Certains copépodes, de minuscules crustacés occupant une place démesurée dans le réseau trophique aquatique, peuvent évoluer assez rapidement pour survivre face à un changement climatique rapide, selon de nouvelles recherches qui abordent une question de longue date dans le domaine de la génétique.
Long d’à peine plus d’un millimètre, le copépode Eurytemora affinis pagaie en grand nombre dans les eaux côtières des océans et des estuaires du monde entier, principalement mangé par des poissons juvéniles, comme le saumon, le hareng et l’anchois.
« Il s’agit d’une espèce côtière dominante, servant de nourriture pour poissons très abondante et très nutritive », déclare Carol Eunmi Lee, professeur au département de biologie intégrative de l’Université du Wisconsin à Madison et auteur principal d’une nouvelle étude sur les copépodes publiée dans la revue. Communication Nature. « Mais ils sont vulnérables au changement climatique. »
La salinité de l’océan, explique Lee, change rapidement à mesure que la glace fond et que les régimes de précipitations changent : « Ces copépodes sont une espèce d’eau salée qui doit maintenant s’adapter à une eau beaucoup plus douce dans leur environnement. »
De nombreux copépodes (et d’innombrables autres animaux) ont évolué dans l’eau salée. Au fur et à mesure que leur environnement change, ils devront s’adapter pour maintenir leur chimie corporelle… ou mourir.
« La salinité est une pression environnementale très forte dans les habitats aquatiques », explique David Stern, auteur principal de l’étude et ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Lee, qui travaille maintenant au National Biodefense Analysis and Countermeasures Center.
Lee, Stern et le reste de l’équipe de recherche ont étudié comment certains copépodes réagissaient à cette pression. Ils ont gardé une population de Eurytemora affinis de la mer Baltique dans leur laboratoire, ces petits crustacés nageant dans une eau aussi salée que leur domaine vital et se reproduisant sur plusieurs générations.
Les chercheurs ont ensuite divisé les copépodes en 14 groupes de quelques milliers chacun. Quatre groupes témoins ont vécu l’expérience dans l’environnement comme la Baltique. Les 10 autres groupes ont été exposés à des niveaux de sel en baisse, imitant le type de pression causée par le changement climatique. Chacun a vu son eau réduite à une salinité plus faible à chaque nouvelle génération (environ trois semaines pour ce copépode) pour un total de dix générations.
Les chercheurs ont ensuite séquencé les génomes de chaque lignée de copépodes au début de leur expérience et à nouveau après six générations et 10 générations, en suivant les changements évolutifs à travers leurs génomes. Les signaux les plus forts de la sélection naturelle – où les changements étaient les plus importants et les plus courants dans les groupes stressés par la baisse de la salinité – se trouvaient dans des parties du génome considérées comme importantes dans la régulation des ions, tels que les transporteurs de sodium.
« Dans l’eau salée, il y a beaucoup d’ions, comme le sodium, qui sont essentiels à la survie. Mais quand vous arrivez en eau douce, ces ions sont précieux », explique Lee. « Ainsi, les copépodes doivent les aspirer de l’environnement et s’y accrocher, et la capacité de le faire repose sur ces transporteurs d’ions que nous avons trouvés en cours de sélection naturelle. »
À la fin de l’expérience, les chercheurs ont découvert que les copépodes avec certaines combinaisons génétiques du transporteur d’ions étaient, à plusieurs reprises, plus susceptibles de survivre à travers les générations successives, même si la salinité de leur eau diminuait. En fait, les mêmes variantes génétiques, ou allèles, trouvées dans les copépodes qui ont survécu à la baisse de la salinité en laboratoire sont également courantes dans les régions plus fraîches de la mer Baltique.
« Avec le nombre de gènes que nous avons encodant les traits de nos copépodes, il n’y a aucun moyen de voir la quantité de parallélisme que nous avons fait à moins que quelque chose ne le conduise », explique Stern.
L’expérience d’évolution est une nouvelle preuve d’un mécanisme génétique appelé épistasie positive, dans lequel l’effet positif d’une variante d’un gène est amplifié lorsqu’il travaille en combinaison avec d’autres gènes clés. C’est une théorie que le légendaire professeur de génétique UW-Madison Sewall Wright et d’autres ont défendue il y a près d’un siècle en contrepoint de l’évolution additive, l’idée que l’effet de chaque gène a le même poids et que les effets de nombreux gènes s’additionnent de manière linéaire. mode.
« Les simulations informatiques de l’évolution dans nos conditions expérimentales prédisent que l’évolution additive nous aurait donné une variation beaucoup plus grande parmi nos 10 lignées », ajoute Stern. « Nous n’avons pas vu ce genre de variation. »
L’épistasie n’avait pas été testée faute d’outils expérimentaux, mais les grandes quantités de données génomiques issues du séquençage moderne et des simulations informatiques ont permis de montrer l’épistasie positive à l’œuvre dans une évolution parallèle et de décrire le pouvoir de la génétique pour étudier le changement climatique. Stern, Lee et ses collègues montrent dans la nouvelle étude que l’épistasie positive peut entraîner l’évolution parallèle de groupes d’animaux en favorisant à plusieurs reprises des ensembles d’allèles par sélection naturelle.
« Ce copépode nous donne une idée de ce qu’il faut, une idée des conditions nécessaires, qui permettent à une population d’évoluer rapidement en réponse au changement climatique », explique Lee. « Cela montre également à quel point l’évolution est importante pour comprendre notre planète en mutation et comment, ou même si, les populations et les écosystèmes survivront. »
David B. Stern et al, signatures à l’échelle du génome de l’épistasie synergique lors de l’adaptation parallèle dans un copépode de la mer Baltique, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-31622-8