaire. "Alors que chez les mammifères, les marques épigénétiques sont normalement réinitialisées à chaque génération, ce n'est pas toujours le cas chez les plantes. Chez les plantes, les modifications épigénétiques au sein d'une génération peuvent être transmises de manière stable à la génération suivante et même être héritées sur de nombreuses générations", déclare Frank Johannes, professeur d'épigénétique des populations et d'épigénomique à l'Université technique de Munich (TUM).
Son équipe de recherche s'intéresse à la fréquence des épimutations dans les génomes des plantes, à leur stabilité au fil des générations et à la question de savoir si elles peuvent influencer des caractéristiques importantes des plantes.
Les arbres portent en eux de nombreuses épimutations
"En raison de leur longévité, les arbres peuvent nous fournir des connaissances épigénétiques sur de longues périodes", déclare Prof. Johannes. Avec Robert J. SchmitzLe professeur Hans Fisher, professeur à l'université de Géorgie (États-Unis) et Hans Fisher Fellow à l'Institute for Advanced Study de la TUM (TUM-IAS), vient de publier deux études à ce sujet.
L'équipe s'est concentrée sur un peuplier âgé de 330 ans. Elle a comparé la méthylation de l'ADN, un mécanisme chez les plantes qui représente une modification chimique de l'ADN, sur les feuilles de différentes branches de l'arbre. Ils ont ainsi pu montrer que les modifications épigénétiques augmentent continuellement en fonction de l'âge de l'arbre. Plus deux feuilles étaient éloignées l'une de l'autre par rapport à l'âge de développement de la branche, plus elles étaient dissemblables au niveau de la méthylation de l'ADN. Les chercheurs en ont conclu que le taux d'épimutations par an est environ 10.000 fois plus élevé que le taux de mutations génétiques sur le même arbre.
L'âge des arbres peut être daté grâce à l'épigénétique
Cette découverte a permis de comprendre que les épimutations pouvaient également servir d'horloge moléculaire pour déterminer l'âge de l'arbre. "Seules quelques branches avaient été datées par le comptage des cernes, mais malheureusement pas le tronc principal. Or, nous avions besoin de cette information pour notre analyse. Nous avons donc traité l'âge total de l'arbre comme un paramètre inconnu et nous avons demandé aux données de méthylation de l'ADN des feuilles de nous dire quel âge avait l'arbre. Cela nous a donné une estimation d'environ 330 ans", rapporte le professeur Johannes.
Il s'est avéré par la suite que cette estimation correspondait à la datation du tronc principal basée sur le diamètre et à d'autres informations sur l'histoire de la vie de cet arbre particulier. "C'était la première indication qu'il y avait une sorte d'horloge épigénétique dans les arbres".
Une fenêtre sur le passé
L'équipe du professeur Johannes cherche à présent à savoir si les changements environnementaux subis par les arbres au cours de leur longue vie laissent des signatures épigénétiques qui peuvent être lues pour en apprendre plus sur leur passé.
"Notre objectif est de combiner les données environnementales historiques avec notre travail épigénétique afin de comprendre si les arbres 'enregistrent' épigénétiquement des défis environnementaux spécifiques tels que les sécheresses ou les variations de température. Ce type d'informations peut être utile pour envisager l'avenir, notamment face au changement climatique mondial".
Publications:
Brigitte Hofmeister ; Johanna Denkena ; Maria Colome-Tatche ; Yadollah Shahryary ; Rashmi Hazarika ; Jane Grimwood ; Sujan Mamidi ; Jerry Jenkins ; Paul Grabowski ; Avinash Sreedasyam ; Shengqiang Shu ; Kathleen Lail ; Anna Lipzen ; Catherine Adam ; Kerrie Barry ; Rotem Sorek ; David Kudrna ; Rod Wing ; Talag Jayson ; David Hall ; Daniel Jacobson ; Gerald Tuskan ; Jeremy Schmutz ; Frank Johannes ; Robert J Schmitz : Un assemblage de génomes et le taux de mutation génétique et épigénétique somatique chez une espèce pérenne sauvage de longue durée Populus trichocarpa. Genome Biology, 21, 259 (2020). DOI: 10.1186/s13059-020-02162-5
Yadollah Shahryary ; Aikaterini Symeonidi ; Rashmi R Hazarika ; Johanna Denkena ; Talha Mubeen ; Brigitte Hofmeister ; Thomas van Gurp ; Maria Colomé-Tatché ; Koen Verhoeven ; Gerald Tuskan ; Robert J Schmitz ; Frank Johannes : AlphaBeta : Inférence informatique des taux et spectres d'épimutation à partir de données de méthylation de l'ADN à haut débit chez les plantes. Genome Biology, 21, 260 (2020). DOI: 10.1186/s13059-020-02161-6
Plus d'informations:
Dans un projet de suivi en cours, Frank Johannes travaille avec Hans Pretzsch, professeur de sciences de la croissance des forêts à la TUMa été réalisée. Sa chaire dirige une expérience européenne sur le hêtre dans le Steigerwald, au centre de l'Allemagne, où des arbres individuels ont été suivis de près depuis leur première plantation en 1870. Des données détaillées sur la croissance et le climat sont disponibles pour ces arbres. Ils se demandent maintenant si et comment l'histoire du développement de ces arbres peut être reconstruite à partir de mesures épigénétiques.
