Par Luis Rodrigo Arce Valdés, chercheur postdoctorant à l’Université Concordia

Depuis mes études au secondaire, on m’a enseigné l’importance de comprendre les processus évolutifs, en particulier la spéciation, comme les mécanismes qui produisent la biodiversité qui nous entoure. Je me souviens avec affection de mon professeur de biologie qui nous expliquait que de nouvelles espèces peuvent se former par allopatrie (lorsque les populations d’origine sont isolées géographiquement) ou par sympatrie (lorsque les populations partagent la même aire de répartition). Le premier me semblait très intuitif : les espèces naissantes accumulent des différences génétiques en vivant dans des lieux différents. Le second mécanisme, je l’ai accepté comme existant (il devait bien pouvoir se produire si mon professeur nous l’enseignait), mais je ne comprenais pas à l’époque comment deux espèces pouvaient atteindre un isolement reproductif tout en vivant au même endroit. Quelles barrières reproductives pourraient apparaître si les deux populations cohabitent dans le même lieu et au même moment, favorisant ainsi la reproduction ?

Le temps a passé. Ma vie a continué et mon parcours académique m’a conduit au début de mon doctorat sous la supervision de la docteure Rosa Sánchez. Mon projet de doctorat m’enthousiasmait parce que j’allais travailler avec des données de séquençage de nouvelle génération et apprendre la bioinformatique. À ce moment-là, l’évaluation de l’hybridation et la quantification des barrières reproductives chez les espèces d’odonates avec lesquelles j’allais travailler me semblaient secondaires. Je ne pouvais pas être plus dans l’erreur.

L’année 2020 est arrivée alors que je venais de terminer mon premier semestre de doctorat, et avec elle la pandémie de COVID s’est répandue dans toutes les villes et pays. Xalapa, cette ville de brume et d’arôme de café où j’ai poursuivi mes études doctorales, n’a pas fait exception. Comme pour beaucoup d’autres, la COVID a provoqué des changements dans les plans de ma thèse. Cependant, à ce moment-là, je disposais déjà d’un laboratoire rempli d’aquariums, d’insectariums en bois, de mouches Drosophila et de canettes d’Artemia. C’est-à-dire, tout le nécessaire pour élever et réaliser des croisements expérimentaux à partir de milliers de larves de demoiselles Ischnura. Chaque jour, j’observais combien d’adultes avaient émergé et à quelle famille chacun appartenait. Chaque famille représentait un type de croisement spécifique : il y avait des croisements entre individus allopatriques ou sympathriques ; des croisements hybrides où les mâles appartenaient à I. elegans et les femelles à I. graellsii ; ainsi que dans la direction opposée. De plus, dans chaque croisement, j’observais et notais à quelle fréquence chaque couple parvenait, ou non, à s’accoupler, copuler, pondre des œufs et produire des larves. 

Le changement que la pandémie a provoqué dans ma thèse fut qu’elle a retardé notre capacité à réaliser les bibliothèques de séquençage. Ma directrice m’a alors proposé :
– « Rodrigo, tu as déjà collecté les données sur les barrières reproductives, pourquoi ne pas les analyser en attendant que l’on solutionne le séquençage ? » –
À ce moment-là, je ne savais pas que ces mots allaient me conduire au chapitre de ma thèse qui m’a le plus passionné et dont j’ai le plus appris.

Après des mois à traiter des données, à réaliser des analyses statistiques et à lire tout ce que je pouvais sur hybridation et spéciation, mes graphiques commencèrent à révéler des motifs intéressants. L’isolement reproductif entre les deux espèces de libellules était plus fort dans les croisements en sympatrie que dans ceux en allopatrie. J’étais très enthousiaste : cette observation concordait avec la théorie du renforcement ! Oui ! Ce mécanisme de spéciation sympatrique a été proposé par Theodosius Dobzhansky lui-même. Lire et comprendre cette théorie m’a permis de répondre aux doutes qui m’interrogeaient depuis le secondaire. Le renforcement se produit après un contact secondaire entre des populations restées isolées en allopatrie. Pendant ce temps, les populations ont accumulé des incompatibilités génétiques, ce sont ceux qui faits que les hybrides sont moins viables que les individus des espèces pures. La sélection naturelle les élimine donc et favorise le succès reproductif des individus qui évitent l’hybridation. Ce processus sélectif favorise, avec le temps, l’apparition de traits qui évitent l’hybridation et complètent l’isolement reproductif. Cette théorie prédit donc qu’en cas de renforcement, on doit observer un isolement reproductif plus élevé en sympatrie qu’en allopatrie. Les données de ma thèse étaient cohérentes avec cette prédiction, mais avec une particularité : ce phénomène n’était observé que dans une seule direction d’hybridation.

C’est dans les croisements entre mâles de I. graellsii et femelles de I. elegans que l’on a observé une augmentation de l’isolement reproductif de l’allopatrie à la sympatrie. Cependant, dans la direction opposée (entre mâles de I. elegans et femelles de I. graellsii), mes données suggéraient un processus contraire. Autrement dit, un isolement reproductif plus élevé en allopatrie qu’en sympatrie. Que s’est-il passé en sympatrie pour que ce croisement soit plus réussi que ceux en allopatrie ? Comment les barrières reproductives ont-elles pu évoluer dans des directions opposées en sympatrie (en augmentant dans un sens et en diminuant dans l’autre) ?

Dans notre article, nous avons émis l’hypothèse que le flux génétique aurait pu homogénéiser les différences génétiques entre les espèces, et que la sélection aurait pu éliminer les incompatibilités génétiques. Ainsi, ce curieux schéma pourrait être expliqué. Comme je n’ai pas trouvé de références décrivant un processus similaire dans un autre système, mon travail s’est conclu sans pouvoir tester cette dernière hypothèse.

À la fin de mon doctorat, ce travail a provoqué en moi de profondes réflexions sur la manière dont nous comprenons la spéciation. Si l’isolement reproductif s’est modifié de manière aussi asymétrique entre les deux croisements, doit-on étudier la spéciation comme un processus se produisant dans les deux directions, en considérant comment l’un affecte l’autre ? Notre hypothèse est-elle correcte ? Si oui, quelle intensité doivent avoir le flux génétique et la sélection naturelle pour produire un schéma comme celui que nous avons observé ?

Grâce au prix d’excellence que m’a décerné le CSBQ, j’ai pu effectuer un séjour de deux semaines dans les laboratoires des professeurs Tom Booker et Darren Irwin à l’Université de la Colombie-Britannique. À ses côtés, j’ai appris à utiliser le programme SLIM pour générer des simulations évolutives et j’ai réalisé un premier modèle simulant un processus évolutif similaire à celui qu’on a observé chez Ischnura. Autrement dit, j’ai codé deux populations évoluant indépendamment en allopatrie et qui, une fois réunies, produisent des hybrides dont la valeur adaptive varie selon la direction de l’hybridation. Avec ce modèle de base, nous allons varier l’intensité de flux génétique et de sélection dans les simulations pour répondre aux questions restées en suspens dans ma thèse. Le soutien que le CSBQ m’a permis de rassembler à Rosa Sánchez, Tom Booker, Darren Irwin et Rassim Khelifa (mon superviseur postdoctoral actuel) avec moi pour effectuer cette investigation. 

Qui aurait dit que grâce à la COVID, je découvrirais des questions qui m’ont tant permis de réfléchir à la manière dont la biodiversité évolue ? Si je pouvais adresser quelques mots à un jeune lecteur ou une jeune lectrice qui lit ces lignes, ce serait de ne pas avoir peur. Parfois, les projets en science changent, et c’est naturel, c’est normal. Tant que tu as de la passion et de la curiosité, tu continueras à avancer sur ton chemin.

Pour en savoir plus: L. R. Arce-Valdés et al., J. Evol. Biol., 38(1), 10-27 (2024).