Origine et évolution de la vie Lignées végétales Gurvan Michel, Bernard Kloareg et Dominique Job

Diversité évolutive des organismes photosynthétiques Adapted from Baldauf, 2008 Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Le scénario de l’origine et de l’évolution des végétaux : endosymbioses primaire et secondaire 3 milliards d’années Cyanobactéries 1,5 milliard d’années N Protiste ENDOSYMBIOSE PRIMAIRE N Chloroplaste ancestral c/o, Laurence Garzarek, SBR Protiste ENDOSYMBIOSE SECONDAIRE N N N Algues brunes Haptophytes Cryptophytes Dinoflagellés... N 1,3 milliard d’années Algues vertes Plantes terrestres N N Algues rouges Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Les plantes terrestres ont divergé d’une algue verte Charophyte ancestrale Hépatiques Anthocérotes Mousses Lycophytes Fougères Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

La matrice extracellulaire est necessaire à l’evolution de la multicellularité complexe Vie sans matrice extracellulaire Vie avec matrice extracellulaire ! Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Diversité des polysaccharides de parois chez les macroalgues marines et les plantes terrestres Popper, Michel, Hervé et al. (2011) Annual Review of Plant Biology Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Modèle de la paroi primaire d’une plante Microfibrille de cellulose Chaines de pectines coordonnées par des Ca 2+ Xyloglucanes Extensines & AGP Carpita & McCann (2000) Biochemistry and Molecular Biology of Plants Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Cellulose microfibril Alginate (M-rich region) Sulfated fucoidans Structural proteins Polyphenols Iodide ions Hemicelluloses Modèle de la paroi d’une algue brune Alginate (Ca 2+ -linked G-rich region) Deniaud-Bouët, Kervarec, Michel, Tonon, Kloareg & Hervé (2014) Annals of Botany Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

200 MBp 16,256 genes 105 MBp 9,606 coding genes Cock et al. (2010) NatureCollen et al. (2013) PNAS La génomique révolutionne la biologie végétale Ectocarpus siliculosus Chondrus crispusArabidopsis thaliana Arabidopsis Genome Initiative (2000) Nature 135 MBp 27,498 genes Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Recensement des enzymes du métabolisme des sucres des végétaux  Ectocarpus: 41 GH (18 GH families) 88 GT (32 GT families)  Chondrus: 31 GH (16 GH families) 65 GT (27 GT families)  Arabidopsis: 463 GH (35 GH families) 464 GT (43 GT families) (GH: glycoside hydrolases; GT glycosyltransferases)  Les Plantes ont 10 / 5 fois plus de GH / GT que les algues  Moins de différences en terme de familles de GH / GT  Les Plantes ont de grandes familles multigéniques (69 GH28, 121 GT1)  Les algues brunes et rouges ont moins de redondances fonctionnelles Plusieurs familles sont absentes des plantes mais conservées avec d’autres organismes:  Bactéries (GH88, GT45, GT78)  champignons (GT15, GH6, GH45, GT39)  Animaux (GT7, GT27)  Amoebozoa (GT60 and GT74)  Animaux et champignons (GH30, GT23, GT49 and GT54) Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016 Henrissat et al (2001) Plant Mol Biol; Michel et al (2010a) New Phytol; Collen et al (2013), PNAS

Faits marquants sur le métabolisme de la paroi de l’algue brune Ectocarpus siliculosus Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016 Cock et al. (2010) Nature; Michel et al (2010a,b) New Phytologist

Biosynthèse des beta-1,3-glucanes Commun à tous les Stramenopiles  Biosynthèse de la laminarin Arbre phylogénétique des beta-1,3-glucan synthases (GT48): Congruence avec la phylogénie des eucaryotes Unique aux Oomycetes  -1,3-glucans de paroi Unique aux algues brunes Callose (  -1,3-glucanes de paroi)? La biosynthèse des beta-1,3- glucanes est une voie eucaryotique ancestrale Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Callose dans la paroi d’Ectocarpus? Coloration Calcofluor (cellulose) Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

calcofluor staining Callose Abondant dans les organes sexuels CBM6 spécifique du beta-1,3-glucane Cécile Hervé Rôle dans le développement ou le relâchement des gamètes? Callose dans la paroi d’Ectocarpus! Coloration Calcofluor (cellulose) Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

GDP-fucose Fucan Sulfated fucan Carbohydrate sulfotransferases (10 genes ) Fucose Fucose-1-P GDP-mannose GDP-4-keto-6-deoxymannose GDP-4-keto-6-deoxygalactose Fucosyltransferases (GT10, GT23, GT65?) FK 0130_ _0058 GFPP 0130_ _0058 GM46D 0009_ _0033 GFS 0003_0195 GFS 0003_0195 Salvage pathway De novo pathway Biosynthèse des fucanes sulfatés Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

GDP-fucose Fucan Sulfated fucan Carbohydrate sulfotransferases (10 genes ) Fucose Fucose-1-P GDP-mannose GDP-4-keto-6-deoxymannose GDP-4-keto-6-deoxygalactose Fucosyltransferases (GT10, GT23, GT65?) FK 0130_ _0058 GFPP 0130_ _0058 GM46D 0009_ _0033 GFS 0003_0195 GFS 0003_0195 Salvage pathway De novo pathway Très similaire des enzymes animales Distante des homologues de plantes  Voie Ancestrale conservée avec les animaux Concentration en sulfate: Eau de mer: 28 mM Eau douce & eau interstitielle des sols: mM pertes des carbohydrate sufotransferases et des sulfatases chez les plantes d’eau douces et terrestres  perte du métabolisme des polysaccharides sulfatés durant la terrestrialisation des plantes Biosynthèse des fucanes sulfatés Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Mannose-6-P isomerase (eukaryotic-type) Phosphomannomutase (eukaryotic-type) Mannose-1-P guanylyltransferase ? Mannuronan synthase ? GDP-Mannose-6-dehydrogenase (bacterial-type) Mannuronan C5-epimerases (bacterial-type) Biosynthèse de l’alginate Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

UDP-glucose & GDP-mannose dehydrogenases UGD: acquise par le Rhodobiont GMD (algD): transfert à partir d’une Actinobacteria Biosynthèse de l’alginate Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Transfert de gène d’Actinobacteria Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016 Biosynthèse de l’alginate

Etapes Initiales (F6P  GDP-mannose) Enzymes de type eukaryotique Etapes finales spécifique de l’alginate Enzymes de type bactérienne  Transfert de gènes d’Actinobacteria Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016 Biosynthèse de l’alginate

Origines des polysaccharides de parois des algues brunes  -1,3-glucanes and fucanes sulfatés : Métabolismes ancestraux Biosynthèse de la cellulose : voir section suivante Un évènement de transfert latéral de gènes majeur avec une Actinobacteria ancestrale  Acquistion du mannitol, de certaines hemicelluloses et des alginates  Impact majeur sur l’évolution de la multicellularité chez les algues brunes Michel et al. (2010 a & b) New Phytologist Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Faits marquants sur le métabolisme de la paroi de l’algue rouge Chondrus crispus Collen et al (2013) PNAS Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Voie de biosynthèse putative des carraghénanes Adapté de Craigie & Wong (1978) Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Biosynthèse des carraghénanes 12 galactose-6-sulfurylases (11 type I + 1 type II)  Rare famille multigénique: enzymes clé du contrôle des propriétés physicochimiques de la paroi GTs homologues des GAG glycosyltransferases des animaux: GT7: chondroitin sulfate galactosyltransferase GT47 / GT64: heparan sulfate synthase 11 carbohydrate sulfotransferases  Conservées avec les animaux et les algues brunes  Probablement impliquées dans la biosynthèses des carraghénanes Confirmation que la biosynthèses des polysaccharides sulfatés est une voie ancestrale, perdue par les plantes durant la conquête du milieu terrestre Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Hypothèse de la littérature sur l’origine des CESA de plantes:  L’ancêtre commun des algues rouges, des algues vertes et des plantes a acquis les cellulose synthases (CESA) à partir des cyanobactéries au cours de l’endosymbiose primaire (Nobles et al, 2001, Plant Physiology) Biosynthèse de la cellulose et des hemicelluloses Morgan et al (2012) Nature 1 ère structure 3D de cellulose synthase (CESA)! Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

(Monocots) (Eudicots) (Monocots) (Eudicots) Biosynthèse de la cellulose et des hemicelluloses Les CESA de Plantes dérivent d’une seule CESA de Charophytes Les CESA d’algues brunes forment un clade indépendant Les CESA d’algue rouges: Groupe frère de CESA d’Oomycètes Raciné par les CESA d’Amoebozoa Les CESA de cyanobactéries ne se distinguent pas des celles des autres bactéries Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Réfutation de l’origine cyanobactérienne des CESA d’Archaeplastida Les CESA de plantes et d’algues rouges ont des origines différentes Les CESA d’algues rouges et d’Amoebozoa sont reliées Mais les Amoebozoa n’ont pas été impliquées dans l’endosymbiose primaire  Les algues rouges ont acquis une CESA bactérienne avant l’endosymbiose primaire Biosynthèse de la cellulose et des hémicelluloses Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

GH5 GH45 Présence de cellulases (GH6, GH45) chez les algues rouges conservées avec les champignons  Cellulases eucaryotiques ancestrales  Précède l’endosymbiose primaire et donc l’acquisition de la cellulose par les algues vertes / plantes et les algues rouges  Fonction originale: hydrolyse de la cellulose bactérienne Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

L’ancêtre commun des Plantae : Un protiste se nourrissant de bactéries produisant de la cellulose les amibes actuelles digèrent des bactéries par endocytose  régulièrement exposées à des transferts de gènes de diverses bactéries Dictyostelium a acquis le biosynthèse de la cellulose par transfert de gène bactérien Cellulose-producing heterotrophic bacteria Cyanobacteria GH6 GH45 Digestion de la cellulose bactérienne par GH6 et GH45 Collén et al (2013) PNAS Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

(Quelques) Faits marquants sur l’évolution des plantes : De la mer à la mer Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

EAU Evolutions clé liées à la terrestrialisation : racines, stomates, cuticules, trachéides, fleurs Brundrett MC Coevolution of roots and mycorrhizas of land plants. New Phytol 154, 275–304 Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Delaux et al Algal ancestor of land plants was preadapted for symbiosis. PNAS 112, 13390–13395 Vesicle-like structures in Aglaophyton major rhizome 400 MY old fossil mycorrhiza-like association in Aglaophyton major rhizome Taylor et al Fossil arbuscular mycorrhizae from the early Devonian. Mycologia 87: 560 – 573. Terrestrialisation : les premières symbioses mycorhiziennes remontent à 400 MA Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

La fleur : l’abominable mystère de Charles Darwin ? Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Evolution des plantes à fleurs Amborella Genome Project (2013) Science Eudicots Monocots Basal Angiosperms 140 MYA L’analyse du génome d’Amborella révèle l’existence d’une duplication du génome ancienne Ce phénomène a été le moteur de l’acquisition de nouveaux gènes (fleurs, réserves nutritives des graines) Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Le xyloglucane : des algues vertes Charophytes aux plantes à fleurs Pauly M, Keegstra K. Biosynthesis of the plant cell wall matrix polysaccharide xyloglucan. Annu Rev Plant Biol Feb 29. Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

plantes sans fleurs plantes à fleurs GT37 Amborella Les XyG fucosyltransférases (GT37) d’Amborella : des caractères « gymnospermes » et « angisopermes » Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016 Amborella Genome Project (2013) Science

Conclusions issues du génome d’Amborella o Amborella présente des caractéristiques moléculaires retrouvées chez les gymnospermes (les plantes sans fleurs) et les angiospermes o L’apparition des angiospermes est plus un évènement progressif que soudain. Si phénotypiquement Amborella est une angiosperme, elle peut être considérée, au niveau moléculaire, comme une espèce intermédiaire entre les gymnospermes et les angiospermes, ayant permis de tracer la route vers les angiospermes modernes Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Zostera marina: la plante à fleur qui rêvait de la mer ! Olsen et al (2016) Nature Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016

Le mystère de la paroi des Angiospermes Marines La paroi de Zostera contient des polysaccharides sulfatés !!! La pectine est très peu méthylée par rapport aux plantes terrestres  Claire adaptation au milieu marin L’analyse du génome indique: Perte définitive des carbohydrate sulfotransférases « classiques » par les plantes  implique la réinvention de la sulfatation des sucres Par rapport aux monocots terrestres, expansion de la famille des pectine méthyle-transférases (CE8)  augmente la caractère anionique de la paroi

Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016 Résumé des adaptations au milieu marin Olsen et al (2016) Nature

Merci ! Groupe Glycobiologie Marine Bernard Kloareg Mark J. Cock Catherine boyen Jonas Collen Mirjam Czjzek Cécile Hervé Gurvan Michel et al. – Origine des lignées végétales – Académie des sciences – 12 avril 2016 Jeanine Olsen Dominique Job