Génétique écologique

La génétique écologique est l'étude de la génétique des populations naturelles. Elle combine l'écologie, l'évolution et la génétique pour comprendre les processus à l'origine de l'adaptation. Elle est pratiquement synonyme du domaine de l'écologie moléculaire .

Cela contraste avec la génétique classique , qui travaille principalement sur des croisements entre souches de laboratoire, et l’analyse de séquences d’ADN , qui étudie les gènes au niveau moléculaire.

Les recherches dans ce domaine portent sur les traits d'importance écologique, c'est-à-dire les traits qui affectent la forme physique d'un organisme , c'est-à-dire sa capacité à survivre et à se reproduire. Parmi ces traits, on peut citer la période de floraison, la tolérance à la sécheresse , le polymorphisme , le mimétisme et l'évitement des attaques de prédateurs .

Les recherches impliquent généralement un mélange d'études sur le terrain et en laboratoire. Des échantillons de populations naturelles peuvent être ramenés au laboratoire pour que leur variation génétique soit analysée. Les changements dans les populations à différents moments et à différents endroits seront notés et le schéma de mortalité dans ces populations sera étudié. Les recherches sont souvent menées sur des organismes qui ont des temps de génération courts, tels que les insectes et les communautés microbiennes.

Bien que des travaux sur les populations naturelles aient déjà été réalisés, il est reconnu que le domaine a été fondé par le biologiste anglais EB Ford (1901–1988) au début du XXe siècle. Ford a commencé ses recherches sur la génétique des populations naturelles en 1924 et a travaillé intensivement pour développer sa définition formelle du polymorphisme génétique . Le magnum opus de Ford était Ecological Genetics , qui a connu quatre éditions et a eu une grande influence.

Parmi les autres généticiens écologiques notables, on compte RA Fisher et Theodosius Dobzhansky . Fisher a contribué à former ce que l'on appelle la synthèse moderne de l'écologie, en fusionnant mathématiquement les idées de Darwin et de Mendel . Dobzhansky a travaillé sur le polymorphisme chromosomique chez les mouches à fruits . Lui et ses collègues ont mené des études sur les populations naturelles d' espèces de drosophiles dans l'ouest des États-Unis et au Mexique pendant de nombreuses années.

Philip Sheppard , Cyril Clarke , Bernard Kettlewell et AJ Cain ont tous été fortement influencés par Ford ; leurs carrières remontent à l'après-Seconde Guerre mondiale. Collectivement, leurs travaux sur les lépidoptères et sur les groupes sanguins humains ont établi le domaine et ont mis en lumière la sélection dans les populations naturelles, où son rôle avait été autrefois mis en doute.

La génétique écologique est étroitement liée au concept de sélection naturelle . De nombreux travaux d'écologie classique ont utilisé des aspects de la génétique écologique, étudiant comment l'hérédité et l'environnement affectent les individus.

Le mélanisme industriel chez le papillon de nuit du bouleau Biston betularia est un exemple bien connu du processus de sélection naturelle. Le phénotype de couleur d'aile typique de B. betularia est des mouchetures noires et blanches, mais des phénotypes « mélaniques » variants avec des quantités accrues de noir existent également. Au XIXe siècle, la fréquence de ces variantes mélaniques a augmenté rapidement. De nombreux biologistes ont proposé des explications à ce phénomène. Il a été démontré au début des années 1910, et de nouveau dans de nombreuses études ultérieures, que les variantes mélaniques étaient le résultat d'allèles dominants à un seul locus dans le génome de B. betularia . Les explications proposées étaient alors centrées sur divers facteurs environnementaux qui pourraient contribuer à la sélection naturelle. En particulier, il a été suggéré que la prédation des oiseaux sélectionnait les formes de papillons mélaniques, qui étaient plus cryptiques dans les zones industrialisées. HBD Kettlewell a étudié cette hypothèse de manière approfondie au début des années 1950.

L’incertitude entourant la chasse aux papillons par les oiseaux a constitué un défi initial, ce qui a conduit Kettlewell à effectuer une série d’expériences avec des oiseaux en captivité. Ces expériences, bien qu’initialement infructueuses, ont révélé que lorsque l’on leur fournissait une variété d’insectes, les oiseaux s’attaquaient préférentiellement aux papillons les plus visibles : ceux dont la coloration ne correspondait pas à leur environnement. Kettlewell a ensuite effectué des expériences sur le terrain en utilisant des techniques de marquage-recapture pour étudier la prédation sélective des papillons dans leur habitat naturel. Ces expériences ont révélé que, dans les bois proches des zones industrialisées, les formes de papillons mélaniques étaient recapturées à des taux beaucoup plus élevés que les formes traditionnelles de couleur plus claire, alors que dans les bois non industrialisés, l’inverse était vrai.

Des recherches plus récentes ont encore souligné le rôle de la génétique dans le cas du mélanisme industrialisé chez B. betularia . Bien que la recherche ait déjà souligné le rôle des allèles dans la détermination du phénotype de couleur des ailes, on ne savait toujours pas si les allèles mélaniques avaient une origine unique ou étaient apparus plusieurs fois indépendamment. L'utilisation du marquage moléculaire et de la cartographie chromosomique en conjonction avec des enquêtes de population a démontré au début des années 2010 que les variantes mélaniques de B. betularia ont une seule origine ancestrale. De plus, les variantes mélaniques semblent être apparues par mutation à partir d'un phénotype de couleur d'aile typique.

Les recherches sur les caractères écologiquement importants se concentrent souvent sur des allèles uniques. Cependant, il a été constaté que dans de nombreux cas, les phénotypes ont une base polygénique, c'est-à-dire qu'ils sont contrôlés par de nombreux allèles différents. Les caractères complexes en particulier sont plus susceptibles d'avoir une base polygénique. Les progrès de la technologie génétique ont permis aux scientifiques d'étudier de plus près la base génétique des caractères complexes, ce qui a conduit à une accumulation de preuves soutenant l'importance du contrôle polygénique dans la compréhension de l'évolution de ces caractères.

Une série de preuves importantes peut être tirée de ce que nous savons sur la sélection artificielle et son influence sur les caractères. De nombreuses expériences ayant utilisé la sélection artificielle ont montré que les caractères réagissent rapidement et régulièrement. Si seulement un petit nombre de gènes ont une grande influence sur un caractère particulier, cela ne se verrait pas. La façon dont des caractères complexes avec une variation continue changent en réponse à la sélection naturelle peut être raisonnablement expliquée par le fait que de nombreux allèles ont un faible effet sur le phénotype d'intérêt.

La prévalence des caractères à base polygénique pose certains problèmes lors de la recherche sur les caractères et l'adaptation dans les populations naturelles. Il peut être difficile de distinguer les effets des gènes, des facteurs environnementaux et de la dérive génétique aléatoire sur les caractères dans le cas de caractères complexes.

Ce type de travaux nécessite un financement à long terme, ainsi que des connaissances en écologie et en génétique. Ces deux exigences sont difficiles à respecter. Les projets de recherche peuvent durer plus longtemps que la carrière d'un chercheur ; par exemple, les recherches sur le mimétisme ont commencé il y a 150 ans et se poursuivent encore activement. Le financement de ce type de recherche est encore assez irrégulier, mais au moins l'intérêt de travailler sur des populations naturelles sur le terrain ne peut plus être mis en doute.