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L'origine de la résistance au glyphosate de l'amarante de Palmer
AGDAILY Reporters*
Image Pat Tranel, University of Illinois
Lorsque les gens parlent de la résistance des mauvaises herbes au glyphosate, vous pouvez vous attendre à ce que l'amarante de Palmer fasse partie de la discussion. Cette mauvaise herbe pousse rapidement, a un taux de ressemis élevé et peut donner des sueurs froides aux agriculteurs. Des chercheurs ont entrepris de séquencer et de disséquer la structure du réplicon d'ADN extrachromosomique qui sous-tend la base moléculaire et biochimique de la résistance au glyphosate dans l'amarante de Palmer (Amaranthus palmeri). Ce travail facilite notre compréhension de l'évolution adaptative des plantes et a des implications pour l'optimisation de l'utilisation des pesticides dans l'environnement.
Le glyphosate est un herbicide à large spectre largement utilisé qui cible à la fois les plantes à feuilles larges et les graminées (dicotylédones et monocotylédones). Il tue les plantes en inhibant l'enzyme 5-énolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS), présente uniquement dans les plantes et dans certaines bactéries. L'EPSPS est une enzyme clé pour la biosynthèse d'acides aminés essentiels et une cible idéale pour les herbicides parce que les animaux et les humains utilisent une autre enzyme insensible au glyphosate pour remplir la même fonction. Certaines plantes, y compris A. palmeri, peuvent développer une résistance à la toxicité du glyphosate en augmentant massivement l'expression du gène EPSPS pendant le stress provoqué par le glyphosate, inondant essentiellement le système métabolique avec des enzymes EPSPS supplémentaires et neutralisant ainsi les effets de l'herbicide.
Image William T. Molin
Faire plus de copies d'un gène est un moyen possible d'augmenter l'expression du gène : le phénomène d'amplification des gènes ou d'amas de gènes est un mécanisme commun d'évitement du stress chez les animaux, les plantes et les micro-organismes et est en jeu ici. Les gènes amplifiés sont souvent contenus dans des fragments d'ADN circulaire extrachromosomique (ADNcec) connus sous le nom de réplicons, des cercles d'ADN qui sont maintenus et répliqués à l'extérieur des chromosomes linéaires normaux dans un organisme. Chez l'homme, l'ADNcec est une caractéristique répandue de nombreux cancers et de diverses maladies associées à des défauts de développement et au vieillissement prématuré. Dans de tels cas, les ADNcec portent des oncogènes et d'autres gènes qui peuvent augmenter la survie et la prolifération des cellules malades.
Dans une étude publiée dans le journal de l'American Society of Plant Biologists, William T. Molin du US Department of Agriculture's Agricultural Research Service, et Allison Yaguchi, Mark Blenner et Christopher A. Saski de l'Université de Clemson fournissent la séquence complète de l'ADNcec du réplicon responsable de la résistance au glyphosate chez A. palmeri, révèlent son organisation structurelle et son contenu génomique, et examinent certaines des caractéristiques qui lui permettent de se répliquer et de persister dans le génome pendant plusieurs générations.
L'ADNcec du réplicon s'est avéré contenir 59 gènes, dont un sous-ensemble (y compris le gène EPSPS) montre une expression plus élevée après traitement des plantes résistantes avec du glyphosate. En plus de la présence de gènes amplifiés, la structure de l'ADNcec consiste en un arrangement complexe de séquences répétées et d'éléments génétiques mobiles – appelés éléments transposables – qui pourraient jouer un rôle dans son maintien et sa réplication sur la base d'une analogie avec d'autres ADNcec. L'auteur Christopher Saski a noté que « le contenu en ADN du réplicon d'ADNcec est sophistiqué. Le séquençage de cet élément a été difficile et cet assemblage complet n'est devenu possible que lorsque la technologie de séquençage de l'ADN a atteint le niveau d'une seule molécule, telle que développée par Pacific Biosciences » (la société de biotechnologie qui a lancé ces méthodes, basée à Menlo Park, en Californie).
Depuis l'introduction du glyphosate dans les années 1970, l'apparition de mauvaises herbes résistantes au glyphosate est devenue un problème croissant en milieu agricole. La plante d'amarante résistante au glyphosate sur laquelle ce projet de recherche a été bâti a été collectée dans un champ de soja qui avait été traité régulièrement avec l'herbicide pendant une décennie. L'origine de ce réplicon d'ADNcec est inconnue, mais est probablement le résultat de l'activation des éléments transposables et du remaniement génomique qui auraient pu être promus par l'utilisation du glyphosate. Autrement dit, des plantes comme A. palmeri qui contiennent l'ADNcec sont capables de survivre et de se propager là où le glyphosate est fréquemment utilisé ; en outre, le stress du glyphosate pourrait contribuer à l'activation des éléments transposables qui influencent la formation et l'activité de l'ADNcec. Comprendre la structure et la fonction génomiques complètes du réplicon d'ADNcec nous aidera à mieux comprendre comment la résistance au glyphosate se développe et évolue dans les plantes et aidera à affiner davantage les stratégies de traitement aux herbicides et à lutter contre la montée des mauvaises herbes résistantes.
Les auteurs ont également identifié des caractéristiques structurelles compatibles avec l'attachement de l'ADNcec aux chromosomes, ce qui peut faciliter le maintien du fragment pendant la mitose cellulaire normale. Les travaux futurs porteront sur la façon dont l'ADNcec s'auto-réplique dans les cellules végétales et sur l'identification des éléments fonctionnels essentiels du réplicon. Cette découverte pourrait mener à « de nouvelles approches de l'ingénierie du génome et à la possibilité d'exprimer des traits agronomiques utiles en dehors du génome nucléaire », a déclaré Saski.
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* Source : https://www.agdaily.com/crops/the-basis-of-glyphosate-resistance-in-palmer-amaranth/
Voici le résumé de « The ADNcec Replicon: A Heritable, Extra-Nuclear Vehicle that Enables Gene Amplification and Glyphosate Resistance in Amaranthus palmeri » (le réplicon ADNcec : un véhicule héritable, extra-nucléaire qui permet l'amplification de gènes et la résistance au glyphosate chez Amaranthus palmeri) de William T Molin, Allison Yaguchi, Mark A Blenner et Christopher A Saski (nous découpons...) :
« La variation du nombre de copies d'un gène est un mécanisme prédominant utilisé par les organismes pour répondre aux pressions de sélection de l'environnement. Il en résulte souvent des variations structurelles déséquilibrées qui se perpétuent en tant qu'adaptations pour maintenir la vie. Cependant, les mécanismes sous-jacents qui provoquent la prolifération des gènes sont mal connus.
Ici, nous montrons un résultat unique de plasticité génomique chez Amaranthus palmeri : un ADN circulaire extrachromosomique massif (ADNcec) de ~ 400 kpb, qui héberge le gène 5-ENOYLPYRUVYLSHIKIMATE-3-PHOSPHATE SYNTHASE (EPSPS) et 58 autres gènes dont les fonctions codées comprennent la détoxification, la réplication, la recombinaison, la transposition, l'attachement et le transport.
L'analyse de l'expression des gènes sous stress dû au glyphosate a montré la transcription de 41 de ces 59 gènes, avec une expression élevée de l'EPSPS, ainsi que des gènes codant pour les aminotransférases, les protéines à doigts de zinc et plusieurs protéines non caractérisées.
L'architecture génomique du réplicon d'ADNcec est composée d'un arrangement complexe de séquences répétées et d'éléments génétiques mobiles répartis dans des réseaux de palindromes groupés qui peuvent être cruciaux pour la stabilité, la duplication de l'ADN et l'attachement, et/ou un moyen d'intégration nucléaire des séquences adjacentes et intermédiaires.
Une analyse comparative des gènes orthologues de l'amarante hypocondriaque (Amaranthus hypochondriacus) et de l'amarante rugueuse (Amaranthus tuberculatus) suggère que les interactions de la chromatine d'ordre supérieur contribuent aux origines génomiques de la structure du réplicon d'ADNcec d'Amaranthus palmeri.
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