Ramener le châtaignier d’Amérique de la mort, une espèce fonctionnellement éteinte
Très peu de personnes vivantes aujourd’hui ont vu les forêts des Appalaches telles qu’elles existaient il y a un siècle. Même si les parcs nationaux et régionaux ont préservé de plus en plus cet écosystème, des agents pathogènes fongiques d’Asie ont presque éradiqué l’une des espèces dominantes de ces forêts, le châtaignier d’Amérique, tuant environ 3 milliards d’arbres. Bien que de nouvelles pousses continuent de sortir des souches des anciens arbres, le champignon persiste, les tuant avant qu’ils ne puissent ensemencer une nouvelle génération.
Mais grâce en partie aux arbres plantés dans des zones où les deux champignons ne se développent pas bien, le châtaignier d’Amérique n’est pas éteint. Et les efforts pour le faire revivre dans son aire de répartition d’origine se sont poursuivis, malgré les longues durées de génération nécessaires pour élever des arbres résistants. Dans le numéro de jeudi de Science, des chercheurs décrivent leurs efforts pour appliquer des techniques génomiques modernes et des tests exhaustifs afin d’identifier la meilleure voie pour restaurer les châtaigniers dans leur aire de répartition d’origine.
Plusieurs voies vers la restauration
Bien que le châtaignier d’Amérique soit fonctionnellement éteint, il ne participe plus aux écosystèmes qu’il dominait autrefois, il n’est certainement pas éteint. Deux champignons asiatiques l’ont tué dans son aire de répartition d’origine ; l’un cause la brûlure du châtaignier, tandis qu’un agent pathogène moins courant cause une maladie de pourriture des racines. Les deux préfèrent les environnements chauds et humides et y persistent parce qu’ils peuvent se développer de manière asymptomatique sur des arbres éloignés, comme les chênes. Néanmoins, les châtaigniers plantés en dehors de l’aire de répartition d’origine de l’espèce, principalement dans les zones plus sèches de l’ouest de l’Amérique du Nord, ont continué de prospérer.
Il existe également un virus qui attaque le champignon de la brûlure du châtaignier, permettant à quelques arbres de survivre dans les zones où ce virus est courant. Enfin, une poignée d’arbres ont atteint la maturité dans l’aire de répartition d’origine du châtaignier d’Amérique. Ces arbres, que l’article désigne comme LSACs (grands châtaigniers d’Amérique survivants), suggèrent qu’il pourrait y avoir eu un faible niveau de résistance naturelle au sein de la population aujourd’hui disparue.
Ces arbres sont au centre de l’un des efforts pour restaurer le châtaignier d’Amérique. Si suffisamment d’entre eux possèdent des moyens distincts de résister aux champignons, leur croisement pourrait produire une souche qui non seulement survit aux champignons mais peut également prospérer dans les Appalaches.
Une approche connexe a tiré parti du fait que le châtaignier d’Amérique peut produire des hybrides fertiles avec le châtaignier chinois, qui avait coévolué avec les champignons introduits et était donc résistant aux infections mortelles. L’espoir était qu’un rétrocroisement continu de ces hybrides avec des châtaigniers d’Amérique aboutirait à des arbres très similaires aux châtaigniers d’Amérique mais conservant la résistance fongique de leurs cousins asiatiques.
Les deux efforts ont souffert du même problème auquel est confronté tout biologiste travaillant sur les arbres : ils ont une croissance lente et peuvent prendre des années avant d’atteindre une taille à laquelle ils produisent des graines. La situation a été encore compliquée par le fait que le châtaignier d’Amérique ne peut pas s’autopolliniser, il faut donc au moins deux arbres avant que toute reproduction ne soit possible.
Préoccupé par ce que cela pourrait signifier pour la réintroduction potentielle du châtaignier dans les Appalaches, un troisième projet s’est tourné vers la biotechnologie. La recherche avait identifié l’acide oxalique comme un facteur clé dans la virulence de la brûlure. Le blé produit naturellement une enzyme qui dégrade l’acide oxalique, et les chercheurs ont inséré le gène qui code cette enzyme dans le génome du châtaignier d’Amérique, créant un arbre génétiquement modifié qui peut potentiellement désarmer l’attaque du champignon.
Sans comprendre la nature de la résistance ou l’efficacité du gène transgénique, il n’y a aucun moyen de savoir quelle méthode serait la plus efficace. Alors les chercheurs de l’American Chestnut Foundation ont assemblé une collaboration massive pour examiner toutes ces options et déterminer ce qui serait nécessaire pour réintroduire des châtaigniers résistants à la brûlure dans la nature.
Suivi de la résistance
L’ampleur de l’effort est immense. Au total, l’équipe a infecté plus de 4 000 arbres individuels avec le champignon de la brûlure et a suivi leur croissance dans des pépinières des Appalaches pendant en moyenne plus de 14 ans. Les arbres ont été notés pour leur résistance sur une échelle de zéro à 100 en fonction des dommages causés par l’infection. Ces données ont été combinées avec un travail de laboratoire sérieux ; l’équipe a produit les génomes de châtaignier de la plus haute qualité à ce jour (des espèces américaine et chinoise) et a recueilli des données biochimiques sur la façon dont les arbres répondent à l’infection.
Il est rapidement devenu évident qu’il y avait des différences significatives dans les taux de croissance de certains des arbres résistants. Lorsqu’ils sont plantés sur des sites où les virus maintiennent la brûlure sous contrôle, les châtaigniers chinois ont poussé plus lentement que les arbres indigènes, tandis que les hybrides ont poussé à un rythme intermédiaire. Cela pourrait faire une grande différence, car une croissance rapide a peut-être permis au châtaignier d’atteindre son ancienne domination de la canopée.
De manière assez surprenante, cette croissance lente s’est avérée être un problème également pour les châtaigniers d’Amérique génétiquement modifiés. Par hasard, le gène du blé a fini par être inséré dans un gène connu pour être important pour la croissance d’autres plantes. Il semble être important chez le châtaignier également ; les plantes avec deux copies des gènes insérés ont survécu à 16 pour cent de leur taux attendu, et celles avec une seule copie ont poussé 22 pour cent plus lentement que les arbres non modifiés.
Cela dit, il y avait beaucoup de variabilité parmi les arbres génétiquement modifiés, 4 pour cent des arbres testés montrant à la fois une résistance élevée à la brûlure et une croissance comparable à celle des châtaigniers d’Amérique non modifiés. Il sera important de déterminer si cette collection de traits reste cohérente dans les générations suivantes.
Bonne nouvelle, la progéniture des châtaigniers d’Amérique survivants a poussé comme des châtaigniers d’Amérique. Moins bonne nouvelle, parmi 143 de ces arbres, seulement sept avaient des niveaux de résistance supérieurs à 50 sur l’échelle de 100 points de l’équipe. Il est possible que le croisement de ces arbres puisse renforcer davantage la résistance, mais cela pose également le risque de créer une population trop consanguine pour prospérer après la réintroduction.
Causes profondes
L’équipe de recherche a décidé d’utiliser ses tests pour étudier la base génétique de la résistance. Il y a une raison très pratique à cela : si la résistance est médiée par seulement une poignée de gènes qui ont chacun des impacts importants, il devrait être possible de continuer à croiser des souches résistantes avec des châtaigniers d’Amérique réguliers et de sélectionner pour la résistance. Mais s’il y a de nombreux facteurs avec des impacts relativement faibles, il faudra un croisement dirigé d’hybrides pour maximiser à la fois la résistance et l’ADN provenant du châtaignier d’Amérique.
L’équipe a complété les génomes de châtaignier de la plus haute qualité pour les espèces américaine et chinoise, identifiant environ 25 000 à 30 000 gènes dans les différents assemblages. Ils ont ensuite utilisé ces informations pour deux types d’analyse génétique : l’identification de locus de traits quantitatifs et l’association à l’échelle du génome. Les deux approches visent à identifier les régions du génome associées à des propriétés spécifiques et à estimer leur impact.
Le travail a suggéré que la résistance provient d’un nombre relativement important de sites, chacun avec des effets relativement mineurs. Par exemple, les sites dans le génome identifiés par l’analyse de traits quantitatifs ont généralement augmenté la résistance d’environ 10 points sur l’échelle de 100 points des chercheurs. Dans l’analyse à l’échelle du génome, 17 différences génétiques individuelles étaient associées à environ un quart des traits de résistance héréditaires. Tout cela suggère que, pour les hybrides (et probablement pour la résistance plus faible à la brûlure trouvée chez les châtaigniers d’Amérique survivants), un élevage dirigé parmi les arbres survivants sera nécessaire.
Pour le champignon de la pourriture des racines, en revanche, il semble qu’il y ait un nombre limité d’allèles importants avec un impact important.
Les chercheurs ont également adopté une approche alternative pour identifier les facteurs de résistance, en comparant 100 produits chimiques produits par des souches résistantes et sensibles. Parmi les 41 produits chimiques détectés à des niveaux plus élevés chez le châtaignier chinois, les chercheurs ont trouvé un métabolite, le lupéol, qui a complètement supprimé la croissance du champignon pathogène. Un autre, l’érythrodiol, a limité sa croissance. Si nous pouvons identifier les gènes impliqués dans la production de ces produits chimiques, nous pourrions utiliser ces connaissances pour guider des programmes d’élevage dirigé, ou même nous engager dans l’édition de gènes pour augmenter leur production.
Le plan actuel de l’équipe est d’utiliser des prédictions génomiques pour sélectionner des plants hybrides à planter dans des vergers tests, dans le but d’identifier des plantes avec une croissance et une résistance élevées. À partir de là, le processus peut être répété. Mais même après l’exploration exhaustive des traits de résistance, les chercheurs semblent croire que les trois approches, sélectionner des châtaigniers d’Amérique résistants, élever des hybrides dérivés de châtaigniers chinois et modification génétique dirigée, peuvent aider à ramener le châtaignier d’Amérique.
Les chercheurs avertissent cependant que, alors que les perturbations environnementales et les espèces invasives continuent de pousser certaines espèces clés au bord de l’extinction, nous devons nous améliorer dans ce type d’opération de sauvetage d’espèces.
