Un nouvel éclairage sur le passé évolutif des espèces
La spéciation, c’est-à-dire l’évolution au cours de laquelle une population d’une même espèce se sépare et développe ses propres caractéristiques, est un processus évolutif lent et difficile à observer directement. Souvent, la meilleure source d’information dont nous disposons pour savoir quand et comment la spéciation s’est produite provient de la variation des séquences le long du génome (l’ensemble des instructions de l’ADN que l’on trouve dans une cellule). «Par exemple, nous pouvons utiliser le nombre de différences de séquences pour dater la divergence des espèces», explique Konrad Lohse, coordinateur du projet ModelGenomLand, de l’Université d’Édimbourg, au Royaume-Uni. Les chercheurs ont toutefois eu tendance à se concentrer sur un petit nombre d’organismes modèles. Il s’agit notamment des drosophiles et d’autres insectes pour lesquels la spéciation s’est produite rapidement ou s’est accompagnée de changements visibles, comme les différences de couleur chez les papillons. Les scientifiques ont également eu du mal à distinguer la sélection naturelle agissant de manière générale au sein d’une espèce de la sélection imposant des barrières aux flux de gènes entre les espèces. «Compte tenu de ces biais, notre compréhension de la manière dont la spéciation se produit en général reste faible», ajoute Konrad Lohse.
Des outils mathématiques pour comprendre les changements génétiques
Le projet ModelGenomLand, soutenu par le Conseil européen de la recherche, visait à développer de nouveaux outils mathématiques permettant aux scientifiques de modéliser la variation de la force des barrières entre espèces le long du génome. «Une avancée mathématique importante a été réalisée par le doctorant Gertjan Bisschop, qui a mis au point un algorithme permettant d’accélérer ces calculs», explique Konrad Lohse. Cela pourrait permettre de mieux comprendre les changements génétiques qui ont conduit à l’évolution et au maintien des différences entre les espèces et de reconstruire l’histoire des spéciations de manière impartiale. Pour étudier les processus de spéciation, Konrad Lohse et ses collègues se sont mis en relation avec le laboratoire du Conseil national de la recherche espagnol de Roger Vila, leader dans le domaine de la diversité des papillons. Ils ont généré des données pour 20 paires sœurs d’espèces de papillons. L’équipe de ModelGenomLand a également collaboré avec le projet Darwin Tree of Life et le laboratoire d’Alex Hayward de l’Université d’Exeter pour assembler les génomes de référence de ces espèces.
Variation à l’échelle du génome et processus évolutifs
Le projet a permis de mettre au point une nouvelle méthode pour relier la variation à l’échelle du génome aux modèles fondamentaux des processus d’évolution. Cela a permis de faire des constatations importantes. «L’analyse des données montre que la plupart des espèces de papillons originaires d’Europe ne se sont pas formées au cours de l’un des principaux cycles glaciaires, comme on le supposait auparavant», note Konrad Lohse. «Elles sont beaucoup plus anciennes, dans de nombreux cas antérieurs au début du Pléistocène, il y a 2,6 millions d’années.» L’équipe a également constaté que même les paires d’espèces qui ont commencé à diverger il y a plus d’un million d’années continuent à échanger des variations génétiques. «Un autre doctorant travaillant sur le projet, Alexander Mackintosh, a analysé les séquences génomiques d’une paire d’espèces de papillons dont les chromosomes avaient subi un grand nombre de réarrangements», explique Konrad Lohse. «En modélisant le processus de spéciation le long du génome, il a pu montrer que les réarrangements étaient associés à un taux plus faible d’échange de gènes entre les espèces, ce qui favorisait leur divergence.»
Étudier les scénarios d’évolution des espèces
Les nouvelles approches mises au point dans le cadre du projet ModelGenomLand servent désormais à étudier les scénarios d’évolution d’un large éventail d’espèces. «Les analyses des données génomiques de spéciation générées par le projet sont en cours», ajoute Konrad Lohse. «La description des propriétés générales des barrières entre espèces nécessite de vastes comparaisons des histoires démographiques et des paysages génomiques.» Selon Konrad Lohse, l’étape suivante consistera à comprendre le degré de «fuite» des barrières entre les espèces et à caractériser à la fois la durée pendant laquelle les variations bénéfiques continuent d’être partagées entre les espèces émergentes et le type de variation qui survient.
Mots‑clés
ModelGenomLand, évolution, espèces, mathématique, ADN, génétique, génome