Une planète en mutation menace de nombreuses espèces, dont les bourdons, pollinisateurs d'importance mondiale dans les écosystèmes naturels et dans la production agricole alimentaire. Afin de mieux comprendre les variations génétiques et les adaptations qui sous-tendent leur écologie et leur comportement diversifiés, une équipe internationale codirigée par des chercheurs du SIB à l'Université de Lausanne a séquencé le génome de 17 espèces de bourdons. Cette première caractérisation génomique à l'échelle du genre ouvre de nouvelles possibilités pour protéger leur biodiversité.
Les bourdons : champions de l'écologie en danger
Les bourdons appartiennent au genreBombus, membre de la famille des Apidae qui comprend les abeilles mellifères, les bourdons, les abeilles sans dard et bien d'autres encore. Avec plus de 250 espèces, les bourdons sont facilement reconnaissables à leur taille, leur pelage velu et leur apparence duveteuse. Tout comme les quelque 5 000 autres espèces d'abeilles présentes dans le monde, ils jouent un rôle écologique essentiel dans la pollinisation des plantes, indispensable à l'alimentation mondiale. Néanmoins, une série de causes interdépendantes, telles que la destruction de leur habitat, l'utilisation intensive de pesticides agricoles, le réchauffement climatique et la transmission d'agents pathogènes, ont considérablement contribué au déclin des populations d'abeilles maçonnes indigènes dans le monde entier.
Collaboration internationale pour cartographier la variation génétique des bourdons
Une équipe internationale composée de partenaires chinois, britanniques, américains, russes, italiens et allemands, codirigée par Robert Waterhouse, chef du groupe SIB , a séquencé et analysé 17 espèces de bourdons représentant les 15 sous-groupes du genre Bombus. « Nos travaux fournissent des ressources génomiques de haute qualité qui capturent les variations génétiques et phénotypiques naturelles chez les bourdons, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour exploiter et protéger leur diversité », explique M. Waterhouse. Cette étude comparative à grande échelle, publiée dans la revue Molecular Biology and Evolution et présentée comme une recherche phare dans Nature Reviews Genetics, fournit la première quantification à l'échelle du genre de la diversité génétique et génomique potentiellement liée à des traits écologiques et comportementaux clés chez les bourdons.
Signes d'adaptations génétiques liées à la vie, à l'alimentation, au comportement et à l'environnement
Outre l'examen de la diversité, l'équipe a utilisé les ressources BUSCO et OrthoDB de SwissOrthology du SIB pour caractériser l'évolution génomique en identifiant des gènes « équivalents » entre les espèces (voir « La science de la comparaison des génomes »). Plusieurs caractéristiques génétiques intéressantes ont été découvertes, suggérant des adaptations permettant de reconnaître les fleurs, de mieux supporter la vie en altitude et d'être capable de butiner des sources de nourriture rares sur de longues distances. Il est intéressant de noter que l'étude a également révélé que les bourdons possèdent moins de gènes impliqués dans la détoxification des pesticides ou la défense contre les agents pathogènes que de nombreux autres insectes. Ces différences pourraient aider les chercheurs à comprendre pourquoi certaines espèces sont mieux équipées que d'autres pour tolérer ou éliminer les toxines ou les maladies.
La science de la comparaison des génomes
Les génomes des espèces vivantes aujourd'hui ont été hérités de leurs ancêtres au cours de millions d'années d'évolution. En les comparant entre les espèces, les scientifiques peuvent découvrir toute une série de caractéristiques évolutives, telles que l'âge d'un gène (quand et dans quelle espèce le gène est-il apparu pour la première fois), son taux d'évolution (à quelle vitesse la séquence protéique du gène change) et son emportement (par combien d'espèces un gène est partagé). Livio Ruzzante explique : « En génomique comparative, nous cherchons en particulier à identifier les gènes orthologues entre les espèces : ces gènes « équivalents » ont évolué à partir du même gène d'origine chez leur dernier ancêtre commun et, le plus souvent, ils ont des fonctions identiques ou similaires ». Les recherches de Livio se concentrent sur le développement d'approches computationnelles permettant de quantifier ces changements pour tous les gènes orthologues identifiables d'un ensemble donné d'espèces, définissant ainsi un ensemble de caractéristiques évolutives qui peuvent ensuite être mesurées ou déduites. Les gènes présentant les caractéristiques les plus variables sont susceptibles d'être au moins partiellement responsables de la diversité écologique et comportementale observée entre les espèces.
Le cas des bourdons coucous
Les bourdons coucous n'ont pas de caste ouvrière et prennent le contrôle des colonies sociales de bourdons en détrônant leur reine. En raison de ce comportement atypique, on a longtemps pensé qu'ils n'étaient que des parents éloignés des bourdons. Les résultats de l'équipe montrent cependant que les bourdons coucous sont de véritables membres du genre Bombus. Il est intéressant de noter que leur particularité comportementale semble également se refléter dans leur génome : les bourdons coucous semblent avoir perdu plusieurs gènes codant pour des protéines détectant les odeurs. Comme cette espèce asservit les ouvrières de la colonie hôte pour collecter le pollen et élever sa progéniture, elle n'a peut-être plus besoin de ce type de protéines. « Ces protéines détectant les odeurs, également appelées récepteurs olfactifs, ont en fait été parmi les familles de gènes qui ont évolué le plus dynamiquement chez toutes les espèces », explique Livio Ruzzante, membre du SIB. Le développement de méthodes informatiques permettant de quantifier ces caractéristiques évolutives est au cœur des recherches doctorales de Livio Ruzzante (voir « La science de la comparaison des génomes »), qui vise à établir un lien entre les modèles d'évolution des familles de gènes et les types de fonctions biologiques qu'ils remplissent.
Cette étude fournit aux chercheurs une base leur permettant de mieux comprendre comment l'utilisation accrue des monocultures et des pesticides dans l'agriculture moderne, ainsi que les changements climatiques, ont un impact sur la biodiversité des bourdons, ce qui pourrait à son tour faire progresser la recherche et les applications dans le domaine de la gestion intégrée des terres agricoles et de la préservation ou de la restauration des écosystèmes.
Reference(s)
Crédit image bannière : Janneke Alkema de Pixabay
