La génomique botanique pour booster l'agriculture durable : le cas de la féverole

Depuis la publication du premier génome végétal en 2000, le domaine du séquençage de nouvelle génération appliqué aux espèces botaniques a fleuri et s’est élargi à partir d’organismes modèles (Arabidopsis thaliana) aux cultures, devenant ainsi un outil puissant pour orienter les progrès vers une agriculture plus durable.

Au cours des vingt dernières années, les progrès du séquençage du génome entier (la technique utilisée pour lire le génétique code écrit dans le ADN) ont permis aux chercheurs d’apporter un nouvel éclairage sur l’évolution des plantes et les processus biologiques spécifiques aux plantes. Un récent article de perspective a souligné que seules 812 espèces sur un demi-million de plantes vertes existantes ont été séquencées. Néanmoins, l’adoption de cette technologie moderne a considérablement accru notre compréhension de l’origine et de la diversification de la vie végétale ou de la base moléculaire des caractéristiques importantes des plantes. Par exemple, les revues scientifiques Science et Nature les résultats récemment publiés de projets de recherche qui ont utilisé la génomique pour déchiffrer la domestication de la vigne ou pour disséquer le contrôle génétique des caractéristiques des graines chez une légumineuse importante. Pour les plantes d’intérêt agronomique, les informations sur les séquences génomiques peuvent être utilisées dans les programmes d’amélioration des cultures pour obtenir des variétés cultivées plus résistantes aux stress, nécessitant moins d’intrants pour leur croissance ou ayant une meilleure valeur nutritionnelle.

Cultiver la féverole, une bonne alternative végétale à la viande

Dans un scénario de changement climatique, la production de protéines végétales comme alternative aux protéines animales pourrait être une bonne stratégie pour réduire les émissions de gaz à effet de serre dans l’agriculture (Figure 1). En particulier, les légumineuses – souvent qualifiées d' »aliments potentiellement bénéfiques pour la santé » – peuvent constituer la source la moins chère de protéines végétales de haute qualité. Alors que le soja (Glycine max) – le haricot le plus important de la famille des Fabacées – pousse bien dans des conditions chaudes, les légumineuses de saison fraîche (par exemple, pois, lentilles, pois chiches) peuvent être cultivées dans les régions tempérées. Parmi les légumineuses, la féverole (Vicia Faba) se distingue par sa grande capacité d’adaptation, sa productivité et sa valeur nutritionnelle.

Figure 1. Principales sources de protéines animales et végétales. Le poisson, la viande rouge (et les produits laitiers), la volaille (et les œufs) et les insectes sont les principales sources de protéines animales. Soja (Glycine max), Pois (Pisum sativum), haricot commun (Phaseolus vulgaris) et pois chiche (Cicer arietinum L.) sont les principales sources de protéines végétales.

Malgré la longue tradition de culture de la féverole dans l’ancien monde, les mystères sur son origine de domestication dans le croissant fertile restent entiers car aucun progéniteur sauvage n’a été identifié. En outre, un manque de données génétiques et de matériel génétique a entravé les programmes de sélection visant à réduire la production d’antinutriments (par exemple, vicine, convicine) ou à équilibrer la teneur en acides aminés essentiels.

De longues lectures ont révélé les secrets du génome géant de la fève

Le séquençage du génome de la fève a longtemps été entravé par sa taille colossale : 13 milliards de nucléotides (13 Giga kb) répartis sur 6 chromosomes. Pour avoir une meilleure idée de cette dimension colossale, l’ensemble du génome humain a la même taille que le plus gros chromosome de la fève !

Récemment, une équipe internationale de chercheurs a réussi à séquencer le génome diploïde (2 copies de 6 chromosomes) de la fève en utilisant une nouvelle technologie appelée PacBio HiFi long reads. Les auteurs ont choisi comme référence une lignée consanguine (Hedin/2) avec des caractéristiques favorables, telles qu’un potentiel de rendement élevé et une maturité précoce. Fait intéressant, cette lignée montre un niveau élevé d’homozygotie (c’est-à-dire la présence de deux variantes identiques d’un gène, un de chaque parent) grâce à un degré considérable d’autofertilité (ou d’autopollinisation), bien qu’il s’agisse d’une espèce allogame (c’est-à-dire, reproduction par fécondation croisée du pollen d’une autre plante de la même espèce).

Jayakodi et ses collègues ont découvert que le génome géant peut être la conséquence de plusieurs événements, notamment la présence d’énormes régions intergéniques, l’expansion d’éléments répétés (tels que les transposons qui représentent 80 % du matériel génétique) et la duplication en tandem de plusieurs gènes. Les auteurs ont également combiné le séquençage du génome et des transcriptomes (tous les ARN messagers transcrits à partir des gènes correspondants) de 9 tissus pour améliorer l’annotation de 35 000 gènes codant pour des protéines. Par curiosité, la distribution des gènes à travers les chromosomes est similaire chez la fève et les espèces phylogénétiquement proches Pisum sativum (Figure 2), malgré la grande différence de taille de leur génome.

Un diagramme coloré où les brins colorés semblent être dans un métier à tisser enlaçant plus ou moins les gènes de diverses espèces. — **Figure 2. Relation synténique avec d’autres légumineuses de la sous-famille des Faboideae.** La féverole montre une synténie plus élevée avec *Pisum sativum* plus cool *Medicago truncatula*. Adapté de la Figure 2, Analyse de l’évolution et de la synténie de la fève (Jayakodi et al., 2023. Le génome diploïde géant de la faba déverrouille la variation dans une culture protéique mondiale).

L’agrogénomique pour les sélectionneurs et les généticiens : un large éventail d’applications

Mais que peuvent faire les biologistes moléculaires et les sélectionneurs avec les ensembles de données génomiques ? Comme preuve de concept, les auteurs fournissent des exemples pratiques d’application en réalisant des études d’association à l’échelle du génome pour des caractéristiques importantes des graines. Plus précisément, les informations génomiques ont été utilisées pour mettre en place des tests de génotypage afin d’explorer la variation dans un panel de diversité d’accessions cultivées et d’identifier les variantes génétiques à l’origine des traits souhaitables. Les données génomiques de la fève peuvent être davantage exploitées pour une introgression rapide de caractéristiques bénéfiques telles qu’une teneur réduite en composés toxiques (par exemple, des glycosides alcaloïdes), une biodisponibilité accrue des protéines ou une accumulation modulée de phytates dans les graines.

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