Pourquoi les algues rouges n'ont pas colonisé la terre ferme

Le premier séquençage du génome d'une algue rouge vient d'être réalisé par une collaboration internationale coordonnée par des scientifiques du CNRS et de l'UPMC à la Station biologique de Roscoff, et impliquant notamment des chercheurs du CEA-Genoscope(1), des universités Lille 1 et Rennes 1 et du Muséum national d'Histoire naturelle (2). Le génome de Chondrus crispus, connu aussi sous le nom breton de pioka, s'est révélé être petit et compact pour un organisme multicellulaire. Le nombre de gènes, inférieur à celui de plusieurs algues unicellulaires, pose de nombreuses questions sur l'évolution des algues rouges. Il pourrait expliquer pourquoi, à la différence des algues vertes dont descendent toutes les plantes terrestres, elles n'ont jamais colonisé la terre ferme. Publiés en ligne le 11 mars 2013 sur le site de la revue PNAS, ces travaux offrent un nouveau regard sur l'histoire des algues, mais aussi des végétaux terrestres.

Au premier plan, une algue rouge Chondrus crispus.
© Jonas Collén
Chondrus crispus est une algue rouge multicellulaire d'environ 20 cm de longueur, très commune sur les côtes rocheuses de l'Atlantique Nord. Son rôle écologique est essentiel car elle contribue à la production primaire de ces écosystèmes côtiers. De nos jours, certaines algues rouges sont utilisées par l'industrie agro-alimentaire pour les propriétés épaississantes des carraghénanes présents dans leur paroi. Ces polysaccharides sulfatés correspondent à l'additif E-407 qui entre dans la composition de nombreux desserts et entremets. Mais au-delà de son intérêt industriel, le premier séquençage du génome d'une macroalgue rouge apporte de nouveaux éclairages pour la compréhension de l'évolution des végétaux.
L'étude du génome de Chondrus a réservé des surprises aux chercheurs. Avec seulement 9 606 gènes et 105 millions de paires de bases, il est en effet de petite taille pour un organisme multicellulaire. A titre de comparaison, on dénombre 14 516 gènes chez l'algue verte unicellulaire Chlamydomonas reinhardtii et 27 416 gènes chez l'arabette (Arabidopsis thaliana), plante terrestre multicellulaire. Chondrus présente par ailleurs un génome compact, dans lequel chaque fonction correspond généralement à un seul gène. Les familles de gènes sont petites, et la distance entre les gènes est réduite.
Pour expliquer ces surprenantes caractéristiques, les chercheurs ont émis l'hypothèse qu'à un moment de leur histoire évolutive, il y a plus d'un milliard d'années, les algues rouges ont subi, du fait de conditions environnementales extrêmes, une perte massive de matériel génétique. Ce phénomène évolutif aurait alors eu de nombreuses conséquences. L'un des exemples pourrait être la perte chez les algues rouges, contrairement à la plupart des autres organismes, de gènes du système flagellaire, système qui assure la mobilité de certaines cellules (comme celle des gamètes lors de la reproduction sexuée chez la plupart des organismes, y compris l'homme).
Sans cette perte massive de gènes, les algues rouges auraient peut-être colonisé largement le milieu terrestre de la même façon que les algues vertes, ancêtres de toutes les plantes terrestres. Mais cet événement, véritable goulot d'étranglement évolutif, a privé les algues rouges de la plasticité et du potentiel génétique nécessaire pour s'adapter à la vie sur terre.
Le séquençage du génome de Chondrus ouvre donc les archives de plus de 1 500 millions d'années d'histoire de l'évolution des végétaux terrestres et marins. Il fournit désormais des bases nouvelles pour étudier la biologie des algues rouges et n'est qu'une première étape d'un programme qui vise par exemple à mieux comprendre les origines du vivant, l'adaptation des algues rouges à leur environnement ou les voies de biosynthèse de biomolécules d'intérêt telles que les carraghénanes. Les scientifiques espèrent également identifier de nouvelles enzymes d'intérêt pour les biotechnologies marines.

Une algue rouge Chondrus crispus
© Jonas Collén
Notes:
(1) Le CEA-Genoscope a été responsable du séquençage et de la plateforme d'annotation.
(2) Coordonnée par l'unité "Végétaux marins et biomolécules" (CNRS/UPMC), cette étude a également impliqué les laboratoires français suivants: l'unité "Génomique métabolique" (CEA/CNRS/Université d'Evry) au CEA-Genoscope-, l'unité de glycobiologie structurale et fonctionnelle (CNRS/Univ. Lille 1), le Laboratoire d'océanographie microbienne (CNRS/UPMC), l'unité "Ecosystèmes, biodiversité, évolution" (CNRS/Univ. Rennes 1), l'unité "Biologie des organismes et écosystèmes aquatiques" (CNRS/Muséum national d'Histoire naturelle/IRD/UPMC), l'unité "Adaptation et diversité en milieu marin" (CNRS/UPMC) et le laboratoire "Génome et développement des plantes" (CNRS/Université de Perpignan).
Référence:
Genome structure and metabolic features in the red seaweed Chondrus crispus shed light on evolution of the Archaeplastida. PNAS. En ligne semaine du 11 mars 2013.