Un nouvel arbre généalogique de la tomate et de la pomme de terre montre que la couleur et la taille des fruits ont évolué ensemble

L'équipe a découvert que la taille et la couleur des fruits ont évolué ensemble et que les animaux mangeurs de fruits n'ont pas été les principaux moteurs de l'évolution des fruits, comme on le pensait auparavant. L'étude, publiée dans la revue New Phytologist, pourrait également permettre d'améliorer la sélection des plantes importantes pour l'agriculture en leur donnant des caractéristiques plus intéressantes, ont déclaré les chercheurs.

"Le genre Solanum compte environ 1 300 espèces, ce qui en fait l'un des genres de plantes les plus diversifiés au monde", explique João Vitor Messeder, étudiant diplômé en écologie et en biologie au Penn State Eberly College of Science and Huck Institutes for the Life Sciences et auteur principal de l'article. "Depuis les années 1970 et 1980, les chercheurs ont suggéré que les oiseaux, les chauves-souris et d'autres animaux frugivores ont favorisé l'évolution de fruits tels que ceux de Solanum. Cependant, l'importance de l'histoire évolutive des plantes a été sous-estimée ou rarement prise en compte lors de l'évaluation de la diversification des fruits charnus. Pour mieux tester cette hypothèse, nous devions d'abord produire une phylogénie, ou arbre généalogique, plus robuste de ce groupe de plantes afin d'améliorer notre compréhension des relations entre les espèces".

Les plantes du genre Solanum produisent des fruits de tailles, de couleurs et de valeurs nutritionnelles très variées. Ils peuvent être noirs, violets, rouges, verts, jaunes ou orange et leur taille varie de moins d'un quart de pouce à plus de 8 pouces, soit de 0,5 à 20 centimètres. Outre les plantes importantes pour l'agriculture, certaines plantes de ce groupe sont cultivées pour leurs fleurs ornementales, et les fruits de bon nombre de ces plantes sont consommés par l'homme et une grande diversité d'animaux, notamment les oiseaux, les chauves-souris, les reptiles, les primates et d'autres mammifères terrestres.

Les chercheurs ont collecté des échantillons de plantes du monde entier, notamment des plantes sauvages du Brésil, du Pérou et de Porto Rico, ainsi que des plantes de jardins botaniques, et ont séquencé leurs gènes à partir de l'ARN. Ils ont complété leur analyse par des échantillons collectés antérieurement et des données accessibles au public, comparant finalement les séquences de 1 786 gènes provenant d'un total de 247 espèces pour reconstruire l'arbre généalogique de Solanum. Ces espèces comprenaient des représentants des 10 clades majeurs - les branches de l'arbre - et de 39 des 47 clades mineurs au sein du genre.

"En utilisant des milliers de gènes partagés entre les espèces qui représentent effectivement l'ensemble du genre, nous avons considérablement amélioré l'arbre généalogique de Solanum, ce qui en fait l'arbre le plus complet à ce jour", a déclaré Messeder, qui a mené les recherches dans le laboratoire de Hong Ma, titulaire de la chaire Huck sur le développement et l'évolution de la reproduction des plantes, professeur de biologie à Penn State et coauteur de l'article. "Les récentes avancées technologiques nous ont permis d'utiliser plus de gènes que les études précédentes, qui ont été confrontées à de nombreux défis pour résoudre les relations entre les espèces et les clades. Cet arbre amélioré nous aide à comprendre quand les différentes couleurs et tailles de fruits sont apparues ou comment elles ont changé avec l'apparition de nouvelles espèces de plantes".

Les chercheurs ont considérablement amélioré la résolution des petites branches du groupe qui comprend les pommes de terre et les tomates, ainsi que les espèces sauvages qui leur sont étroitement liées et celles qui leur sont plus éloignées. Selon les chercheurs, les connaissances acquises pourraient soutenir les programmes d'amélioration des cultures pour ces espèces et d'autres cultures du genre.

"Si les espèces sauvages les plus proches des cultures agricoles importantes présentent des caractéristiques souhaitables, il est possible de sélectionner des cultures avec ces espèces ou d'emprunter leurs gènes, par exemple pour améliorer la résistance à la température ou aux parasites ou pour produire des fruits plus gros ou d'une certaine couleur", a déclaré M. Messeder.

Les chercheurs ont constaté que la couleur et la taille des fruits de Solanum étaient relativement conservées au cours de l'évolution, ce qui signifie que les espèces étroitement apparentées ont tendance à avoir des fruits similaires. L'évolution de la couleur et de la taille des fruits est également corrélée, les changements d'un trait correspondant souvent aux changements de l'autre, ce qui fait que les fruits de certaines couleurs sont plus gros que les fruits d'autres couleurs.

"Ces résultats suggèrent que des mécanismes physiologiques et moléculaires peuvent jouer un rôle dans le maintien du lien entre l'évolution de la couleur et de la taille des fruits", a déclaré M. Messeder. "Bien que les frugivores (animaux qui se nourrissent principalement de fruits) et les disperseurs de graines puissent influencer la diversification, nous devons envisager toutes les possibilités lorsque nous étudions comment les fruits sont devenus si diversifiés.

Les chercheurs ont également clarifié l'origine et la chronologie de la diversification de ce genre, en partie grâce à des informations récentes provenant du plus ancien fossile de la famille des morelles - d'un autre genre de la famille des morelles dont le fossile a été daté d'environ 52 millions d'années - et de gènes particuliers qui ont permis d'améliorer les estimations de la longueur des branches de l'évolution. Les chercheurs ont daté l'origine de Solanum à environ 53,1 millions d'années, soit 30 millions d'années plus tôt que les estimations antérieures basées sur des gènes provenant d'autres parties de la cellule végétale. Cela donne une nouvelle image de l'environnement qui a pu influencer la façon dont ces plantes se sont diversifiées en de nouveaux groupes et espèces.

"L'environnement terrestre a changé de façon spectaculaire au cours de ces 30 millions d'années en termes de température, de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, de géographie et de diversité animale", a déclaré M. Messeder. "Maintenant que nous savons quand Solanum et ses sous-groupes sont apparus, nous pouvons réfléchir aux conditions qui ont pu favoriser la diversification de ce groupe, ainsi qu'au rôle qu'ont pu jouer d'autres organismes.

L'équipe a constaté que les premiers membres de Solanum avaient des baies de taille moyenne qui restaient vertes à maturité, et que les fruits verts et jaunes de ce groupe se sont diversifiés il y a environ 14 millions d'années. Les chercheurs ont émis l'hypothèse que les chauves-souris pourraient avoir joué un rôle dans cette diversification, compte tenu de leur calendrier d'évolution similaire et du fait qu'elles sont les principaux disperseurs des fruits verts et jaunes modernes de Solanum. Lorsque de nouvelles espèces de chauves-souris sont apparues et se sont développées là où elles vivaient à cette époque, elles ont mangé des fruits de Solanum et ont transporté leurs graines dans de nouveaux environnements.

Les chercheurs prévoient ensuite d'étudier comment les interactions modernes entre les animaux et les fruits qu'ils mangent peuvent éclairer l'évolution des deux groupes, et d'étudier l'évolution de certains gènes liés à la couleur et à la taille des fruits.

Outre Messeder et Ma, l'équipe de recherche comprend Tomás Carlo, professeur de biologie à Penn State ; Guojin Zhang, chercheur postdoctoral à Penn State au moment de la recherche ; Juan David Tovar à l'Institut national de recherche amazonienne au Brésil ; César Arana à l'Université nationale de San Marcos au Pérou ; et Jie Huang et Chien-Hsun Huang à l'Université de Fudan en Chine.

Cette recherche a été financée par la Commission Fulbright, la Fondation CAPES au Brésil, le département de biologie de Penn State, le Hill Memorial Fund du Pen State Eberly College of Science, l'Association for Tropical Biology and Conservation, la U.S. National Science Foundation, l'International Association for Plant Taxonomy et la Society of Herbarium Curators.