De nombreux animaux ont évolué pour tolérer des environnements extrêmes, notamment en étant capables de survivre aux pressions écrasantes des tranchées océaniques, à la chaleur impitoyable des déserts et à l’oxygène limité dans les montagnes. Ces animaux sont souvent hautement spécialisés pour vivre dans ces environnements spécifiques, les empêchant de se déplacer vers de nouveaux endroits.
Pourtant, il existe de rares exemples d’espèces qui vivaient autrefois dans des environnements difficiles mais qui ont depuis colonisé des environnements plus tempérés. Angel Rivera-Colón, ancien étudiant diplômé maintenant postdoc dans le laboratoire de Julian Catchen (CIS/GNDP), professeur associé au département d’évolution, d’écologie et de comportement de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, explore les mécanismes génétiques sous-jacents cette anomalie chez les poissons notothénioïdes de l’Antarctique.
Les notothénioïdes antarctiques, ou cryonotothénioïdes, ont évolué pour vivre dans les eaux glaciales autour de l’Antarctique, où la plupart des poissons gèleraient autrement s’ils étaient exposés à des températures aussi froides. Cependant, les poissons cryonotothénioïdes sont capables de survivre dans ces eaux grâce aux glycoprotéines antigel qu’ils produisent dans leurs cellules. Les AGFP se lient à tous les cristaux de glace qui se forment, les empêchant de se développer et les cellules de geler.
Les poissons des glaces antarctiques, une famille au sein des cryonotothénioïdes, sont encore plus spécialisés pour vivre dans les eaux glacées. Les poissons des glaces sont également les seuls vertébrés qui se sont adaptés pour vivre sans hémoglobine dans leurs cellules sanguines, ce qui rend leurs cellules et leurs tissus translucides/blancs. L’hémoglobine est une protéine présente dans les cellules sanguines qui aide à augmenter l’absorption d’oxygène et entraîne la coloration rouge des cellules. Normalement, les animaux ont besoin d’hémoglobine pour obtenir suffisamment d’oxygène, mais dans les eaux froides et riches en oxygène autour de l’Antarctique, les poissons des glaces ont développé des changements morphologiques, tels que des cœurs plus gros pour pomper le sang, de sorte qu’ils n’ont plus besoin d’hémoglobine pour obtenir suffisamment d’oxygène.
Malgré cette spécialisation extrême, une espèce de poisson des glaces appelée Champsocephalus esox, ou poisson des glaces brochet, s’est échappée de l’Antarctique et vit maintenant dans les eaux sud-américaines plus chaudes et moins oxygénées. « Le mouvement de cette espèce vers des eaux plus chaudes a posé un mystère évolutif intéressant que je voulais essayer de résoudre », a déclaré Rivera-Colón. « Si vous êtes spécialisé pour ne vivre que dans des environnements très froids, comment survivez-vous et vous adaptez-vous à ce nouvel environnement plus chaud? »
Pour comprendre comment le génome du poisson a changé lors de sa migration vers des eaux plus chaudes, Rivera-Colón a comparé la génétique du poisson des glaces brochet à celle d’une espèce antarctique de poisson des glaces, C. gunnari. L’équipe a prélevé des échantillons de tissus collectés par des collaborateurs et des pêcheurs du sud du Chili, de la Géorgie du Sud et des îles Sandwich pour séquencer les génomes.
« C’est la première fois que nous examinons le génome d’une espèce notothénioïde qui s’est échappée de l’Antarctique dans ce nouvel environnement tempéré. Une grande partie de cela est due au fait que le poisson des glaces brochet est très rare et insaisissable, donc l’aide de ces pêcheurs également en tant que collaborateurs pour la collecte d’échantillons était indispensable », a déclaré Rivera-Colón. Les chercheurs ont utilisé un séquençage à lecture longue continue pour générer un génome au niveau des chromosomes pour chaque espèce de poisson.
Après avoir comparé les génomes, ils ont découvert que si le génome était hautement conservé entre les espèces, il y avait une divergence dans les zones du génome du poisson des glaces du brochet associées à la physiologie qui devrait changer à mesure que le poisson se déplaçait vers des eaux plus chaudes. Étonnamment, le génome du poisson des glaces du brochet contenait encore plusieurs copies du gène qui code pour les AGFP, mais les gènes étaient pleins de mutations qui pourraient le rendre non fonctionnel.
« La plupart des gènes avaient des codons d’arrêt insérés », a expliqué Catchen. « En supposant que tout fonctionne comme prévu, nous ne les verrions pas transcrits en AGFP. Mais les gènes sont toujours là et pourraient probablement encore être actifs. Nous n’en sommes pas sûrs. » Les chercheurs disent que si les mutations de ce gène dans les cryonotothénioïdes d’eau froide pourraient entraîner la mort si le gène ne fonctionnait plus, dans les eaux plus chaudes, la sélection de ce gène chez le poisson des glaces brochet se serait relâchée, car le poisson n’aurait plus besoin de s’empêcher de gelé.
Les chercheurs ont également découvert que le génome du poisson des glaces du brochet présentait des inversions chromosomiques, c’est-à-dire lorsqu’une partie du chromosome est inversée en orientation. « Nous savons que les inversions et autres changements chromosomiques peuvent être très importants pour la médiation des processus adaptatifs ainsi que pour créer des barrières entre les espèces », a expliqué Rivera-Colón. « Donc, les trouver ici suggère qu’ils pourraient être importants pour l’adaptation à l’environnement plus chaud en Amérique du Sud. » Rivera-Colón a en outre expliqué que les inversions pourraient rendre plus difficile le mélange des deux espèces, accélérant la spéciation entre les espèces sœurs, malgré leur séparation il y a moins de 2 millions d’années.
En plus d’évoluer pour vivre dans des eaux plus chaudes, le poisson des glaces brochet aurait également dû s’adapter à un environnement lumineux différent. La mer autour de l’Antarctique est sombre une grande partie de l’année et la glace de surface bloque une grande partie de la lumière. Mais dans les eaux tempérées, le brochet des glaces connaît un cycle jour-nuit plus normal. L’équipe examine actuellement l’expression des gènes chez des poissons apparentés pour voir comment leur physiologie et leurs rythmes circadiens se sont adaptés à ces nouveaux cycles lumineux.
Les chercheurs prévoient également d’examiner les génomes et les mitochondries d’une autre paire d’espèces apparentées, Trematomus borchgrevinki et Notothenia angustata. Semblable à cette étude, T. borchgrevinki vit dans les eaux froides de l’Antarctique, tandis que N. angustata a secondairement fait la transition pour vivre dans les eaux chaudes de la côte de la Nouvelle-Zélande. L’étude actuelle, ainsi que cette étude prévue sur l’autre paire d’espèces, aideront les chercheurs à mieux comprendre comment des espèces hautement spécialisées pour vivre dans certains environnements peuvent s’échapper et s’adapter à de nouveaux environnements.
« Je pense que l’un des aspects vraiment intéressants de cette étude est qu’elle remet en question la façon dont nous racontons des histoires sur » pourquoi l’évolution a agi comme elle l’a fait « », a décrit Catchen. « Nous utilisons l’histoire classique du poisson des glaces pour expliquer la perte d’hémoglobine due aux eaux froides et oxygénées dans lesquelles il se spécialise, mais vous avez ensuite cette espèce qui a échappé à des températures normales et se débrouille bien. La sélection a poussé un organisme à l’extrême dans cette direction, puis l’environnement a changé, et maintenant il est poussé dans une direction différente. »
Rivera-Colón a ajouté « Notre étude montre simplement que cette spécialisation pour le froid extrême n’est pas une impasse évolutive, et elle aide à expliquer comment ces transitions se produisent dans la nature. »
L’étude, intitulée « Génomique de l’adaptation secondairement tempérée chez le seul poisson des glaces non antarctique », est publiée dans Biologie moléculaire et évolution.
Plus d’information:
Angel G Rivera-Colón et al, Génomique de l’adaptation secondairement tempérée chez le seul poisson des glaces non antarctique, Biologie moléculaire et évolution (2023). DOI : 10.1093/molbev/msad029