L'origine de la domestication du maïs
Ces connaissances peuvent aider les sélectionneurs de plantes
Une confluence unique d'archéologie, de génétique moléculaire et de sérendipité a permis à des chercheurs mexicains et de l'État de Pennsylvanie de mieux comprendre comment le maïs moderne a été domestiqué à partir du téosinte, une herbe vivace originaire du Mexique et d'Amérique centrale, il y a plus de 5 000 ans.
Racine ancienne sous inspection au microscope
Jirwat Salungyu, Penn State
Selon le chef d'équipe Jonathan Lynch, professeur distingué de nutrition végétale, la façon dont les anciens agriculteurs ont transformé l'herbe sauvage téosinte en maïs moderne, l'une des cultures les plus importantes et les plus prospères de la planète, suscite un grand intérêt. Depuis des décennies, son groupe de recherche du College of Agricultural Sciences a découvert comment les racines jouent un rôle essentiel dans le développement et la survie des plantes.
"Le maïs ne fait pas exception à la règle et il s'avère que les premiers cultivateurs - probablement sans le savoir - ont sélectionné les caractéristiques des racines qui favorisaient le développement des graines et des épis", a-t-il déclaré. "Et bien qu'il soit intrinsèquement intéressant d'apprendre comment le maïs a évolué de son ancêtre sauvage à ce que nous connaissons aujourd'hui, ce que nous apprenons sur la façon dont la plante a changé pour faire face à la sécheresse et aux sols durs peut aider les sélectionneurs de plantes de demain."
Sous la direction d'Ivan Lopez-Valdivia, initialement étudiant diplômé au LANGEBIO au Mexique et aujourd'hui doctorant dans le laboratoire de Lynch, les chercheurs ont examiné deux anciennes tiges de racines trouvées dans la grotte de San Marcos, dans la vallée de Tehuacán, au Mexique, afin de comprendre les changements survenus dans le sous-sol pendant la domestication. Ils ont utilisé la tomographie par ablation laser - une plateforme de phénotypage à haute résolution qui combine l'optique laser et l'imagerie en série avec la reconstruction et la quantification d'images en 3D - pour comprendre l'anatomie des plantes.
Souvent appelée LAT, cette technologie a été mise au point il y a dix ans par le groupe de recherche de Lynch, dont un ancien étudiant, Ben Hall, qui a créé une entreprise spécialisée dans cette technique. Dans cette étude, la technologie LAT a été utilisée pour reconstruire la structure tridimensionnelle des racines et l'anatomie interne de deux anciens spécimens de racines de maïs, datés de 4 956 et 5 280 ans.
Dans les résultats publiés aujourd'hui (18 avril) dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, les chercheurs ont indiqué que les cellules corticales externes des racines présentaient des parois épaisses similaires à celles que l'on trouve dans les plantes de maïs actuelles adaptées aux sols durs. Mais contrairement au maïs moderne, les deux spécimens étaient dépourvus de racines séminales. Les racines séminales, qui fournissent aux semis de maïs de l'eau et des nutriments supplémentaires, ne sont pas présentes chez la téosinte.
Les chercheurs ont ensuite analysé l'ADN d'un troisième spécimen d'environ le même âge et ont trouvé des mutations dans deux gènes qui contribuent aux racines séminales du maïs moderne. Ces premiers spécimens de maïs semblent plus proches de la téosinte dans leur adaptation à la sécheresse.
Les résultats indiquent que certaines caractéristiques liées à l'adaptation à la sécheresse n'étaient pas entièrement présentes dans le maïs le plus ancien de Tehuacán, ce qui permet de mieux comprendre les conditions qui prévalaient au début de la culture du maïs dans la région, a noté M. Lopez-Valdivia.
L'histoire derrière cette recherche est presque aussi intéressante que le travail lui-même. Tout a commencé lorsque Lynch a donné une présentation invitée sur ses recherches sur les racines au Laboratoire national de génomique pour la biodiversité - également connu sous le nom de LANGEBIO, CINVESTAV - situé à Irapuato, Guanajuato, Mexique. Après la présentation, il a rendu visite à un biologiste moléculaire de cette institution, qui était le conseiller de Lopez-Valdivia pendant que celui-ci préparait un master en biotechnologie végétale.
"Nous avons discuté de ce qu'il avait fait d'intéressant avec d'anciennes racines de maïs conservées dans ces grottes très sèches, et je n'en avais même pas entendu parler", se souvient M. Lynch. "Nous avons décidé d'analyser l'anatomie et l'architecture de ces échantillons de racines anciennes pour voir comment elles ont changé au fil du temps avec la domestication du maïs. C'était donc l'origine. Ivan a commencé ce travail au Mexique et l'a terminé à Penn State en tant qu'étudiant."
M. Lopez-Valdivia poursuit ses recherches dans le cadre de sa thèse de doctorat, qui portera sur la manière dont les racines de maïs se sont adaptées à leur environnement au cours de leur évolution. Il apprécie la façon dont son travail a traversé de façon inattendue la biotechnologie végétale, la phénomique et la modélisation de simulation - passant d'un pays à l'autre.
"Pour donner un peu de contexte aux grottes de Tehuacán, au Mexique, l'archéologue américain Richard MacNeish a essayé d'y trouver les plus anciens restes de maïs", a-t-il déclaré. "Ses efforts offrent quelques indices sur l'origine de l'agriculture en Méso-Amérique. Dans les années 60, il a trouvé des milliers de restes d'épis et seulement une douzaine de racines, avec un seul nœud scutellaire préservé - la structure délicate à partir de laquelle les racines séminales se développent."
Ces spécimens sont conservés à l'Institut national d'anthropologie et d'histoire du Mexique, a ajouté M. Lopez-Valdivia, et les chercheurs ont fini par en prélever des échantillons pour compléter leur étude.
Ont contribué à la recherche à Penn State les étudiants diplômés Alden Perkins, Hannah Schneider et James Burridge, ainsi que le Mexicain Jean-Philippe Vielle-Calzada, du Grupo de Desarrollo Reproductivo y Apomixis ; Miguel Vallebueno Estrada, Grupo de Desarrollo Reproductivo y Apomixis et Grupo de Interacción Núcleo-Mitocondrial y Paleogenómica, Unidad de Genómica Avanzada, Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad ; Eduardo González-Orozco, Grupo de Desarrollo Reproductivo y Apomixis ; Aurora Montufar, Instituto Nacional de Antropología e Historia Ciudad de México ; et Rafael Montiel, Grupo de Interacción Núcleo-Mitocondrial y Paleogenómica, Unidad de Genómica Avanzada, Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad.
Le Nacional de Ciencia y Tecnología, également connu sous le nom de CONACyT ; le National Institute of Food and Agriculture du ministère américain de l'Agriculture ; l'Advanced Research Projects Agency du ministère américain de l'Énergie ; et l'Instituto Nacional de Antropología e Historia ont soutenu ce travail.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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