Comment les épinoches anciennes contribuent aux efforts actuels de préservation de la biodiversité
Dans un contexte d’accélération des changements environnementaux, les spécialistes de la conservation manquent de données d’observation exhaustives sur les adaptations des espèces sur de longues périodes. De nombreuses questions scientifiques restent donc sans réponse, notamment celle de savoir comment des mutations génétiques délétères peuvent être entraînées dans le sillage d’adaptations génétiques bénéfiques. «Les adaptations qui favorisent la survie s’accompagnent de compromis évolutifs. Comprendre quelles variations génétiques permettent aux populations de s’adapter, et à quel coût génétique, pourrait nous éclairer sur leur résilience», explique Andrew David Foote(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), de l’université d’Oslo. Pour contribuer à combler cette lacune, Andrew David Foote a coordonné le projet EXPLOAD, financé par le Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), qui a étudié différentes adaptations parallèles de l’épinoche à trois épines, déterminées par les mêmes gènes.
Retracer la chronologie et le rythme des changements génomiques
Si l’évolution est souvent un processus lent et progressif, les épinoches à trois épines développent des adaptations relativement rapidement. Cette caractéristique, associée à leur présence abondante et ancienne dans les lacs de l’hémisphère Nord, en fait une espèce modèle pour la recherche. Avec l’aide du Service géologique de Norvège, EXPLOAD a prélevé des carottes de sédiments marins, saumâtres et d’eau douce dans des «lacs isolés après la dernière glaciation». Ces lacs se sont formés à la fin de la dernière période glaciaire, il y a près de 12 000 ans, lorsque les calottes glaciaires se sont retirées et que les terres se sont progressivement soulevées. À mesure que les terres se soulevaient, des baies marines nouvellement formées se sont retrouvées isolées de la mer, avant de devenir des lacs d’eau douce. «Comme les épinoches à trois épines ont souvent colonisé ces lacs indépendamment les unes des autres, leurs sédiments constituent des expériences naturelles», explique Andrew David Foote. «L’échantillonnage de plusieurs lacs sur différentes périodes permet de mettre en évidence des adaptations parallèles chez les épinoches et de déterminer si les mutations génétiques délétères augmentent parallèlement aux adaptations à l’eau douce.»
Retracer l’évolution des variations génétiques
Des approches génomiques de pointe ont été utilisées pour étudier les régions génétiques qui contrôlent le développement des caractéristiques morphologiques liées à la défense et à l’alimentation, ainsi que les traits comportementaux et physiologiques. Par exemple, le gène EDA(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) joue un rôle essentiel dans le développement des plaques osseuses protectrices. Chez les épinoches marines, la variante du gène EDA entraîne la formation de plaques osseuses protectrices le long des flancs, tandis que les épinoches d’eau douce présentent une armure osseuse réduite, mais une croissance plus rapide au début de leur vie, ce qui constitue un avantage lors des hivers plus froids. L’ADN ancien étant très fragmenté, l’équipe a également prélevé de l’ADN de haute qualité sur une épinoche vivante et séquencé son génome afin de créer une sorte de squelette sur lequel les fragments d’ADN ancien pourraient venir se greffer. «Les variations génétiques conservées dans des sédiments vieux de 13 000 ans nous ont permis d’observer le déroulement de l’évolution d’une manière jusqu’alors impossible», explique Andrew David Foote. Les chercheurs s’attendaient initialement à ce que les mutations bénéfiques se propageant dans des régions à faible recombinaison entraînent avec elles des mutations délétères. Cependant, les épinoches semblent avoir éliminé ces dernières(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), ce qui suggère que les coûts mutationnels de l’adaptation ne sont pas universels. «Nous devons mieux comprendre les interactions complexes entre la recombinaison, la structure du génome et la sélection», souligne Andrew David Foote. En comparant l’ADN ancien provenant de différents lacs, l’équipe a également constaté que les gènes qui s’étaient adaptés le plus tôt à l’eau douce étaient aussi ceux qui provoquaient les changements morphologiques ou physiologiques les plus importants. Ayant coévolué, ces gènes étaient également souvent regroupés, comme ceux associés au gène EDA.
Développer un outil général de paléogénomique
Les méthodologies d’EXPLOAD, en particulier l’analyse de l’ADN ancien présent dans les sédiments, offrent des perspectives d’application plus larges. Elles pourraient notamment fournir à la paléoécologie et à l’archéologie des informations sur des organismes et des écosystèmes anciens pour lesquels les données fossiles sont rares. Andrew David Foote étend désormais ses recherches à d’autres carottes sédimentaires et à d’autres lacs afin de mieux comprendre pourquoi le rythme et la trajectoire des adaptations diffèrent entre des milieux d’eau douce colonisés indépendamment. «Notre objectif est de faire de la paléogénomique sédimentaire un outil plus général permettant de reconstituer les changements évolutifs, plutôt que de les déduire de comparaisons entre populations vivantes», ajoute Andrew David Foote.
