Evolution du fardeau génétique au cours des invasions biologiques – GENLOADICS

Les méthodes de mesure de traits d’histoire de vie généralement envisagées pour tester l’hypothèse de la purge sont extrêmement lourdes à mettre en œuvre. Elles nécessitent de travailler sur des populations vivantes, ce qui est difficile, voire inenvisageable pour certaines espèces. Aujourd’hui, les nouvelles technologies de séquençage massif permettent théoriquement de comparer sur n’importe quelle espèce la fréquence des mutations délétères ou potentiellement délétères entre populations. Nous proposons de tester l’hypothèse de purge sur une large échelle taxonomique – 10 espèces d’insectes non-modèles. Pour cela, nous utiliserons une approche de séquençage du génome complet sur plusieurs populations de chaque espèce. Nous nous concentrerons ensuite sur les régions codantes du génome pour quantifier et comparer le fardeau génétique des populations natives et envahissantes.

Le projet GENLOADICS a permis de produire pour la première fois des génomes de haute qualité pour trois insectes envahissants d’importance économique : la pyrale du buis, la punaise américaine du pin et la teigne guatémaltèque de la pomme de terre. Ces ressources génomiques étaient inexistantes avant le projet. Elles sont désormais disponibles dans les bases publiques et offrent un outil précieux pour la recherche, que ce soit pour étudier la biologie de ces espèces, leur adaptation ou leur contrôle.

GENLOADICS a aussi permis de développer une chaîne d’analyse bioinformatique permettant de mesurer le fardeau génétique des populations, c’est-à-dire la proportion de mutations potentiellement défavorables qu’elles portent. Cet outil, pensé pour être applicable à de nombreuses espèces, fournit un cadre standardisé pour comparer des populations et suivre leurs trajectoires évolutives. Nous l’avons dans un premier temps testé sur deux insectes envahissants bien connus : la chrysomèle des racines du maïs et la coccinelle asiatique. Les résultats ont montré que l’accumulation ou la purge des mutations délétères pouvait varier fortement d’une espèce à l’autre, confirmant l’importance de disposer d’un cadre commun pour analyser ces dynamiques.

L’un des apports majeurs du projet est la constitution d’une base inédite de données de séquençage couvrant dix espèces d’insectes envahissants et plus de cinquante populations échantillonnées sur tous les continents. Ces données permettent pour la première fois d’aborder de façon comparative et à large échelle la question du fardeau génétique dans les invasions biologiques. Les premières analyses montrent que les trajectoires évolutives du fardeau génétique sont très contrastées selon les espèces : certaines populations présentent des indices compatibles avec une élimination des mutations délétères, d’autres au contraire une accumulation. Il n’existe donc pas de schéma simple ou universel.

Ces résultats confirment que la dynamique du fardeau génétique est un processus complexe, qui ne peut être réduit à une hypothèse unique. Ils ouvrent de nouvelles perspectives pour comprendre pourquoi certaines introductions conduisent à des invasions réussies alors que d’autres échouent. Les données et les outils développés dans GENLOADICS auront aussi un impact au-delà du domaine des invasions : ils pourront être utiles à la biologie de la conservation, à l’amélioration des espèces domestiques ou encore à la mise au point de stratégies de lutte biologique.

Une première perspective du projet GENLOADICS concerne l’étude d’un autre type de mutations, appelées variations structurales. Contrairement aux mutations ponctuelles, qui touchent une seule "lettre" de l’ADN, les variations structurales modifient des morceaux entiers du génome (duplications, inversions, délétions, etc.). Elles peuvent avoir des effets très importants sur le fonctionnement des gènes et l’adaptation des organismes. Leur étude était jusqu’à récemment difficile, mais les progrès récents du séquençage et de l’informatique permettent désormais de les explorer. Les approches développées dans GENLOADICS pourront être adaptées à ces données, pour évaluer leur rôle dans le fardeau génétique et comparer leur influence à celle des mutations ponctuelles.

Une deuxième perspective est le développement d’outils informatiques dédiés. Aujourd’hui, les données de séquençage en "pool" (pool-seq), qui consistent à analyser directement un mélange d’individus plutôt que chacun séparément, sont de plus en plus utilisées car elles permettent d’étudier rapidement un grand nombre de populations. Nous envisageons de créer un logiciel, par exemple sous la forme d’un package R, qui regrouperait dans un même cadre toutes les étapes nécessaires : préparation et traitement des données, classification des mutations selon leur impact, et calcul des indices de fardeau génétique. Un tel outil faciliterait grandement l’utilisation de ces méthodes par la communauté scientifique et garantirait des analyses reproductibles.

Le projet met aussi en lumière un besoin méthodologique plus général : comparer et évaluer les différentes façons de classer les mutations selon leur caractère potentiellement délétère. Plusieurs approches existent aujourd’hui (basées sur l’annotation des gènes, sur la comparaison de séquences dans l’arbre de la vie, ou encore sur l’intelligence artificielle), mais elles donnent parfois des résultats différents. Il est essentiel de mieux comprendre leurs avantages et leurs limites, et de relier leurs prédictions à des données concrètes, par exemple sur les performances ou la survie des individus.

Enfin, le projet ouvre la voie à des études à très large échelle et dans des contextes variés. Le fardeau génétique peut être étudié non seulement dans les invasions biologiques, mais aussi en conservation de la biodiversité, en domestication des espèces cultivées ou élevées, et en lutte biologique. Selon les objectifs, différentes approches de séquençage peuvent être combinées : le pool-seq, bien adapté à l’exploration de nombreux échantillons, et le séquençage individuel, qui permet par exemple d’évaluer directement la consanguinité.

Projet en cours

Les invasions biologiques constituent une composante majeure du changement global. Pourtant, on ne comprend toujours pas pourquoi certaines populations introduites sont envahissantes et d’autres non. Parmi les hypothèses les plus intéressantes, on trouve celle de la purge (i.e. l’élimination) des mutations délétères lors du processus d’introduction. Les mutations délétères constituent ce qu’on appelle le fardeau génétique car elles sont responsables d’une baisse de la valeur sélective des individus en s’accumulant dans le génome au cours du temps. Après l’introduction d’un faible nombre d’individus dans la future aire envahie, les niveaux de consanguinité et de dérive élevés conduisent à exposer les mutations délétères à la sélection naturelle. Cela peut avoir deux conséquences : la diminution de la valeur sélective moyenne de la population ou la purge des mutations délétère. L’hypothèse que nous faisons est que les populations qui deviendront effectivement envahissantes sont celles qui ont purgé une partie de leurs allèles délétères. En effet elles disposeront d’un avantage évolutif majeur car elles seront moins soumises à la dépression de consanguinité et supporteront ainsi mieux les faibles densités rencontrées lors de la phase d’établissement et lors des éventuelles introductions secondaires. En revanche, la théorie suggère que le fardeau génétique non purgé pourrait ensuite se fixer sur les fronts d’expansion géographique par dérive génétique (on parle de "fardeau d’expansion"), et ainsi compromettre à plus long terme le succès de l’invasion.
Les méthodes de mesure de traits d’histoire de vie généralement envisagées pour tester ce genre d’hypothèse sont extrêmement lourdes à mettre en œuvre. Elles nécessitent de travailler sur des populations vivantes, ce qui est difficile, voire inenvisageable pour certaines espèces. Aujourd’hui, les nouvelles technologies de séquençage massif permettent théoriquement de comparer sur n’importe quelle espèce la fréquence des mutations délétères ou potentiellement délétères entre populations. Nous proposons de tester l’hypothèse de purge sur une large échelle taxonomique – 10 espèces d’insectes non-modèles. Pour cela, nous utiliserons un protocole de capture d’exons développé dans notre laboratoire et conçu pour les espèces non-modèles, puis nous quantifierons et comparerons le fardeau génétique des populations natives, envahissantes et en expansion spatiale.
L’objectif de ce projet sera à la fois une première technique et scientifique : (i) mise en application d’un protocole de capture d’exomes et de comparaison de fardeaux généralisable sur des espèces non-modèles, (ii) test sur des populations clés d’un grand nombre d’espèces envahissantes des hypothèses de la purge des allèles délétères et du fardeau d’expansion. Ce projet permettra d’avoir une réponse quasi définitive sur l’hypothèse de purge en biologie des invasions et constituera une ouverture technique de toute première importance pour étudier l'évolution du fardeau génétique chez toute une série d’organismes d’intérêt (e.g. auxiliaires de lutte biologique, animaux d’élevage, espèces menacées).