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

Les fruits des plantes Solanum, un groupe de la famille des solanacées, sont incroyablement diversifiés, allant des grosses tomates rouges et aubergines violettes aux baies vertes vénéneuses des plants de pommes de terre. Un nouvel arbre généalogique amélioré de ce groupe, produit par une équipe internationale dirigée par des chercheurs de Penn State, aide à expliquer la diversité frappante des couleurs et des tailles des fruits et comment ils ont pu évoluer.

L'équipe a découvert que la taille et la couleur des fruits évoluaient ensemble et que les animaux frugivores n'étaient pas les principaux moteurs de l'évolution des fruits, comme on le pensait auparavant. L'étude, publiée dans la revue Nouveau phytologuepeut également fournir un aperçu de la sélection de plantes importantes sur le plan agricole avec des caractéristiques plus souhaitables, ont déclaré les chercheurs.

“Il existe environ 1 300 espèces dans le genre Solanum, ce qui en fait l'un des genres végétaux les plus diversifiés au monde”, a déclaré João Vitor Messeder, étudiant diplômé en écologie et biologie au Penn State Eberly College of Science et au 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 étaient à l'origine de l'évolution des fruits comme ceux de Solanum. Cependant, l'importance de l'histoire évolutive des plantes a été sous-estimée ou rarement prise en compte lorsque évaluer 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 végétal afin d'améliorer notre compréhension des relations entre les espèces.”

Les plantes du genre Solanum produisent des fruits d’une grande variété de tailles, de couleurs et de valeurs nutritionnelles. Ils peuvent apparaître en noir, violet, rouge, vert, jaune ou orange et leur taille varie de moins d'un quart de pouce à 8 pouces, soit 0,5 à 20 centimètres.

En plus des plantes importantes sur le plan agricole, certaines plantes du groupe sont cultivées pour leurs fleurs ornementales, et les fruits de bon nombre de ces plantes sont consommés par les humains et une grande diversité d'animaux, notamment des oiseaux, des chauves-souris, des reptiles, des 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 leurs travaux avec des échantillons précédemment collectés 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. Cela comprenait des représentants des 10 clades majeurs – les branches de l’arbre – et de 39 des 47 clades mineurs du genre.

“En utilisant des milliers de gènes partagés entre des espèces qui représentaient efficacement l'ensemble du genre, nous avons considérablement amélioré l'arbre généalogique de Solanum, le rendant le plus complet à ce jour”, a déclaré Messeder, qui a mené la recherche dans le laboratoire de Hong Ma, titulaire de la chaire Huck de Développement et évolution de la reproduction végétale et professeur de biologie à Penn State et co-auteur correspondant de l'article.

“Les progrès technologiques récents 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 à mesure que de nouvelles espèces de plantes sont apparues. “.

Les chercheurs ont ajouté une résolution considérable des petites branches du groupe qui comprend les pommes de terre et les tomates, ainsi que de leurs espèces sauvages étroitement et 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 parents sauvages les plus proches de cultures agricoles importantes présentent des caractéristiques souhaitables, il est possible de créer des cultures avec ces espèces ou d'emprunter leurs gènes, par exemple pour améliorer la résistance à la température ou aux ravageurs ou pour produire des fruits plus gros ou d'une certaine couleur”, “, a déclaré Messeder.

Les chercheurs ont découvert que la couleur et la taille des fruits de Solanum étaient assez conservées au cours de l’histoire 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 caractère correspondant souvent aux changements de l'autre, conduisant les fruits de certaines couleurs à être plus gros que les fruits d'autres couleurs.

“Ces résultats suggèrent que des mécanismes physiologiques et moléculaires pourraient jouer un rôle dans le maintien de l'évolution de la couleur et de la taille des fruits”, a déclaré Messeder. “Bien que les frugivores – ou les animaux qui mangent principalement des fruits – et les disperseurs de graines puissent influencer la diversification, nous devons considérer toutes les possibilités lorsque nous étudions comment les fruits sont devenus si divers.”

Les chercheurs ont également clarifié l'origine et la chronologie de la diversification de ce genre, en partie en incluant des informations récentes sur le fossile le plus ancien de la famille des solanacées (d'un genre différent de la famille des solanacées dont le fossile était daté d'il y a environ 52 millions d'années) et sur des gènes particuliers qui estimations améliorées de la longueur des branches évolutives.

Les chercheurs ont daté l’origine de Solanum il y a 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 dresse un nouveau tableau de l’environnement qui pourrait avoir façonné la façon dont ces plantes se sont diversifiées en de nouveaux groupes et espèces.

“L'environnement de la Terre a radicalement changé au cours des 30 millions d'années en termes de température, de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, de géographie et de diversité animale”, a déclaré Messeder. “Maintenant que nous savons quand Solanum et ses sous-groupes sont apparus, nous pouvons réfléchir aux conditions qui auraient pu favoriser la diversification de ce groupe, ainsi qu'à la manière dont d'autres organismes auraient pu jouer un rôle.”

L’équipe a découvert 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 étaient devenus plus diversifiés il y a environ 14 millions d’années.

Les chercheurs ont émis l’hypothèse que les chauves-souris auraient pu jouer un rôle dans cette diversification, étant donné leur chronologie évolutive similaire et qu’elles sont les principales disperseuses des fruits verts et jaunes modernes du Solanum. À mesure que de nouvelles espèces de chauves-souris apparaissaient et se développaient là où elles vivaient à cette époque, elles mangeaient des fruits de Solanum et transportaient leurs graines vers de nouveaux environnements.

Ensuite, les chercheurs prévoient d'explorer comment les interactions modernes entre les animaux et les fruits qu'ils consomment peuvent éclairer l'évolution des deux groupes ainsi que d'explorer l'évolution de certains gènes pertinents pour la couleur et la taille des fruits.