Ce que les tripes de guppy peuvent nous apprendre sur l’évolution

Dans la liste des outils scientifiques qui nous aident à comprendre la santé, l’évolution ou l’environnement, le guppy de Trinidad ne vient pas souvent à l’esprit.

Les poissons sont plus souvent considérés comme des animaux de compagnie d’aquarium aux États-Unis et, dans leur Trinidad natale, les guppys sauvages sont si omniprésents qu’ils sont presque pris pour acquis.

« A Trinidad, on les appelle des poissons drainés et les habitants nous demandaient : » Pourquoi étudiez-vous les poissons drainés ? », a déclaré Sarah Fitzpatrick, professeure adjointe au département de biologie intégrative de la Michigan State University.

« Les guppys de Trinidad sont un peu comme les écureuils du Michigan », a déclaré Sarah Evans, professeure agrégée et collègue du département de Fitzpatrick au College of Natural Science.

Mais grâce à une combinaison unique de biologie et d’écologie, les guppys ont fourni aux chercheurs un aperçu de l’évolution pendant des décennies. Evans et Fitzpatrick ont ​​​​poussé ces idées un peu plus loin, montrant le potentiel des guppys pour aider à sonder de grandes questions sur la façon dont les microbes vivant dans les organismes hôtes contribuent à la santé, à la survie et à la qualité de vie.

Une équipe de recherche dirigée par les Spartans, tous deux basés à la station biologique WK Kellogg, a publié ses résultats le 25 mai dans la revue Actes de la Royal Society B: Sciences biologiques.

Au fur et à mesure que les scientifiques en apprennent davantage sur le microbiome intestinal – la collection de microbes qui vit dans le tube digestif d’un organisme hôte – il devient de plus en plus clair qu’il joue un rôle important dans le bien-être de son hôte. En fait, la santé humaine est intimement liée à notre microbiote intestinal.

Evans et Fitzpatrick s’intéressent à certaines des grandes questions de la biologie et voulaient mieux comprendre comment les microbiomes changent à mesure que les organismes évoluent.

« Parce que le microbiome affecte la forme physique – la santé et la reproduction d’un organisme – il peut affecter l’évolution », a déclaré Evans, qui est l’un des principaux membres du corps professoral du programme d’écologie, d’évolution et de comportement de MSU, ou EEB.

La nature en regorge d’exemples intéressants, parmi lesquels les termites. Au cours de leur évolution, les termites se sont adaptés pour accueillir dans leurs intestins des populations de protozoaires unicellulaires qui leur permettent de digérer le bois.

Les pandas géants fournissent un autre exemple. Le régime alimentaire a un impact sur un microbiome et les pandas ne mangent que des feuilles. Pourtant, les microbiomes des pandas peuvent ressembler davantage à ceux de leurs parents carnivores qu’à certains de leurs parents herbivores. Cela est probablement dû à la forme et à la taille de l’intestin du panda lui-même, qui a évolué à partir d’un ancêtre carnivore.

Evans et Fitzpatrick voulaient mieux étudier quels sont les principaux moteurs des microbiomes à mesure que les organismes hôtes évoluent. Il peut s’agir de choses comme la forme de l’intestin, le régime alimentaire ou les caractéristiques d’un nouvel environnement, qui est susceptible de contenir des microbes étrangers à l’hôte. Les chercheurs savaient que les guppys pouvaient prêter une nageoire de leur « laboratoire naturel » unique.

« Trinidad est une île continentale », a déclaré Fitzpatrick, qui est également membre du corps professoral du programme EEB et coordinateur du laboratoire d’écologie moléculaire et de génomique à la station biologique de Kellogg. « Il s’est séparé de l’Amérique du Sud il y a longtemps. Il a en fait une continuation de la partie la plus septentrionale de la chaîne de montagnes des Andes. »

Les rivières et les ruisseaux coulent sur les montagnes de Trinidad dans des systèmes indépendants. Dans chaque système d’eau se trouvent des écosystèmes indépendants de guppys qui ne s’éloignent naturellement pas loin de chez eux.

Dans les années 1950, les chercheurs en évolution ont réalisé qu’ils pouvaient prendre des guppys d’un écosystème où les poissons avaient beaucoup de prédateurs naturels et les mettre dans un autre où ils n’en avaient pas. Au fil du temps, les gènes et les traits du poisson s’adapteraient pour refléter les populations indigènes dans ces environnements à faible prédateur. De même, les poissons transférés à partir de sites à faible prédation s’adapteraient lorsqu’ils seraient transférés dans des cours d’eau avec un nombre élevé de prédateurs.

« Et c’est reproductible. Ils évoluent de la même manière presque à chaque fois », a déclaré Evans. « C’est pourquoi ce système est dans les manuels. »

« Étant donné que nous savons que les guppys évoluent très rapidement de manière parallèle, nous pourrions nous demander comment le microbiome change à mesure que les guppys évoluent », a déclaré Fitzpatrick.

Evans et Fitzpatrick sont retournés sur les mêmes sites où les scientifiques avaient l’habitude d’étudier l’évolution du guppy pour échantillonner à la place le microbiome des poissons indigènes ainsi que des populations transplantées. Se rendant sur plus d’une douzaine de sites différents, ils ont échantillonné des lignées de poissons qui avaient été transplantées il y a à peine cinq ans et d’autres qui avaient été déplacées il y a plus de 60 ans.

En collaboration avec des experts brésiliens de l’Université d’État de Rio de Janeiro, Evans et Fitzpatrick ont ​​découvert que les microbiomes des guppys changeaient en réponse à leur environnement beaucoup plus rapidement que leurs gènes et leurs traits physiques. La forme des tripes de guppy, qui détermine les types de microbes qui y survivent, a également changé plus rapidement que prévu.

Pourtant, contrairement aux gènes et aux traits des descendants de poissons transplantés, leurs populations de microbes intestinaux ne correspondent pas à celles trouvées chez les poissons originaires d’un environnement particulier. Malgré le décalage, cependant, la fonction des microbiomes était similaire. Autrement dit, les lignées de poissons transplantés avaient différents microbes qui faisaient essentiellement la même chose que les indigènes.

Evans et Fitzpatrick ont ​​concocté l’idée de cette étude il y a des années, alors qu’ils étaient tous deux chercheurs postdoctoraux. C’était une idée spontanée, mais qui combinerait les forces d’Evans, un expert en microbiologie, et de Fitzpatrick, un expert en écologie évolutive.

« C’est ce qui est passionnant dans les collaborations interdisciplinaires, la fusion des idées et de l’expertise », a déclaré Fitzpatrick. « Alors cela ouvre de nouvelles questions intéressantes. »

Les deux sont allés à Trinidad pour collecter des échantillons en 2014 et, à l’époque, c’était un projet parallèle. Depuis lors, ils ont démarré leurs propres laboratoires de recherche à la MSU, ce qui rend difficile de trouver le temps de terminer le projet, un défi qui a encore été accentué pendant la pandémie de COVID-19.

Maintenant, ils ont publié la recherche dans un numéro spécial de Actes de la Royal Society B: Sciences biologiquesqui présente le travail des personnes touchées par le coronavirus, en particulier les femmes et les soignants.

« Nous étions vraiment heureux de soutenir ce numéro spécial », a déclaré Fitzpatrick. « Trois des quatre auteurs sont des femmes avec des enfants. »

Bien qu’il s’agisse d’un numéro spécial, la recherche a fait l’objet d’un examen par les pairs typique et rigoureux avant publication. Et les chercheurs ont entendu certaines des critiques typiques d’une étude comme celle-ci.

Pour certains critiques, le système guppy est trop désordonné ; cela ne donne pas suffisamment aux chercheurs le contrôle qu’ils auraient avec des expériences de laboratoire. Pour d’autres, ce n’est pas assez salissant. Avec l’écologie unique des guppys, ils se demandent dans quelle mesure les découvertes dérivées des guppys peuvent être appliquées dans la nature. Mais une autre façon de voir les choses est qu’aucune étude n’est parfaite et que les guppys ne laissent pas la perfection devenir l’ennemi du bien.

« Nous pensons que nous sommes dans un endroit idéal – un laboratoire naturel », a déclaré Evans. « Il y a du pouvoir à avoir cet entre-deux. »