Une expérience unique pour comprendre la diversification bactérienne

Le maintien de la diversité des bactéries sur le long terme est assuré par une succession d'étapes évolutives, au cours desquelles différentes populations coexistant au sein d'un même écosystème interagissent entre elles de façon dynamique. Ces résultats, obtenus par des chercheurs du Laboratoire adaptation et pathogénie des micro-organismes (LAPM, CNRS/Université Joseph Fourier) à Grenoble, ont été publiés dans la revue PNAS. Ils permettront de mieux appréhender l'apparition de nouvelles espèces bactériennes ou de souches pathogènes devenues résistantes aux antibiotiques.

Les organismes apparentés d'un point de vue évolutif occupent généralement des niches écologiques similaires. La compétition y est intense et peut aboutir à l'extinction de certains organismes, mais également à une évolution rapide de leur phénotype qui se traduit par une divergence écologique marquée. Un phénomène de coexistence, basé sur de nombreuses interactions, peut alors s'établir entre ces populations très différentes les unes des autres. Mais ces populations finissent-elles par se stabiliser et occuper des niches écologiques distinctes, ou continuent-elles à évoluer, en interagissant de façon dynamique ?

Les chercheurs du LAPM viennent de montrer que la coexistence au long terme de populations bactériennes différentes n'est pas liée à une divergence initiale suivie d'un équilibre stable, mais plutôt à une succession de phases évolutives et donc à des interactions dynamiques entre les populations. A l'origine de ce résultat, se trouve une expérience unique au monde. Pendant près de 24 ans, douze populations de bactéries initiées à partir d'une cellule ancestrale unique d'Escherichia coli ont été cultivées, jour et nuit, dans un laboratoire du Michigan, sous la houlette de Richard Lenski avec qui les chercheurs grenoblois collaborent depuis longtemps. Afin d'analyser leur évolution, des prélèvements à intervalles réguliers ont été effectués dans les douze populations, puis conservés par congélation. Ces prélèvements constituent de véritables "fossiles vivants" qui peuvent être ressuscités à tout moment.

Au cours de cette longue expérience, qui représente aujourd'hui plus de 55 000 générations soit l'équivalent de deux millions d'années pour l'Homme, l'une des douze populations a révélé une caractéristique unique. A partir de la cellule ancestrale, deux lignées de bactéries ont divergé et coexistent depuis des dizaines de milliers de générations au sein de la même population: la lignée S, qui génère de petites colonies, et la lignée L, qui génère des colonies plus grandes. Ces deux lignées ont émergé après seulement 6 500 générations. Bien qu'héritières du même ancêtre, elles sont nettement différenciées d'un point de vue évolutif, à tel point que l'on peut parler d'espèces différentes au sens écologique du terme. Et depuis maintenant plus de 45 000 générations, elles coexistent sans pouvoir s'éliminer mutuellement.


Le mécanisme écologique de coexistence entre ces deux lignées est appelé "avantage du rare" car chacune des lignées est avantagée et donc maintenue lorsqu'elle est "rare" par rapport à l'autre. Une analyse poussée de l'expression des gènes et de la capacité des deux lignées à utiliser des ressources nutritives a suggéré que la lignée L empiétait sur les capacités cataboliques de la lignée S au cours du temps. Celle-ci ne s'est pas éteinte pour autant, trouvant systématiquement de nouvelles niches écologiques pour survivre. Cette dynamique asymétrique a été confirmée par des expériences "d'invasion réciproque". Lorsqu'elles sont rares, les bactéries de la lignée L sont capables d'envahir celles de la lignée S, qu'elles soient leurs contemporaines, déjà présente dans l'écosystème ou apparues des milliers de générations plus tard. En revanche, les bactéries de la lignée S ne présentent un avantage quand elles sont rares que contre des lignées L contemporaines ou plus anciennes.

L'opportunité unique de cette expérience d'évolution, qui permet de disposer de tous les intermédiaires évolutifs issus d'une même bactérie sur des dizaines de milliers de générations, a permis d'analyser la dynamique du maintien d'un polymorphisme bactérien. Une dynamique complexe a été mise en évidence, les deux lignées continuant à évoluer de manière importante par le biais de nombreuses interactions mutuelles qui, elles aussi, continuent à être modifiées au cours d'une véritable danse évolutive. Ces résultats sont importants dans le contexte de la diversification bactérienne au cours des processus infectieux.


Référence:

Ecological and evolutionary dynamics of coexisting lineages during a long-term experiment with Escherichia coli, Mickaël Le Gac, Jessica Plucain, Thomas Hindré, Richard Lenski, Dominique Schneider, PNAS (2012), doi: 10.1073/pnas.1207091109.