Souvent, plus de grains de pollen arrivent sur les stigmates qu'il n'y a d'ovules à fertiliser, ce qui entraîne une compétition pollinique. La compétition pollinique a été liée à l'évitement de la consanguinité, à la sélection sexuelle, au renforcement de la barrière reproductive et à la spéciation. La modélisation mathématique de la compétition pollinique permet aux chercheurs de simuler des expériences de fertilisation en laboratoire à une échelle beaucoup plus grande. Un nouveau papier est le premier à simuler la compétition pollinique et à faire apparaître l'interférence pollinique comme une propriété du processus de fécondation.

Alex Capaldi, professeur agrégé de mathématiques et de statistiques à l'Université de Valparaiso, et ses coauteurs ont créé un modèle mécaniste à base d'agents (ABM) pour identifier et quantifier les caractéristiques de performance du pollen qui provoquent différents résultats compétitifs (par exemple, la proportion de géniteurs de graines) et dans quelle mesure chacun contribue. Les ABM sont un type de modèle mathématique qui montre comment les individus (c'est-à-dire les grains de pollen) interagissent avec d'autres individus et avec leur environnement local.

"Comprendre quels traits importent le plus dans la compétition pollinique peut concentrer les études génétiques sur l'identification des gènes qui conduisent au plus grand succès dans la pollinisation", explique Capaldi.

Le modèle a été construit pour représenter un pistil, avec différents composants représentant le stigmate, le style, le tractus de transmission, le septum, l'ovaire et les ovules. Ces composants ont été décomposés en patchs, chacun ayant une quantité d'énergie associée à eux et un indice attractif/répulsif, qui a changé au fil du temps.

Chaque grain de pollen avait un indicateur si le tube pollinique a germé, une valeur énergétique, une longueur du tube pollinique et un indicateur s'il a fécondé un ovule. Ces propriétés ont également changé au fil du temps.

Un schéma d'une fleur avec pistil, ovaire, stigmate et style étiquetés. Le tractus émetteur, les tubes polliniques, les ovules et le septum sont divisés en petites parcelles, qui sont l'unité de surface sous-jacente du modèle. Les ovules non fécondés sont représentés par des cris et les ovules fécondés sont représentés en rouge ou en bleu pour représenter les deux types de pollen.
Représentation modèle de l'ovaire.

Les auteurs ont modélisé deux accessions de Arabidopsis thaliana, Columbia (Col) et Landsberg erecta (Ler), qui auparavant accouplement non aléatoire démontré dans les compétitions polliniques. Chaque accession a reçu des caractéristiques de performance polliniques différentes issues de la littérature. Ceux-ci comprenaient :

  • Quantité d'énergie dans chaque grain de pollen
  • Taux de croissance du tube pollinique
  • Besoin énergétique pour la croissance du tube pollinique
  • Energie nécessaire pour féconder un ovule

Les auteurs ont calibré le modèle sur deux quantités : les longueurs moyennes des tubes polliniques et la distribution des longueurs des tubes polliniques au cours d'expériences d'accession unique. Le modèle a pu prédire, en moyenne, des valeurs similaires à celles trouvées dans les études empiriques.

Le modèle a ensuite été exécuté avec un nombre égal de grains de pollen des deux accessions pour déterminer quels traits étaient bénéfiques dans la capacité à engendrer plus de graines que l'accession concurrente. Les caractéristiques de performance du pollen qui influençaient le mouvement et la direction du tube pollinique, telles que la détection chimioattractante du rayon des ovules, les limites de récolte d'énergie des grains de pollen et les coûts de déplacement des grains de pollen, se sont révélées être les principaux facteurs de compétition.

Pour tester si l'interférence du tube pollinique est apparue comme une propriété compétitive importante, les auteurs ont comparé les longueurs du tube pollinique Ler dans des expériences d'accession unique par rapport aux longueurs du tube pollinique Ler dans des expériences où il était en compétition avec Col. Ils ont constaté que les tubes polliniques Ler étaient plus courts pendant la compétition avec Col, indiquant que l'interférence pollinique est une propriété de la compétition pollinique. Cela a été soutenu par un étude précédente montrant que la présence de pollen de Col retarde la croissance des tubes polliniques de Ler.

Capaldi conclut: «Cela nous fournit un modèle utile pour commencer à disséquer les aspects mécanistes de l'interférence du pollen. La capacité de considérer le pollen comme une population pendant la fertilisation change ce que nous pouvons faire génétiquement et peut fournir des outils qui fonctionneront dans la fertilisation à grande échelle à l'avenir. Par exemple, ce processus peut conduire à des technologies qui permettent la construction de barrières artificielles contre les espèces.

LIRE L'ARTICLE:

Charlotte Beckford, Montana Ferita, Julie Fucarino, David C Elzinga, Katherine Bassett, Ann L Carlson, Robert Swanson, Alex Capaldi, L'interférence pollinique apparaît comme une propriété de la modélisation basée sur les agents de la compétition pollinique chez Arabidopsis thaliana, in silico Plants, 2022, diac016, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac016