Laboratoire d'accueil : Laboratoire de Radioécologie et d'Ecotoxicologie (LRE) 

Date de début de thèse : 02/11/2009

Nom du doctorant : Morgan Dutilleul

Problématique

L'adaptation locale, qui est une cause importante des différenciations de populations, est l'un des principes de base les plus importants de la biologie évolutive moderne. La sélection naturelle,mécanisme largement reconnu pour être la cause première des changements phénotypiques, dirige ces processus adaptatifs. La pollution peut jouer un rôle important dans la sélection naturelle. En effet, l'intensité de la pression de sélection engendrée par une pollution excède souvent celle à laquelle sont soumises des populations dans un environnement non pollué. Par conséquent, des changements micro évolutifs peuvent survenir en réponse à une force directionnelle anthropique, et ce durant une courte période. Une évolution rapide de la tolérance à un polluant a déjà été démontrée dans la littérature, notamment pour certains invertébrés benthiques exposés à des métaux. Néanmoins, dans la plupart des cas (en particulier chez les métazoaires), il n'a pas été démontré que l'augmentation de tolérance était due à des modifications génétiques au sein de la population. En présence d'une force sélective directionnelle forte, telle que l'exposition à des polluants, les modifications phénotypiques que l'on peut observer sur un faible nombre de générations est la conséquence de deux phénomènes: (i) l'acclimatation qui fait intervenir la plasticité phénotypique des individus et/ou (ii) l'adaptation, impliquant des changements génétiques au sein de la population. Comprendre les mécanismes adaptatifs est une étape fondamentale pour appréhender les conséquences écologiques de l'exposition chronique de populations d'invertébrés à un polluant. Or en écotoxicologie les conséquences à très long terme de polluants sur les populations ont été très peu étudiées. Pourtant des connaissances sur les changements des caractéristiques phénotypiques et génétiques sur plusieurs générations d'une population face à une perturbation de son environnement, nous permettraient de mieux évaluer les risques associés à l'exposition chronique à un polluant sur l'extinction de populations et le maintien de la biodiversité.

Objectif 

Dans ce contexte. l'objectif général de cette thèse est d'étudier les réponses évolutives d'une population de nématodes (Caenorhabditis elegans), exposée à divers polluants et d'en appréhender les mécanismes sous-jacents. Plus précisément, quatre questions sont posées :

• Quelles sont les modifications phénotypiques et génétiques d'une population de C. elegans exposée pendant plusieurs générations à un polluant?
• Ces modifications phénotypiques sont-elles la conséquence d'une adaptation génétique de la population?
• Dans le cas d'une adaptation, quels sont les compromis évolutifs (trade-offs) entre traits d'histoire de vie (reproduction, croissance, etc.) et entre divers comportements (recherche de nourriture, de la température optimale, comportement olfactif, activité locomotrice, comportement solitaire ou grégaire, etc.) ?
• La réponse évolutive est-elle proportionnelle au niveau de contamination dans le milieu?

Approche expérimentale

Pour atteindre cet objectif, nous étudierons en laboratoire les effets de divers polluants sur un nématode: Caenorhabditis elegans. Plusieurs raisons nous ont amené à choisir C. elegans comme organisme modèle: (i) l'utilisation de C. elegans comme organisme modèle pour les études d'écotoxicité en milieu aquatique (eau et sédiment) et dans les sols ne cesse de croître. En effet, l'étendue des connaissances sur sa physiologie et sa biologie associée aux nombreux outils génétiques disponibles (transgènes, mutants. analyses post-génomiques....) font de C. elegans un modèle biologique particulièrement approprié pour mener ce type d'étude et compiler des données de l'échelle moléculaire à la réponse du phénotype: (ii) son cycle de vie très court (3 jours à 25°C), son taux de reproduction élevé (200 à 300 oeuf/individu), sa longévité également assez brève (17 jours en moyenne à 25°C) et sa petite taille (L = 1 mm) offrent la possibilité de travailler sur un grand nombre d'animaux et sur plusieurs générations. Conditions essentielles pour etudier les réponses evolutives; (iii) l'élevage de C. elegans est aisé et peut se faire sur des boîtes d'agar ou en milieu liquide ensemencées de bacléries Escherichia coli. Plusieurs types d'élevages sont possibles (boîtes de pétri plaques ELISA. flasques....) et adaptables suivant le type d'observations envisagées (modifications à l'échelle de la molécule de l'ndividu ou de la population). La réalisation des tests sera fortement accélérée par l'utilisation d'un robot de criblage à haut débit (COPAS, Biosoner, Union Biomerrica) qui équipe actuellement la platefonne MRI (Montpellier: www.mri.cnrs.fr); (iv) la mesure des traits d"histoires de vie (survie, succès reproducteur, etc.), et des phénotypes d'intérêt (morphologie, comportement, etc,) est maîtrisée. De plus. il est à souligner qu'au cours de l'année 2008, des premiers travaux (via un projet EC2CO : "ECOSENSOR") sur ce modèle biologique ont déjà été entrepris au sein du laboratoire où se déroulera la thèse (LRE/SECRE/DEI/IRSN).
Nous avons choisi d'étudier les réponses évolutives en exposant dans un premier temps, C. elegans. à l'uranium. L'uranium est un métal non essentiel naturellement présent dans les écosystèmes. Cependant, les activités anthropiques (exploitation minière. agriculture: engrais phosphaté, utilisation dans les laboratoires de recherche et par les militaires d'uranium appauvri) sont responsables d'un accroissement des concentrations en uranium dans certains écosystèmes aquatiques comme terrestres. Actuellement, il existe très peu de données concernant les effets de l'uranium sur les invertébrés inféodés au sol ou au sédiment. Par ailleurs, l'uranium est une substance radioactive sur laquelle nous travaillons depuis plusieurs années au sein du laboratoire où se déroulera la thèse (LRE). Dans un second temps, nous élargirons ce travail à d'autres stress présents dans l'environnement, parfois à des concentrations élevées mais dont on a finalement très peu de connaissance concernant les effets sur les invertébrés - : tritium. cuivre. rayonnement ionisant, etc.
Les progrès combinés de la génétique quantitative et de la biologie moléculaire offrent des méthodes et outils efficaces pour répondre à nos questions. La combinaison de ces deux approches est tout à fait innovante et complémentaire pour atteindre notre objectif. L'approche en génétique quantitative que nous proposons est de comparer les différences de caractéristiques phénotypiques (physiologie: réserve énergétique, traits morphologiques, comportements et traits d'histoire de vie) de populations ayant la même origine, mais soumises pendant plusieurs génération à 3 concentrations en polluant (témoin + concentrations A, B, C - à déterminer en fonction des concentrations létales -). Les techniques de translocation réciproques, classiques en écologie évolutive, seront appliquées de manière innovante à notre problématique. Cette approche consiste à transférer des individus de populations exposées sur des milieux témoins, et réciproquement, d'individus de populations témoins sur des milieux contaminés, et de comparer leurs performances respectives. Grâce à ces expériences « croisées », il sera possible de mettre en évidence, par des méthodes statistiques, des éventuelles divergences phénotypiques et génétiques entre les populations témoin et les populations soumises aux polluants, de vérifier l'apparition d'adaptations locales aux polluants, ainsi que d'estimer le rôle évolutif des polluants en calculant les taux de divergence évolutive de ces populations. Il sera aussi possible de calculer un indice de divergences sur les traits quantitatifs d'importance écologiques (QST estimé sur des traits phénotypiques). Cette approche de génétique quantitative a déjà été appliquée - et est donc maîtrisée -, dans le cadre d'une thèse (en cours) réalisée au sein du laboratoire (LRE).
Les réponses seront aussi étudiées aussi au niveau moléculaire. En particulier, la différenciation génétique des différentes populations (témoins et contaminés), au fil des générations, sera mesurée à l'aide de marqueurs génétiques neutres de type microsatellites. Il sera ainsi possible de calculer un indice de divergence génétique (FST) entre les populations. La comparaison de ces deux types d'indice (QST/FST) permettra de confirmer si les traits phénotypiques (morphologiques et physiologiques) étudiés sont sous l'effet de la sélection (via les polluants) et font l'objet d'adaptations locales. Par ailleurs. la réponse des gènes impliqués dans des processus tels que la détoxication, le stress oxydatif, le métabolisme énergétique, sera testée en mesurant les niveaux de fluorescence émis par des lignées transgéniques de C. Elegans. Les réserves énergétiques des organismes seront quantifiées par la mesure des réserves lipidiques à l'aide d'un marquage colorimétrique au NileRed. Ces techniques moléculaires sont actuellement en cours d'application à travers le projet EC2CO (ECOSENSOR) qui est réalisé en étroite collaboration avec Simon Galas (Uni. de Montpellier).
Au final, en intégrant l'ensemble de ces approches, il sera possible d'estimer le potentiel évolutif d'une population, telle que C. elegans, soumise à des polluants et de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents impliqués dans cette réponse.