Les pu­naises d’eau, une évo­lu­tion à contre-cou­rant

La Recherche - - Actualités - Gau­tier Ca­riou M. E. San­tos et al., Science, 386, 2017.

Des bio­lo­gistes ont iden­ti­fié deux gènes res­pon­sables de l’ap­pa­ri­tion, au bout des pattes de pu­naises d’eau, d’une struc­ture en forme d’éven­tail. Ré­cente dans l’his­toire évo­lu­tive de ces in­sectes, elle leur a per­mis de s’adap­ter à la vie dans les ruis­seaux.

Même pour les plus spor­tifs, ra­mer à contre-cou­rant n’est pas de tout re­pos. Pour­tant, cer­taines es­pèces y par­viennent sans se fa­ti­guer. C’est le cas des pu­naises d’eau du genre Rha­go­ve­lia. Ces in­sectes se­mi-aqua­tiques uti­lisent leur paire de pattes cen­trales comme des rames pour se pro­pul­ser à la sur­face de l’eau. Sur­tout, contrai­re­ment aux autres genres de pu­naises d’eau, elles pos­sèdent à l’ex­tré­mi­té de ces pattes une struc­ture en forme d’éven­tail qui leur per­met de se dé­pla­cer sans ef­fort mal­gré le cou­rant. Com­ment ce trait mor­pho­lo­gique est-il ap­pa­ru au cours de l’évo­lu­tion ? Après une en­quête mi­nu­tieuse de plus de trois ans, Ab­der­rah­man Khi­la et son équipe, de l’Ins­ti­tut de gé­no­mique fonc­tion­nelle de Lyon, ont iden­ti­fié deux gènes di­rec­te­ment res­pon­sables de la for­ma­tion de ces éven­tails (1). Ils ont ain­si mis en lu­mière un mé­ca­nisme d’évo­lu­tion in­édit, qui in­vite les bio­lo­gistes à ré­exa­mi­ner leurs connais­sances sur l a di­ver­si­fi­ca­tion évo­lu­tive. L’en­quête com­mence par un constat : par­mi les 200 es­pèces du genre Rha­go­ve­lia, toutes sans ex­cep­tion ont ac­quis et conser­vé cette struc­ture en éven­tail au fil des gé­né­ra­tions, té­moi­gnant d’une sé­lec­tion na­tu­relle très im­por­tante en fa­veur de ce trait. Ce genre est d’ailleurs le seul à s’être adap­té à la vie dans les ruis­seaux à fort cou­rant. Les autres pu­naises d’eau n’ont pas dé­ve­lop­pé cette struc­ture et vivent ex­clu­si­ve­ment sur des eaux stag­nantes. C’est no­tam­ment le cas du genre Stri­du­li­ve­lia, le plus proche pa­rent de Rha­go­ve­lia. Ce­la si­gni­fie que leur an­cêtre com­mun ne pos­sé­dait pas ce trait et n’a donc pas pu le trans­mettre à sa des­cen­dance. D’où vient alors cette nou­veau­té évo­lu­tive ? Est-elle liée à l’ap­pa­ri­tion d’un nou­veau gène ou pro­vient-elle d’un gène an­ces­tral dé­jà exis­tant qui se se­rait ex­pri­mé dif­fé­rem­ment au gré des mu­ta­tions aléa­toires ? Pour ré­pondre à ces ques­tions, les bio­lo­gistes ont tout d’abord iden­ti­fié les gènes à l’ori­gine de la for­ma­tion des éven­tails. « Nous avons ana­ly­sé l’ex­pres­sion de di­zaines de mil­liers de gènes pen­dant le dé­ve­lop­pe­ment em­bryon­naire de spé­ci­mens de Rha­go­ve­lia, au mo­ment où les éven­tails com­mencent à se dé­ve­lop­per, entre 120 et 144 heures après le dé­but de l’em­bryo­ge­nèse » , ex­plique Ab­der­rah­man Khi­la. En pra­tique, les bio­lo­gistes ont ar­ra­ché cha­cune des trois paires de pattes de ces em­bryons lors de cette courte fe­nêtre tem­po­relle, puis ils ont com­pa­ré l’ex­pres­sion de leurs gènes. « Lors­qu’un gène s’ex­prime, ce­la en­gendre la pro­duc­tion d’une mo­lé­cule bap­ti­sée ARN mes­sa­ger, in­dique Ab­der­rah­man Khi­la. En dres­sant la liste de ces ARN par des mé­thodes de sé­quen­çage, nous en avons dé­duit les gènes ac­tifs au mo­ment de la for­ma­tion des éven­tails. Ré­sul­tat : 87 gènes le sont spé­ci­fi­que­ment dans la paire de pattes du mi­lieu, où se forment les éven­tails. »

Cinq gènes can­di­dats

Pro­blème ré­so­lu ? Non, car chaque patte pos­sède au to­tal cinq seg­ments, dont seul le der­nier dé­ve­loppe un éven­tail. Com­ment iden­ti­fier, par­mi les 87 gènes, ceux qui s’ex­priment uni­que­ment à l’en­droit de la patte où l’éven­tail se forme ? L’équipe lyonnaise a uti­li­sé une tech­nique d’« hy­bri­da­tion in si­tu ». Elle consiste à in­cu­ber les em­bryons avec des mar­queurs qui vont se lier spé­ci­fi­que­ment aux ARN mes­sa­gers, cor­res­pon­dant aux 87 gènes iden­ti­fiés. Dès que cette hy­bri­da­tion à lieu – le gène est alors ac­ti­vé –, le mar­queur de­vient vi­sible sous la forme d’une tache noire qui ap­pa­raît sur l’em­bryon. « On peut ain­si sa­voir pré­ci­sé­ment où et quand les gènes s’ex­priment aux dif­fé­rents stades du dé­ve­lop­pe­ment, dé­taille Ab­der­rah­man Khi­la. Ce pro­cé­dé nous a per­mis de ré­duire la liste à cinq gènes can­di­dats. »

Les bio­lo­gistes ont af­fi­né da­van­tage : ils ont in­ac­ti­vé l’un après l’autre les cinq gènes pour éva­luer leurs consé­quences res­pec­tives sur le dé­ve­lop­pe­ment de l’éven­tail. Ré­sul­tat : l’in­ac­ti­va­tion de trois de ces gènes n’a eu au­cune consé­quence sur la for­ma­tion de l’éven­tail. Quant aux deux gènes res­tants, lors­qu’ils sont in­ac­ti­vés, la for­ma­tion des éven­tails est in­hi­bée.

His­toire de gei­shas

Ces deux gènes sont donc di­rec­te­ment res­pon­sables de l’ap­pa­ri­tion de cette struc­ture ayant per­mis à Rha­go­ve­lia de s’adap­ter aux eaux vives et de co­lo­ni­ser une nou­velle niche éco­lo­gique. Les cher­cheurs les ont res­pec­ti­ve­ment sur­nom­més « mo­ther of gei­sha » et « gei­sha », en ré­fé­rence aux éven­tails des gei­shas ja­po­naises. Le pre­mier gène existe chez les autres pu­naises d’eau, mais a mu­té de telle sorte qu’il s’ex­prime au bout des pattes des Rha­go­ve­lia. Le se­cond est un nou­veau gène dans l’his­toire évo­lu­tive des pu­naises d’eau, et unique au genre Rha­go­ve­lia. La dé­cou­verte d’un nou­veau gène comme vec­teur d’un nou­veau trait mor­pho­lo­gique est sur­pre­nante. « Elle ren­voie à la ques­tion gé­né­rale de l’ap­pa­ri­tion des nou­veau­tés évo­lu­tives, es­time Ben­ja­min Prud’ homme, bio­lo­giste de l’évo­lu­tion à l’Ins­ti­tut de bio­lo­gie du dé­ve­lop­pe­ment de Mar­seille. Ces nou­veau­tés re­quiè­ren­telles de “nou­veaux” gènes, ou bien des gènes an­ces­traux exis­tant de­puis long­temps sont-ils suf­fi­sants pour créer de la nou­veau­té ? » Le mo­dèle do­mi­nant en science de l’évo­lu­tion, étayé par de nom­breux exemples, est que l’on fait du neuf es­sen­tiel­le­ment avec du vieux. L’équipe d’Ab­der­rah­man Khi­la ap­porte un contre-exemple bien do­cu­men­té de nou­veaux gènes im­pli­qués dans l’émer­gence d’une nou­velle struc­ture. « Ce­la va re­lan­cer la dis­cus­sion sur le rôle des nou­veaux gènes dans la di­ver­si­fi­ca­tion évo­lu­tive », pré­dit Ben­ja­min Prud’homme.

Les pu­naises d’eau Rha­go­ve­lia (en bas) ont, au bout de leurs pattes cen­trales, une sorte d’éven­tail (en haut) très utile pour re­mon­ter le cou­rant sans ef­fort.

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