Il y a environ une décennie, le biologiste de l'évolution, Richard Merrill, passait plusieurs heures par jour dans un «Panama brûlant et chaud», assis dans une cage remplie de papillons Heliconius, dans l'attente de leur relation sexuelle.
«Ça a l'air glamour, pas vrai?» Rit-il.
Merrill vérifiait si les papillons hybrides mâles Heliconius flirteraient - sous forme de vol stationnaire ou de chasseurs - avec des papillons à ailes rouges Heliconius melpomene rosina ou des papillons à ailes blanches Heliconius cydno chioneus . Il a documenté cette cour papillon pour étudier la préférence de partenaire des hybrides, que lui et son équipe examineraient plus tard au niveau génétique.
Dans la nature, les papillons hybrides Heliconius sont rares. Heliconius melpomene et Heliconius cydno sont tous deux extrêmement toxiques, car ils ont évolué pour produire leur propre cyanure. Les prédateurs ont appris exactement à quoi ressemblaient ces deux insectes toxiques. Cependant, si les deux espèces se croisent, leur modèle en ailes devient un mélange désorientant des deux modèles de couleur, faisant des papillons hybrides une cible de choix pour la prédation. En conséquence, la vie des hybrides se termine souvent avant qu’ils ne puissent se reproduire.
Dans un article publié hier dans la revue PLOS Biology, Merrill et ses collègues ont confirmé pour la première fois que le comportement d'accouplement préférentiel de ces papillons est bien écrit dans leur ADN. Plus précisément, son équipe n'a trouvé que trois parties du génome qui contrôlent au moins 60% du comportement de choix du partenaire.
«Cela montre qu'un comportement complexe, tel que la préférence du partenaire, peut être associé à seulement trois régions du génome», explique Erica Westerman, biologiste de l'évolution à l'Université de l'Arkansas, qui n'a pas participé à l'étude. «C'est quelque chose que l'on pense associé à de nombreuses zones du génome. Cela nous permettra d'adopter une approche ciblée pour voir comment ces gènes influencent le comportement de ces papillons ».
Ici, les deux espèces - Heliconius cydno, à gauche, et Heliconius melpomene, à droite - courent dans un insectaire. C'est très rare dans la nature, mais les scientifiques peuvent les inciter à le faire en captivité. (Luca Livraghi) La manière exacte dont ces deux papillons Heliconius restent des espèces séparées reste un mystère. La spéciation, ou le processus de création d'une nouvelle espèce, s'explique facilement lorsqu'il existe des limites géographiques, telles que des montagnes, permettant de diviser physiquement une espèce en deux. Ce qui intrigue les scientifiques, c’est que H. melpomene et H. cydno vivent côte à côte dans les mêmes écosystèmes et se disputent les mêmes ressources depuis plus d’un million d’années. Pourtant, les papillons colorés et toxiques restent deux espèces distinctes, refusant de s'accoupler et de fusionner leurs traits génétiques.
C'est une démonstration parfaite d'un concept biologique appelé isolement de la reproduction, qui a fait des papillons Heliconius des sujets de prédilection pour les études évolutives depuis plus de 100 ans. Les scientifiques émettent l'hypothèse que l'isolement de la reproduction est maintenu, dans certains cas, par le biais d'un puissant couplage, ce qui signifie qu'un organisme ne se reproduira qu'avec un partenaire qui lui ressemble. Par conséquent, la barrière qui les divise n'est pas environnementale, mais plutôt génétique.
Merrill, qui est maintenant basé à l'Université Ludwig Maximilian de Munich, a utilisé une méthode qui montre quelles zones du génome ont le plus grand effet sur le comportement sexuel, mais elles n'ont pas identifié les gènes exacts. Même dans ce cas, leur analyse était suffisamment claire pour montrer que l’une des trois régions qui influent sur la préférence d’accouplement est proche d’un gène appelé optix, qui est connu pour contrôler les motifs d’ailes rouges vives de H. melpomene . ( Optix a une telle influence sur la couleur que l' activer et le désactiver à l'aide de l'outil d'édition de gène CRISPR peut rendre les ailes d'un papillon totalement incolores.) En fait, cette région génétique ne compte que 1, 2 centiMorgans, unités utilisées pour mesurer la distance. entre les gènes d'un chromosome, loin du gène optix .
Le fait que les chaînes génétiques contrôlant les préférences de partenaires soient si proches d’ optix, le gène qui crée les motifs des ailes ainsi que d’autres indices visuels, a des implications intéressantes pour les chercheurs qui étudient l’évolution de comportements tels que les préférences d’accouplement.
Un papillon Heliconius melpomene rosina repose sur une fleur. (Richard Merrill) «[Cette étude] fournit de nombreuses informations sur la façon dont les préférences et les indices de préférence sont liés physiquement», déclare Susan Finkbeiner, biologiste de l'évolution, de l'université de Chicago, qui n'a pas participé à l'étude. La recherche soutient l'idée «que le motif de couleur précédent et la préférence pour cette couleur particulière sont associés les uns aux autres».
Si le comportement d'accouplement et le trait de prédilection sont effectivement empêtrés physiquement sur un chromosome unique, ils seront tous deux transmis facilement à la génération suivante, en maintenant une sorte de barrière génétique entre les deux espèces. «Nous pouvons faire évoluer de nouvelles espèces sans évoquer de barrières physiques, comme des mers ou des montagnes», explique Merrill.
Une deuxième étude a montré que même si la survie des hybrides est rare, il s’est passé suffisamment de choses au cours des derniers millions d’années pour que ces deux papillons partagent dix fois plus de matériel génétique que les humains et les Néandertaliens. Il semble que même quelques cas de métissage peuvent avoir un effet important sur la génétique.
La recherche, dirigée par le biologiste de l'évolution Simon Martin de l'Université de Cambridge, a utilisé le séquençage du génome entier de neuf populations d' Heliconius pour déterminer les zones de l'ADN des papillons où l'hybridation et la sélection naturelle ont influencé la génétique de ces organismes au fil du temps. Le fait que les espèces restent si visuellement distinctes malgré des génomes très similaires réaffirme la force puissante de l’évolution dans la formation de l’arbre de vie.
«Il n'y a pas qu'un seul chemin d'évolution», déclare Martin. “C'est un réseau ou un web. Mais mon étude montre que c'est prévisible. Il y a un beau schéma prévisible dans cette toile complexe de la vie. "
En fin de compte, les résultats de Martin, également publiés dans PLOS Biology, renforcent également les conclusions de Merrill, montrant que les deux espèces restent séparées en raison des fortes barrières génétiques dans leur ADN nées de la sélection naturelle, barrières comme le lien entre optix et les préférences en matière de reproduction. Ce lien entre la couleur de l'aile et la préférence du partenaire ne peut pas être perdu, même chez les papillons hybrides, car les deux caractères génétiques sont si étroitement liés, voire même induits par les mêmes gènes. De telles barrières génétiques rendent la spéciation prévisible malgré la preuve d'événements d'hybridation historiques.
«Il y a de la prévisibilité à cause de la sélection naturelle», dit Martin. "Ce n'est pas seulement dans la création d'espèces, mais aussi dans la détermination des gènes qui sont transmis et de ceux qui ne le sont pas [qui] élèvent le rôle de la sélection naturelle dans l'évolution."
Dans une prochaine étape, Merrill espère trouver les gènes précis qui sous-tendent ce comportement de préférence de couleur des ailes. Il réfléchit peut-être sur l’apprentissage automatique et les caméras vidéo pour permettre à l’équipe de collecter davantage de données la prochaine fois.
«Nous essayons de développer des méthodes pour automatiser ce processus», déclare Merrill. Une fois que l’équipe a des gènes spécifiques à cibler, elle peut utiliser CRISPR pour réaliser des études d’inactivation et observer le comportement des papillons sans les gènes censés contrôler leur comportement.
Sans les gènes qui contrôlent la préférence de couleur de l'aile des papillons Heliconius, les deux espèces distinctes pourraient être plus enclines à s'accoupler. Cependant, pour en être sûr, Merrill devra peut-être retourner dans la cage à papillons du Smithsonian Tropical Research Institute et attendre de voir s’il peut attraper une action d’insecte interspécifique. Bien que cela ne le dérangerait pas.
"Il n'y a nulle part ailleurs dans le monde que vous auriez pu faire cette étude", dit-il.
