vendredi , 15 décembre 2017

Le pigeon migrateur montre l’effet de la sélection naturelle dans une grande population

Le pigeon migrateur, connu également comme la Tourte ou colombe voyageuse, a connu une histoire dramatique. Sa population est passée de 3 milliards à 0 en quelques décennies. Et désormais, une étude suggère que c’est justement sa grande taille de population qui a facilité son extinction à cause de certains effets de la sélection naturelle. Toutefois, l’hypothèse avancée par les chercheurs est à prendre avec la précaution qui s’impose.


Le pigeon migrateur montre l’effet de la sélection naturelle dans une grande population
Des pigeons migrateurs provenant du Denver Museum of Nature & Science - Crédit : Rene O'Connell
Le pigeon migrateur (à ne pas confondre avec le pigeon voyageur) est célèbre pour sa population gigantesque en Amérique du Nord (estimée entre 3 et 5 milliards) et pour son extinction rapide face à l’abattage de masse par les humains. Pourtant, on ignorait pourquoi cette espèce n’a pas pu survivre dans quelques petites populations isolées.

La population gigantesque et l’extinction rapide du pigeon migrateur

Une hypothèse, qui est cohérente avec les résultats d’une nouvelle étude publiée dans Science, suggère que les pigeons migrateurs étaient bien adaptés pour vivre dans de grands conglomérats, mais mal adaptés pour vivre en plus petits groupes et la population s’est réduite si rapidement qu’ils ont été incapables de s’adapter.1

Les pigeons migrateurs se sont bien adaptés pendant des dizaines de milliers d’années, puis ils ont disparu du jour au lendemain à l’échelle évolutionnaire. Ils sont passés de 3 milliards à 0 en quelques décennies. Le paradoxe est que c’est leur gigantesque population qui a pu être un facteur d’extinction selon Beth Shapiro, professeure d’écologie et de biologie évolutionniste à UC Santa Cruz.

L’équipe de Shapiro a examiné la diversité génétique des pigeons migrateurs en utilisant de l’ADN récupéré sur des spécimens de musée. Les chercheurs ont confirmé des observations précédentes d’une diversité génétique remarquablement faible dans la population de pigeons migrateurs. Les autres chercheurs avaient vu des signes d’une population instable dans cette faiblesse génétique, mais la nouvelle étude a abouti à des conclusions très différentes.

Des pigeons migrateurs provenant du Denver Museum of Nature & Science - Crédit : Rene O'Connell

Des pigeons migrateurs provenant du Denver Museum of Nature & Science – Crédit : Rene O’Connell

Ce que nous avons fait était de regarder la variation de la diversité à travers le génome. Nous avons trouvé que ce n’était pas seulement plus faible que prévu dans l’ensemble, mais il était aussi plus variable et nous avons pu observer les régions de diversité élevée et faible dans le génome du pigeon migrateur selon la première auteure Gemma Murray, chercheuse postdoctorale au laboratoire de paléogénomique de Shapiro à l’UC Santa Cruz.

Une faible diversité génétique à cause de la sélection naturelle

L’analyse a révélé des tendances dans le génome du pigeon migrateur en indiquant que la faible diversité génétique de l’espèce était le résultat de la sélection naturelle. La sélection naturelle produit la propagation rapide de mutations bénéfiques à travers la population et l’élimination des mauvaises mutations. Les chercheurs n’ont pas trouvé les mêmes modèles de diversité génétique à travers le génome du pigeon à queue barrée qui est très proche et qui compte une population relativement petite d’environ 2 millions d’individus dans l’ouest de l’Amérique du Nord.

Quand nous avons examiné les taux d’évolution adaptative et de sélection purificatrice chez les 2 espèces, nous avons trouvé que la sélection naturelle avait entraîné un taux d’évolution adaptative plus rapide chez les pigeons migrateurs et une purge plus rapide des mutations négatives selon Murray. C’est exactement ce qu’on attend de la sélection naturelle.

Quand une mutation bénéfique se propage à travers une population, elle transporte avec elle des segments d’ADN adjacents de sorte que les générations suivantes portent non seulement la bonne mutation, mais également des sections entières d’ADN identiques. Ces régions de faible diversité peuvent être décomposées par recombinaison. C’est un processus dans lequel les chromosomes appariés échangent des sections d’ADN pendant la formation des ovules et des spermatozoïdes (ce qui explique pourquoi les parents ne transmettent pas les copies exactes de leurs chromosomes à leur progéniture).

Une incapacité à s’adapter à la réduction de la population

La recombinaison a tendance à se produire moins fréquemment au milieu des chromosomes qu’aux extrémités et c’est une tendance qui est particulièrement prononcée chez les oiseaux. Dans le génome du pigeon migrateur, les chercheurs ont découvert que les zones de faible diversité génétique se situaient au milieu des chromosomes tandis que les régions de diversité plus élevée se trouvaient aux extrémités.

Aux extrémités des chromosomes, la mutation bénéfique est quasi parfaite en raison du taux élevé de recombinaison selon Shapiro. Quand les chercheurs ont examiné les gènes qui présentaient des signes d’évolution adaptative, ils en ont trouvé une grande quantité qui pourrait être liée aux aspects de l’écologie du pigeon migrateur et aux exigences de la vie dans de grands groupes. Parmi les 32 gènes ayant une forte évidence d’évolution adaptative, on trouve des gènes associés au système immunitaire et à la réduction du stress (les grandes populations denses ont tendance à avoir de nombreuses maladies et du stress social) et à manger énormément certains aliments.

La population du pigeon migrateur était estimé à environ 3 milliards à 5 milliards au 19e siècle, mais l'espèce a été exterminé en quelques décennies par les agriculteurs américains - Crédit : Rene O'Connell

La population du pigeon migrateur était estimé à environ 3 milliards à 5 milliards au 19e siècle, mais l’espèce a été exterminé en quelques décennies par les agriculteurs américains – Crédit : Rene O’Connell

Ces résultats sont conformes à l’idée que l’adaptation du pigeon migrateur à de grandes populations a pu devenir un handicap quand sa population s’est réduite. Nos résultats correspondent à cette hypothèse et nous ne trouvons aucune preuve que la population était instable avant que les humains commencent à les chasser selon Murray.

Le paradoxe de Lewontin

L’étude a également des implications théoriques importantes pour les généticiens de population. La théorie des populations prédit que les espèces, avec de grandes populations, devraient avoir une plus grande diversité génétique que celles avec des populations plus petites, mais cette prédiction suppose que la majeure partie du génome évolue de façon neutre par dérive génétique en accumulant des mutations aléatoires sans effets bénéfiques ou négatifs. Les généticiens de la population utilisent souvent des modèles qui supposent une évolution neutre pour faire des inférences sur l’histoire d’une population.

C’est une hypothèse fréquente que si une espèce a une faible diversité génétique, alors elle a traversé un goulot d’étranglement de population à un moment donné dans le passé selon Murray. Mais les prédictions théoriques sur la relation entre la taille de la population et la diversité génétique ne sont pas confirmées dans le monde réel. On connait ce problème comme le paradoxe de Lewontin (d’après le biologiste évolutionniste Richard Lewontin) et selon Shapiro, cela peut être parce que la sélection naturelle est plus efficace dans des populations plus grandes et peut diluer les effets des changements aléatoires en rendant l’hypothèse d’évolution neutre invalide.

La sélection naturelle devrait avoir une plus grande influence sur les grandes populations à la fois parce que des mutations fortement bénéfiques sont plus susceptibles de se produire, mais aussi parce que dans de petites populations, les événements aléatoires ont un effet plus important sur ce qui est transmis à la génération suivante. Des preuves à l’appui de cette explication du paradoxe de Lewontin ont été présentées dans un article publié en 2015 par Russell Corbett-Detig, professeur de génie biomoléculaire à l’UC Santa Cruz et co-auteur du nouveau papier. Le pigeon migrateur et le pigeon à queue barrée, des espèces similaires avec des tailles de population très différentes, ont offert une opportunité parfaite pour tester l’idée selon Shapiro.

L’interaction entre le paysage de la recombinaison et l’énorme taille de la population des pigeons migrateurs nous permet de voir ce qui se cache derrière le paradoxe de Lewontin selon Shapiro. Dans la plupart des espèces, il est probablement certain de supposer que la majorité du génome évolue de manière neutre, mais pour les espèces avec de très grandes populations, on sera moins affirmatif. Ces processus qui utilisent la diversité génétique pour faire des inférences sur les changements historiques dans la taille d’une population ne fonctionnent pas du tout pour le pigeon migrateur.

Sources

1.
Natural selection shaped the rise and fall of passenger pigeon genomic diversity. Science. http://dx.doi.org/10.1126/science.aao0960.
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A propos de Jacqueline Charpentier

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Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d’emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l’actualité scientifique et celle de la santé.

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