Les Poacées ont profité d'innovations métaboliques qui ont pour origine des duplications de gènes

 Thèmes : métabolisme, évolution, nourrir la planète

Dans un article paru dans Science en Août 2026, une équipe de chercheurs américains explique pourquoi les Poacées, la famille d'Angiospermes qui comprend le blé, le riz et le maïs, possèdent une capacité exceptionnelle  à accumuler de l’amidon, ce qui est à la base de beaucoup de notre alimentation (40% de l'apport calorique de l'humanité provient des Poacées). Les Poacées plantes synthétisent aussi très tôt beaucoup de lignine ce qui leur donne une bonne résistance mécanique qui est particulièrement développée chez le bambou et la canne à sucre.

Les auteurs ont comparé les génomes de plusieurs espèces de Poacées mais aussi de proches parents des Poacées (de l’Ordre des Poales Joinvillea ascendens et Ecdeiocolea monostachya). Cette approche de génomique comparative permet de reconstruire l’histoire évolutive probable des voies métaboliques. En effet, si un caractère est présent chez toutes les Poacées mais absent chez leurs proches parents, il est vraisemblablement apparu chez leur ancêtre commun. À l’inverse, s’il existe aussi chez leurs groupes proches, son origine est antérieure à celle des Poacées. Les auteurs ont complété cette étude par l’analyse de l'expression des gènes impliqués dans les voies métaboliques et par des analyses biochimiques de l’activité enzymatique.

Coupe dans un grain de blé. On y distingue clairement la quantité importante d'amidon (blanc). Source : https://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Fruits/ble.htm

Résultat ? Chez la plupart des plantes, la synthèse d’amidon repose surtout sur la formation d’ADP-glucose dans les plastes, notamment dans les amyloplastes des tissus de réserve. Chez les Poacées, une voie complémentaire existe dans le cytosol : de l’ADP-glucose y est synthétisé, puis importé dans les plastes, où il alimente la production d’amidon. Cette voie spécifique est très active dans les graines, qui sont justement à la base de notre alimentation.

L’étude indique que cette capacité de synthèse cytosolique s’est installée dans l’ancêtre commun des Poacées il y a environ100 millions d’années. Elle est liée à une duplication complète du génome.

En ce qui concerne la lignine, elle dérive habituellement de la phénylalanine. Une enzyme appelée PAL, pour phenylalanine ammonia-lyase, transforme cet acide aminé en précurseurs de la voie des phénylpropanoïdes. Les Poacées peuvent aussi utiliser la tyrosine comme point d’entrée métabolique grâce à une enzyme bifonctionnelle, PTAL (phenylalanine/tyrosine ammonia-lyase). Cette double entrée dans la voie de biosynthèse augmente la plasticité du métabolisme. Selon la disponibilité relative des acides aminés et les besoins du tissu, la plante dispose de deux sources possibles pour produire les précurseurs nécessaires à la lignification.

Contrairement à la voie cytosolique de l’amidon, cette innovation est plus ancienne que les Poacées elles-mêmes. Les chercheurs démontrent qu'elle est née d’une duplication en tandem d’un gène PAL suivie de deux mutations qui ont modifié la spécificité enzymatique de la copie chez l'ancêtre commun des Poales.

L'article ne démontre pas que ces innovations suffisent, à elles seules, à expliquer le succès planétaire des Poacées. Ce succès résulte aussi de leur morphologie, de leur tolérance aux perturbations, de leurs systèmes racinaires, de leur reproduction, de leur diversification écologique et, beaucoup plus tard, de la domestication humaine. Les résultats de l'étude montrent plutôt que ces innovations métaboliques leur ont fourni un terrain physiologique favorable avant même leur domestication au cours de la révolution agricole du Néolithique.