Introduction Conclusions Ecologie 2010, 1er Colloque national français d’écologie, Montpellier, France, 02 – 4 septembre 2010 Comment des signaux macroévolutifs et des réponses actuelles des plantes à l’environnement peuvent-ils coexister ? La réponse du métabolome Françoise Hennion1, Marie Hermant1, Cynthia Gauthier1, Isabelle Litrico2, Alain Bouchereau3 & Andreas Prinzing1 1UMR 6553 Ecobio, CNRS - Université de Rennes 1, F-35042 Rennes cedex, France, Francoise.Hennion@univ-rennes1.fr 2Unité de Génétique et d'Amélioration des Plantes Fourragères, INRA, Centre Poitou-Charentes, Lusignan, France 3UMR 118 INRA, Agrocampus Ouest, Université de Rennes 1, Av du Général Leclerc, F-35042 Rennes, France Introduction La construction des phénotypes apparaît de plus en plus comme un phénomène complexe dans lequel l’environnement joue un rôle de premier plan à travers l’épigénétique, la plasticité phénotypique et le contrôle du développement. Le métabolome, dont les niveaux de métabolites représentent les réponses ultimes des systèmes biologiques à des changements génétiques ou de l’environnement, semble un niveau idéal pour étudier l’interaction entre phénotype et environnement. Au niveau biotique, l’implication des métabolites secondaires dans des mécanismes de défense est connue, mais on sait rien sur la réponse du métabolome à une contrainte biotique comme le voisinage des espèces. Au niveau abiotique, on connaît des accumulations de composés particuliers lors de stress contrôlés; mais on ne connaît encore aucun lien entre une composition complète en métabolites et un environnement abiotique naturel. 1°) Est-ce qu’une espèce qui coexiste avec des espèces apparentées, ou avec une grande diversité d’espèces, modifie ses traits et renforce ses composés de défense? (Fig. 1) 2°) Le métabolome répond-il au type d’environnement abiotique? Si elle existe, cette réponse est-elle spécifique de l’espèce ou de la lignée, ou bien présente au-delà de l’espèce et/ou de la lignée ? (Fig. 2) Systèmes étudiés : 1°) Le Dactyle – Effet de l’environnement biotique Figure 1. Le Dactyle, Dactylis glomerata, a été cultivé selon plusieurs modalités du nombre d’espèces voisines lors de l’expérience « Biodiversité » à Jena. Les plantes ont ensuite été clonées puis cultivées en champ à Lusignan. 2°) Les plantes de Kerguelen – Effet de l’environnement abiotique salinité humidité altitude Figure 2. Types et exemples d’environnements abiotiques (Iles Kerguelen, région subantarctique). Chaque site présente une condition abiotique dominante. Résultats Conclusions 1°) Pour la première fois, on met en évidence un effet de la diversité spécifique de la communauté végétale sur la composition métabolique (amines conjuguées) d’une espèce-cible. Une plante est donc capable de modifier son métabolome à court terme en réponse à un changement de son environnement biotique. Cet effet est héritable. 2°) Des espèces différentes ont des métabolomes (amines libres) significativement différents à l’intérieur d’un même environnement. Mais le métabolome des amines est également défini par l’environnement abiotique, d’une manière similaire quelle que soit l’espèce. Ceci est réalisé par des déplacements intra-espèce de la composition entre les différents environnements cohérents entre les espèces. Enfin, différentes lignées occupent des positions différentes dans cet espace métabolome/ environnement. Le métabolome des plantes est donc capable de répondre à des modifications de l’environnement biotique à court terme. Il révèle aussi des mécanismes de flexibilité de réponse à l’environnement abiotique communs chez les plantes au-delà de la forte différentiation phylogénétique, en suggérant les chemins évolutifs de ces réponses. Le métabolome apparaît ainsi comme un compartiment essentiel pour étudier l’adaptation chez les plantes aux échelles micro- et macroévolutives. 1°) Effet de l’environnement biotique Mesure de l’accumulation d’amines conjuguées (composés de défense) chez Dactylis glomerata environnée de 0 à 3 espèces et de 1 à 3 groupes fonctionnels (graminées, légumineuses, autres dicotylédones) Nombre d’espèces: effet significatif (Figure ci-contre) Proximité phylogénétique des espèces voisines: pas d’effet 2°) Effet de l’environnement abiotique Le métabolome des amines libres est défini par l’environnement abiotique, au-delà des différences entre espèces Mécanisme: les shifts intra-espèce de composition entre les différents environnements sont parallèles entre les espèces Axe 1 : p<0.0001 Axe 2 : p<0.0011 Les lignées occupent des positions différentes dans cet espace métabolome/ environnement p<0.0003 Matériels et méthodes Le Dactyle, Dactylis glomerata, a été cultivé en présence de 0 à 3 espèces supplémentaires et 1 à 3 groupes fonctionnels (graminées, légumineuses, autres dicotylédones) lors de l’expérience « Biodiversité » de Jena. Les individus ont ensuite été clonés et cultivés en champ à Lusignan où nous les avons échantillonnés. Aux îles Kerguelen (région subantarctique, Océan Indien Austral), 9 espèces végétales appartenant à trois lignées majeures d’Angiospermes ont été échantillonnées dans 88 populations, chacune caractérisée par un type d’environnement abiotique, soit forte altitude, forte salinité, ou forte humidité du sol. Pour la réponse à l’environnement biotique (Dactyle), l’étude porte sur les amines conjuguées, composés de défense. Pour la réponse à l’environnement abiotique (9 espèces, Kerguelen), l’étude porte sur les amines libres. Chez toutes les espèces, les deux feuilles les plus jeunes sont prélevées puis congelées instantanément dans l’azote liquide. Des aliquotes de poudre sont extraites par du méthanol 100% (amines conjuguées) ou de l’acide chlorhydrique 1N (amines libres). Les extraits d’amines conjuguées sont hydrolysés par l’acide chlorhydrique 6N avant leur dansylation. Les extraits dansylés sont analysés par chromatographie liquide haute performance à l’aide d’un spectrofluoromètre équipé d’une colonne sphérisorb en phase inverse C18 (5 µm; 4.6mm x 250mm, Waters). Les échantillons sont élués grâce à un programme de gradient acétonitrile- acétate de potassium se déroulant sur 90min. La détection HPLC était parfaitement reproductible avec notre méthode. Les amines ont été quantifiées par étalonnage avec des standards externes de produits purs. Remerciements. Magali Caillaud (INRA Lusignan) pour aide à l’échantillonnage des Dactyles; ANR « Discover » (I. Litrico); Soukaïnatou Aidara (stage Master 1 Biologie Cellulaire, Rennes 1) pour les analyses biochimiques; Institut Polaire français (IPEV) pour soutien financier au programme 136 d’Ecologie terrestre; Marc Lebouvier (responsable programme 136); Philippe Vernon; Christophe Brumbt, Maïté Fournier et Philippe Lambret pour l’aide à l’échantillonnage à Kerguelen.