Taille du génome et adaptation des algues eucaryotes

À travers le vaste spectre de la vie, les génomes nucléaires présentent des variations stupéfiantes, différant jusqu'à 200 000 fois. La taille du génome émerge comme un déterminant profond intimement lié aux caractéristiques des espèces, englobant la morphologie, l'écologie et les trajectoires évolutives. Bien qu'il soit évident que les cellules plus grandes abritent généralement des génomes plus grands, les facteurs sous-jacents régissant la taille du génome demeurent énigmatiques. L'hypothèse du 'ADN égoïste' postule qu'un excès d'ADN au sein d'une cellule impose un fardeau énergétique, les cellules plus grandes démontrant une capacité à accueillir des génomes plus étendus, pouvant ainsi abriter un plus grand complément de gènes non codants. Cependant, cette théorie repose sur des preuves circonstancielles limitées, telles que l'observation que les espèces avec des génomes plus grands présentent souvent des taux métaboliques, des processus de développement et des taux de croissance plus lents. Cela nous pousse à remettre en question l'existence d'une relation causale directe entre la taille du génome et la forme de vie d'un organisme. La taille du génome est-elle une adaptation délibérée ou simplement un sous-produit du processus évolutif ?

Conception expérimentale

Dans cette expérience, soixante-douze lignées provenant de la même population ancestrale de D. tertiolecta ont été introduites dans des flacons de culture cellulaire stériles. Par la suite, toutes ces lignées ont subi une sélection bi-hebdomadaire par centrifugation différentielle. Ce processus de sélection a inclus 30 lignées avec de grandes cellules, 30 avec de petites cellules, et 12 lignées témoins qui ont connu les mêmes conditions mais n'ont pas été spécifiquement choisies en fonction de leur taille. À la fin de la période de sélection, toutes les cultures ont été ré-inoculées dans un milieu frais f / 2.

Des échantillons de cellules ont été prélevés après 350, 450 ou 500 générations de sélection manuelle. Les générations 350 et 450 se sont concentrées sur l'analyse de la taille des cellules et de la taille des noyaux. Pour la génération 500, l'évaluation incluait la taille des cellules, la croissance de la population et les mesures de la teneur en ADN.

Évolution de la taille cellulaire, de la taille nucléaire et de la teneur en ADN

Après 350 à 500 générations de sélection artificielle, il semblait y avoir peu de changements directionnels dans la taille des cellules au fil du temps. Le volume moyen des cellules était en moyenne de 97 mm^3 pour la lignée de petites cellules, 177 mm^3 pour les cellules témoins, et 915 mm^3 pour la lignée de grandes cellules. Remarquablement, la lignée de grandes cellules était 9,4 fois plus grande que la lignée de petites cellules et 5,2 fois plus grande que la lignée de cellules témoins. De plus, il y avait une corrélation positive prononcée entre la taille des cellules, le volume nucléaire et la teneur en ADN cellulaire. Cette corrélation positive robuste entre la taille des cellules, la taille des noyaux et la teneur totale en ADN est généralement observée dans les cellules photosynthétiques, tandis qu'elle diffère des autres microorganismes, tels que les levures, où la teneur totale en ADN n'est pas liée à la taille des noyaux.

Adaptation et taille relative du génome

L'étude a révélé que le taux de croissance maximal et la capacité de charge pour la biomasse totale diminuaient avec l'augmentation de la teneur en ADN, indépendamment de la taille des cellules. Il était évident que les cellules abritant des génomes relativement petits présentaient une croissance plus rapide et accumulaient plus de biomasse que les cellules avec des génomes relativement grands, quelle que soit la taille des cellules. Ces résultats s'alignent avec les prédictions de l'hypothèse de l'ADN égoïste, suggérant que des génomes relativement plus petits peuvent atteindre une biomasse plus élevée à la capacité de charge.

Utilisation de l'énergie et taille relative du génome

La recherche a également découvert que les cellules plus grandes consommaient plus d'énergie, ce qui est cohérent avec des études antérieures. Simultanément, les lignées avec des génomes relativement plus grands possédaient plus d'énergie nette. La taille relative du génome n'influençait pas la consommation d'énergie, mais elle était corrélée à un taux de photosynthèse accru, entraînant une utilisation nette d'énergie plus élevée. Par conséquent, les lignées avec des génomes relativement grands présentaient des taux de croissance plus lents et une biomasse inférieure lorsque les ressources étaient abondantes. Cependant, elles avaient plus d'énergie accessible que les lignées avec des génomes relativement petits.

Le taux de croissance et la capacité de charge diminuent avec l'augmentation de la teneur en ADN indépendante de la taille. (Malerba et al., 2020)

Trajectoires évolutives de la taille absolue du génome

Après 250 générations de sélection artificielle, peu de changements ont été observés dans la taille des cellules à travers différentes lignées cellulaires. La teneur relative en ADN des cellules a progressivement diminué entre les générations 350 et 450, l'ampleur de la diminution étant corrélée à la taille des cellules. Plus précisément, la teneur en ADN des grandes cellules a diminué progressivement de la génération 350 à 450, un phénomène non observé dans les petites cellules. Cette réduction de la teneur en ADN s'est produite sans altérer le volume cellulaire. Ces résultats suggèrent que le degré de réduction de la taille relative du génome augmente avec la taille des cellules et la taille absolue du génome, indiquant peut-être la présence d'une taille absolue minimale du génome au sein de cette espèce, qui contraint l'étendue de la réduction du génome dans les lignées de petites cellules.

Les perspectives des études évolutives utilisant la même lignée d'espèces eucaryotes suggèrent que la corrélation positive observée entre la taille des cellules et la taille du génome dans la nature pourrait découler de pressions évolutives opposées, visant à minimiser la teneur en ADN redondante au sein des cellules tout en maintenant les fonctions essentielles à un niveau minimal.

Relations entre le volume cellulaire et la teneur en ADN cellulaire dans les lignées de Dunaliella tertiolecta après 350 (ligne continue) et 450 (ligne en pointillés) générations de sélection artificielle pour la taille. (Malerba et al., 2020)

Référence :

1. Malerba, Martino E., Giulia Ghedini, et Dustin J. Marshall. "La taille du génome affecte la forme de vie dans l'algue eucaryote Dunaliella tertiolecta." Current Biology 30.17 (2020) : 3450-3456.