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L'objectif de ce travail de thèse était d'étudier la diversité structurelle et l'évolution des génomes mitochondriaux et chloroplastiques (regroupés sous le nom de génomes cytoplasmiques) chez une famille de plantes, les Oléacées, en combinant une approche génomique et phylogénétique. Dans un premier article paru en septembre 2016, Céline Van de Paer et Guillaume Besnard montraient que la reconstruction du génome mitochondrial complet d'une espèce éteinte (Hesperelaea palmeri) était possible par séquençage « shotgun », même à partir d'ADN très dégradé provenant de spécimens conservés en herbiers depuis le 19^ème siècle. Cet article très méthodologique avait alors fait l'objet d'un fait marquant TULIP.

Utiliser l’ADN mitochondrial dans les études phylogéographiques et métagénomiques des plantes

Forts de cette méthodologie, les chercheurs ont testé l'apport de données génomiques mitochondriales dans la résolution des relations phylogénétiques entre lignées d’oliviers, puis à l'échelle de la famille des Oléacées. Pour diverses raisons, le génome de mitochondrie est rarement utilisé pour reconstruire l'histoire évolutive des plantes, contrairement aux marqueurs nucléaires et chloroplastiques. Cependant, son introduction dans l'analyse a permis de résoudre certaines relations de parenté entre diverses lignées d’oliviers sauvages présentes au Nord de l’Afrique, qui n’avaient jamais pu être résolues jusqu’alors. Ainsi, ces lignées se seraient diversifiées d’ouest en est le long de la Méditerranée il y a environ 2 à 5 millions d’années, avec la mise en place du climat méditerranéen, bien avant la domestication de l’olivier par l’homme. Par ailleurs, cette étude démontre une grande similarité entre les relations phylogénétiques déduites des génomes mitochondrial ou chloroplastique, probablement en conséquence le la transmission essentiellement maternelle des organites cytoplasmiques.

Quelles conséquences d’une transmission bi-parentale des organites ?

Une autre question majeure abordée dans ce travail de thèse concerne les conséquences sur les génomes d'une transmission paternelle occasionnelle d’organites chez deux lignées indépendantes. Alors que la transmission des organites est strictement maternelle chez la plupart des Oléacées (oliviers, frênes, Chionanthus, lilas commun…), il a été montré que des passages d’organites paternels (en particulier les chloroplastes) peuvent avoir lieu chez les Jasmineae (Jasmins) et la plupart des Ligustrinae (lilas asiatiques et troènes).

Or, les analyses phylogénétiques de Céline van de Paer montrent une forte accélération des taux d’évolution et des réorganisations des génomes chloroplastiques uniquement chez ces deux dernières lignées. De plus, certains gènes montrent des signatures de sélection positive (en d’autres termes, une sélection favorisant les changements de la séquence d’acides aminés des protéines codées par ces gènes). En revanche aucune accélération significative du taux d’évolution n’a été détectée pour les génomes mitochondriaux chez ces deux lignées. L’hypothèse émise serait que les chloroplastes pourraient être transmis– même rarement - par le pollen, ce qui permettrait la recombinaison (ou la conversion génique) entre génomes chloroplastiques hérités des deux parents. De telles recombinaisons devraient alors lever certaines contraintes sur l’évolution des génomes chloroplastiques imposées par leur transmission maternelle stricte (i.e. nécessité de maintenir une intégrité maximale des génomes afin d’éviter une accumulation de mutations délétères). Une évolution plus rapide pourrait ainsi être permise, modifiant la trajectoire évolutive de certains gènes. Des résultats similaires sur les mêmes gènes d’autres lignées de plantes (ex. Fabacées, Caryophyllacées) suggèrent des phénomènes parallèles, dont la signification évolutive reste encore à élucider.

Il y a tout lieu de se réjouir de ces avancées car c'est l'une des fonctions des LabEx que de rendre possible le dépassement de tels verrous scientifiques. Dans le cas présent, il s'agit en plus d'un véritable effet levier dans la mesure où c'est le financement d'une demi thèse sur les Projets Centraux d'EDB qui a permis d'obtenir la deuxième demi thèse auprès de la région Midi-Pyrénées (AAP 13053637, 2014-EDB-UT3-DOCT). Un bel exemple de synergie avec nos institutions. Nous souhaitons à Céline Van de Paer une belle poursuite de sa carrière professionnelle.