L’expérience démontre comment les hôtes des vers et le microbiome associé contribuent conjointement à l’adaptation environnementale

Une équipe de recherche de Kiel a utilisé une expérience de mésocosme de compost quasi naturel pour démontrer que les vers hôtes et les micro-organismes associés assurent conjointement l’adaptation à un nouvel environnement.

Tous les organismes multicellulaires, depuis les organismes animaux et végétaux les plus simples jusqu’aux humains, vivent en association étroite avec une variété de micro-organismes, appelés microbiome, qui colonisent sur et dans leurs tissus et forment des relations symbiotiques avec l’hôte. De nombreuses fonctions vitales telles que l’absorption des nutriments, la régulation du système immunitaire ou encore des processus neurologiques résultent des interactions entre l’organisme hôte et les symbiotes microbiens.

La coopération fonctionnelle entre l’hôte et les micro-organismes, que les scientifiques appellent métaorganisme, est étudiée en détail à l’Université de Kiel au Centre de recherche collaborative (CRC) 1182 « Origine et fonction des métaorganismes ».

Les scientifiques supposent que le microbiome peut contribuer de manière significative à l’adaptation environnementale d’un organisme entier. Cela peut être dû à la capacité d’adaptation rapide des micro-organismes, qui peuvent réagir plusieurs fois plus rapidement aux conditions environnementales changeantes que leur organisme hôte.

De nombreuses études ont déjà montré que le microbiome réagit à des facteurs environnementaux changeants tels que des températures plus élevées, par exemple, en modifiant sa composition en espèces et en contribuant ainsi à l’adaptation environnementale de l’organisme hôte. Cependant, bon nombre de ces études se sont jusqu’à présent concentrées uniquement sur le microbiome, mais pas sur l’hôte.

Les chercheurs du groupe Evolutionary Ecology and Genetics dirigé par le professeur Hinrich Schulenburg de l’Institut de zoologie de l’Université de Kiel se sont maintenant concentrés sur les influences conjointes des organismes hôtes et du microbiome dans une nouvelle étude. À cette fin, ils ont développé une méthode de culture innovante pour étudier les adaptations d’un métaorganisme à de nouvelles conditions environnementales : le nématode Caenorhabditis elegans a évolué au cours d’une expérience à long terme sur 100 jours avec une sélection de micro-organismes initialement spécifiée dans des conditions complexes et quasi naturelles. conditions environnementales dans un habitat de compostage.

Les chercheurs ont ensuite analysé les changements tant du côté des hôtes que du microbiome et ont découvert que, dans certaines conditions, les deux contribuent conjointement à l’adaptation optimale de l’organisme tout entier à un nouvel environnement. Les chercheurs de Kiel, qui ont collaboré à cette étude avec le professeur Brendan Bohannan et son équipe de l’Université de l’Oregon aux États-Unis, ont récemment publié leurs résultats dans La revue ISME.

Le compost malodorant permet de mieux comprendre le cours de l’adaptation environnementale

Grâce à son temps de génération très court d’environ trois jours et demi seulement, C. elegans est particulièrement adapté à l’étude des mécanismes d’évolution. Des recherches antérieures, auxquelles le groupe de recherche de Schulenburg a contribué, ont identifié le microbiome naturel du ver ou caractérisé certaines fonctions du microbiome telles que la défense contre les agents pathogènes.

Cependant, on ignore généralement comment l’hôte et le microbiome évoluent ensemble sur de longues périodes et réagissent ainsi à des facteurs variables dans leur environnement naturel. Pour aborder cet aspect, l’équipe de recherche de Kiel a étudié C. elegans et son microbiome sur une longue période dans des conditions quasi naturelles.

« Dans la nature, le ver vit de matières organiques en décomposition telles que les fruits et les légumes. Nous avons essayé de recréer un tel environnement de compost dans des conditions de laboratoire contrôlées et avons développé ce que l’on appelle des mésocosmes à base de matières végétales. Avec l’aide de ces habitats de compost artificiel, « Nous avons réussi à créer un habitat durable pour le ver et son microbiome. Entre-temps, les vers survivent continuellement depuis près de deux ans dans cet environnement particulièrement dégoûtant à l’œil humain », explique le Dr Carola Petersen, l’une des les premiers auteurs et chercheur associé dans le groupe Schulenburg.

L’hôte et le microbiome peuvent contribuer ensemble à l’adaptation environnementale

À partir de ce compost de laboratoire, l’équipe de recherche a isolé C. elegans et des échantillons de son microbiome après 100 jours, ce qui équivaut à environ 30 générations de vers. Ils ont ensuite mené diverses expériences dans le cadre d’une approche dite du jardin commun pour déterminer les effets de la composition du microbiome et de la génétique de l’hôte. sur l’adaptation du métaorganisme.

« Pour ce faire, nous avons rassemblé des vers et des microbes originaux et évolués dans toutes les combinaisons possibles et les avons cultivés chacun dans un environnement quasi naturel dans de nouvelles boîtes de compost en mésocosme et également sur des plaques de gélose. Nous avons ensuite utilisé divers paramètres pour déterminer l’aptitude du métaorganisme. dans son ensemble », explique Petersen, membre du CRC 1182.

« Les valeurs élevées de fitness des vers dans une boîte particulière, dont la population prospérait en nombre extraordinaire par rapport aux autres répétitions expérimentales, étaient particulièrement frappantes. Ces vers présentaient une forte déviation dans l’expression des gènes par rapport à la population d’origine, même s’ils avaient le même microbiome original », souligne Petersen.

Cet avantage fitness est donc génétiquement contrôlé et donc une adaptation environnementale. L’avantage pour l’organisme dans son ensemble semble se manifester par une meilleure réponse au stress, qui aide les vers à faire face à des environnements complexes tels que l’habitat du compost avec ses nombreux défis structurels et physiologiques.

En outre, les chercheurs ont pu prouver que le microbiome évolué contribuait également aux avantages du ver en matière de forme physique : « L’effet évident de la croissance démographique accrue n’a été observé que dans l’environnement du compost en présence de microbes adaptés, mais pas sur les plaques de gélose. Ce composant exerce donc également une influence très spécifique sur la condition physique de la population de vers », poursuit Petersen.

Dans l’ensemble, l’étude fournit ainsi des preuves expérimentales sous la forme de changements spécifiques dans la composition du microbiome ainsi que dans l’expression génétique des nématodes, montrant que l’adaptation à un nouvel environnement peut être influencée conjointement par l’hôte et le microbiome.

Un nouveau système modèle permet de quantifier les influences de la génétique de l’hôte et du microbiome

« Ces adaptations environnementales sont souvent basées sur des changements génétiques quantitatifs. La manière exacte dont le microbiome interagit avec la génétique de l’hôte pour améliorer la forme physique des articulations n’a pas encore été étudiée en détail », explique Schulenburg, vice-porte-parole du CRC 1182.

« Avec notre nouveau système de mésocosme, nous avons créé pour la première fois des conditions reproductibles qui nous permettent non seulement de confirmer les contributions de l’hôte et du microbiome à ce processus adaptatif, mais également de quantifier les mécanismes et processus impliqués dans le futur », ajoute Schulenburg. . À cette fin, les chercheurs du CRC 1182 souhaitent analyser en profondeur les données génétiques des vers et des microbes obtenues lors d’expériences à long terme dans le cadre de recherches ultérieures afin de clarifier en détail les influences des gènes de l’hôte et des microbes sur l’adaptation évolutive.