Comment les êtres vivants se perpétuent-ils dans un environnement changeant ?

Grâce aux données issues de connaissances de génétiques bactériennes, des chercheurs de l’Inra Versailles-Grignon montrent que l’adaptabilité génétique va de pair avec la robustesse et la plasticité.

Parterre d'hortensias roses et bleutés. © NICOLAS Bertrand
Mis à jour le 04/07/2013
Publié le 15/02/2012

Tous les êtres vivants montrent une certaine robustesse face aux fluctuations de leur environnement et parfois leurs apparences changent avec les conditions environnementales, ils exhibent alors une plasticité.
Sur des échelles de temps long, les espèces s’adaptent au changement de leur environnement avec des modifications du contenu génétique de leur population, par exemple des mutations.

 

Théories et modélisation

Une équipe de l’unité de recherche de Génétique végétale (Inra, Université Paris Sud, CNRS) apporte sa compréhension des interactions entre l’environnement, les génotypes, les phénotypes et les gènes eux-mêmes.
Par une modélisation assistée par ordinateur et grâce aux données issues des connaissances acquises autour de l'organisation génétique bactérienne, les chercheurs vérifient et incrémentent les modèles de leurs déductions logiques. Ils construisent des modélisations qui montrent comment la robustesse et la plasticité influent sur l'adaptabilité d'une population à un changement environnemental.
Des paramètres peuvent être changés à volonté, ce qui permet d’extrapoler certaines déductions, aux règnes végétal et animal.

 

La robustesse phénotypique

Pour de faibles variations environnementales dans une population et pour chacun des individus, une organisation génétique (génotype) a tendance à donner un ensemble de caractères observables (phénotype) stable ; cette robustesse s'étend aux variations génétiques : un bon nombre de mutations n'a pas de conséquence visible sur l’individu. La robustesse phénotypique aux mutations permet ainsi une assez grande diversité génétique.

En 1729, Jean-Jacques d'Ortous de Mairan, mathématicien, astronome et géophysicien français, montre la nature endogène des rythmes biologiques - que l'on cite souvent comme exemple de robustesse phénotypique - grâce à ses observations  sur le mouvement des feuilles de mimosa.
Cette plante ouvre ses feuilles le jour et les replie la nuit. Lorsque J. J. de Mairan place la plante à l'abri de la lumière solaire, il constate que ce mouvement se répète. Le comportement circadien persiste donc, même en absence d'indices environnementaux.
Ces travaux feront l'objet de la première publication sur le sujet.

de Mairan J.J. 1729. Observation botanique. Hist. Acad. Roy. Sci. 35.

 

 

La plasticité phénotypique

Par contre lors de variations importantes de son environnement, un même génotype peut conduire à plusieurs phénotypes, c'est la plasticité.
Comme les conditions environnementales sont toujours fluctuantes, les individus avec des phénotypes alternatifs mieux adaptés, vivent et se reproduisent dans un premier temps, puis on peut s'attendre à voir apparaître parmi eux des mutants qui ont ces mêmes phénotypes mais en phénotypes principaux.
La plasticité phénotypique favorise ainsi une adaptation génétique.

Un exemple de plasticité : la couleur des hortensias roses (phénotype principal) varie (phénotypes alternatifs) dans une gamme continue du rose jusqu’au bleu et inversement, en conditions acides. 

 

 

Il en résulte deux grandes tendances

  • si parmi différents phénotypes l’un est plus robuste que la moyenne, il peut être obtenu par un plus grand nombre de génotypes différents. Cet effet permet aux populations ayant ce phénotype d'avoir une plus grande diversité génétique, ce qui sur le long terme peut accélérer l'apparition de nouveaux phénotypes suite à des mutations et ainsi aider l'adaptation à des changements de l'environnement ou climatiques ;
  • après avoir comparé les différents génotypes des phénotypes alternatifs qui apparaissent sous modifications environnementales, les chercheurs constatent qu’entre un phénotype alternatif et un autre identique mais principal, les génotypes sont proches.

Il y a donc une corrélation entre les conséquences d'une perturbation génétique et celles d’une perturbation environnementale.

Deux cas où l'on retrouve la corrélation :

  • la téosinte considérée comme l'ancêtre du maïs : sous stress compétitif, elle développe une grande tige (comme le maïs), et une mutation a permis de fixer ce phénotype, lors de la domestication, pour conduire au maïs.
  • le trèfle pour lequel le phénotype à quatre folioles est déterminé, soit par un gène, soit par des facteurs environnementaux qui permettent de produire à volonté des trèfles à quatre feuilles.

 

En dehors d’un possible élément de réponse à la question de savoir pourquoi il existe une grande variabilité de mutations, ces résultats de recherches justifient une stratégie particulière d'amélioration variétale dans laquelle on exploite la plasticité phénotypique aux perturbations du milieu pour augmenter les chances de trouver des changements génétiques adaptatifs.

En savoir plus

. Espinosa-Soto C. et al. 2011. Phenotypic robustness can increase phenotypic variability after nongenetic perturbations in gene regulatory circuits. J. Evol. Biol. 24: 1284.
. Espinosa-Soto C. et al. 2011. Phenotypic plasticity can facilitate adaptive evolution in gene regulatory circuits. BMC Evolutionary Biology 11: 5.