Des algues aux plantes à fleurs : ce que révèlent les gènes d’ARN de transfert sur l’évolution du végétal

Pour fabriquer une protéine, la cellule traduit l’information portée par les ARN messagers en une succession d’acides aminés. Les ARN de transfert jouent un rôle central dans ce processus : chacun reconnaît un codon, c’est-à-dire une séquence de trois « lettres » du code génétique, et lui associe l’acide aminé correspondant. Le nombre, la disposition et la régulation des gènes codant les ARNt permettent ainsi d’ajuster la machinerie de traduction aux besoins de la cellule.

Bien que les ARNt soient indispensables à tous les organismes vivants, les règles qui gouvernent l’organisation de leurs gènes dans les génomes eucaryotes demeuraient mal comprises, en particulier chez les plantes. Deux études menées par des scientifiques apportent aujourd’hui des réponses complémentaires.

La première, publiée dans la revue The Plant Journal, propose la plus vaste analyse comparative à ce jour de l’organisation des gènes d’ARNt présents dans le noyau. Plus de 38 000 gènes ont été annotés chez 60 espèces représentant la diversité des eucaryotes photosynthétiques : algues, mousses, fougères, gymnospermes et plantes à fleurs. Plusieurs organismes non photosynthétiques ont également été utilisés comme groupes de comparaison.

Le nombre total de gènes d’ARNt varie considérablement d’une espèce à l’autre, parfois dans un rapport supérieur à 100. Pourtant, la proportion relative de chaque famille d’ARNt reste remarquablement stable. Ce résultat indique qu’une forte contrainte évolutive s’exerce sur leur dosage respectif, probablement afin de maintenir un équilibre compatible avec les besoins de la synthèse protéique.

Une organisation particulière chez les plantes à fleurs

Chez les plantes à fleurs, les scientifiques ont également observé un renforcement coordonné des séquences qui contrôlent la transcription des gènes d’ARNt. Cette évolution pourrait répondre à des besoins accrus de régulation de la traduction et d’autres processus cellulaires chez ces organismes.

La position de ces gènes dans les génomes ne semble pas non plus laissée au hasard. Ils sont principalement dispersés le long des bras des chromosomes et largement absents des centromères, les régions qui participent à la bonne répartition des chromosomes lors de la division cellulaire. Certains sont toutefois réunis localement en amas, ou « clusters », que l’on retrouve conservés chez de nombreuses espèces végétales.

La seconde étude, publiée dans The EMBO Journal, replace ces résultats dans l’histoire évolutive des plantes. En comparant les répertoires de gènes d’ARNt sur l’ensemble de l’arbre des eucaryotes photosynthétiques, les scientifiques montrent que la conquête du milieu terrestre, il y a environ 500 millions d’années, s’est accompagnée d’un profond remaniement de la machinerie de traduction.

Des innovations associées à la conquête du milieu terrestre

Cette transition majeure coïncide notamment avec la perte de la sélénocystéine, un acide aminé particulier parfois qualifié de 21e acide aminé, et de l’ARNt qui lui est spécifiquement associé. Elle s’accompagne également d'une forte diminution du nombre d'introns, des séquences présentes à l'intérieur de certains gènes d'ARNt. Leur structure reste en revanche inchangée, à l'exception d'introns de type archéen observés chez quelques algues.
Les scientifiques mettent par ailleurs en évidence une profonde réorganisation des gènes d’ARNt portés par les mitochondries et les plastes, des compartiments cellulaires impliqués respectivement dans la respiration et, pour les chloroplastes, dans la photosynthèse. La perte de certains de ces gènes dans les organites a été compensée par l’importation d’ARNt produits à partir de gènes présents dans le noyau.

Ces résultats montrent que les répertoires de gènes d’ARNt ne sont pas de simples témoins passifs de l’évolution des génomes. Leurs transformations ont accompagné des étapes majeures de l’histoire des plantes et pourraient avoir contribué à leur adaptation au milieu terrestre.

Complémentaires, les deux études associent ainsi une analyse détaillée de l’organisation actuelle des gènes d’ARNt à une reconstitution de leur évolution. Elles s’appuient sur ShinytRNA, une application web interactive développée dans le cadre de ces travaux. Librement accessible, cet outil permet d’explorer la répartition des gènes d’ARNt le long des chromosomes, les distances qui les séparent, leur regroupement en amas ou encore la position probable des centromères, sans nécessiter de compétences particulières en bioinformatique.

Figure : Repères évolutifs des gènes d’ARN de transfert (ARNt) chez les eucaryotes photosynthétiques. Arbre phylogénétique (adapté de Cognat et al., 2022) replaçant les espèces analysées, des algues aquatiques (eau de mer, eau douce) aux plantes terrestres (bryophytes, lycophytes, fougères, gymnospermes, angiospermes), le long des grandes transitions évolutives depuis LUCA le dernier ancêtre commun universel (pour l'anglais Last Universal Common Ancestor) et LECA le dernier ancêtre commun eucaryote (pour l'anglais Last Eukaryotic Common Ancestor). Pour chaque espèce sont indiqués la présence de l’ARNt dédié à la sélénocystéine (tRNA-Sec), la proportion de gènes d’ARNt porteurs d’un intron (nucléaire ou plastidial) et le pourcentage d’ARNt importés dans les mitochondries ; un cercle noir signale la perte complète de la classe d’ARNt correspondante.

En savoir plus :

• Hummel G, Pflieger D, Cognat V, Drouard L, Berr A. Multilevel genomic constraints shape nuclear tRNA gene organization in plants. Plant J. 2026 Aug;127(3):e71075. doi: 10.1111/tpj.71075. PMID: 42551040; PMCID: PMC13437025.
• Hummel G, Pflieger D, Berr A, Drouard L. From water to land: evolution of tRNA gene repertoires in photosynthetic organisms. EMBO J. 2026 Sep;45(18):6367-6383. doi: 10.1038/s44318-026-00904-y. Epub 2026 Aug 22. PMID: 42632820; PMCID: PMC13578239.