Des scientifiques découvrent des « supergènes » qui accélèrent l’évolution

Le mystère évolutif caché dans les eaux turquoise du lac Malawi

Près de la limite sud-est du continent africain s’étend le lac Malawi, une vaste étendue d’eau d’un turquoise saisissant. Sous cette surface scintillante se cache une diversité animale si marquante que certaines entreprises locales ont même choisi de porter le nom des poissons qui y vivent : les cichlidés. Cette famille aquatique a accompli un véritable exploit biologique en développant au moins 800 espèces différentes à partir d’un ancêtre commun, dans un laps de temps extrêmement court. Parmi ces descendants, certains ont évolué pour devenir des prédateurs, tandis que d’autres se nourrissent exclusivement d’algues ou de plancton.

Sur notre planète, il existe des créatures qui semblent figées dans le temps évolutif, conservant aujourd’hui la même apparence qu’avant même l’éclosion des tout premiers dinosaures. Les cichlidés présentent une dynamique diamétralement opposée. Ces poissons donnent l’impression d’avoir appuyé sur le bouton d’avance rapide de leur magnétoscope génétique. Ils ont ainsi atteint une étape de leur évolution qui, en temps normal, n’aurait pas dû se produire avant des centaines de milliers, voire des millions d’années.

La manière dont de tels organismes parviennent à se diversifier avec une telle rapidité est longtemps restée une énigme scientifique. Ce phénomène porte le nom de radiation adaptative. Il se produit lorsqu’une lignée descendante d’un ancêtre unique se diversifie à grande vitesse, permettant aux nouvelles lignées de développer des adaptations très précises face aux caractéristiques de leur environnement. Les chercheurs estiment d’ailleurs que cette radiation adaptative explique, au moins en partie, les raisons de l’explosion cambrienne, cette apparition soudaine et massive de la vie sur Terre.

Quand la génétique appuie sur la touche d’avance rapide

L’hybridation joue un rôle majeur dans ce processus d’adaptation. Elle permet de réintroduire des variantes génétiques plus anciennes au sein des populations. Ces variantes se recombinent de multiples façons, offrant ainsi aux organismes la possibilité de tirer parti des opportunités offertes par leur environnement direct et leurs conditions de vie. Lors de cette recombinaison, des mutations viennent former ce que l’on appelle de nouveaux allèles, c’est-à-dire des formes alternatives d’un même gène qui apparaissent au même emplacement sur un chromosome. Cette mécanique a le potentiel d’augmenter significativement les chances de survie de l’espèce.

Cependant, la recombinaison comporte des risques. Elle peut s’avérer néfaste pour la survie de l’organisme lui-même, tout comme pour l’émergence de nouvelles espèces, si elle vient à briser des combinaisons génétiques adaptatives déjà existantes et fonctionnelles. Face à cet obstacle, l’évolution a trouvé une parade redoutable : un processus spécifique appelé inversion chromosomique.

Lors d’une inversion chromosomique, un segment entier d’ADN va se briser, pivoter sur lui-même, puis se rattacher de telle sorte que l’ordre des gènes s’en trouve complètement inversé. Les groupes de gènes formés par ce retournement particulier sont couramment désignés sous le terme de « supergènes ». Ce système permet d’empêcher la transmission de gènes néfastes tout en maintenant intacts les groupes de traits bénéfiques. C’est précisément cette conservation structurée qui rend l’évolution si rapide et si efficace chez les cichlidés du lac Malawi.

Un séquençage massif révèle l’action des inversions chromosomiques

Pour comprendre les origines d’une telle diversification, le chercheur Hannes Svardal a constitué une équipe afin d’explorer ce patrimoine génétique hors normes. Ces scientifiques ont procédé au séquençage des génomes de plus de 1 300 cichlidés différents. Leurs analyses ont révélé des preuves manifestes d’introgression, un processus défini comme la réintroduction de gènes par le biais de croisements répétés. Ils ont également mis en évidence la présence d’inversions chromosomiques réparties sur de multiples espèces.

Les résultats de cette enquête minutieuse ont fait l’objet d’une publication récente dans la revue scientifique Science. L’équipe a documenté la manière dont ces réorganisations majeures de l’ADN s’intègrent dans le parcours de ces poissons africains. « Nous montrons que cinq grandes inversions se ségrègent à travers et au sein de nombreuses espèces et groupes dans la radiation du lac Malawi », ont déclaré les chercheurs dans leur étude.

En poursuivant leur explication sur le rôle de ces altérations, l’équipe souligne l’impact isolant de ces anomalies. « En supprimant la recombinaison, les grandes inversions chromosomiques peuvent amener les régions génomiques affectées à présenter des histoires évolutives systématiquement distinctes du reste du génome », précisent-ils. En d’autres termes, des pans entiers de l’ADN évoluent en vase clos, protégés des interférences habituelles de la reproduction.

La brème de rivière de l’Est, point de repère d’une généalogie foisonnante

L’arbre généalogique de ces poissons est d’une complexité rare, documentée par de précédentes études qui avaient identifié l’existence de trois grandes sous-radiations de cichlidés au sein du lac Malawi. Le premier groupe rassemble le genre Rhampochromis, dont les espèces ont tendance à évoluer entre deux eaux, et le genre Diplotaxodon, qui regroupe des espèces préférant évoluer dans les profondeurs. Une séparation nette des territoires qui illustre l’étendue de leur colonisation.

Le deuxième groupe comprend les utaka, des poissons qui vivent dans des eaux semi-ouvertes, conjointement avec des espèces qui affectionnent particulièrement le fond du lac, que ce soit dans ses parties peu profondes ou dans ses abysses. Enfin, la troisième et dernière grande radiation est composée des mbuna, des cichlidés qui résident majoritairement au milieu des formations rocheuses.

Pour s’y retrouver dans ce labyrinthe biologique, Hannes Svardal a dû utiliser un point de référence fixe : le génome de l’espèce Astatotilapia calliptera. Communément appelée « eastern happy » ou « brème de rivière de l’Est », cette espèce est la plus proche de la lignée originelle de cichlidés, celle-là même à partir de laquelle toutes les espèces plus récentes se sont développées. Fait notable, ses écailles, semblables à des sequins, ont la particularité de renvoyer des éclats aux couleurs de l’arc-en-ciel lorsqu’elles sont exposées à la lumière du soleil.

La survie dans les abysses : vision, toucher et oxygène raréfié

C’est dans l’observation des environnements extrêmes du lac que le rôle des « supergènes » prend tout son sens, car ceux-ci contiennent les gènes qui rendent la survie possible. En étudiant des espèces de cichlidés vivant dans les zones plus profondes du lac Malawi, les chercheurs ont constaté que ces poissons avaient développé des adaptations physiologiques et sensorielles spécifiques pour supporter de telles profondeurs. Chez certains individus, les inversions ont provoqué des niveaux d’expression génétique plus élevés dans les tissus liés au système nerveux, modifiant particulièrement la vision et le sens du toucher.

Les adaptations ne s’arrêtent pas là. Les gènes liés au système vasculaire, favorisant la survie sous des pressions plus fortes et des niveaux d’oxygène plus faibles, ont par ailleurs présenté une expression accrue. Des analyses génomiques plus poussées ont même suggéré l’existence potentielle de variantes génétiques supplémentaires issues de ces inversions chromosomiques. Celles-ci n’auraient pas été immédiatement repérables par les scientifiques car elles sont soit de plus petite taille, soit présentes chez un nombre plus restreint d’espèces.

En observant ce phénomène dans son ensemble, Hannes Svardal tire des conclusions claires sur la puissance de ce mécanisme biologique. « Les inversions dans la radiation adaptative des cichlidés du Malawi montrent des signes d’évolution adaptative de type supergène et d’introgression répétée associée à la spéciation », explique-t-il. Avant de conclure sur les perspectives ouvertes par cette étude : « Ensemble avec l'[introgression], cela fournit un substrat pour de riches dynamiques évolutives. »

Selon la source : popularmechanics.com