Génome réduit - performance flexible : comment les bactéries symbiotiques dotées d'une information génétique minimale soutiennent leur hôte
Malgré un génome minuscule, les symbiotes des coléoptères du roseau peuvent adapter leur activité génétique de manière flexible aux stades de développement et aux températures ambiantes de leurs hôtes
De nombreux insectes vivent en symbiose avec certaines espèces de bactéries. Ces bactéries contribuent de manière importante à la nutrition, à la digestion, à la détoxification, à la reproduction et à la défense de leurs hôtes. En raison de leur étroite coexistence avec les insectes, les symbiotes perdent souvent, au cours de leur coévolution, des gènes pour des produits métaboliques qui sont également fournis par leurs hôtes. C'est le cas des symbiotes des coléoptères du roseau, qui conservent un très petit génome contenant uniquement des gènes importants pour le développement du coléoptère. Il est intéressant de noter que les larves et les adultes du coléoptère ont des régimes alimentaires différents : les larves sucent la sève des racines, pauvre en acides aminés, tandis que les adultes mangent des feuilles et des fleurs dont les parois cellulaires sont difficiles à digérer. Les bactéries symbiotiques soutiennent les larves en produisant des acides aminés, complétant ainsi leur régime alimentaire. Elles soutiennent également les coléoptères adultes en produisant une enzyme qui décompose les parois cellulaires des plantes. Cependant, tous les symbiotes ne profitent pas aux deux stades de la vie.
Services symbiotiques variables fournis par les bactéries
Le département "Symbiose des insectes", dirigé par Martin Kaltenpoth, a étudié plus en détail les symbiotes des coléoptères des roseaux. Tous les coléoptères abritent le même symbiote. Cependant, l'équipe de recherche a constaté que dans certains cas, ce symbiote avait perdu la capacité de produire des enzymes permettant de décomposer la paroi cellulaire des plantes, difficile à digérer. Les scientifiques ont émis l'hypothèse que la production de ces enzymes n'est bénéfique que pour les coléoptères adultes.
Il existe deux types d'associations symbiotiques chez les coléoptères du roseau. D'une part, il existe des espèces de coléoptères chez lesquelles le symbiote profite aux deux stades de vie ; d'autre part, il existe des espèces chez lesquelles seules les larves profitent directement du symbiote. Au départ, nous voulions comprendre si l'expression des gènes du symbiote corroborait cette hypothèse et si la régulation de l'expression des gènes par le symbiote différait entre les espèces ayant un ou deux avantages - et, étant donné la petite taille du génome total, si cette régulation était même possible", explique Ana Carvalho, premier auteur de l'étude, pour résumer l'objectif initial de son étude.
L'activité génétique des symbiotes du coléoptère des roseaux est adaptée aux besoins des coléoptères à différents stades de leur développement.
Ana Carvalho et ses collègues ont utilisé le séquençage de l'ARN, des tests d'activité enzymatique et l'hybridation fluorescente in situ (FISH) pour examiner l'expression des gènes, l'activité digestive des coléoptères et de leurs symbiotes, ainsi que la localisation et la forme des cellules des symbiotes chez quatre espèces de coléoptères des roseaux à différents stades de leur développement.
"Nous avons constaté que le symbiote renforçait systématiquement l'expression des gènes de biosynthèse des acides aminés au stade larvaire chez quatre espèces de scarabées. Nous avons également observé une coordination entre l'expression des enzymes digestives des parois cellulaires végétales de l'hôte et du symbiote au cours du stade adulte de l'hôte, ce qui montre comment le réglage fin de l'expression des gènes du symbiote peut optimiser la fourniture des avantages du symbiote", explique Ana Carvalho.
L'équipe n'a pas seulement été en mesure de détecter l'altération de l'expression des gènes à différents stades du développement du coléoptère, elle a également utilisé des techniques d'imagerie pour démontrer que le symbiote modifie la forme de ses cellules au cours de son cycle de vie. Cela pourrait être lié à la modification de sa fonction métabolique au cours des stades larvaire et adulte du coléoptère hôte.
Plasticité de l'expression des gènes, même dans des conditions environnementales altérées
Comme les recherches visaient à déterminer si le symbiote pouvait réguler l'expression de ses gènes malgré son petit génome, l'équipe de chercheurs a également examiné les différences possibles dans la réponse aux fluctuations de température subies par les coléoptères des roseaux au cours de leur cycle de vie. À cette fin, les chercheurs ont exposé des larves de coléoptères à deux cycles de température différents pendant un mois, avec des fluctuations entre 12 °C et 8 °C, et entre 22 °C et 14 °C respectivement. Malgré la réduction considérable du génome et de l'appareil de régulation, un schéma clair d'expression génique dépendant de la température est apparu. Le symbiote était capable d'activer différents gènes en fonction de la température. Dans des conditions froides, par exemple, le symbiote a activé un mécanisme de stress qui répond généralement à la chaleur chez les bactéries libres, mais qui semble avoir évolué pour répondre au stress des basses températures dans ce cas.
Si l'étude répond à de nombreuses questions, elle en soulève également de nouvelles. Quelles sont les fonctions des commutateurs de gènes (facteurs de transcription) restants du symbiote et comment certains gènes sont-ils contrôlés en leur absence ? Pourquoi les symbiotes changent-ils de forme et quel avantage cela leur apporte-t-il, ainsi qu'à leur hôte ? D'autres expériences avec des coléoptères ou des modèles insectes-bactéries plus faciles à étudier sont nécessaires pour clarifier ces questions.
"Nos résultats révèlent que les petits génomes de symbiotes peuvent réguler certains processus très importants, démontrant qu'un métabolisme régulé peut être maintenu avec un ensemble minimal de gènes. Nous aimerions maintenant acquérir une compréhension plus fondamentale du fonctionnement exact de la coordination métabolique entre l'hôte et le symbiote", résume Martin Kaltenpoth.
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