Pan-génomes et Métabolisme Secondaire des Plantes

Qu'est-ce que le métabolisme secondaire ?

Le métabolisme secondaire, aux côtés des études sur le développement et la tolérance au stress, constitue trois domaines de recherche importants dans le domaine des sciences végétales. Les métabolites secondaires des plantes servent d'adaptations critiques à leur environnement, résultant des interactions des plantes avec des stress biotiques et abiotiques au cours de longues périodes de processus évolutifs.

Fondations pangénomiques de la diversité métabolique secondaire des plantes

La recherche explore l'identification des gènes et des duplications de génomes entiers (WGD) comme des catalyseurs classiques de la diversité des voies métaboliques chez les plantes, les clusters de gènes biosynthétiques (BGC) agissant de manière synergique comme moteurs. L'impact de la WGD sur la diversité métabolique a été corroboré chez de nombreux organismes modèles, y compris Arabidopsis thaliana, tabac, pavot, olivier, ainsi que plusieurs autres espèces modèles et économiquement significatives. Analyse génomique comparative et séquençage pan-génomique Les études, en particulier celles qui se concentrent sur la variation intraspécifique, ont élevé notre compréhension des bases moléculaires de la diversité métabolique à un niveau sans précédent.

Par exemple, dans des espèces comme Arabidopsis thalianaLes duplications de gènes ancestraux donnent naissance à des copies de gènes zygotiques qui évoluent fonctionnellement pour alimenter la diversité des métabolites. Recherche pan-génomique a révélé des corrélations entre l'agencement compact des clusters de gènes de biosynthèse des triterpènes dans les populations naturelles de Arabidopsis thaliana et des inversions chromosomiques. Dans le riz, les variations de présence-absence (PAV) dans des gènes clés du métabolisme secondaire, tels que TPS28, CYP71Z21 et CYP71Z2, ont conduit à des variations de la teneur en ricinoléine entre différentes lignées de riz.

La duplication du génome entier (DGE) sous-tend la diversification métabolique chez les plantes. (Zhou et al., 2022)

Clusters de gènes biosynthétiques et gènes auxiliaires. (Zhou et al., 2022)

Voies de synthèse de la morphine et de la narcotine à travers le génome au niveau des chromosomes.

Dans leur étude, les auteurs ont utilisé des données Hi-C pour compléter la carte génomique existante du pavot à opium, tout en se lançant dans le séquençage de dix espèces de pavot distinctes avec des profils d'alcaloïdes variés, créant un ensemble de données pan-génomique complet. Cette recherche a permis une élucidation complète des emplacements génomiques et des expressions géniques sous-jacentes aux gènes vitaux du chemin métabolique des alcaloïdes benzylisoquinoléiques (BIA).

Gènes impliqués dans la biosynthèse de la BIA dans six tissus du pavot à opium. (Li et al., 2020)

De plus, l'étude a fourni une exploration approfondie des connexions complexes entre le regroupement et la distribution des gènes BIA, les variations du nombre de copies de gènes (variations associées à la ploïdie - PAV et variations du nombre de copies - CNV), et l'expression (co-)génétique, le tout dans le contexte de la teneur en alcaloïdes dans diverses variétés de pavot. En fin de compte, la recherche a révélé une découverte significative : la suppression du cluster de gènes en tandem T6ODM correspondait à l'absence de morphine et de codéine dans les variétés de pavot respectives.

L'ère de la recherche pan-génomique est née, facilitée par séquençage rentable et efficace technologies. Une avenue prometteuse pour l'exploration réside dans la réévaluation des modifications au sein des voies métaboliques (MVA, MEP, BIA, etc.) et des familles de gènes clés (CYP450s, UGTs, etc.) associées aux produits essentiels du métabolisme secondaire (flavonoïdes, terpènes, alcaloïdes, etc.). Cela peut être accompli en scrutant des échantillons provenant de divers individus à une échelle plus large, en tenant compte de variantes telles que les Variations Associées à la Ploïdie (PAV), les Variations du Nombre de Copies (CNV), les Variants Structurels (SV), et plus encore, avec l'objectif ultime de découvrir les bases génétiques qui sous-tendent ces différences.

Références:

1. Zhou, Xuan, et Zhenhua Liu. "Déverrouiller la diversité métabolique des plantes : une vue (pan)-génomique." Communications des plantes (2022).
2. Li, Qiushi, et al. "Regroupement de gènes et variation du nombre de copies dans les voies métaboliques des alcaloïdes du pavot à opium." Communications Nature 11.1 (2020) : 1190.