Avec plus de 50 000 espèces décrites, la famille des chrysomèles est répartie dans le monde entier et représente environ un quart de la diversité spécifique de tous les herbivores. Les chrysomèles se nourrissent de presque tous les groupes de plantes. Ils vivent dans la rhizosphère, la canopée et même sous l'eau. De nombreux chrysomèles, comme le doryphore de la pomme de terre, sont des ravageurs notoires. Leur richesse spécifique et leur répartition mondiale mettent en évidence leur succès évolutif, ce qui est particulièrement étonnant étant donné que les feuilles sont une source de nourriture difficile à digérer et fournissent des nutriments déséquilibrés.
Des chercheurs du Département de symbiose des insectes de l'Institut Max Planck d'écologie chimique de Jena et du groupe de recherche sur les mutualismes de l'Institut Max Planck de biologie de Tübingen, en Allemagne, se demandent maintenant comment les chrysomèles ont surmonté ces défis alimentaires tout au long de l'évolution. Les différentes espèces de chrysomèles utilisent-elles la même stratégie ou ont-elles trouvé d’autres moyens d’atteindre leur objectif nutritionnel ?
Comprendre le rôle du matériel génétique étranger
Presque tous les chrysomèles ont incorporé dans leur génome du matériel génétique étranger, responsable de la production des enzymes nécessaires à la digestion des composants de la paroi cellulaire végétale. Par exemple, les pectinases sont des enzymes qui décomposent les pectines – des fibres alimentaires non digestibles pour l’homme, mais métabolisées par de nombreuses bactéries. Environ la moitié des espèces de chrysomèles vivent en étroite association avec des bactéries symbiotiques. Ces symbiotes fournissent aux coléoptères d’importantes enzymes digestives pour les aider à décomposer les composants alimentaires. Ils fournissent également souvent aux coléoptères des vitamines et des acides aminés essentiels.
Les chercheurs savent, grâce à leurs propres études antérieures, que les coléoptères utilisent à la fois les pectinases de leur propre génome et celles codées par les symbiotes.
Ces enzymes digestives sont essentielles à la survie des coléoptères. Cependant, nous n’avons qu’une compréhension fragmentaire des espèces de coléoptères qui ont besoin de bactéries symbiotiques pour la digestion, de celles qui n’en ont pas besoin, et d’où proviennent les pectinases des coléoptères. Nous voulions reconstruire les scénarios évolutifs qui ont conduit aux schémas de répartition actuels grâce à des études comparatives de tous les groupes de chrysomèles. »
Roy Kirsch, premier auteur
Avec le soutien de collègues nationaux et internationaux, l’équipe a effectué des analyses du génome et du transcriptome de 74 espèces de chrysomèles du monde entier. Grâce à cette analyse comparative de toutes les sous-familles de chrysomèles, les chercheurs ont pu comprendre comment la distribution actuelle des enzymes du coléoptère et des enzymes codées par les symbiotes a évolué. « Nous avons également pu démontrer que le transfert horizontal de gènes, un phénomène qui décrit l'incorporation de gènes étrangers provenant de bactéries dans le génome, est assez courant chez les chrysomèles. La symbiose et le transfert horizontal de gènes ont fortement influencé l'évolution des insectes », explique Roy Kirsch.
Evolution dynamique des pectinases
Les analyses ont également révélé que la grande majorité des espèces de coléoptères utilisent soit leurs propres pectinases, acquises par transfert horizontal de gènes, soit les pectinases de leurs symbiotes bactériens. Cependant, les pectinases de coléoptères et de symbiotes ne se sont jamais produites ensemble chez aucune espèce de coléoptère.
« La distribution binaire des coléoptères codant pour les pectinases dans leur génome par rapport à ceux qui les acquièrent de manière symbiotique reste l'une des découvertes les plus frappantes de l'étude. Une telle tendance soulève des questions supplémentaires sur la façon dont le transfert horizontal de gènes et la symbiose ont façonné la façon dont les coléoptères consomment et traitent le feuillage, et les compromis associés à l'externalisation d'un trait métabolique clé », explique Hassan Salem, qui dirige le groupe de recherche Max Planck sur les mutualismes.
Les résultats de l'étude montrent que l'évolution des pectinases est dynamique et caractérisée par l'alternance de transfert horizontal de gènes et d'absorption de symbiotes. « Vous pouvez imaginer ce processus comme suit : lorsqu'une symbiose s'établit, une pectinase de coléoptère issue d'un précédent transfert horizontal de gènes est remplacée par une pectinase de symbiote. L'avantage d'incorporer un symbiote est que sa pectinase peut avoir de nouvelles activités ou être plus efficace », et le symbiote peut également apporter des avantages supplémentaires, tels que la production d'autres enzymes digestives ou de nutriments essentiels. Le gène de la pectinase du coléoptère n'est plus nécessaire et est perdu au cours de l'évolution. « L'interaction symbiotique progresse, le gène de la pectinase du symbiote peut être transféré dans le génome du coléoptère et le symbiote peut être perdu, mais ce processus doit être étudié plus en détail », explique Martin Kaltenpoth, chef du département de symbiose des insectes.
Une voie vers le succès évolutif
Les résultats montrent comment des transferts horizontaux répétés de gènes et l’établissement de symbioses avec des bactéries ont permis aux chrysomèles de s’adapter rapidement à un régime alimentaire à base de plantes, contribuant ainsi à leur remarquable succès évolutif.
