Similarit´e inter-individuelle des r´egimes alimentaires Plusieurs ´etudes ont sugg´er´e que les r´egimes alimentaires des indivi-dus d’une mˆeme population se diff´erenciaient d’autant plus que la dispo-nibilit´e globale en ressources diminuait (Svanb¨ack & Bolnick 2007, Tinker et al. 2008, Robertson et al. 2015). Cette dissimilarit´e inter-individuelle, signifiant que les individus d’une mˆeme population se nourrissent sur des ressources diff´erentes, a ´et´e interpr´et´ee comme un moyen de diminuer la pression de comp´etition intra-populationnelle en situation de faible dispo-nibilit´e trophique. Les r´esultats de ce travail de th`ese semblent indiquer le sc´enario inverse, c’est-`a-dire des populations non-s´electives compos´ees d’in-dividus ayant des r´egimes alimentaires tr`es similaires (et donc eux aussi non-s´electifs) en milieux pauvres (en ´energie). La diff´erence entre nos r´esultats et les conclusions des ´etudes susmentionn´ees pourrait s’expliquer par l’inten-sit´e de la contrainte trophique subie par les organismes dans les diff´erents environnements consid´er´es. En effet, les milieux souterrains de notre ´etude sont parmi les environnements les plus pauvres d´ecrits dans la litt´erature (en termes de disponibilit´e en ressources trophiques et en ´energie), et sont donc certainement bien plus contraignants que les milieux consid´er´es comme pauvres dans les ´etudes comparatives cit´ees ci-dessus (Tinker et al. 2008, Robertson et al. 2015). Une strat´egie de dissimilarit´e inter-individuelle serait ainsi envisageable et avantageuse dans des milieux relativement pauvres o`u les ressources restent tout de mˆeme assez abondantes pour qu’une partie de la population puisse se nourrir s´electivement et diff´erentiellement des-sus, mais cette strat´egie ne pourrait pas ˆetre retenue ou adopt´ee dans les milieux souterrains o`u les disponibilit´es en ressources sont bien trop faibles pour qu’une population s´elective puisse se maintenir. Cependant, dans ce travail le degr´e de similarit´e trophique inter-individuelle n’a ´et´e estim´e que pour 10 populations correspondant `a 2 esp`eces hypog´ees vivant en milieux tr`es pauvres (Article 1). Pour conclure sur la variation de la similarit´e inter-individuelle avec la disponibilit´e en ´energie du milieu (cadre A.3 de la Figure 7.1), ainsi que sur son interaction avec la s´electivit´e 7.4. PERSPECTIVES 161 trophique (au niveau de la population), il est n´ecessaire de se baser sur un jeu de donn´ees plus large et contrast´e en termes de disponibilit´e trophique. Ce jeu de donn´ees est d´ej`a disponible sous la forme des 16 esp`eces ´etudi´ees le long du gradient environnement de disponibilit´e en ´energie dans l’Article 2. Les 16 r´egimes alimentaires correspondants ont d´ej`a ´et´e d´etermin´es au niveau de la population (c’est-`a-dire que tous les individus ´echantillonn´es pour cette population sont pris en compte par le mod`ele bay´esien de m´elange lors de la reconstruction du r´egime alimentaire), mais le r´egime alimentaire peut ´egalement ˆetre d´etermin´e `a l’´echelle individuelle, en utilisant les mˆemes mod`eles bay´esiens mais en consid´erant ind´ependamment chaque individu de la population. Il sera ainsi possible, pour chaque population i ´etudi´ee, de reconstruire les ni r´egimes alimentaires individuels (n´etant le nombre d’in-dividus ´echantillonn´es pour cette population i). Diff´erents indices ont ´et´e d´evelopp´es dans la litt´erature pour quanti-fier le degr´e de similarit´e des r´egimes alimentaires individuels. Par exemple, l’indice de similarit´e propos´e par Newsome et al. (2012) permet soit de com-parer les ni individus un `a un (‘pairwise comparisons’), soit de comparer chaque individu `a la population globale. Des approches de d´ecomposition hi´erarchique de variance pourront ´egalement ˆetre utilis´ees, en calculant par exemple les indices de Roughgarden (par ex. WIC/TNW ; Roughgarden (1974), Bolnick et al. (2002, 2003), Zaccarelli et al. (2013), Article 1). Cette d´ecomposition de variance pourrait ´egalement ˆetre int´egr´ee directement dans le mod`ele de m´elange bay´esien utilis´e pour reconstruire le r´egime ali-mentaire, grˆace au d´eveloppement d’un nouvel algorithme (MixSIAR, bas´e sur l’article de Semmens et al. (2009)) qui permet une structure hi´erarchique des donn´ees (individu / population) et r´ealise un partitionnement de va-riance en parall`ele de la reconstruction des r´egimes alimentaires individuels et populationnels. Cet algorithme permettrait ainsi d’estimer l’´ecart-type inter-individu σind pour chaque population. Cependant, la reconstruction des r´egimes alimentaires individuels par des mod`eles bay´esiens peut induire de potentiels erreurs / biais (inh´erents par exemple au choix des facteurs de discrimination Δ13C et Δ15N ou aux choix de regroupements de ressources trophiques ; cf. Chapitre 2), qui se-raient ensuite propag´es au calcul du degr´e de similarit´e inter-individuelle. Une approche compl´ementaire pourra alors consister `a estimer ce degr´e de similarit´e directement `a partir des signatures isotopiques des diff´erents in-dividus. Les diff´erentes m´etriques propos´ees par Layman et al. (2007), et en particulier la dispersion des individus dans l’espace isotopique (aire du polygone incluant tous les individus d’une esp`ece donn´ee, ‘convex hull area’), permettraient d’estimer ce degr´e de similarit´e. Ces m´etriques, d´efinies ` a l’´echelle de la communaut´e, sont toutefois difficilement adaptables pour notre analyse o`u les divers environnements consid´er´es contiennent des res-sources trophiques potentiellement diff´erentes et pr´esentant des signatures isotopiques tr`es variables. Ces m´etriques de Layman peuvent cependant ˆ etre normalis´ees pour permettre une comparaison entre environnements. Une approche ´el´egante consisterait `a combiner une correction pour la taille de l’´echantillonnage (nombre d’individus ni) grˆace aux approches d’ el-lipses bay´esiennes (SIBER, Jackson et al. (2011)) et une normalisation par la dispersion isotopique des ressources (correspondant `a la ‘convex hull area’ cit´ee ci-dessus, mais appliqu´ee aux ressources trophiques), comme cela a ´et´e propos´e par Newsome et al. (2012). Une fois estim´e pour les 16 populations de l’Article 2, il sera alors pos-sible d’´etudier la variation de ce degr´e de similarit´e inter-individuelle le long du gradient environnemental en ´energie (et de tester l’hypoth`ese d’une forte similarit´e dans les milieux tr`es pauvres et, par comparaison, une variabi-lit´e inter-individuelle plus ´elev´ee dans les milieux interm´ediaires en ´energie) ainsi que d’analyser la potentielle relation entre ce degr´e de similarit´e inter-individuelle et le degr´e de s´electivit´e trophique de la population. Test de la th´eorie stoechiog´enomique dans diff´erents groupes phy-log´en´etiques Les r´esultats de ce travail de th`ese remettant fortement en cause l’exis-tence de m´ecanismes stoechiog´enomiques chez les m´etazoaires (ce qui pour-rait notamment s’expliquer par leur faible Ne), ils remettent aussi en ques-tion leur existence chez d’autres mod`eles pluricellulaires (faible Ne ´egalement), en particulier chez les plantes sur lesquelles de pr´ec´edentes ´etudes ont conclu 7.4. PERSPECTIVES 163 ` a des signatures de s´election stœchiog´enomique (Elser et al. 2006, Acquisti et al. 2009). Ces ´etudes souffraient cependant de biais m´ethodologiques (absence de prise en compte de l’inertie phylog´en´etique et de l’influence des processus non-s´electifs), il se r´ev`ele donc n´ecessaire de v´erifier leurs interpr´etations. Par ailleurs, nos conclusions sur les m´etazoaires ne sont po-tentiellement pas directement g´en´eralisables aux plantes de par leur mode de nutrition sp´ecifique (extraction de l’azote min´eral de l’environnement). Au niveau du prot´eome, il est relativement ais´e de tester rigoureuse-ment les hypoth`eses stoechiog´enomiques si l’on travaille sur des familles de prot´eines orthologues en prenant en compte les relations de parent´e entre esp`eces. Dans cette perspective, il sera int´eressant de reprendre le jeu de donn´ees d’Elser et al. (2006) sur les prot´eomes de 9 plantes et 9 m´etazoaires et de le compl´eter avec des esp`eces d’isopodes ´etudi´ees dans ce travail (dont les prot´eomes ont des coˆuts en N interm´ediaires entre ceux des plantes et ceux des m´etazoaires de l’´etude d’Elser) ainsi qu’avec les esp`eces de plantes et m´etazoaires dont les prot´eomes sont disponibles dans les bases de donn´ees (EnsemblMetazoa, PlantGDB, PopPhyl . . . ), afin d’ob-tenir un ´echantillonnage repr´esentatif de la diversit´e phylog´en´etique. Ce jeu de donn´ees am´elior´e sera ensuite analys´e en prenant en compte l’iner-tie phylog´en´etique (PGLS). Si les r´esultats obtenus par Elser et al. (coˆut en N des prot´eomes de plantes inf´erieur `a celui des m´etazoaires) en sont modifi´es (absence de dichotomie plantes / m´etazoaires), cela invaliderait leur interpr´etation d’une s´election d’´economies stoechiog´enomiques dans le prot´eome des plantes de par leur ‘forte limitation environnementale en azote’ li´ee `a leur mode de nutrition. D’un point de vue g´en´eral, il semble ´ egalement n´ecessaire de quantifier v´eritablement cette limitation en N pour les diff´erentes esp`eces consid´er´ees, plutˆot que de se baser sur des estimations qualitatives de ce que devrait th´eoriquement ˆetre leur acc`es aux nutriments (selon leur mode de nutrition). Au niveau du transcriptome, les analyses sont plus d´elicates de par l’in-fluence des processus non-s´electifs (BGC, changement de patron de muta-tion), rarement pris en consid´eration alors mˆeme qu’ils peuvent impacter la composition ´el´ementaire des transcrits. `A cet ´egard, le test du biais brin-sp´ecifique de substitutions d´evelopp´e dans l’Article 3 permet de discriminer entre ces processus non-s´electifs et des m´ecanismes stoe-chiog´enomiques, `a condition de se placer dans uncadre comparatif (esp`ece de r´ef´erence / esp`ece contraints par la disponibilit´e en N). Il suffit pour cela de d´efinir des familles de g`enes orthologues (sur le couple d’esp`eces focales et un ou deux groupes externes), et ainsi d’estimer les 4 taux de substitutions d’int´erˆet (qA→T, qT→A, qG→C et qC→G ; cf. l’explication d´etaill´ee de ce test dans le Chapitre 6). Ce test pourra permettre de tes-ter les conclusions d’Acquisti et al. (2009), qui ont compar´e les transcrip-tomes de plantes sauvages et de plantes cultiv´ee, en faisant l’hypoth`ese que la suppl´ementation des plantes cultiv´ees par des engrais azot´es relˆachait la pression de s´election sur l’utilisation de N dans leurs transcriptomes. Ils ont en effet observ´e un coˆut en N des transcriptomes des plantes sau-vages inf´erieur `a celui des plantes cultiv´ees et ont interpr´et´e cette diff´erence comme une relaxation de la s´election sur les ´economies stoechiog´enomiques lors de la domestication. Cette diff´erence peut cependant ˆetre caus´ee par des m´ecanismes non-s´electifs, le processus de domestication ayant de profondes cons´equences sur l’histoire ´evolutive et la structure du g´enome des esp`eces cultiv´ees. Leurs conclusions pourront donc ˆetre v´erifi´ees en appliquant le test du biais brin-sp´ecifique de substitutions `a des couples de plantes sauvages / cultiv´ees, en reprenant les esp`eces utilis´ees dans leur ´etude et en ajoutant d’autres esp`eces dont le g´enome ou le transcriptome est dis-ponible. Deux couples de Poac´ees peuvent ainsi ˆetre d´efinis : un premier couple comprenant le riz cultiv´e (Oryza sativa; Goff et al. (2002), Yu et al. (2002)) et une esp`ece de riz sauvage (Oryza longistaminata, O. brachyan-tha ou O. rufipogon; Yang et al. (2010), Chen et al. (2013), Huang et al. (2012)), et un second couple comprenant le ma¨ıs (Zea mays ssp. mays; Schnable et al. (2009)) et la t´eosinte, son esp`ece soeur sauvage (Zea mays ssp. parviglumis; Chia et al. (2012), Swanson-Wagner et al. (2012), base de donn´ees MaizeHapMap). Chacun de ces couples d’esp`eces pourra ˆetre utilis´e en tant que groupes externes de l’autre couple. D’autres esp`eces de Poac´ees peuvent ´eventuellement ˆetre utilis´ees comme groupes externes, par exemple Phyl-7.4. PERSPECTIVES 165 lostachys heterocycla; Peng et al. (2013)). Au cas o`u l’utilisation du test brin-sp´ecifiquesur les deux couples de Poac´ees confirment les conclusions stoechiog´enomiques d’Acquisti et al. (2009), il sera int´eressant d’appliquer ce test `a des couples de Fabac´ees (l´egumineuses). En effet, la majorit´e des esp`eces de cette famille sont en symbiose avec des bact´eries fixatrices du N2 atmosph´erique (les rhizobiums, contenues dans des nodosit´es au niveau des racines) qui assurent une partie de l’acquisition de N par la plante (en plus de l’extraction de N min´eral par la plante elle-mˆeme). Cette particu-larit´e devrait permettre de relˆacher (au moins partiellement) la pression de s´election sur l’utilisation du N chez les Fabac´ees. Si c’est bien la diff´erence de disponibilit´e en N qui cr´ee la diff´erence de coˆut en N des transcriptomes de Poac´ees sauvages / cultiv´ees, on s’attend alors `a une absence de diff´erence entre les Fabac´ees sauvages et cultiv´ees. Cette hypoth`ese pourra ˆetre test´ee sur deux couples de Fabac´ees : le couple pois chiche sauvage (Cicer reticu-latum; Jhanwar et al. (2012)) et pois chiche cultiv´e (Cicer arietinum; Garg et al. (2011)), et le couple tr`efle (Trifolium pratense; Istv´anek et al. (2014)) et soja (Glycine max; Schmutz et al. (2010)). Enfin, ce test pourra ˆetre appliqu´e de la mˆeme fa¸con sur des micro-organismes, afin de confirmer les conclusions des (nombreuses) ´etudes ayant d´etect´e des signatures de m´ecanismes stoechiog´enomiques dans ces mod`eles ` a grand Ne. Par exemple, ce test pourra ˆetre tr`es rapidement appliqu´e au jeu de donn´ees de Luo et al. (2015) qui ont d´ej`a d´efini un couple d’alpha-prot´eobact´eries marine / d’eau douce (clade SAR11), les esp`eces marines vivant dans des eaux oc´eaniques de surface plus pauvres en N que celles des lacs dont proviennent les esp`eces d’eaux douces. De par sa position phy-log´en´etique, la souche marine HIMB59 (sous-clade V), dont le g´enome est disponible (Grote et al. 2012), pourra ˆetre utilis´ee comme groupe externe pour ce couple. Efficacit´e de l’assimilation : ´etude des m´ecanismes sous-jacents L’efficacit´e de l’assimilation des nutriments varie selon les organismes et les ressources consid´er´es (voir par ex. les r´esultats de l’Article 1), ces varia-tions pouvant influencer fortement les strat´egies trophiques (et ´ecologiques au sens large) de ces organismes. Afin d’´etudier les processus ´evolutifs et ´ ecologiques sous-jacents `a ces diff´erences d’efficacit´e de l’assimilation, il est n´ecessaire d’analyser ind´ependamment les diff´erents niveaux physio-logiques dont l’efficacit´e d’assimilation est la r´esultante. Certains de ces niveaux d´ependent en effet de l’organisme-hˆote (par ex. s´ecr´etion d’enzymes digestives) alors que d’autres d´ependent de son microbiote digestif (en-semble des micro-organismes pr´esents dans son tube digestif et participant pour une large part `a ses fonctions digestives). La composition (sp´ecifique et fonctionnelle) du microbiote influence donc l’efficacit´e d’assimilation de l’organisme-hˆote. L’´evolution de la composition de ce microbiote, `a court (`a l’´echelle de la vie d’un individu) et `a long termes, est actuellement l’objet de multiples ´etudes bas´ees majoritairement sur des mod`eles mammif`eres (De Filippo et al. 2010, Bertino-Grimaldi et al. 2013, Delsuc et al. 2014, Smith et al. 2015, Xu & Knight 2015). Le d´eveloppement de ces probl´ematiques est en effet essentiel `a notre compr´ehension des strat´egies trophiques des organismes et implique de potentielles applications m´edicales, de par les liens suspect´es entre r´egime alimentaire, composition du microbiote et risque d’ob´esit´e chez l’humain (Turnbaugh et al. 2006, Jumpertz et al. 2011, Di-Baise et al. 2012). Cependant, les influences relatives des processus ´evolutifs (inertie phylog´enique, conservatisme de niche) et ´ecologiques (composition du r´egime alimentaire) sur la composition de ce microbiote sont encore lar-gement d´ebattues dans la litt´erature, les mod`eles utilis´es dans les ´etudes pr´ec´edemment cit´ees n’´etant pas forc´ement les plus ad´equats pour aborder ces probl´ematiques (par ex. covariation entre phylog´enie et environnement). Notre mod`ele biologique (isopodes ´epig´es / hypog´es) est id´eal pour aborder ces probl´ematiques d’´ecologie et d’´evolution des communaut´es microbiennes digestives, car il permet de comparer le microbiote d’esp`eces relativement proches phylog´en´etiquement mais dont les r´egimes alimentaires diff`erent radicalement (par ex. P. parvulus consommant presque exclusivement du biofilm et P. meridianus consommant presque exclusivement des d´ebris de feuilles) et ainsi de discriminer les influences relatives des processus ´ ecologiques et ´evolutifs sur la composition (sp´ecifique et 7.4. PERSPECTIVES 167 Cette perspective vise donc `a analyser les processus ´evolutifs et ´ecologiques influen¸cant l’efficacit´e de l’assimilation trophique en ´etudiant deux niveaux compl´ementaires : le niveau de l’organisme-hˆote (isopode) et le niveau de son microbiote. Pour cela, il faudra s´eparer le r´epertoire fonctionnel (en-semble des prot´eines et voies m´etaboliques exprim´ees) de l’organisme-hˆote (isopode) de celui de son microbiote. Le r´epertoire fonctionnel des isopodes (`a l’´echelle de l’organisme entier) est d´ej`a disponible sous la forme des trans-criptomes acquis pour les 13 couples d’esp`eces ´epig´ee / hypog´ee (Article 3). Ces transcriptomes contiennent certainement des s´equences provenant des eucaryotes unicellulaires du microbiote. Il sera donc n´ecessaire de filtrer ces transcriptomes afin d’en retirer les s´equences identifi´ees comme provenant de micro-organismes (blast, seuil de similarit´e `a d´efinir), afin de constituer des banques de r´ef´erence contenant tous les g`enes exprim´es par chaque esp`ece d’isopode ´etudi´ee. ´ Evolution des voies d’assimilation de l’organisme-hˆote Dans ces banques de r´ef´erence, il faudra ensuite identifier les g`enes impliqu´es dans les voies m´etaboliques d’assimilation des nutriments, qui sont consid´er´ees ici au sens large de toutes les voies m´etaboliques permettant l’assimila-tion de nutriments, provenant d’une ressource consomm´ee, dans les tissus de l’organisme (incluant entre autres les enzymes digestives s´ecr´et´ees, les transporteurs de nutriments ou de compos´es azot´es / phosphor´es, les en-zymes des voies m´etaboliques intra-cellulaires, . . . ). Certaines enzymes-clef de ces voies d’assimilation sont bien connues et ´etudi´ees chez les arthro-podes, par exemple la phosphatase alcaline (acquisition du P) ou l’amino-leucine peptidase qui d´egrade les liaisons azot´ees des compos´es alimentaires (B¨arlocher & Porter 1986, Wolf et al. 1997, Wagner et al. 2013). Cepen-dant, par souci d’exhaustivit´e il est pr´ef´erable de ne pas cibler que quelques voies m´etaboliques d’assimilation, mais de travailler sur toutes les prot´eines d´ecrites dans la litt´erature comme impliqu´ees dans des voies d’assimilation. La plupart de ces prot´eines pourront ˆetre identifi´ees dans les transcrip-tomes d’isopodes en propageant les annotations issues des g´enomes dans les familles de g`enes orthologues d´efinies dans l’Article 3. En utilisant les num´eros ‘GO’ (Gene Ontology), les prot´eines pourront ˆetre class´ees et structur´ees en diff´erents ensembles (correspondant aux fonctions et proces-sus biologiques auxquels elles sont associ´ees), ces ensembles ´etant imbriqu´es hi´erarchiquement les uns dans les autres (du niveau le plus global au ni-veau le plus pr´ecis). Par exemple, il est possible d’isoler toutes les prot´eines identifi´ees comme ´etant impliqu´ees dans le transport de compos´es azot´es (correspondant au GO num´ero 71705) ou plus globalement dans les proces-sus m´etaboliques ciblant ces compos´es azot´es (GO 6807). Il sera ainsi possible d’estimer l’expression des diff´erentes voies m´etaboliques d’assimilation pour chaque esp`ece, et donc d’´evaluer les influences relatives de la phylog´enie et de la composition du r´egime alimentaire sur ces profils d’expression. Certaines voies (li´ees `a la d´egradation des compos´es cellulo-siques par exemple) pourraient ˆetre syst´ematiquement surexprim´ees chez toutes les esp`eces consommant principalement de la mati`ere organique par-ticulaire (par rapport `a des esp`eces n’en consommant pas). Cela indiquerait une forte influence de la composition du r´egime alimentaire sur ce profil d’expression (convergence). Il serait ´egalement possible d’observer des Dans le document Évaluation des stratégies adaptatives des métazoaires aux faibles disponibilités en nutriments : couplage d’approches d’écologie isotopique et de transcriptomique chez des isopodes épigés et hypogés (Page 175-200)
