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Evolution de l’adaptation locale en environnement anthropisé – ELOCANTH

Les mécanismes d’adaptation des plantes aux environnements pollués par les métaux

La pollution par les métaux résulte en grande partie des activités humaines, et constitue un enjeu environnemental et sociétal. Les espèces métallophytes, se développant dans ces milieux toxiques, sont des exemples d'adaptations réussies aux modifications anthropiques de l'environnement. C'est pourquoi elles constituent des modèles pour la compréhension des conditions évolutives requises pour ces adaptations.

Etudier l’adaptabilité aux environnements pollués pour mieux la préserver

Les espèces végétales rencontrées sur les sites pollués par les métaux sont tolérantes aux métaux. Certaines sont aussi hyperaccumulatrices de métaux dans les tissus aériens, et constituent des ressources génétiques pour le développement de techniques de dépollution ou d’amélioration de la qualité nutritive des aliments végétaux. Dans ce contexte, nous étudions les mécanismes génétiques et épigénétiques responsables de l’adaptation locale aux sols pollués par les métaux, en nous focalisant sur les caractères d’intérêt que sont la tolérance et l’hyperaccumulation.

Des croisements contrôlés entre individus issus de sites pollués et individus issus de sites non pollués sont effectués afin de mettre en évidence le nombre de gènes impliqués dans la tolérance aux métaux et l’hyperaccumulation. En parallèle, des individus issus de sites non pollués sont semés sur un sol pollué, et leurs descendants seront resemés année après année, afin d’observer le processus de sélection. Enfin, une méthode spécifique de séquençage permet de visualiser les régions du génome modifiées chimiquement (i.e. méthylées) par le stress métallique, sans modification de la séquence en bases azotées (épi-génétique).

Les croisements contrôlés entre génotypes métallicoles et non métallicoles ont permis de produire une descendance de deuxième génération, qui a été testée pour ses capacités de tolérance au zinc. Les résultats préliminaires de ces tests semblent montrer qu’il existe un déterminisme génétique pour l’adaptation locale aux sites pollués.

La mise en évidence de l’action des métaux sur les modifications génétiques et/ou épigénétiques permettra de mieux appréhender les capacités et la vitesse d’adaptation des plantes à la pollution par les métaux.

Pas encore de production scientifique.

L'évolution actuelle de la biodiversité est fortement influencée par les modifications environnementales néfastes des activités humaines. Au niveau spécifique, la maintien des espèces dans un environnement modifié peut nécessiter une adaptation des espèces aux nouvelles conditions, parfois sur un nombre réduit de générations. Cela est clairement par les espèces végétales métallophytes rencontrées sur les sites métallifères d'origine anthropique: les populations métallicoles des espèces présentes des capacités de tolérance aux concentrations toxiques en métaux dans le sol. Certaines espèces ont même acquis des capacités d'hyperaccumulation des métaux dans les tissus aériens. Les espèces métallophytes sont autant d'exemples d'adaptations réussies aux modifications anthropiques de l'environnement. C'est pourquoi elles constituent des modèles pour la compréhension des conditions évolutives requises pour ces adaptations. Par ailleurs, les espèces hyperaccumulatrices présentent des ressources génétiques naturelles pour le développement de techniques de phytoremédiation, pour la dépollution des sols pollués, ou de biofortification, pour l'amélioration des qualités nutritives d'aliment d'origine végétale.
Dans ce contexte, nous nous intéressons à l'évolution de traits biologiques en relation avec l'adaptation locale aux sols pollués par les métaux au sein des deux modèles principaux pour ce type d'étude: Noccaea caerulescens and Arabidopis halleri. Chez ces deux espèces de Brassicaceae, des différences phénotypiques significatives ont été observées entre populations métallicoles, sur sols pollués, et populations non métallicoles. Ces différences, observées en conditions contrôlées, entre populations géographiquement proches, suggèrent l'existence d'adaptation locale des populations métallicoles aux sols pollués. Des résultats génomiques récents suggèrent par ailleurs que les déterminismes génétiques sélectionnés lors de la colonisation des sols pollués seraient similaires chez les deux espèces. Ceci soutient l'hypothèse d'une convergence moléculaires entre ces espèces pourtant phylogénétiquement et écologiquement distantes, et qui présente des régimes de reproduction différents.
Dans le projet présenté, nous proposons, en adoptant une démarche comparative, d'analyser le déterminisme génétique de l'adaptation locale aux sites pollués par les métaux chez les deux espèces. Tout d'abord, nous proposons de développer des approches d'analyse QTL du déterminisme génétique de traits végétatifs et reproducteurs en relation avec la tolérance et l'hyperaccumulation des métaux. Ces approches seront mise en place à partir de croisements intraspécifiques entre génotypes métallicoles et non métallicoles. Parce que les environnements métallicoles sont souvent plus hétérogènes, nous proposons d'analyser simultanément les différences de niveaux de plasticité phénotypique pour ces traits entre accessions métallicoles et non métallicoles. Considérant que l'adaptation aux sols pollués peut survenir rapidement, nous proposons d'étudier aussi les différences épigénétiques entre génotypes métallicoles et non métallicoles. Enfin, pour analyser la relation causale entre colonisation de sites métallifères et différenciation phénotypique des populations, nous proposons de suivre l'évolution expérimentale de populations cultivées sur un sol métallifère.

Coordinateur du projet

Laboratoire de Génétique et Evolution des Populations Végétales (Laboratoire public)

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Partenaire

Laboratoire de Génétique et Evolution des Populations Végétales

Aide de l'ANR 289 999 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2013 - 48 Mois

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