La reproduction asexuée conduit généralement à un manque de diversité génétique. Pas pour ces fourmis

La diversité génétique est essentielle à la survie d’une espèce. Elle est assez facile à maintenir si une espèce se reproduit sexuellement : un ovule et un spermatozoïde combinent le matériel génétique de deux créatures en un seul, formant ainsi une progéniture génomiquement robuste avec deux versions distinctes du génome de l’espèce.

Sans cette combinaison de différentes constitutions génétiques, les espèces à reproduction asexuée souffrent généralement d’un manque de diversité qui peut les condamner à une prolifération limitée sur Terre. L’un de ces animaux est la fourmi clonale, qui produit fille après fille génétiquement identique directement à partir d’un ovule non fécondé par parthénogenèse, une méthode de reproduction asexuée dans laquelle la progéniture hérite de deux ensembles de chromosomes génétiquement identiques de sa mère.

Au fil du temps, l’hérédité aléatoire de ces chromosomes, qui se répètent sans cesse, devrait conduire à une perte catastrophique de la spécificité génétique et à l’effondrement de l’espèce. Et pourtant, cet insecte aveugle et sans reine, originaire du Bangladesh mais que l’on trouve aujourd’hui dans les régions tropicales du monde entier, semble survivre sans problème. Comment est-ce possible ?

Comme l’ont récemment découvert des chercheurs de l’université Rockefeller, la fourmi clonale ne prend aucun risque lorsqu’il s’agit de transmettre ses gènes. Au contraire, elle veille à ce que sa progéniture hérite de deux versions distinctes de son génome entier, préservant ainsi en grande partie la diversité génétique présente chez le fondateur ancien de chaque lignée clonale.

En théorie, cela ne devrait pas fonctionner : on pense que les chromosomes se mélangent de manière aléatoire pendant la méiose, le type de division cellulaire utilisé pour produire des spermatozoïdes et des ovules pendant la reproduction chez tous les animaux, les plantes et les champignons. Pourtant, chez cet animal, le processus semble être tout sauf aléatoire, comme ils l’ont rapporté dans Nature Écologie et Évolution.

« Nous pensons avoir découvert comment les fourmis clonales ennemies évitent la perte de diversité génétique qui résulte habituellement de la parthénogenèse », déclare le premier auteur Kip Lacy, chercheur diplômé au Laboratoire d’évolution sociale et de comportement, dirigé par Daniel Kronauer. « Peut-être que cette diversité permet la survie de l’espèce. »

Les énigmes de l’asexualité

Les espèces parthénogénétiques sont rares mais on les retrouve dans une grande variété d’organismes vivants, notamment les reptiles, les amphibiens, les nématodes, les poissons et les oiseaux. Leurs chances de survie à long terme sont minces. « Les espèces purement asexuées ont tendance à disparaître assez rapidement », explique Lacy.

« La reproduction clonale est une voie à sens unique vers la détérioration », ajoute Kronauer. « Chaque fois qu’une mutation légèrement délétère se produit, on ne peut pas l’éliminer du génome, qui ne fera qu’accumuler davantage de mutations au fil du temps. »

Le problème commence par deux défis que les espèces asexuées doivent surmonter au niveau cellulaire. Le premier est qu’elles doivent fabriquer des génomes diploïdes, qui contiennent deux jeux de chromosomes, pour les transmettre à leur progéniture.

« Mais si vous êtes une fourmi pillarde clonale », souligne Lacy, « il n’y a pas de sperme impliqué dans la reproduction, alors où allez-vous obtenir un ensemble supplémentaire de chromosomes ? »

La deuxième est que la progéniture doit avoir une constitution génétique compatible avec le développement et la reproduction, ce qui manque à de nombreuses espèces asexuées, dotées de deux ensembles de chromosomes génétiquement identiques.

Lacy s’est intéressé à la parthénogenèse lors de ses études de maîtrise à l’Université de Géorgie, alors qu’il étudiait la fourmi de feu tropicale, dont certaines colonies produisent des reines de manière asexuée. Il a découvert que ces fourmis avaient presque complètement perdu leur diversité génétique. Lorsqu’il a rejoint le laboratoire de Kronauer en 2019, il a cherché à savoir comment la fourmi pilleuse clonale pouvait éviter de tels pièges.

Mères et filles

Au cours de la méiose, les chromosomes se brisent et se recombinent, ce qui donne naissance à de nouvelles combinaisons de copies de gènes. Après ces événements dits de croisement, les chromosomes sont mélangés de manière aléatoire au cours des divisions cellulaires.

Dans la reproduction parthénogénétique, une lignée clonale est issue de deux ensembles chromosomiques identiques, « on s’attend donc à perdre beaucoup de diversité à chaque cycle », explique Kronauer. C’est comme diluer la soupe génétique.

Pour comprendre pourquoi cela n’est peut-être pas vrai pour les fourmis pillardes clonales, les chercheurs se sont concentrés sur des paires de fourmis mère-fille et sœur-sœur. Pour s’assurer qu’il s’agissait bien de véritables duos familiaux, ils ont suivi des fourmis transgéniques qui émettent une fluorescence rouge lorsqu’elles sont observées au microscope – une méthode révolutionnaire de manipulation génétique mise au point dans le laboratoire de Kronauer par le chercheur Taylor Hart. Ces paires étaient les seuls animaux de leurs colonies à briller.

En utilisant le séquençage génétique lié, qui permet de reconstruire des séquences chromosomiques entières, ils ont constaté qu’aucune diversité génétique n’était perdue de la mère à la fille. Cependant, les génomes de la fille présentaient des signes de croisements. Au total, ils ont documenté 144 événements de croisement, et un seul a montré une perte de diversité génétique.

« C’est parce que les chromosomes qui se sont recombinés entre eux sont toujours hérités ensemble », explique Lacy. « Cette co-hérédité pourrait expliquer comment cette espèce continue de survivre. Chez les fourmis clonales, ce phénomène a 800 % plus de chances de se produire que ce à quoi on pourrait s’attendre en jetant les dés au hasard. »

Une nouvelle tactique

Selon Kronauer, cette stratégie de conservation de la diversité génétique n’a jamais été documentée auparavant. Son existence suggère qu’il existe peut-être plus de moyens de contourner l’hérédité génétique aléatoire que nous le pensions. Une déviation bien connue de l’hérédité aléatoire, par exemple, est lorsque des gènes « égoïstes » favorisent leur propre propagation au détriment d’autres gènes, truquant ainsi le jeu en leur faveur.

Mais cette déviation ne peut pas expliquer la reproduction clonale des fourmis pillardes, qui est « désintéressée » car aucun gène n’a d’avantage ; toutes les copies de gènes sont co-héritées. On ne sait pas si cette stratégie d’hérédité désintéressée se produit chez d’autres animaux, y compris chez les espèces à reproduction sexuée.

Cette découverte souligne l’utilité d’étudier les espèces dotées d’une biologie reproductive inhabituelle, explique Lacy. « Si nous n’avions pas étudié ces fourmis asexuées, nous n’aurions peut-être jamais entendu parler de ce mode de reproduction. »