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Comment les êtres vivants se perpétuent face aux changements de leur environnement

La robustesse et la plasticité facilitent l’évolution génétique des populations


Tous les êtres vivants montrent une certaine robustesse face aux fluctuations de leur environnement. Parfois ils exhibent une plasticité : leur apparence change alors avec les conditions environnementales.
Sur des échelles de temps long, les espèces s’adaptent aux changements de leur environnement avec des modifications du contenu génétique de leurs populations, par exemple des mutations.
Des chercheurs de l’Inra Versailles-Grignon, par une modélisation à partir du comportement de populations de bactéries, montrent que cette adaptabilité génétique va de pair avec la robustesse et la plasticité.
 

Le désir de définir le rôle de l’environnement dans l’évolution d’un être, est bien plus ancien que la découverte des chromosomes et du matériel génétique et il se retrouve au cœur de quelques uns des travaux actuels de recherche.
Une équipe de l’unité de recherche de Génétique Végétale, au Moulon de Gif sur Yvette, apporte sa compréhension des intéractions 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 d’organisations génétiques bactériennes, les chercheurs vérifient et incrémentent les modèles de leurs déductions logiques.
Il est en effet  possible de modéliser comment la robustesse et la plasticité influent l'adaptabilité d'une population à un changement environnemental.
Dans ce travail de modélisation les chercheurs peuvent faire varier à volonté les paramètres, ce qui leur permet d’extrapoler certaines de leurs déductions, aux règnes végétal et animal.


La robustesse phénotypique1

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 puisqu’elle se manifeste également quand le génotype est légèrement modifié.


La plasticité phénotypique

Par contre lors de variations importantes de son environnement, un même génotype peut conduire à plusieurs phénotypes, c'est la plasticité.

Un exemple : la couleur des hortensias roses (phénotype principal dans un certain type de sol) varie (phénotypes alternatifs) dans une gamme continue jusqu’au bleu et inversement, suivant l’acidité des sols.

@Inra, B. Nicolas
Parterre d'hortensias roses et bleutés

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.


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.2

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.
Ces phénomènes sont souvent importants en évolution expérimentale, par exemple, des colonies de bactéries opérant à haute température ont été développées en sélectionnant d'abord sur la thermo sensibilité. Ou encore les performances de souches microbiologiques pourraient être améliorées, par exemple la résistance à l’éthanol de levures (champignons) en œuvre lors de la fabrication du vin.

1Première publication en 1729 sur des rythmes endogènes d’êtres vivants que l’on appellera plus tard horloges biologiques, souvent citées en exemple de robustesse phénotypique.
Un savant français, Jean-Jacques D’Ortous de Mairan, fait publier pour la première fois que le rythme du mouvement de plantes observable à l’alternance jour/nuit  se poursuit durant quelques jours en conditions d’obscurité.
En réalité c’est un ami, Monsieur Marchant qui procède à la publication, JJO de Mairan étant très pris par d’autres occupations.
 
De Mairan, J.J.O. 1729. Observation Botanique, Histoire de l'Académie Royale des Sciences, Paris, p.35

 

Une représentation dessinée de l’expérience de Monsieur de Mairan.

(Trad.) à l’exposition de la lumière naturelle du jour (en haut à gauche) les feuilles sont ouvertes et la nuit (en haut à droite) elles se replient. De Mairan montra que la lumière du jour n’était pas nécessaire au mouvement des plantes, en les plaçant dans une obscurité totale ; Dans ces conditions constantes les feuilles continuèrent à s’ouvrir pendant le jour (en bas à gauche) et à se replier la nuit (en bas à droite). Copyright 1982 by Moore-Ede et al.. The Clocks That Times us : Physiology of the Circadian Timing System. Harvard University Press, Cambridge, Mass.



2Deux cas où l’on retrouve la corrélation :

. La téosinte considérée comme la plante descendante de l'ancêtre non domestiqué 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.
 
 @ Inra
Téosinte
@ Inra
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.

 @ la-nature-vosgienne-le-site.wifeo.com
Trèfle commun
 @ Inra, C. Maitre
Feuille multifoliée couleur chocolat de trèfle à 4 feuilles (Trifolium repens multifolium). Obtention Inra-Unité de Recherche en Génétique et Amélioration des Plantes-Centre de Dijon / Claire Mousset-Déclas. Exploitation agricole de Mr et Mme Baartman, GAEC des Picards, les Oudots, 58450 Annay

Glossaire :   
. Génotype : Ensemble de l'information génétique d'un individu, qu'elle soit exprimée ou non.
. Pour mémoire le génome est le matériel génétique d’une espèce ou d'un individu.
. Phénotype : Ensemble des caractères observables d'un organisme. Le phénotype correspond à la réalisation du génotype (expression des gènes) mais aussi des effets du milieu et de l'environnement.

Références :
. Phenotypic robustness can increase phenotypic variability after nongenetic perturbations in gene regulatory circuits, 2011, Espinosa-Soto C.  Martin O. C.  Wagner A., Journal of evolutionary biology, 24
. Phenotypic plasticity can facilitate adaptive evolution in gene regulatory circuits, 2011, Espinosa-Soto C.  Martin O. C.  Wagner A., BMC Evolutionary Biology, 11: 5

Contact scientifique
Olivier Martin, Inra, université Paris-Sud-11, Unité mixte de recherches Génétique Végétale, Inra, Cnrs, université Paris-Sud-11 et Ina Pg. Centre Inra Versailles-Grignon. (Olivier Martin, un des portraits du centre Inra Versailles-Grignon)
olivier.martin@moulon.inra.fr
 

Date de création : 26/10/2011
Date de dernière mise à jour : 20/02/2012

 
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