L'(épi)génome : la face cachée pour le succès des espèces invasives ! Ecrevisse, frelon, jussie, même combat !



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ARTICLE DANS FUNCTIONAL ECOLOGY

Dans un article publié dans Functional Ecology en février 2019, Julien Genitoni (INRA ESE) et ses collègues font un état de l’art des études du lien entre épigénétique, éléments transposables et plasticité phénotypique chez les espèces invasives et le rôle de ces mécanismes dans l’adaptation et la réussite des invasions.


Les changements globaux d’origine anthropique affectent de manière importante les écosystèmes. La vitesse de ces altérations engendre une réduction de la biodiversité, un grand nombre d’espèces n’ayant pas le temps de s’adapter à leur nouvel environnement. Les activités humaines offrent de nouvelles opportunités de dispersion pour les espèces exotiques envahissantes, ou plus communément appelées par son anglicisme « invasive ». Ce sont des espèces animales ou végétales qui, transportées dans un nouvel environnement, vont s’y développer, s’étendre plus que de raison et in fine causer des problèmes économiques et écologiques. L’exemple le plus connu est celui du frelon asiatique bien plus agressif que son cousin européen. Le préjudice financier représente plusieurs milliards par an uniquement aux États-Unis et ces invasions représentent la troisième menace qui pèse sur la biodiversité derrière le changement climatique et la destruction des habitats. L’étude de ces espèces invasives est donc devenue primordiale pour réussir à limiter leurs impacts.


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Illustration 1 : Trois espèces invasives, en France, l’écrevisse de Louisiane, le frelon asiatique et la jussie grande fleur



On peut également voir les invasions biologiques comme des expériences naturelles permettant de mieux comprendre les mécanismes d’adaptation des espèces. Ainsi, le chercheur utilise ces espèces invasives comme modèles pour comprendre des phénomènes complexes et difficilement observables au laboratoire.

Comment une espèce, qui n’est pas adaptée localement, peut réussir à s’installer et remplacer les espèces autochtones ? Les scientifiques ont longtemps vu le succès des invasions biologiques comme un paradoxe. L’effet de goulot d’étranglement subi par la population introduite, goulot d’étranglement qui correspond à un faible nombre d’individus arrivant dans un nouvel environnement, devrait engendrer une réduction de son potentiel adaptatif. De nombreux chercheurs se sont penchés sur ce paradoxe, aujourd’hui résolus, et ont proposé de multiples hypothèses pour l’expliquer. Par exemple, Davidson et al. (2011) expliquent que ces espèces possèdent une plasticité phénotypique plus importante que les espèces dites natives. Cette dernière est définie comme le fait qu’un génome puisse donner plusieurs phénotypes correspondant à différents environnements.


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Illustration 2 : Le processus d’invasions comprend une étape d’introduction puis d’établissement et d’expansion et durant toute la durée de l’invasion des facteurs déterminants influencent sa réussite



Parmi les hypothèses plus récentes, on retrouve les mécanismes épigénétiques (Rey et al., 2016). Terme né/utilisé en 1942 par Conrad Waddington, l’épigénétique concerne les modifications moléculaires de l’expression du génome, sans changement de la séquence d’ADN, qui peuvent être héritables. Cette définition prend en compte plusieurs niveaux de modification nommée marques épigénétiques : la méthylation de l’ADN appelé “méthylome”, l’acétylation des histones et les ARN non codants. (Duncan et al. 2014).

Pourquoi s’intéresser à l’épigénétique chez les espèces invasives ? Parce que ces marques épigénétiques, comme la méthylation, sont sensibles à l’environnement. On peut citer l’exemple de la vernalisation, derrière ce phénomène qui décrit le processus qui promeut la floraison après une période de froid, se cache des mécanismes épigénétiques. Ces derniers interviennent dans de multiples processus liés de près ou de loin, au développement des organismes, à la mémoire et à la réponse aux stress biotiques ou abiotique mais aussi à l’expression de la plasticité phénotypique (Meyer, 2015, Crisp et al. 2016). La question de l’héritabilité de ces marques épigénétiques est centrale pour déterminer si ces mécanismes interviennent dans l'adaptation. De plus en plus de preuves s’accumulent et montrent que les marques épigénétiques peuvent être transmises à travers les générations. Et, si la capacité des modifications épigénétiques à se transmettre à la descendance est importante pour jouer un rôle dans l’adaptation, leur caractère réversible permet un ajustement aux conditions environnementales. En outre, ces mécanismes régulent les éléments transposables qui, découverts en 1950 par Mc Clintock, sont des petites séquences ADN nombreuses et capables de se déplacer (de « transposer ») dans le génome. Conjointement, ces processus pourraient participer à l’adaptation des organismes à de nouvelles contraintes. C’est l’objet de l’article de Marin/Genitoni et al., 2019 publié dans Functional Ecology et intitulé « Biological invasion: The influence of the hidden side of the (epi) genome ».

Les chercheurs font l’état des lieux des connaissances liant l’épigénétique, les éléments transposables et la plasticité phénotypique chez les invasions biologiques. Dans le sillage de Rey et al (2016), l’hypothèse d’un rôle primordial des éléments transposables et des mécanismes épigénétiques dans le succès des invasions biologiques est posée. Ces processus sont encore trop peu étudiés chez les espèces invasives. En effet, les espèces invasives, contrairement à Arabidopsis thaliana, ne sont pas des espèces modèles. Ainsi, on dispose de peu de données et de ressources les concernant. Cet état de fait complique l’étude approfondi des mécanismes génétiques et épigénétiques. S’ajoute à cela, la difficulté de séparer la composante génétique de la composante épigénétique dans des systèmes naturels, c’est pourquoi les chercheurs travaillent sur des populations dont la diversité génétique est presque nulle (population clonale et epiRILs, qui sont des lignées génétiquement identiques, mais qui différent au niveau épigénétique). Néanmoins, l’apport des nouvelles technologies de séquençage haut débit et d’outils bio-informatique venant des espèces modèles peuvent permettre de connaitre le génome et l’épigénome à moindre coût et donc de surmonter ces difficultés.



Référence
Marin, P, Genitoni, J, Barloy, D, et al. Biological invasion: The influence of the hidden side of the (epi)genome. Funct Ecol. 2019; 00: 116. https://doi.org/10.1111/1365-2435.13317



Références complémentaires
- Crisp PA, Ganguly D, Eichten SR, et al (2016) Reconsidering plant memory: Intersections between stress recovery, RNA turnover, and epigenetics. Science Advances 2:e1501340–e1501340. doi: 10.1126/sciadv.1501340
- Davidson, A. M., Jennions, M., & Nicotra, A. B. (2011). Do invasive species show higher phenotypic plasticity than native species and, if so, is it adaptive? A meta-analysis: Invasive species have higher phenotypic plasticity. Ecology Letters, 14(4), 419–431. doi:10.1111/j.1461-0248.2011.01596.x
- Duncan, E. J., Gluckman, P. D., & Dearden, P. K. (2014). Epigenetics, plasticity, and evolution: How do we link epigenetic change to phenotype?: EPIGENETICS, PLASTICITY, AND EVOLUTION. Journal of Experimental Zoology Part B: Molecular and Developmental Evolution, 322(4), 208–220. doi:10.1002/jez.b.22571
- Meyer, P. (2015). Epigenetic variation and environmental change: Fig. 1. Journal of Experimental Botany, 66(12), 3541–3548. doi:10.1093/jxb/eru502
- Rey O, Danchin E, Mirouze M, et al (2016) Adaptation to Global Change: A Transposable Element–Epigenetics Perspective. Trends in Ecology & Evolution 31:514–526. doi: 10.1016/j.tree.2016.03.013




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Julien Genitoni (INRA ESE, Agrocampus Ouest) / @