Biopolymers

Plants naturally synthesize a variety of polymers that have been used by mankind as a source of useful biomaterials. For example, cellulose, the main constituent of plant cell wall and the most abundant polymer on earth, has been used for several thousand years as a source of fibers for various fabrics. Similarly, rubber extracted from the bark of the tree Hevea brasiliensis, has been a major source of elastomers until the development of similar synthetic polymers. In the last century, the usefulness of plant polymers as biomaterials has been expanded through the chemical modification of the natural polymers. For example, a number of plastics have been made by substituting the hydroxyl groups present on the glucose moiety of cellulose with larger groups, such as nitrate or acetate, giving rise to materials such as cellulose acetate, a clear plastic used in consumer products such as toothbrush handles and combs. Similarly, starch has been used in the manufacture of plastics by either using it in blends with synthetic polymers or as the main constituent in biodegradable plastics. The advent of transformation and expres- sion of foreign genes in plants has created the possibility of expanding the usefulness of plants to include the synthesis of a range of biomolecules. In view of the capacity of certain crops to produce a large quantity of organic raw material at low cost, such as oils and starch, it is of interest to explore the possibility of using transgenic plants as efficient vectors for the synthesis of biopolymers. Such plant based biopolymers could replace, in part, the synthetic plastics and elastomers produced from petroleum, offering the advantage of renewability and sustainability. Furthermore, being natural pro- ducts, biopolymers are usually biodegradable and can thus contribute to alleviate problems associated with the management of plastic waste. In this article, the emphasis will be on the use of transgenic plants for the synthesis of two novel classes of industrially useful polymers, namely protein based polymers made from natural or artificial genes, and polyhydroxyalkanoates, a family of bacterial poly- esters having the properties of biodegradable plastics and elastomers.

Production of renewable polymers from crop plants

Plants produce a range of biopolymers for purposes such as maintenance of structural integrity, carbon storage, and defense against pathogens and desiccation. Several of these natural polymers are used by humans as food and materials, and increasingly as an energy carrier. In this review, we focus on plant biopolymers that are used as materials in bulk applications, such as plastics and elastomers, in the context of depleting resources and climate change, and consider technical and scientific bottlenecks in the production of novel or improved materials in transgenic or alternative crop plants. The biopolymers discussed are natural rubber and several polymers that are not naturally produced in plants, such as polyhydroxyalkanoates, fibrous proteins and poly-amino acids. In addition, monomers or precursors for the chemical synthesis of biopolymers, such as 4-hydroxybenzoate, itaconic acid, fructose and sorbitol, are discussed briefly

The Exotic Palaeo-Thethys Terrane in Central Iran: New geological data from Anarak, Jandaq and Posht-e-Badam areas

Résumé Le « terrane » d'Anarak-Jandak occupe une position géologique clé au nord-ouest du Microcontinent Centre-East Iranien (CE1M), connecté avec le Bloc du Grand Kavir et la ceinture métamorphique de Sanandaj-Sirjan. Nous discutons ici l'origine de ces différentes unités, reliées jusqu'à présent à des épisodes orogéniques d'âge Précambrien à Paléozoïque inférieur, pour conclure finalement de leur affinité paléotéthysienne. Leur histoire commence par un épisode de rifting d'âge Ordovicien supérieur-Dévonien inférieur, pour se terminer au Trias par la collision des blocs Cimmériens dérivé du Gondwana avec le Bloc du Turan d'affinité asiatique (événement Eocimmérien). La plus importante unité métamorphique affleurant au sud-ouest de la région de Jandak-Anarak-Kaboudan est une épaisse séquence silicoclastique à grains fins contenant des blocs ophiolitiques (marginal-sea-type), et des associations basalte-gabbro à signatures géochimiques de type supra-subduction. Dans la région de Nakhlak, nous avons daté ces gabbros par la méthode U-Pb à 387f0.11 Ma ; les roches métamorphiques pélitiques ont donné des âges de refroidissement Ar-Ar pour la muscovite de 320 à 333 Ma. Ce complexe d'accrétion "varisque" a été métamorphisé dans le faciès schiste vert-amphibolite au cours de l'accrétion de la ceinture granitique d'Airekan, d'âge Cambrien inférieur (549±15 Ma par la méthode U/Pb), qui affleure aujourd'hui à l'extrémité nord-ouest du terrane d'Anarak-Jandak . La subduction vers le nord de l'océan Paléotéthys depuis le Paléazoïque supérieur jusqu'au Trias, a permis l'accumulation de grandes quantités de matériel océanique dans la zone de subduction. Par exemple, une succession de guyots (Anarak, Kaboudan, et Meraji Seamounts) et de hauts sous-marins, entrés en collision oblique avec le prisme d'accrétion, est à l'origine d'un léger métamorphisme de type HP qui affecte ces séries {âges Ar-Ar de 280 à 230 Ma). De plus, le magmatisme bimodal de Chah Gorbeh est caractérisé d'une part par des roches de type trondjémite-gabbros (262 Ma), d'autre part par des laves en coussin de type basaltes alcalins-rhyolites; ces roches magmatiques ont recoupé l'ophiolite d'Anarak lors de la mise en place de cette dernière dans la fosse interne de subduction. Quant au prisme d'accrétion de Doshakh, d'âge essentiellement Permien supérieur, i1 a été accrété le long de la marge continentale et métamorphisé dans le faciès schiste vert. La fermeture de la Paléotéthys s'enregistre finalement par la sédimentation dans le bassin d'avant pays du flysch de Bayazeh, d'âge probable Triasique. Le matériel issu de l'arc magmatique de la Paléotéthys est très bien préservé dans les dépôts infra-arc Dévonien supérieur-Carbonifère de Godar-e-Siah, ainsi que dans la succession d'avant-arc de Nakhlak. Pendant l'intervalle Paléozoïque supérieur-Trias, la région de Jandak a été soumise à un régime extensif de type bassin d'arrière-arc, dont un témoin pourrait être la ceinture ophiolitique d'Arusan, elle-même comparable aux écailles ophiolitiques d'Aghdarband au nord-est de l'Iran. Cet ensemble métamorphique est recoupé par des granites d'arc à collisionnel datés à 215±15 Ma. Dans la région de Yazd, témoin de la marge passive Cimmérienne, la sédimentation syn-rift Silurienne à Dévonienne inférieure a été interrompue pendant l'intervalle Trias moyen-Trias supérieur; il en a été de même pour les dépôts de plate-forme Paléozoïque supérieur. L'érosion, qui dans ce dernier cas a atteint le Permien, pourrait être liée au bombement flexural de la marge passive. La collision finale n'a pas induit de déformations trop importantes, et se caractérise par la mise en place de nappes sur la marge passive. Cet événement est scellé par des dépôts molassique du Lias. D'un point de vue régional, la zone s'étendant actuellement de la Mer Noire au Pamir a été soumise à six épisodes d'extension-compression du Jurassique inférieur (début du l'ouverture en position arrière-arc de la Néotéthys) à l'Eocène moyen. Par exemple, le terrane d'AnarakJandak, probablement situé entre le Kopeh Dagh et la plate-forme nord Afghane, s'est complètement détaché de sa patrie d'origine au début du Crétacé supérieur. Des preuves de cet événement se retrouvent dans les séries de plate-forme de Khur (préservation de séries syn-rift puis de marge passive). Les ophiolites de Nain et de Sabzevar sont de plus interprétée comme un témoin de l'existence de ce bassin d'arrière-arc. Dans l'intervalle Eocène-Oligocène, l'indentation par la plaque indienne de l'Eurasie a été contemporaine de la rotation horaire de fragments de l'ancien microcontinent Iranien et de la formation du CEIM. Cette rotation est responsable du transport du terrane d'Anarak-Jandak vers sa position actuelle en Iran Central, et de la dislocation de Terranes de moindre importance, comme le bloc de Posht-e Badam. Depuis le Miocène supérieur, et à la suite de la collision entre l'Arabie et l'Iran, le ternane d'Anarak-Jandak a subi des déformations liées à l'activité d'une zone de cisaillement dextre parallèle à la suture du Zagros, à l'arrière de l'arc magmatique d'Uromieh-Dokhtar. Résumé large public Le Microcontinent Centre-Est Iranien occupe une position géologique clé au centre de l'Iran. Les différentes unités qui le composent, reliées jusqu'à présent à des épisodes orogéniques d'âge Précambrien à Paléozoïque inférieur, sont maintenant rajeunies et liés à la fermeture de l'océean Paléotéthys. Leur histoire commence par un épisode de rifting d'âge Ordovicien supérieur à Dévonien inférieur, pour se terminer au Trias par la collision des- blocs Cimmériens, dérivés du Gondwana, avec le Bloc du Turan d'affinité asiatique. Dans la marge active asiatique de la Paléotéthys, nous avons daté les restes d'un océan marginal à 387±0.11 Ma. Ce complexe d'accrétion a été métamorphisé au cours de la réaccrétion de la ceinture granitique d'Airekan, d'âge Cambrien inférieur (549±15 Ma), qui affleure aujourd'hui à l'extrémité nord-ouest du « terrane » d'Anarak-Jandak correspondant à la plus grande partie de la région étudiée. Le matériel issu de l'arc magmatique de la Paléotéthys est très bien préservé et daté du Dévonien supérieur-Carbonifère. Pendant l'intervalle Paléozoïque supérieur-Trias, la région a été soumise à un régime extensif de type bassin d'arrière-arc, dont un témoin pourrait être la ceinture ophiolitique d'Arusan, comparable aux écailles ophiolitiques d'Aghdarband au nord-est de l'Iran. Cet ensemble métamorphique est recoupé par des granites datés à 215±15 Ma. La subduction vers le nord de l'océan Paléotéthys depuis le Paléozoïque supérieur jusqu'au Trias, a permis l'accumulation de grandes quantités de matériel océanique dans la zone de subduction. Par exemple, une succession de volcans sous-marins, entrés en collision avec le prisme d'accrétion, est à l'origine d'un léger métamorphisme de type HP qui affecte ces séries (280 à 230 Ma). Quant au prisme d'accrétion de Doshakh, d'âge essentiellement Permien supérieur, il a été mis en place le long de la marge continentale et métamorphisé dans le faciès schiste vert. La fermeture de la Paléotéthys s'enregistre finalement par la sédimentation dans le bassin d'avant pays du flysch de Bayazeh, d'âge Triasique. Dans la région de Yazd, on trouve les témoins de la marge passive Cimmérienne, la sédimentation syn-rift Silurienne à Dévonienne inférieure a été interrompue pendant l'intervalle Trias moyen-Trias supérieur, marqué par la flexuration de la marge passive lorsqu'elle rentra en collision avec la marge active asiatique. Cet événement est scellé par des dépôts molassique à charbon du Lias. Le «terrane» d'Anarak-Jandak, probablement situé à l'origine entre le Kopeh Dagh et la plate-forme nord Afghane, s'est complètement détaché de cette région au début du Crétacé supérieur lors de l'ouverture d'un bassin d'arrière-arc, engendré, cette fois, par la subduction de l'océan Néotéthys situé au sud des blocs cimmériens. Des preuves de cet événement se retrouvent dans les séries syn-rift, puis de marge passive de Khour. Les ophiolites de Nain et de Sabzevar sont interprétées comme un témoin de l'existence de ce bassin d'arrière-arc. Dans l'intervalle Eocène-Oligocène, l'indentation de l'Eurasie par la plaque indienne a été contemporaine de la rotation horaire de fragments de l'ancien microcontinent centre-Iranien. Cette rotation de près de 90° est responsable du transport du « terrane » d'Anarak-Jandak vers sa position actuelle. Abstract The Anarak-Jandaq terrane occupies a strategic geological situation at the north-western part of the Central-East Iranian Microcontinent (CEIM) and in connection with the Great Kavir Block and Sanandaj-Sirjan metamorphic belt. Our recent findings redefine the origin of these mentioned areas so far attributed to the Precambrian-Early Palaeozoic orogenic episodes, to be now directly related to the tectonic evolution of the Palaeo-Tethys Ocean, commenced by Late Ordovician-Early Devonian rifting events and terminated in the Triassic by the Eocimmerian tectonic event due to the collision of the Cimmerian blocks with the Asiatic Turan block. The most distributed metamorphic unit that is exposed from the south-west of Jandaq to the Anarak and Kaboudan areas is a thick and fine grain siliciclastic sequence accompanied by marginal-sea-basin ophiolitic blocks including basalt-gabbro association with supra-subduction-geochemical signature. These gabbros in the Nakhlak area were dated by U/Pb method at 387.6 ± 0.11 Ma and the metamorphic pelitic rocks yielded a range of 320 to 333 Ma muscovite-cooling ages based on 40Ar/39 Ar method. This "Variscan" accretionary complex was metamorphosed in greenschist-amphibolite facies during accretion to the Lower Cambrian Airekan granitic belt (549 ± 15 Ma by U/Pb method) that crops out at the northwestern edge of the Anarak-Jandaq terrane. Continued northward subduction of the Palaeo-Tethys Ocean during the entire Late Palaeozoic-Middle Triassic brought huge amount of oceanic material to the subduction zone. One chain of Carboniferous-Triassic oceanic rises and seamounts (the Anarak, Kaboudan, and Meraji Seamounts) obliquely collided with the accretionary wedge and created a mild HP metamorphic event (280-230 Ma based on 40Ar/39Ar results). Bimodal magmatism of the Chah Gorbeh area is characterized by a 262 Ma trondjemite-gabbro as well as pillow alkalibasalts-rhyolites which intruded the Anarak ophiolite when it was being emplaced within the inner-wall trench. The mainly Late Permian-Triassic Doshakh wedge was accreted along the continent and metamorphosed under lower greenschist facies and the probable Triassic Bayazeh flysch filled the foreland basin during the final closure. The Palaeo-Tethys magmatic arc products have been well preserved in the Late Devonian-Carboniferous Godar-e-Siah intra-arc deposits and the Triassic Nakhlak fore-arc succession. During the Late Palaeozoic-Triassic times, the Jandaq area has been affected by back-arc extension and probably the Arusan ophiolitic belt is the remnant of this narrow basin comparable to the Aqdarband ophiolitic remnant in north-east Iran. This metamorphic belt was intruded by 215 ± 15 Ma arc to collisional granites. In the passive margin of the Cimmerian block, on the Yazd region, the Silurian-Early Devonian syn-rift succession as well as the nearly continuous Upper Palaeozoic platform-type deposition was interrupted during the Middle to Late Triassic time, local erosion down to Devonian levels may be related to flexural bulge erosion. The collision event was not so strong to generate intensive deformation but was accompanied by some nappe thrusting onto the passive margin. It is finally unconformably covered by Liassic continental molassic deposits. Related to the onset of Neo-Tethyan back-arc opening in Early Jurassic to Mid-Eocene times, six periods of extensional-compressional events have differently influenced an elongated area, extending from the West Black Sea to Pamir. The Anarak-Jandaq terrane which was situated somewhere in this affected area, probably between the Kopeh Dagh and North Afghan platform, was completely detached from its source at the beginning of the Late Cretaceous

The role of mycorrhizas in more sustainable oil palm cultivation

Oil palm is a significant and developing crop in many developing countries. The introduction of oil palm puts pressure on natural resources because it is often planted in cleared-cut land that previously supported other crops or was forested. This has led to environmental concerns which require attention. Hence it is important that new plantations are managed in a sustainable way to reduce the impact of oil palm cultivation on ecosystems whilst maximising yield and productivity to farmers. The application of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) technology is one option that can benefit both agronomic plant health and ecosystems. AMF have the potential to increase conventional agricultural productivity and are crucial for the sustainable functioning of agricultural ecosystems. This paper provides an insight into how AMF application might benefit oil palm cultivation through more sustainable management and the practical use of AMF for oil palm plantations.

The In Vitro Mass-Produced Model Mycorrhizal Fungus, Rhizophagus irregularis, Significantly Increases Yields of the Globally Important Food Security Crop Cassava.

The arbuscular mycorrhizal symbiosis is formed between arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and plant roots. The fungi provide the plant with inorganic phosphate (P). The symbiosis can result in increased plant growth. Although most global food crops naturally form this symbiosis, very few studies have shown that their practical application can lead to large-scale increases in food production. Application of AMF to crops in the tropics is potentially effective for improving yields. However, a main problem of using AMF on a large-scale is producing cheap inoculum in a clean sterile carrier and sufficiently concentrated to cheaply transport. Recently, mass-produced in vitro inoculum of the model mycorrhizal fungus Rhizophagus irregularis became available, potentially making its use viable in tropical agriculture. One of the most globally important food plants in the tropics is cassava. We evaluated the effect of in vitro mass-produced R. irregularis inoculum on the yield of cassava crops at two locations in Colombia. A significant effect of R. irregularis inoculation on yield occurred at both sites. At one site, yield increases were observed irrespective of P fertilization. At the other site, inoculation with AMF and 50% of the normally applied P gave the highest yield. Despite that AMF inoculation resulted in greater food production, economic analyses revealed that AMF inoculation did not give greater return on investment than with conventional cultivation. However, the amount of AMF inoculum used was double the recommended dose and was calculated with European, not Colombian, inoculum prices. R. irregularis can also be manipulated genetically in vitro, leading to improved plant growth. We conclude that application of in vitro R. irregularis is currently a way of increasing cassava yields, that there is a strong potential for it to be economically profitable and that there is enormous potential to improve this efficiency further in the future.

Genome-Wide Prediction Methods in Highly Diverse and Heterozygous Species: Proof-of-Concept through Simulation in Grapevine.

Nowadays, genome-wide association studies (GWAS) and genomic selection (GS) methods which use genome-wide marker data for phenotype prediction are of much potential interest in plant breeding. However, to our knowledge, no studies have been performed yet on the predictive ability of these methods for structured traits when using training populations with high levels of genetic diversity. Such an example of a highly heterozygous, perennial species is grapevine. The present study compares the accuracy of models based on GWAS or GS alone, or in combination, for predicting simple or complex traits, linked or not with population structure. In order to explore the relevance of these methods in this context, we performed simulations using approx 90,000 SNPs on a population of 3,000 individuals structured into three groups and corresponding to published diversity grapevine data. To estimate the parameters of the prediction models, we defined four training populations of 1,000 individuals, corresponding to these three groups and a core collection. Finally, to estimate the accuracy of the models, we also simulated four breeding populations of 200 individuals. Although prediction accuracy was low when breeding populations were too distant from the training populations, high accuracy levels were obtained using the sole core-collection as training population. The highest prediction accuracy was obtained (up to 0.9) using the combined GWAS-GS model. We thus recommend using the combined prediction model and a core-collection as training population for grapevine breeding or for other important economic crops with the same characteristics.

Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.