la polyploïdie aide à survivre au stress de blessures ou de catastrophes environnementales ?

La polyploïdie apparaît dans de nombreuses situations de stress, et même dans le développement normal

Dans une news de Science Elizabeth Pennisi (2023). ici présente plusieurs recherches remettant en cause - ou en tous cas nuançant passablement - ce qui est enseigné à propose de nos génomes. Classiquement on enseigne que la plupart des organismes sont diploïdes ( ils ont un génome composé de deux jeux de chromosomes homologues).

On lit par exemple dans Campbell (2007) "Chez l'humain, chaque cellule somatique - toute cellule qui n'est pas un gamète - renferme 46 chromosomes." . On distingue la ploïdie (n) et la quantité d'ADN en picogrammes par gamète (C). Dans le cas de l'espèce humain 2 = 46, mais aussi chez une espèce de zèbre ( Equus grevyi 2n=46) et chez l'olive Olea Europaea (Besnard,et al., 2008)).

Plusieurs recherches montrent que la polyploïdie est fréquente, bien contrôlée et nécessaire p. ex pour la floraison, la forme cardiaque et  une réponse efficace dans des situations de crise à différentes échelles de temps - cicatrisation d'une blessure, ou survie lors d'un cataclysme.

Pennisi conclut que "Ce qui est certain, c'est que les cellules polyploïdes, loin d'être anormales, constituent l'un des principaux mécanismes de la vie pour faire face au stress des blessures, des maladies et d'un environnement hostile." Traduction

Les cellules polyploïdes peuvent aider les tissus à réagir aux blessures et les espèces à survivre aux cataclysmes.

Pennisi (2023) montre ici de nombreuses situations - même chez nous humains - où l'on trouve des cellules avec plus de 2n chromosomes (c'est à dire polyploïdes)  encourage le lecteur à aller vérifier dans l'article d'origine :  ici - et pas seulement dans les cellules cancéreuses, Cf. Leslie (2014) ici.  

Pennisi indique que les premières recherches qui ont changé la perspective sur la ploïdie sont deux études parallèles de deux jeunes docteur.e.s Vicki Losick (2013) et Donald Fox ici chez des Drosophiles montrant que la cicatrisation nécessite des cellules polyploïdes, (elles sont en général plus grandes et elles obstruent plus vite la plaie). Plus tard, Losik et Fox ont montré que cette polyploïdie temporaire est sous le contrôle d'une protéine YAP1 qui semble aussi impliquée dans les polyploïdies des cancers, ce qui ouvre des perspectives thérapeutiques.

Cependant ces duplications de génomes sont en général maladaptatives selon Yves Van de Peer (Vanneste, et al. 2014) ici. Les plantes polyploïdes ont par exemple besoin de plus de nutriments et semblent croître plus lentement que leurs homologues diploïdes. Pourtant, ce trait persiste, et Van de Peer estime que la réponse, encore une fois, se résume à leur capacité à faire face au stress causé par des blessures ou un changement environnemental majeur.

En effet Les polyploïdies sont retrouvées plus fréquemment depuis des cataclysmes comme il y a 66 millions d'années (Vanneste, et al., 2014) ici encourage le lecteur à aller vérifier dans l'article d'origine :  ici.

Les recherches sur la polyploïdie ont pris bien de l'ampleur depuis 2008 et une conférence vient de faire le point sur l'état des recherches : Polyploidy Across the Tree of Life (2023) ici.

Comment la polyploïdie apparaît-elle et quels sont ses effets ?

La polyploidie peut apparaître de différentes manières résume Pennisi (2023) : et cela peut modifier l'apparence des cellules et leur conférer de nouvelles propriétés et conduit parfois à de nouvelles espèces.(cf. Fig 1)

Cf figure ici

Fig 1: Les différents mécanismes par lesquels la polyploïdie apparaît et leurs effets [img]. Source : Pennisi (2023)

Pennisi (2023) note que 30% des plantes sont polyploïdes et celles cultivées le sont très souvent (et ce n'est pas des modifications OGM récentes) : le blé a 6n, les fraises 8n. En effet les  cellules plus grandes conduisent à des fruits plus grands. "The multiple copies of key genes for growth and nutrients can result in denser heads of grain, bigger fruit, and taller, sweeter stalks." Elle mentionne aussi que les sépales se développent avec quelques cellules  polyploïdes géantes et qu'une polyploïdie précisément contrôlée  est indispensable à la floraison. Les cellules du coeur semblent avoir une taille qui varie selon leur position - par ploïdie variée. La réparation de lésions dans les poumons, le foie et les reins semble impliquer des cellules polyploïdes (Pennisi, 2023). encourage le lecteur à aller vérifier dans l'article d'origine :  ici

Des simulations et des expériences

Des simulations de ploïdie variée d'organismes vituels (Yao, et al. 2019) ici montrent qu'elles produisent plus de diversité génétique et de réseaux de régulation de gènes (cf. Fig 1, bas-droite). Ces réseaux permettent des régulations nouvelles de l'expression des gènes et donc des adaptations plus variées.
JTS note ici combien on pense le vivant, son développement, sa réparation et son évolution en termes de régulation (Morange, 2021) plus qu'en termes de gènes présents ou absents (Mendel...) : complexifier le réseau de régulation permet de nouveaux fonctionnements sans même muter les gènes.

A la conférence Polyploidy Across the Tree of Life (2023) Van de Peer et al. ont présenté des expériences comparant des Spirodela polyrhiza (infoflora) diploides et polyploïdes dans des milieux très salés ou riches en métaux lourds et ont montré que les polypoïdes sont plus résilientes.

Douglas Soltis, biologiste de l'évolution des plantes lors de cette conférence : "La polyploïdie peut aider les espèces à résister à des changements environnementaux catastrophiques. À toutes sortes d'échelles spatiales et temporelles, la polyploïdie est une « réponse aux dommages »". Selon lui "C'est le mécanisme évolutif le plus important dont personne ne parle."Traduction Google révisée

Pennisi conclut : "Ce qui est certain, c'est que les cellules polyploïdes, loin d'être anormales, constituent l'un des principaux mécanismes de la vie pour faire face au stress des blessures, des maladies et d'un environnement hostile." Traduction Google révisée 

Des sources de données sur la ploïdie et les génomes

• Banque de données pour le nombre de chromosomes (n)
  
• Pour les plantes à graine PloiDB)
• Animal genome size database
• Plant genome size database
• Fungal genome size database

• Banque de données pour la quantité d'ADN en picogrammes par gamète (C) : http://www.genomesize.com/statistics.php On y voit que l'humain n'a pas du tout une quantité d'ADN particulièrement élevée 

Références:

• Besnard, G., Garcia-Verdugo, C., Rubio De Casas, R., Treier, U. A., Galland, N., & Vargas, P. (2008). Polyploidy in the Olive Complex (Olea europaea) : Evidence from Flow Cytometry and Nuclear Microsatellite Analyses. Annals of Botany, 101(1), 25‑30. https://doi.org/10.1093/aob/mcm275
• Gregory, T.R. (2005). Animal Genome Size Database. http://www.genomesize.com.
• Leslie, M. (2014). Strength in Numbers? Science, 343(6172), 725‑727. https://doi.org/10.1126/science.343.6172.725
  
• Losick, V. P., Fox, D. T., & Spradling, A. C. (2013). Polyploidization and cell fusion contribute to wound healing in the adult Drosophila epithelium. Current Biology: CB, 23(22), 2224‑2232. https://doi.org/10.1016/j.cub.2013.09.029
• Morange, M. (2021). A history of biology (T. L. Fagan & J. Muise, Trad.). Princeton University Press.
  
• Pennisi, Elizabeth. (2023). Cells with extra genomes may help tissues respond to injuries—And species survive cataclysms. Science, 4 septembre 2023, https://doi.org/10.1126/science.adk4258
• Yao, Y., Carretero-Paulet, L., & Peer, Y. V. de. (2019). Using digital organisms to study the evolutionary consequences of whole genome duplication and polyploidy. PLOS ONE, 14(7), e0220257. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0220257
  
• Vanneste, K., Baele, G., Maere, S., & Van de Peer, Y. (2014). Analysis of 41 plant genomes supports a wave of successful genome duplications in association with the Cretaceous-Paleogene boundary. Genome Research, 24(8), 1334‑1347. https://doi.org/10.1101/gr.168997.113