L’Antarctique peut sembler un endroit désolé, mais il abrite certaines des formes de vie les plus uniques de la planète. Malgré le fait que les températures terrestres se situent en moyenne autour de -60°C et que les températures océaniques se situent près du point de congélation de l’eau salée (-1,9°C), un certain nombre d’espèces prospèrent dans cet habitat glacial.
Les poissons des glaces de l’Antarctique (Cryonotothenioidea) en sont un excellent exemple, présentant des adaptations remarquables qui leur permettent de survivre dans les eaux glacées entourant le continent. Par exemple, ces poissons ont développé des glycoprotéines « antigel » spéciales qui empêchent la formation de glace dans leurs cellules. Certains poissons des glaces sont « à sang blanc » car ils ne fabriquent plus d’hémoglobine, et certains ont perdu la réponse inductible au choc thermique, une réponse moléculaire presque universelle aux températures élevées.
Ajoutant à ce répertoire de changements, une récente étude publiée dans Biologie moléculaire et évolution révèle les mécanismes génétiques par lesquels les systèmes visuels des poissons des glaces antarctiques se sont adaptés à la fois au froid extrême et aux conditions d’éclairage uniques sous la banquise antarctique.
Une équipe de chercheurs, dirigée par Gianni Castiglione (maintenant à l’Université Vanderbilt) et Belinda Chang (Université de Toronto), a entrepris d’explorer l’impact des températures inférieures à zéro sur la fonction et l’évolution du système visuel du poisson des glaces de l’Antarctique. Les auteurs se sont concentrés sur la rhodopsine, une protéine sensible à la température impliquée dans la vision dans des conditions de faible luminosité.
Comme l’a noté Castiglione, un rôle clé de la rhodopsine dans l’adaptation au froid a été suggéré par leurs recherches précédentes. « Nous avions précédemment trouvé une adaptation au froid dans les rhodopsines des poissons-chats de haute altitude des montagnes des Andes, et cela nous a incités à étudier l’adaptation au froid dans les rhodopsines des poissons des glaces de l’Antarctique. »
En effet, les auteurs ont observé des preuves de sélection positive et d’accélération des taux d’évolution des rhodopsines chez les poissons des glaces de l’Antarctique. En examinant de plus près les sites spécifiques identifiés comme candidats à la sélection positive, Castiglione et ses co-auteurs ont trouvé deux variantes d’acides aminés qui étaient absentes des autres vertébrés.
On prévoit que ces changements se sont produits au cours de deux périodes clés de l’histoire du poisson des glaces de l’Antarctique : l’évolution des glycoprotéines antigel et l’apparition des conditions polaires de congélation. Cette chronologie suggère que ces variantes étaient associées à l’adaptation et à la spéciation du poisson des glaces en réponse aux événements climatiques.
Pour confirmer les effets fonctionnels de ces deux variantes d’acides aminés, les chercheurs ont effectué des tests in vitro dans lesquels ils ont créé des versions de rhodopsine contenant chaque variante d’intérêt. Les deux variantes d’acides aminés ont affecté le profil cinétique de la rhodopsine, abaissant l’énergie d’activation requise pour le retour à une conformation « sombre » et compensant probablement une diminution induite par le froid du taux cinétique de la rhodopsine. De plus, l’un des changements d’acides aminés a entraîné un déplacement de l’absorbance de la lumière de la rhodopsine vers des longueurs d’onde plus longues. Ce double changement fonctionnel a surpris Castiglione et ses co-auteurs.
« Nous avons été surpris de voir que la rhodopsine du poisson des glaces a développé des mutations qui peuvent modifier simultanément la cinétique et l’absorbance de la rhodopsine. Nous prévoyons que cela permet au poisson des glaces d’adapter sa vision aux longueurs d’onde décalées vers le rouge sous la glace de mer et aux températures froides à travers très peu de temps. mutations. »
Fait intéressant, les changements d’acides aminés observés chez les poissons des glaces antarctiques étaient distincts de ceux conférant une adaptation au froid chez les poissons-chats de haute altitude précédemment étudiés par l’équipe, suggérant de multiples voies d’adaptation dans cette protéine. Pour poursuivre cette ligne d’étude, Castiglione et ses collègues espèrent étudier l’adaptation au froid dans les rhodopsines d’autres lignées de poissons vivant dans le froid, y compris les poissons arctiques.
« Les poissons de l’Arctique partagent de nombreux phénotypes adaptés au froid trouvés dans les poissons des glaces de l’Antarctique, tels que les protéines antigel. Cependant, cette évolution convergente semble avoir été accomplie par des mécanismes moléculaires divergents. Nous soupçonnons que cela pourrait également être le cas pour la rhodopsine. »
Malheureusement, l’acquisition des données nécessaires pour mener une telle analyse peut s’avérer difficile. « Un obstacle majeur à nos recherches est la difficulté de collecter des poissons dans les eaux antarctiques et arctiques », explique Castiglione, « ce qui nous limite aux ensembles de données accessibles au public ».
Cette tâche pourrait devenir encore plus difficile à l’avenir, car ces poissons adaptés au froid sont de plus en plus affectés par le réchauffement des températures mondiales. Comme le souligne Castiglione, « le changement climatique peut modifier le paysage adaptatif des poissons des glaces dans un avenir très proche, alors que la glace de mer continue de fondre, forçant les poissons des glaces à se retrouver très probablement à un » décalage « évolutif entre leur environnement et leur génétique. »
Plus d’information:
Gianni M Castiglione et al, Adaptation de la vision du poisson des glaces de l’Antarctique aux environnements extrêmes, Biologie moléculaire et évolution (2023). DOI : 10.1093/molbev/msad030.