Une étude sur le zooplancton remet en question les conceptions traditionnelles de l’évolution

Dans une nouvelle étude, des scientifiques de l’Université d’État de l’Arizona et leurs collègues ont étudié les changements génétiques qui se produisent dans une population naturellement isolée de puces d’eau, Daphnia pulex. Ce minuscule crustacé, à peine visible à l’œil nu, joue un rôle crucial dans les écosystèmes d’eau douce et offre une fenêtre unique sur la sélection naturelle et l’évolution.

Leurs conclusions, rapportées dans le numéro actuel de la revue Actes de l’Académie nationale des sciencess’appuient sur une décennie de recherche. À l’aide de techniques génomiques avancées, l’équipe de recherche a analysé des échantillons d’ADN provenant de près de 1 000 daphnies.

Ils ont découvert que la force de la sélection naturelle sur les gènes individuels varie considérablement d’une année à l’autre, maintenant la variation et améliorant potentiellement la capacité d’adaptation aux conditions environnementales changeantes futures en fournissant de la matière première sur laquelle la sélection naturelle peut agir.

Dans des environnements apparemment stables, la fréquence des variantes génétiques appelées allèles dans des régions chromosomiques spécifiques fluctue de manière significative au fil du temps, même si la force globale de la sélection reste proche de zéro en moyenne sur plusieurs années. Cela suggère qu’une telle variation génétique permet aux populations de rester adaptables aux changements environnementaux.

« Cette étude nous a donné, pour la première fois, un aperçu des types de changements temporels dans les fréquences des gènes qui se produisent même dans des environnements apparemment constants, une sorte de brassage continu de variations génétiques distribuées à travers le génome », explique Michael Lynch, auteur principal de la nouvelle étude.

Lynch est le directeur du Biodesign Center for Mechanisms of Evolution et professeur à l’École des sciences de la vie de l’ASU. Parmi les autres chercheurs ayant participé à l’étude figurent des collègues de l’ASU, de l’Université normale de Chine centrale et de l’Université de Notre Dame.

Le pouvoir de la sélection

Les daphnies, une forme de zooplancton, fascinent les biologistes depuis des siècles en raison de leur rôle crucial dans les écosystèmes aquatiques et de leur capacité à s’adapter aux facteurs de stress environnementaux. En plus de leur valeur pour la recherche génétique multigénérationnelle, les daphnies sont des organismes modèles largement utilisés pour les tests de toxicité en eau douce car elles ont un cycle de reproduction asexuée rapide et sont sensibles à divers polluants environnementaux.

Ces minuscules créatures constituent une source de nourriture essentielle pour les poissons et contribuent à limiter la croissance des algues. Leur capacité à s’adapter rapidement aux changements environnementaux pourrait nous donner des indices sur la manière dont d’autres espèces, notamment celles qui jouent un rôle important dans l’approvisionnement alimentaire des humains, pourraient réagir à la pollution, au changement climatique et à d’autres facteurs de stress induits par l’homme.

La plupart des sites examinés sur le génome de Daphnia ont été soumis à des pressions de sélection changeantes au cours de la période d’étude. En moyenne, ces pressions ont tendance à s’équilibrer pour avoir peu d’effet global, ce qui signifie qu’aucune direction de sélection ne domine systématiquement au fil du temps. Au contraire, les avantages ou les inconvénients génétiques de traits spécifiques changent d’une période à l’autre.

Ces résultats remettent en cause la croyance traditionnelle selon laquelle la mesure de la diversité génétique (la gamme des différents traits d’une population) et de la divergence génétique (les différences entre les populations) peut facilement montrer comment la sélection naturelle fonctionne de manière cohérente. Au contraire, la sélection naturelle semble fonctionner avec plus de subtilité et de complexité qu’on ne le pensait auparavant.

Repenser la variation génétique

L’étude innove en identifiant précisément quand et où les pressions de sélection se produisent au sein du génome. Hormis les caractères connus pour être fortement influencés par la sélection naturelle, il existe peu d’informations sur la façon dont les fréquences des allèles évoluent au fil du temps dans les populations naturelles.

L’analyse pluriannuelle à l’échelle du génome de près de 1 000 échantillons génétiques provenant d’une population de Daphnia pulex montre que la plupart des sites génétiques subissent une sélection variable, avec un effet moyen proche de zéro, indiquant une faible pression de sélection cohérente sur différentes périodes et une sélection répartie sur de nombreuses régions génomiques.

Ces résultats remettent en question la compréhension habituelle de la diversité et de la divergence génétiques en tant qu’indicateurs de dérive génétique aléatoire et d’intensité de sélection.

Variation et survie

Les schémas de sélection observés sur divers sites génétiques fournissent un mécanisme de maintien de la diversité génétique, essentielle à une adaptation rapide. L’étude a également révélé que les gènes situés à proximité les uns des autres sur les chromosomes ont tendance à évoluer de manière coordonnée. Ce lien permet à des combinaisons bénéfiques de variantes génétiques d’être héritées ensemble, accélérant potentiellement le processus d’adaptation.

Cet effet pourrait aider à expliquer pourquoi les espèces s’adaptent parfois plus vite que ce que les scientifiques attendent normalement. D’un autre côté, le même phénomène peut entraîner le déplacement d’allèles délétères vers des fréquences plus élevées au profit d’allèles bénéfiques liés, réduisant ainsi l’efficacité globale de la sélection dans certains cas.

L’étude montre que l’évolution est plus dynamique et complexe qu’on ne le pensait jusqu’à présent. L’influence de l’environnement sur les gènes change fréquemment, ce qui pourrait aider les espèces à conserver la diversité génétique nécessaire pour s’adapter aux conditions futures. Cette nouvelle compréhension pourrait inciter les scientifiques à repenser la manière dont ils étudient l’évolution dans la nature.

Bien que l’étude se soit concentrée sur Daphnia pulex, les résultats pourraient avoir des implications pour comprendre comment d’autres espèces pourraient réagir aux changements environnementaux rapides, notamment ceux provoqués par les activités humaines, comme la pollution et le changement climatique. L’évaluation de la stabilité des fréquences d’allèles dans des environnements plus stables est une étape préliminaire importante. De telles études sont essentielles, car les expériences en laboratoire ne peuvent à elles seules reproduire la complexité des influences environnementales agissant sur les populations sauvages.

En outre, la compréhension de l’évolution des daphnies pourrait apporter des informations sur la résilience d’écosystèmes entiers. Ces connaissances pourraient aider les chercheurs à prévoir et potentiellement atténuer les impacts des changements environnementaux sur la biodiversité et les réseaux trophiques.

Alors que le monde est aux prises avec une crise environnementale qui s’accélère, des études comme celle-ci apportent des informations cruciales sur la capacité de résilience et d’adaptation de la nature. En continuant à étudier ces minuscules créatures, les scientifiques espèrent mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de l’évolution et appliquer ces leçons à des efforts écologiques et de conservation plus vastes.