L'adaptation au vol a fait converger le microbiome intestinal des oiseaux et des chauve-souris

Publié par Adrien le 22/01/2020 à 08:00
Source: CNRS INEE
La grande majorité des vertébrés possèdent un microbiome intestinal jouant un rôle essentiel notamment dans la digestion. La composition spécifique de ce microbiome est le fruit de millions d'années de coévolution entre les bactéries qui le composent et leurs hôtes. Il en résulte que des espèces phylogénétiquement proches présentent souvent des microbiomes similaires. On parle alors de phylosymbiose. Néanmoins, les facteurs gouvernant l'évolution des communautés bactériennes intestinales sur le long terme restent à préciser.

Une étude internationale menée par des chercheurs de l'Université de Californie (L'université de Californie est une université américaine, fondée en 1868, dont le siège se trouve à Berkeley (Californie), comprenant dix campus situés dans l'État de Californie. Elle accueille...) à San Diego incluant Frédéric Delsuc de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) des Sciences de l'Evolution de Montpellier (ISEM - CNRS/Université de Montpellier/IRD/EPHE) a caractérisé le microbiome intestinal de près de 900 espèces de vertébrés (Les vertébrés forment un sous-embranchement du règne animal. Ce taxon, qui dans sa version moderne exclut les myxines, est considéré comme monophylétique. Il appartient à l'embranchement...) afin d'éclairer cette question. Les résultats publiés dans la revue mBio démontrent l'absence de phylosymbiose chez les oiseaux et les chauve-souris et suggèrent que l'évolution des microbiomes intestinaux a été impactée de façon convergente par les contraintes physiologiques liées à l'adaptation au vol chez ces deux groupes.


Arbre phylogénétique des 892 espèces de vertébrés pour lesquelles le microbiome intestinal a été caractérisé, la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s)...) des branches internes indiquant la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les...) de coévolution hôte-microbiote (phylosymbiose). La composition du régime alimentaire (Pour les régimes alimentaires d'ordre culturel pratiqués par l'Homme voir pratique alimentaire; Pour les régimes visant à perdre du poids voir régime amaigrissant.), la taxonomie, et le statut (volant, non volant) sont respectivement indiqués par les trois anneaux entourant l'arbre. Source des silhouettes (http://phylopic.org/) et photos (http://pngimg.com/).

La plupart des mammifères, à l'instar de l'être humain, entretiennent des relations étroites avec les microbes constituant notamment leur "flore (La flore est l'ensemble des espèces végétales présentes dans un espace géographique ou un écosystème déterminé (par opposition à la faune). Le terme...)" intestinale. Les communautés de micro-organismes associés aux organismes multicellulaires constituent le microbiote (Le microbiote est une nouvelle dénomination de la microflore.) dont on peut aujourd'hui caractériser la composition et le contenu fonctionnel en gènes (le microbiome) par séquençage (En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des composants d'une macromolécule (les acides aminés d'une protéine, les nucléotides d'un acide nucléique...) à haut débit (Le terme de haut débit (ou large bande par traduction littérale de l'expression anglosaxonne broadband) fait référence à des capacités d'accès à internet supérieures à celle de l'accès analogique par modem (typique : 56...). L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) des gènes portés par le microbiote est appelé le microbiome dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...) où il constitue un second génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de certains virus dont le génome est porté par des molécules d'ARN). Il contient en...) apportant de nombreuses fonctions à l'hôte auquel il est associé. Chez les vertébrés, le microbiome est ainsi impliqué dans de nombreux processus physiologiques essentiels tels que la digestion (La digestion est le processus au cours duquel un organisme vivant reçoit du milieu extérieur des aliments (eau, molécules organiques et minéraux), les modifie afin de les transformer en nutriments et...) et l'immunité.

Des études antérieures ont indiqué que la relation entre les mammifères et leurs microbes intestinaux est très ancienne. Cette coévolution hôte-microbiote sur des dizaines de millions d'années a abouti à une structuration des communautés microbiennes qui reflète l'histoire évolutive des espèces hôtes. Ce phénomène, dénommé phylosymbiose, reflète le fait que des espèces phylogénétiquement proches présentent souvent des microbiomes similaires. On sait que le régime alimentaire et la phylogénie de l'hôte influencent le contenu taxonomique et fonctionnel du microbiome intestinal de nombreux mammifères, mais qu'en est-il à une plus large échelle évolutive telle que celle des vertébrés couvrant des centaines de millions d'années ? La phylosymbiose est-elle aussi observée chez les autres groupes de vertébrés ? Quels autres facteurs déterminent l'évolution et la composition du microbiome des vertébrés ?

Afin de répondre à ces questions, une équipe internationale a travaillé avec de nombreuses douzaines d'institutions à travers le monde (Le mot monde peut désigner :) pour recueillir des échantillons fécaux d'espèces de vertébrés. Grâce à cet effort d'échantillonnage (L'échantillonnage est la sélection d'une partie dans un tout. Il s'agit d'une notion importante en métrologie : lorsqu'on ne peut pas saisir un événement dans son ensemble, il faut effectuer des mesures en...) sans précédent, les chercheurs ont pu caractériser les microbiomes intestinaux de ∼900 espèces, y compris 315 mammifères et 491 oiseaux, et évaluer les contributions respectives du régime alimentaire, de la phylogénie, et de la physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et λόγος, logos, l'étude, la science) étudie le rôle, le fonctionnement et l'organisation mécanique, physique et...) à la structuration des microbiomes intestinaux. Les résultats confirment que chez les mammifères terrestres, il existe de fortes corrélations entre la similarité des communautés microbiennes, le régime alimentaire de l'hôte et la distance phylogénétique de l'hôte, un signal de phylosymbiose étant retrouvé chez les différents ordres. La seule exception chez les mammifères sont les chauve-souris qui hébergent des microbiomes intestinaux relativement labiles et ne montrent pas de corrélation avec le régime alimentaire ou la phylogénie de l'hôte. De façon surprenante, les oiseaux montrent exactement le même patron de perte du signal de phylosymbiose et possèdent aussi des microbiomes intestinaux peu spécifiques et relativement similaires à ceux des chauve-souris. Les seuls oiseaux présentant un patron de phylosymbiose sont les ratites tels que l'autruche (Autruche est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à une espèce d'oiseaux qui constitue le genre Struthio, de la famille des Struthionidae (ordre des Struthioniformes). Il...) et le kiwi (Les kiwis sont des fruits de plusieurs espèces de lianes du genre Actinidia, famille des Actinidiaceae. Ils sont originaires de Chine, notamment de la province de Shaanxi. On en trouve par ailleurs dans des climats dits montagnards...) qui ont perdu la capacité de voler très tôt dans leur histoire évolutive. Cette constatation suggère que l'adaptation au vol battu a mené au relâchement de la coévolution entre les hôtes (Les Hôtes (Hostess) est une nouvelle de science-fiction d'Isaac Asimov, publiée pour la première fois en 1951 dans Galaxy Science Fiction. Elle est disponible en français dans le recueil Le Robot qui rêvait.) et leurs microbes intestinaux associés.

Ces résultats intrigants démontrent que si certains vertébrés ont des relations évolutives étroites avec leurs microbiomes, avec des communautés bactériennes similaires qui persistent depuis des millions d'années, d'autres ont des relations beaucoup plus dynamiques. Les contraintes physiologiques associées à l'adaptation au vol, incluant notamment une réduction du tractus digestif, semblent ainsi avoir eu un effet direct sur le microbiome. Ceci suggère que le microbiome intestinal jouerait un rôle moins important dans la digestion chez les oiseaux et les chauve-souris que chez les vertébrés terrestres. Cette étude fournit un cadre pour de futures approches permettant d'examiner les relations hôte-microbiote à travers de larges échelles taxonomiques et souligne la nécessité d'élucider les détails des interactions entre écologie et histoire évolutive pour mieux cerner leurs rôles respectifs dans la structuration des microbiomes.

Référence:
Song S.J., Sanders J.G., Delsuc F., Metcalf J.L., Amato K.R., Taylor M.W., Mazel F., Lutz H.L., Winker K., Graves G.R., Humphrey G., Gilbert J.A., Hackett S.J., White K.P., Skeen H. R., Kurtis S.M., Withrow J., Braile T., Miller M., McCracken K., Maley L., Blanto J.M., McKenzie V. J., Knight R. (2020). Comparative analyses of vertebrate gut microbiomes reveal convergence between birds and bats[/b], [i]mBio.
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