Des échantillons d’herbiers révèlent les origines de la photosynthèse du maïs

La diversification du monde vivant a impliqué des processus complexes d’adaptation aux changements passés de l’environnement, qu’ils soient géologiques, climatiques ou biotiques. Chez les plantes, la photosynthèse C₄ est l’un des traits adaptatifs les plus étudiés. Cette adaptation implique des changements anatomiques et biochimiques permettant d’optimiser le rendement de la photosynthèse en milieu chaud et ouvert. L'acquisition du trait C₄ nécessite notamment de recruter de nombreuses enzymes pour concentrer le dioxyde de carbone dans les chloroplastes. Plusieurs lignées de graminées C₄ dominent désormais les habitats ouverts tropicaux et subtropicaux, communément appelés savanes. Parmi ces lignées, la tribu des Andropogoneae est l’une des plus remarquables, à la fois pour sa diversité, son abondance et son utilité pour l’homme. Ce groupe qui s’est diversifié depuis le Miocène, renferme près de 1200 espèces, dont le maïs, le sorgho ou la canne à sucre, mais aussi domine plus d’un tiers des savanes. On estime qu'environ 5% de la biomasse des plantes terrestres est produite annuellement par cette seule lignée. Les études de l’origine du caractère C₄ chez les Andropogoneae ont cependant été limitées par le fait qu’aucune lignée proche non-C₄ n’était connue jusqu’à très récemment, empêchant de comprendre quand et où le trait a évolué, mais aussi comment ce trait complexe a été incrémenté lors de la diversification du groupe.

Dans leur étude, les chercheurs ont tout d'abord identifié à partir de collections d’herbiers la tribu Jansenelleae, constituée de trois petites graminées non-C₄ du sous-continent indien, comme le groupe frère des Andropogoneae. Ces espèces, que l’on jugerait au premier abord « insignifiantes », sont rares, ce qui explique qu'elles aient été très peu étudiées jusque-là. Le succès évolutif des Andropogoneae et Jansenelleae apparait ainsi extrêmement contrasté, et probablement en partie lié à l’acquisition ou non du caractère C₄. Une comparaison des génomes de plusieurs Andropogoneae et de Jansenelleae obtenues dans différents herbiers a révélé que le recrutement d’enzymes pour le trait C₄ a impliqué de nombreux changements adaptatifs à l’origine du groupe. Un taux élevé de changements s’est toutefois maintenu dans les 20 millions d’années suivantes, indiquant qu'une adaptation continue de la photosynthèse des Andropogoneae a accompagné leur radiation dans les savanes de tous les continents.

De nos jours, les Andropogoneae, et en particulier le maïs, représentent l'un des groupes de plantes les plus étudiées au monde, du fait de leurs intérêts économique et écologique. Il est donc évidemment surprenant qu'il ait fallu attendre l’analyse génomique d’échantillons d’herbier d’espèces rares, et a priori sans intérêt appliqué, pour mieux comprendre l'origine de son type de photosynthèse ayant permis sa dominance des savanes du globe. Cela démontre, une fois de plus, l'importance des collections d'histoire naturelle pour l'étude de la biodiversité, notamment pour comprendre l'évolution de traits fonctionnels.