On transmet à sa descendance ses gènes, son ADN. Mais certaines espèces peuvent également transmettre un autre type d’information, dite épigénétique, qui indique quels gènes peuvent ou non s’exprimer. Une nouvelle étude parue dans Science explore les mécanismes qui permettent cette transmission chez les plantes.
Comment fonctionne l’hérédité ? Ou, en d’autres termes, par quels mécanismes moléculaires un organisme peut-il transmettre certaines caractéristiques à sa descendance via la reproduction sexuée ?
Depuis les années 1940, on sait que l’ADN porte l’information génétique transmise de génération en génération. Mais différentes observations chez les plantes indiquent que toutes les différences héritables observées entre individus, comme un retard de floraison ou un changement de la pigmentation du maïs, ne sont pas dues à des mutations de la séquence de l’ADN.
Dans notre étude publiée en novembre 2025 dans Science, nous montrons que l’épigénétique contribue, chez les plantes, aux différences héritables entre individus, notamment en réponse à des stress environnementaux comme la sécheresse.
Les modifications dites « épigénétiques » n’affectent pas la séquence de l’ADN proprement dite, mais plutôt sa capacité à favoriser ou non l’expression des gènes. Dans notre étude, nous élucidons certains des mécanismes par lesquels des modifications épigénétiques, en l’occurrence la méthylation de l’ADN (voir encadré), peuvent être transmises, chez les plantes, sur des dizaines de générations… ou au contraire être rapidement rétablies dans leur état initial.
Le mystère de la plante qui fleurissait tard
Arabidopsis thaliana est une plante que les scientifiques utilisent beaucoup, à tel point que l’on parle de « plante modèle ». Lorsqu’en 2000 un important retard de floraison a été observé dans une souche de laboratoire d’A. thaliana les recherches se sont naturellement d’abord concentrées sur l’identification de la mutation de la séquence d’ADN potentiellement responsable de ce retard. Or, aucune mutation n’a été identifiée en lien avec ce retard de floraison !… En cause : une perte de méthylation de l’ADN au niveau d’un gène, désigné FWA.
Qu’est-ce que la méthylation de l’ADN ?
On dit que l’ADN est méthylé lorsqu’il porte une modification chimique particulière : il s’agit d’un groupement chimique « méthyl- » ajouté dans le cycle de certaines bases (la cytosine, abbréviée C) de l’ADN.
Chez les plantes, la méthylation de l’ADN est le plus généralement inhibitrice, c’est-à-dire qu’elle limite l’expression des gènes avoisinants, lorsqu’elle est densément présente sur toutes les cytosines d’une région donnée.
Chez les mammifères, on ne trouve la méthylation de l’ADN que dans le contexte CG (une cytosine suivie d’une guanine) et elle est inhibitrice lorsqu’elle est présente sur des régions denses en CG, appelées îlots de CG.
Les gènes peuvent être réprimés ou exprimés selon le degré de compaction de l'ADN régulé par les marques épigénétiques
Les gènes peuvent être réprimés ou exprimés selon le degré de compaction de l’ADN régulé par les « marques épigénétiques » comme la méthylation. NIH modifié par Elsa Couderc/Wikimedia
Normalement, le gène FWA d’A. thaliana qui code un répresseur de la floraison est méthylé, ce qui le rend « silencieux », c’est-à-dire qu’il ne s’exprime pas. Dans la souche de laboratoire présentant un retard de floraison, la méthylation de ce gène a disparu – par accident ; le gène FWA est alors réactivé, ce qui conduit à retarder la floraison.
Or, cette perte de la méthylation de FWA est transmise de façon fidèle à la descendance sur au moins plusieurs dizaines de générations. Ceci explique l’hérédité du retard à la floraison… alors même que la séquence du gène FWA (et du reste du génome !) reste inchangée.
Pourquoi de telles observations chez les plantes et non chez les mammifères ?
Les mammifères, comme les plantes, utilisent la méthylation de l’ADN pour réguler l’expression des gènes (voir encadré plus haut). En revanche, il n’existe pas de caractères épigénétiques héritables chez les animaux dans la nature (bien qu’il y ait des exemples au laboratoire sur des séquences transgéniques de mammifères).
La raison n’est pas encore clairement établie, mais la communauté scientifique soupçonne qu’il existe des différences dans la manière dont ces deux groupes d’organismes reprogramment la méthylation de l’ADN à chaque génération.
En effet, nous savons aujourd’hui que les mammifères, mais non les plantes, effacent et rétablissent de manière quasi totale la méthylation de l’ADN le long de leur génome à chaque génération. Ainsi donc, des altérations accidentelles de l’état de méthylation des séquences du génome seraient plus facilement héritables chez les plantes.
Bien que frappants, les exemples décrits jusqu’à présent d’une telle hérédité « épigénétique » (comme dans le cas de FWA) n’avaient pas permis d’établir les mécanismes régissant ce mode additionnel de transmission des caractères.
C’est à cette question que nous nous sommes attelés : en comparant systématiquement des lignées expérimentales et naturelles d’A. thaliana, nous avons obtenu une première démonstration formelle de l’ampleur de l’héritabilité épigénétique dans la nature (chez les plantes) et des mécanismes qui la régissent.
L’hérédité épigénétique dans nos lignées de laboratoire
Pour cela, nous avons d’abord exploité des lignées expérimentales d’A. thaliana générées et caractérisées depuis vingt ans par notre équipe et qui ne diffèrent que dans leurs états de méthylation de l’ADN le long du génome.
Plus précisément, nous avons intentionnellement localisé les différences de méthylation d’ADN au niveau d’« éléments transposables » ou « transposons » (voir encadré ci-dessous). En effet, les éléments transposables sont chez les plantes les cibles principales de la méthylation de l’ADN, qui limite ainsi leur activité mais peut également affecter l’activité des gènes avoisinants.
Qu’est-ce qu’un élément transposable ?
Les éléments transposables ou transposons sont des éléments génétiques qui ont la capacité de se déplacer le long du génome, soit _via_ un intermédiaire ARN (on parle dans ce cas de rétrotransposons), soit directement par excision et réinsertion (transposons à ADN).
De par leur capacité à se propager dans le génome, les éléments transposables représentent des fractions significatives de l’ADN des génomes eucaryotes (45 % chez l’humain, 85 % chez le maïs !). Cependant, la grande majorité des éléments transposables du génome sont des copies dérivées d’événements de transposition anciens et ont perdu toute capacité de mobilisation depuis, ce sont donc essentiellement des fossiles.
Lorsque les éléments transposables sont mobiles, les mutations qu’ils génèrent en s’insérant au sein ou à proximité des gènes ont souvent des effets majeurs. Par exemple, la mobilisation d’un transposon a été impliquée dans l’apparition spontanée de l’hémophilie de type A chez l’humain. Chez les plantes, les mutations causées par des éléments transposables ont été notamment exploitées en agriculture.
Les éléments transposables, mobiles ou non, sont le plus souvent maintenus dans un état épigénétique dit « répressif », notamment par la méthylation de l’ADN chez les plantes et les mammifères.
Nous avons ainsi montré pour 7 000 éléments transposables présents le long du génome d’A. thaliana qu’une perte de méthylation de l’ADN peut être héritée sur au moins une dizaine de générations, parfois jusqu’à 20… et sans doute beaucoup plus, mais pas infiniment néanmoins.
En étudiant en détail cette transmission épigénétique dans plus d’une centaine de lignées expérimentales, nous avons établi que plus un élément transposable est présent en grand nombre de copies dans le génome, plus il est la cible d’un contrôle épigénétique intense et, dès lors, plus rapidement la méthylation de l’ADN est restaurée sur cet élément lors de la reproduction sexuée.
Dans la nature
Fort de ces résultats, nous avons entrepris ensuite de chercher dans 700 lignées d’A. thaliana isolées dans la nature des pertes héritables de la méthylation de l’ADN de la même amplitude et sur les mêmes 7 000 éléments transposables.
Résultat : environ un millier d’éléments transposables (soit plus de 15 % des 7 000 étudiés) présentent, dans au moins une lignée naturelle, une perte héritable de méthylation de l’ADN très similaire à celle induite expérimentalement dans les lignées de laboratoire.
Qui plus est, nous avons montré que cette perte de méthylation de l’ADN est le plus souvent héritée indépendamment des variations de la séquence d’ADN entre lignées naturelles, et qu’elle est donc bien d’ordre épigénétique.
Ainsi donc, le potentiel de transmission épigénétique révélé expérimentalement au laboratoire est bel et bien le reflet, au moins en partie, de ce qui se passe dans la nature.
Le lien avec les stress environnementaux
Une différence majeure distingue néanmoins les variations épigénétiques expérimentales de celles retrouvées dans la nature : si les premières affectent sans discrimination tout type d’éléments transposables, les secondes sont préférentiellement restreintes à ceux d’entre eux situés à proximité de gènes, notamment des gènes impliqués dans la réponse aux stress biotiques (réponse aux pathogènes) ou abiotiques (variation de température ou d’humidité par exemple).
Cet enrichissement est d’autant plus lourd d’implications, que nous avons pu clairement établir que, comme leur contrepartie expérimentale, les variations épigénétiques naturelles modulent l’expression des gènes voisins.
Par exemple, la perte de méthylation de l’ADN d’un élément transposable situé à proximité d’un gène de réponse au froid et à la sécheresse magnifie l’induction de ce dernier d’un facteur 5 ! De plus, les lignées expérimentales présentant cet élément transposable sous sa forme déméthylée répondent plus vite à la sécheresse que celles portant la version méthylée. Or, les lignées naturelles porteuses de la version déméthylée proviennent de régions du globe où les événements de gel et de sécheresse sont plus fréquents en été, ce qui suggère que la perte de méthylation de l’ADN donne prise à la sélection naturelle.
L’origine de ces pertes de méthylation de l’ADN dans la nature reste néanmoins à établir. Une hypothèse est que l’environnement joue un rôle d’inducteur, mais nos observations et un bilan complet de la littérature apportent peu de soutien à cette théorie. Nous pensons plutôt que ces variants héritables de méthylation de l’ADN apparaissent de manière aléatoire et récurrente, et sont ensuite sélectionnés par l’environnement en fonction de leurs impacts sur l’expression des gènes.
Ces travaux, s’ils ne remettent certainement pas en cause l’importance prépondérante des variations de séquence de l’ADN dans l’origine des différences héritables entre individus, démontrent néanmoins que les variations épigénétiques peuvent elles aussi y contribuer significativement, du moins chez les plantes.
Le projet Prise en compte des éléments transposables et de leur variation épigénétique dans les études de la relation génotype-phénotype — STEVE est soutenu par l’Agence nationale de la recherche (ANR) qui finance en France la recherche sur projets. L’ANR a pour mission de soutenir et de promouvoir le développement de recherches fondamentales et finalisées dans toutes les disciplines, et de renforcer le dialogue entre science et société. Pour en savoir plus, consultez le site de l’ANR Publié par Dominique Manga ( source The Conversation )
Auteurs
Vincent Colot
Directeur de recherche, École normale supérieure (ENS) – PSL
Pierre Baduel
Chargé de recherche en génétique, École normale supérieure (ENS) – PSL
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