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La première carte de la diversité génétique des poissons publiée

Blen­nie de roux (Para­blen­nius rouxi), pois­son cryp­to­ben­thique connu en Médi­ter­ra­née, pho­to­gra­phié dans le Parc Natio­nal des Calanques.
Cré­dit : Emi­lie Bou­lan­ger

Introduction

En ce début d’année 2020, notre équipe* a publié la pre­mière carte mon­diale de la diver­si­té géné­tique des pois­sons d’eau de mer et d’eau douce. C’est un ins­tru­ment impor­tant pour la pré­ser­va­tion des espèces. Cette pre­mière carte est publiée dans la revue Nature Com­mu­ni­ca­tions. Comme j’ai réa­li­sé l’ensemble des ana­lyses bio-infor­ma­tiques, je me suis dit que je pour­rais vous en par­ler un peu plus en détail, avec le point de vue qui est le mien c’est-à-dire celui du bio-infor­ma­ti­cien. En effet, ce tra­vail a néces­si­té la col­la­bo­ra­tion d’un large panel de métiers : éco­logue, océa­no­graphe, sta­tis­ti­cien et géné­ti­cien.

*Equipe "Bio­géo­gra­phie des Ver­té­brés" de l'Ecole pra­tique des Hautes Etudes inte­grée à l'Unité de Recherche Mixte du CNRS de Mont­pel­lier "Centre d'Ecologie Fonc­tion­nelle et Evo­lu­tive" en par­ter­na­riat avec l'IFREMER et l'Ecole Poly­tech­nique Fédé­rale de Zurich

La diversité génétique ?

Dans le contexte de notre étude, la diver­si­té géné­tique est sim­ple­ment la varié­té des gènes au sein d’une même espèce. Influen­cé par les mala­dies, l'espace vital ou les chan­ge­ments cli­ma­tiques, ce fac­teur est sus­cep­tible de dimi­nuer plus rapi­de­ment que la diver­si­té entre les espèces. Bien sûr, il s’agit là d’une défi­ni­tion de l’objet de notre étude, mais l’enjeu ici était de mesu­rer notre gran­deur (la diver­si­té géné­tique). Pour ce faire nous avons com­pa­ré les séquences de gènes de dif­fé­rents indi­vi­dus au sein d’une même espèce. À par­tir d’un ali­gne­ment de séquences, il est pos­sible de cal­cu­ler la diver­si­té nucléo­ti­dique П décrite par Nei et Li en 1979. Cette mesure indique la dis­tance moyenne (le nombre de nucléo­tides dif­fé­rents) entre chaque com­pa­rai­son par paire de séquences.

La for­mule de la diver­si­té nucléo­ti­dique avec kij le nombre de nucléo­tides qui sont dif­fé­rents entre la séquence i et la séquence j. n est le nombre de séquences et (n 2) le nombre de com­pa­rai­sons pos­sibles par paires, et mij est le nombre de paires de bases par­ta­gées entre la séquence i et j.

Barcode of Life

Ces der­nières années ont vu l’émergence de grandes banques de don­nées publiques ras­sem­blant notam­ment les séquences ADN de plu­sieurs mil­lions d'individus d'espèces dif­fé­rentes issues de mil­liers d’études scien­ti­fiques à tra­vers le monde. L’une de ces banques de don­nées est la BOLD (Bar­code of Life) qui ras­semble les codes-barres ADN pro­duits, rap­por­tés et anno­tés par des cen­taines de mis­sions scien­ti­fiques. Les codes-barres ADN sont des séquences ADN carac­té­ris­tique de l’espèce. Ces séquences per­mettent une iden­ti­fi­ca­tion rapide et fiable de l'individu à son espèce. Dans le cas du pro­jet BOLD, le code-barre ADN cor­res­pond à la séquence d'un gène de la mito­chon­drie (Cyto­chrome Oxy­dase I pour les connais­seurs). Les mito­chon­dries n’étant pas sou­mises aux forces de sélec­tion contrai­re­ment à leurs cel­lules hôtes, les dif­fé­rences entre les séquences ADN mito­chon­driales obser­vées entre dif­fé­rents indi­vi­dus ou espèces résultent de la dérive géné­tique seule. Il est donc pos­sible d’utiliser ces séquences d'ADN mito­chon­drial judi­cieu­se­ment nom­mées code-barres ADN comme des iden­ti­fiants de l’espèce voire de l’individu. L’intérêt tout par­ti­cu­lier de BOLD, c’est de four­nir un grand nombre de codes-barres ADN géo-réfé­ren­cés. Il est alors pos­sible non seule­ment de cal­cu­ler la diver­si­té géné­tique intras­pé­ci­fique mais éga­le­ment sa dis­tri­bu­tion géo­gra­phique. En cou­plant ces deux carac­té­ris­tiques nous avons géné­ré une carte de la diver­si­té géné­tique.

Mots Clés

Bio­di­ver­si­té : la varia­bi­li­té des orga­nismes vivants de toute ori­gine y com­pris, entre autres, les éco­sys­tèmes ter­restres, marins et autres éco­sys­tèmes aqua­tiques et les com­plexes éco­lo­giques dont ils font par­tie ; cela com­prend la diver­si­té au sein des espèces et entre espèces ain­si que celle des éco­sys­tèmes.

Code-barre ADN : un gène, ou une par­tie de gène, qui est à la fois suf­fi­sam­ment conser­vé entre orga­nismes pour pou­voir com­pa­rer des orga­nismes dis­tants, et à la fois suf­fi­sam­ment variable pour pou­voir iden­ti­fier un genre voire une espèce ou un indi­vi­du.

Diver­si­té des espèces : nombre d'espèces dif­fé­rentes recen­sées dans un milieu après raré­fac­tion des comp­tages.

Diver­si­té géné­tique : degré de varié­tés des gènes au sein d'une même espèce. Dans cette étude elle est esti­mée à par­tir des code-barres ADN comme la pro­ba­bi­li­té qu'un nucléo­tide dif­fère entre deux séquences d'individus pris au hasard au sein d'une même espèce dans un milieu.

La distribution de la diversité génétique des poissons à l’échelle globale est inégalement répartie

Nous avons assem­blé une base de don­nées de plus de 50 000 séquences d’ADN mito­chon­drial, géo-réfé­ren­cées, appar­te­nant à 3 815 espèces de pois­sons marins et 1 611 espèces de pois­sons d’eau douce. Ces don­nées ont per­mis d’estimer la diver­si­té géné­tique moyenne dans des cel­lules de 200 km de réso­lu­tion. Les ana­lyses ont mon­tré que la diver­si­té géné­tique des espèces marines et d'eau douce était répar­tie de façon hété­ro­gène à tra­vers le monde. Les 10 % de cel­lules les plus riches géné­ti­que­ment (points chauds) sont situées dans le Paci­fique occi­den­tal, le nord de l'océan Indien et les mers des Caraïbes pour les espèces marines, tan­dis qu’elles sont loca­li­sées en Amé­rique du Sud pour les espèces d’eau douce. En étu­diant les fac­teurs envi­ron­ne­men­taux propres à chaque cel­lule (plus d’une cin­quan­taine), nous avons éta­bli que la diver­si­té géné­tique des espèces marines aug­mente avec la tem­pé­ra­ture (et les fac­teurs qui y sont cor­ré­lés posi­ti­ve­ment, tels que la lati­tude ou néga­ti­ve­ment, tels que la concen­tra­tion en oxy­gène par exemple), alors que la diver­si­té géné­tique des pois­sons d’eau douce est prin­ci­pa­le­ment influen­cée par la com­plexi­té de l’habitat et l’histoire ancienne de la région.

La diversité des espèces n’est pas vraiment corrélée à la diversité génétique dans le cas des poissons

Enfin, nous avons recher­ché si il exis­tait une cor­ré­la­tion entre diver­si­té des espèces i.e. nombre d'espèces après raré­fac­tion des comp­tages et diver­si­té géné­tique intras­pé­ci­fique. Il s’avère que cette cor­ré­la­tion est très faible, ce qui sug­gère que les régions avec la plus grande diver­si­té géné­tique ne sont pas néces­sai­re­ment confon­dues avec les régions avec la plus grande diver­si­té en espèces.

Adé­qua­tion entre la diver­si­té des espèces et la diver­si­té géné­tique dans les cel­lules géo­gra­phiques. Le clas­se­ment des cel­lules dépend à la fois de leur valeur en nombre d'espèces et en diver­si­té géné­tique pour (a) les espèces marines et (b) les espèces d'eau douce. Les valeurs de la diver­si­té ont été repor­tées sur la carte en uti­li­sant un gra­dient de cou­leur en fonc­tion des valeurs de la diver­si­té géné­tique et de la diver­si­té des espèces pour (b) les espèces marines et (d) les espèces d'eau douce. La ligne noire repré­sente le modèle linéaire de le la diver­si­té géné­tique en fonc­tion de la diver­si­té des espèces. Les coef­fi­cients de cor­ré­la­tion r cal­cu­lés dans les régres­sions linéaires sont indi­qués sur la figure.

Conclusion

En iden­ti­fiant les points chauds de la diver­si­té géné­tique, cette carte devrait notam­ment aider à prendre des mesures de pro­tec­tion plus adap­tée. En effet, plus une popu­la­tion est diver­si­fiée, mieux elle sera à même de s'adapter aux modi­fi­ca­tions de son envi­ron­ne­ment. La facette de la diver­si­té géné­tique est donc à consi­dé­rer à part de la facette de la diver­si­té des espèces. Ce qui implique de nou­veaux déve­lop­pe­ments sup­plé­men­taires de conser­va­tion. Ces efforts seront peut-être atteints avec le nou­vel objec­tif, pré­co­ni­sé par l'Union inter­na­tio­nale pour la conser­va­tion de la nature, de pro­té­ger 30% des sur­faces océa­niques et ter­restres d’ici 2030 .

Pour rendre mon pro­jet plus acces­sible grâce à Shi­ny (ici je vous recom­mande l'excellent article de Tho­mas Dene­cker qui vous expli­que­ra com­ment créer une appli­ca­tion web), j'ai réa­li­sé une carte inter­ac­tive de la diver­si­té géné­tique : https://​shi​ny​.cefe​.cnrs​.fr/​w​f​gd/

L'application en ligne "World­map of Fish Gene­tic Diver­si­ty" per­met de visua­li­ser la dis­tri­bu­tion de la diver­si­té géné­tique des espèces marines et d'eau douce de pois­sons sur une carte du monde.

Codes source

Références

  • Manel, S., Gue­rin, P., Mouillot, D. et al. Glo­bal deter­mi­nants of fre­sh­wa­ter and marine fish gene­tic diver­si­ty. Nat Com­mun 11, 692 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020–14409‑7
  • Nei, M. & Li, W. H. Mathe­ma­ti­cal model for stu­dying gene­tic varia­tion in terms of res­tric­tion endo­nu­cleases. Proc. Natl Acad. Sci. USA 76, 5269 (1979).
  • Miral­do, Andreia, et al. "An Anthro­po­cene map of gene­tic diver­si­ty." Science 353.6307 (2016).

Mer­ci aux relec­teurs David Airaut, Yoann M., Gwe­naelle et Eorn d'avoir pris le temps de relire, cor­ri­ger et amé­lio­rer cet article, de per­mettre à ce petit ilôt de fran­co­pho­nie convi­viale et cha­leu­reuse qu'est bioin­fo-fr de durer.




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