Le génome du petit pois séquencé : une première, en partie française

Dans le cadre d’un consortium international regroupant des équipes françaises de l’Inrae et du CEA, ainsi que des équipes tchèques, américaines, canadiennes et australiennes, nous avons récemment réussi à produire la première séquence du génome du pois(1*).

Le séquençage du génome

Le séquençage du génome du pois représentait un défi important : en effet, ce génome diploïde comprenant sept paires de chromosomes est de grande taille (il contient environ 4,45 milliards de paires de bases ou nucléotides) et il est constitué d’une très grande proportion de séquences répétées (plus de 85 % du génome). Pour réaliser ce travail, l’ADN de la variété française « Caméor », inscrite dans les années 1970, et produisant des graines riches en protéines a été séquencé par les technologies de séquençage de nouvelle génération. Des centaines de milliards de lectures courtes (des mots d’environ 100 lettres construits à partir des 4 bases ATGC du code génétique) ont été obtenues. Il a ensuite fallu ordonner ces mots pour reconstituer le « livre » du génome du pois. Assembler des lectures courtes pour reconstituer sa séquence était un peu comme un immense puzzle dont la plupart des pièces, les séquences répétées, représentaient l’océan et dans lequel quelques rares îles étaient les gènes. Différentes technologies complémentaires au séquençage ont été utilisées pour aider à reconstituer les sept chromosomes du pois. Des cartes physiques, chromosomiques et génétiques ont ainsi été réalisées. Le séquençage puis l’assemblage du génome ont pris au total cinq années. La séquence que nous avons assemblée représente 88 % du génome et contient 44 756 gènes.

Le génome du pois a finalement été séquencé en 2019 © Jamain CC by 3.0

Les particularités du génome du pois

L’analyse de ce génome a permis d’émettre des hypothèses sur son évolution. Le pois fait partie de la tribu des Fabeae à laquelle appartiennent aussi notamment le pois de senteur, la féverole et la lentille. Les génomes de ces différentes plantes sont tous de grande taille. La comparaison du génome du pois avec les autres génomes séquencés de légumineuses suggère que l’augmentation de la taille des génomes des Fabeae résulte de l’insertion massive de séquences d’éléments transposables. Ces éléments sont capables de se multiplier de façon autonome dans les génomes.

Différentes familles d’éléments de type rétrotransposon se sont successivement insérées dans le génome de l’ancêtre du pois actuel par des mécanismes de type « copier-coller ». Nous avons ainsi identifié plus de 2 millions d’éléments répétés dans la séquence du génome du pois. Ces séquences mobiles actives dans le génome du pois pourraient être à l’origine de variations de la structure des chromosomes de pois, telles que de grandes délétions, insertions, inversions et translocations.

Ces variations s’accompagnent d’une importante variabilité génétique et se traduisent par une extraordinaire diversité phénotypique au sein du genre Pisum.

La diversité de séquence du genre Pisum

La séquence du génome de la variété « Caméor » constitue une référence à laquelle nous avons comparé des données de séquences obtenues pour 42 autres pois cultivés ou sauvages. Le genre Pisum est originaire du Moyen-Orient et comprend, suivant les classifications, deux ou trois espèces : Pisum sativum, Pisum abyssinicum, et Pisum fulvum. L’étude de la diversité génétique au sein des 43 pois analysés confirme une structuration en deux espèces Pisum fulvum et Pisum sativum et indique que les pois cultivés sont tous issus des pois sauvages Pisum sativum elatius.

Nos résultats suggèrent que deux évènements de domestication indépendants ont eu lieu au cours de l’évolution vers les pois cultivés. La très grande majorité des pois actuellement cultivés dans le monde provient d’une première domestication et fait partie des Pisum sativum sativum alors que les pois d’Abyssinie (Pisum sativum abyssinicum) auraient été domestiqués indépendamment, puis transportés vers l’Abyssinie par les anciennes routes humaines.

L’utilisation de cette séquence pour l’horticulture

Comment la séquence du génome de pois peut-elle aider au développement de cette espèce à la fois maraîchère et de grande culture ? Cette séquence constitue un outil extrêmement précieux pour identifier les gènes qui contrôlent les caractères d’intérêt chez le pois, notamment les gènes de résistance aux maladies, aux insectes, au froid ou à la sécheresse, qui sont autant de caractères travaillés en France et au niveau international. Cette connaissance constitue le socle du développement de la sélection génomique, méthode qui devrait permettre des gains de temps dans la sélection de nouvelles variétés productives, résistantes aux bio-agresseurs et adaptées aux aléas climatiques.

 

Judith Burstin
UMR Agroécologie, Inrae Dijon

(1*) (Pisum sativum L. ; Kreplak et al. 2019, Burstin et al. 2020)

Lexique

Séquençage du génome : détermination de la localisation linéaire des gènes sur les chromosomes.
Nucléotide : élément de base de l’ADN ou de l’ARN.
Éléments transposables ou transposons : séquence d’ADN capable de se déplacer de manière autonome dans un génome.
Rétrotransposon : élément transposable qui se différencie du transposon par l’existence d’un ARN intermédiaire (ARN “rétro” transcrit en ADN avant transposition).
Délétion : perte de matériel génétique dans la séquence d’un chromosome.
Translocation : déplacement d’une partie de la séquence d’un chromosome à un autre.
Variabilité phénotypique : manifestation observable de la variabilité génétique.

RÉFÉRENCES

Burstin J, Kreplak J, Macas J, Lichtenzveig J (2020) Genome of the Month. Pisum sativum (Pea). Trends in Genetics. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tig.2019.12.009 Kreplak J, et al. (2019) A Reference Genome For Pea Provides Insight Into Legume Genome Evolution. Nat Genet. 51: 1411-1422. DOI: https://doi.org/10.1038/s41588-019-0480-1.

POUR EN SAVOIR PLUS

Moussart A., Baranger A., Plessix S., Jaloux B. (2019) Quels nouveaux leviers pour protéger les légumineuses à graines contre les maladies et les ravageurs ? Innovations Agronomiques 74, 39-54 Chaillet I (2014) Progrès génétique du pois. Perspectives Agricoles ; 417 : 32-34 Duc G., Jeuffroy M.H., Tivoli B. (2011) Les légumineuses protéagineuses pour améliorer les bilans environnementaux en grandes cultures : principaux travaux de l’Inra qui ont accompagné la naissance de la filière et les perspectives. Innovations Agronomiques 12, 157-180 R. Cousin. (1992) Le pois. Amélioration des espèces végétales cultivées. Objectifs et critères de sélection, Inra, 2-7380 0383-4