Un résultat international publié dans la revue Science le 26 mars, auquel a contribué le jardin du Lautaret.
Dans une expérience internationale unique associant des biologistes en Europe, au Moyen-Orient et aux États-Unis, des centaines de petites parcelles d’Arabidopsis, la plante de laboratoire de référence, ont été semées dans divers types de climats, allant des montagnes alpines du jardin du Lautaret (UGA/CNRS) aux déserts. Les scientifiques les ont laissées évoluer pendant trois ans. Ces expériences simultanées ont permis de montrer que cette adaptation peut avoir lieu en seulement trois générations, d’identifier les variants génétiques associés à l’adaptation à différents climats et de mettre en évidence un point de bascule climatique au-delà duquel les plantes ne peuvent plus s'adapter.
La menace croissante que représente le changement climatique pour la biodiversité a mis en lumière les processus évolutifs rapides susceptibles de contribuer au sauvetage des populations sur de courtes échelles de temps écologiques. Bien que les preuves d'une évolution rapide en réponse à de nouveaux environnements soient de plus en plus nombreuses, il est nécessaire de mener des expériences pluriannuelles, à grande échelle et répliquées, permettant de suivre les modifications génomiques sur plusieurs années dans différents environnements. C’est la raison pour laquelle, des scientifiques ont conçu l’expérience GReNE-net consistant à semer la même espèce dans une trentaine de sites différents, en Europe occidentale, autour de la Méditerranée, au Moyen-Orient et en Amérique du Nord, puis à laisser faire la nature pendant trois années, sans entretien, si ce n’est un désherbage minimal. Cette espèce, c’est Arabidopsis thaliana, une petite plante annuelle proche de la moutarde, un modèle pour les études en biologie végétale.
3,5 millions de graines d’Arabidopsis, issues de 231 endroits dans le monde, semées !
Croissance d’Arabidopsis thaliana (expérience GrENE-net), la seconde année au jardin du Lautaret. Photo du 13 juin 2019 © Jean-Gabriel Valay
Dans chacun des trente sites dans le monde, des milliers de petits plants d’Arabidopsis ont fleuri et produit des graines, qui ont germé, donnant naissance à de nouvelles petites plantes, qui ont ensuite redonné des graines… Ainsi, les générations se sont succédé. Trois années de suivi, des milliers de plantes sur une dizaine de répétitions indépendantes pour chaque site, une trentaine de sites, l’analyse régulière de la séquence du matériel génétique après son extraction… les scientifiques ont pu suivre en temps réel les changements génétiques qui accompagnent cette évolution. Car, ce qui a été semé à l’origine, ce sont des mélanges de milliers de graines de la même espèce d’Arabidopsis, mais issues de récoltes conduites dans 231 endroits dans le monde, donc de populations génétiquement adaptées à des milieux extrêmement divers. Il ne restait donc « plus qu’à » suivre comment, génération après génération, tel ou tel variant génétique pouvait conférer un avantage à une plante, une fois celle-ci placée dans un nouvel environnement, similaire ou radicalement différent : pour suivre cette expérience d'évolution synchronisée et répliquée à l'échelle mondiale, il a fallu réaliser le séquençage du génome entier d'environ 70 000 plantes survivantes !
1- Installation de l’expérience GrENE-net à Saint Just en Chevalet, à 70 km à l’est de Clermont-Ferrand. Photo du 29 septembre 2017 © Irène Till-Bottraud ; 2- Croissance d’Arabidopsis thaliana, la troisième année à Saint Just en Chevalet. Photo du 14 février 2020 © Irène Till-Bottraud ; 3- Installation de l’expérience GrENE-net à Montpellier. Photo du 24 novembre 2017 © François Vasseur ; 4- Croissance d’Arabidopsis thaliana, la première année à Montpellier. Photo du 6 avril 2018 © François Vasseur.
C’est ainsi que ces populations ont été suivies sous différentes pressions climatiques, allant des Alpes enneigées du col du Lautaret au désert de Néguev, des zones urbaines d'Europe à la banlieue de Montpellier en climat méditerranéen, des régions subtropicales comme Austin au Texas, jusque dans les zones froides et humides du Forez, à Saint-Just-en-Chevalet, non loin des volcans endormis d’Auvergne.
Les scientifiques ont observé une sélection remarquablement rapide et reproductible, pour un même climat, de variants génétiques susceptibles de contribuer à d'importants caractères écologiques des plantes, tels que la germination, la floraison et les réponses au stress. Cependant, dans les environnements les plus chauds, qui devraient devenir plus fréquents avec le changement climatique global, les chercheurs ont mis en évidence des points de basculement éco-évolutifs où une sélection extrême… surpasse le potentiel d'adaptation de la population. Ainsi, bien qu'une adaptation climatique rapide soit possible grâce à la variation génétique existante, cette expérience permet de comprendre quelles sont les conditions environnementales, génétiques ou spécifiques à l'espèce qui dictent les limites de l'évolution, pour prédire les réponses de la biodiversité face au changement climatique.
La diversité génétique d’une population, un atout dans le contexte du changement climatique… dans certaines limites
En résumé, comme le déclare Moises Expósito-Alonso (Université de Californie, Berkeley) un des principaux coordonnateurs de cet article :
« Pour qu'une population survive à long terme tout en étant confrontée aux changements climatiques, il est fort probable qu'elle doive subir une sélection naturelle. Et moins elle disposera de ressources évolutives, plus il sera difficile pour la population de maintenir sa taille après cinq ans, au moins dans les climats chauds. On peut faire l’hypothèse que chaque espèce puisse nécessiter sa propre expérience à long terme pour comprendre ses vulnérabilités génétiques, mais, avec ce type de modélisation, calibrée sur une espèce modèle, et une compréhension profonde du tempo de l'évolution et de la force du décalage climatique et de l'adaptation, nous pourrions potentiellement aider des centaines ou des milliers d'espèces à survivre. La nature a cette apparence de stabilité aux yeux des observateurs humains. Par exemple, les prairies et les forêts californiennes, saison après saison, ont l'air plutôt identiques : mais le bagage génétique change en permanence. Donc être capable de le suivre est un peu mon rêve. »
Une expérience internationale impliquant trois équipes scientifiques en France, dont le Jardin du Lautaret
La coordination du consortium GrENE-net est pilotée conjointement par Moises Expósito-Alonso (Université de Californie, Berkeley), Niek Scheepens (Université de Frankfort, Allemagne) et François Vasseur (CNRS, France). Les premiers auteurs de cet article sont des chercheurs de l’Université de Californie (Berkeley) et de Stanford. GrENE-net fédère des scientifiques issus de neuf états américains ainsi que d’Allemagne, du Canada, de la Grèce, de l’Espagne, de l’Estonie, d’Israël, de la Norvège, des Pays-Bas, de la Pologne et de la Suisse. En France, trois équipes ont participé à ce travail : Cyrille Violle et François Vasseur (CNRS) du Centre d’écologie fonctionnelle et évolutive à Montpellier (CEFE ; Université de Montpellier, CNRS, EPHE, IRD), Irène Till-Bottraud (CNRS) du Laboratoire de géographie physique et environnementale (GEOLAB ; Université Clermont Auvergne, CNRS) et Jean-Gabriel Valay (Université Grenoble Alpes) du jardin du Lautaret (UGA, CNRS), qui a bénéficié pour cette expérience du soutien de l’infrastructure de recherche AnaEE-France (analyses et expérimentations sur les écosystèmes, programme investissement d’avenir France 2030, ANR-11- INBS-0001AnaEE-Services).
