Comment les émeus et les autruches ont perdu la capacité de voler

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Des tweaks évolutifs de l’ADN qui dirige les gènes pourraient avoir cloué au sol certains oiseaux.

De nouvelles analyses génétiques montrent que des mutations de l’ADN régulateur ont fait perdre aux oiseaux ratites la capacité de voler jusqu’à cinq fois distinctes au cours de leur évolution, rapportent des chercheurs dans la revue Science du 5 avril. Les ratites comprennent les émeus, les autruches, les kiwis, les nandous, les casoars, les tinamous et des oiseaux disparus, les moas et les éléphants. Seuls les tinamous peuvent voler.

L’ADN régulateur tient son nom du fait qu’il est impliqué dans la régulation du moment et de l’endroit où les gènes sont activés et désactivés. Il ne contient pas d’instructions pour fabriquer des protéines. Les chercheurs ont longtemps débattu de la question de savoir si les grands changements évolutifs, comme le gain ou la perte d’un trait comme le vol, se produisent principalement à cause de mutations des gènes de fabrication des protéines liés au trait, ou résultent surtout de modifications de l’ADN régulateur, plus mystérieux.

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La révélation de l’importance de l’ADN régulateur dans le façonnement de l’évolution pourrait faire la lumière sur la façon dont des espèces étroitement liées ayant les mêmes gènes, comme les chimpanzés et les humains ou les moas et les tinamous, peuvent développer des apparences et des capacités très différentes.

Les scientifiques ont eu tendance à souligner l’importance des modifications du codage des protéines affectant l’évolution de divers traits chez de nombreux organismes. Les exemples sont relativement faciles à trouver. Par exemple, une étude précédente sur les cormorans des Galápagos incapables de voler a suggéré que les mutations d’un seul gène rétrécissaient les ailes des oiseaux (SN : 6/11/16, p. 11).

LOST AGAIN Le vol peut avoir été perdu indépendamment dans la branche ratite de l’arbre généalogique des oiseaux qui a donné naissance aux émeus et aux casoars (un casoar méridional adulte, illustré). Luke Seitz

En général, les mutations qui modifient les protéines sont susceptibles d’être plus dommageables que les modifications de l’ADN régulateur, et donc plus faciles à repérer, explique Camille Berthelot, généticien de l’évolution à l’Institut national français de la recherche médicale (INSERM) à Paris. Une protéine peut être impliquée dans de nombreux processus biologiques dans tout l’organisme. « Donc, partout où cette protéine se trouve, il y aura des conséquences », dit-elle.

Le biologiste évolutionniste Scott Edwards de l’Université de Harvard et ses collègues ont contourné ce problème en déchiffrant les livres d’instructions génétiques, ou génomes, de 11 espèces d’oiseaux, dont huit ne peuvent pas voler. Les chercheurs ont ensuite aligné ces génomes à côté de ceux déjà achevés d’oiseaux comme l’autruche, le tinamous à gorge blanche, le kiwi brun de l’île du Nord et les manchots empereur et Adélie, ainsi que 25 espèces d’oiseaux volants.

Les chercheurs recherchaient des tronçons d’ADN régulateur qui n’avaient pas beaucoup changé au cours de l’évolution des oiseaux, une indication que l’ADN remplit une fonction importante. Parmi 284 001 tronçons d’ADN régulateur partagés et relativement immuables, les chercheurs en ont trouvé 2 355 qui avaient accumulé plus de mutations que prévu chez les oiseaux ratites, mais pas chez les autres lignées d’oiseaux. La pléthore de mutations indique que ces morceaux d’ADN régulateur évoluent plus rapidement que les autres parties du génome et qu’ils ont peut-être perdu leurs fonctions d’origine. Le suivi du moment où les accélérations de l’évolution se sont produites a conduit les chercheurs à conclure que les ratites ont perdu le vol au moins trois fois et peut-être jusqu’à cinq fois.

Ces bouts d’ADN régulateurs avaient tendance à être situés près des gènes impliqués dans le développement des membres, ce qui indique qu’ils pourraient modifier l’activité des gènes pour produire des ailes plus petites. L’équipe a testé la capacité d’un de ces bouts d’ADN régulateurs, appelé enhancer, à activer un gène dans le développement des ailes embryonnaires de poulet. Une version de l’activateur du tinamous à crête élégante, qui peut voler, a activé le gène, mais pas une version de ce même activateur du nandou, qui ne peut pas voler. Ce résultat indique que des changements dans cet exhausteur ont désactivé sa fonction de développement de l’aile et pourraient avoir contribué à l’incapacité de voler chez le nandou, disent les scientifiques.

Une hypothèse actuelle pour expliquer pourquoi les ratites, à l’exception des tinamous, sont incapables de voler est que l’ancêtre de toutes les espèces avait perdu la capacité de voler, et que les tinamous l’ont retrouvée plus tard. « Nous ne pensons tout simplement pas que cela soit très plausible », dit Edwards. Au contraire, l’ancêtre des ratites pouvait probablement voler et les tinamous ont conservé cette capacité, tandis que les oiseaux apparentés l’ont perdue, principalement en raison de modifications de l’ADN régulateur, dit-il. « Mon intuition est qu’il est relativement facile de perdre le vol », dit-il.

À part chez l’ancêtre des oiseaux, le vol n’a évolué que quelques fois : chez les ptérosaures, chez les chauves-souris et peut-être quelques fois chez les insectes, dit Edwards. Les oiseaux ont perdu le vol à plusieurs reprises. Il n’y a aucun exemple connu de reconquête du vol une fois qu’il a été perdu, dit-il.

Les chercheurs ont également constaté que plus de 200 gènes codant pour des protéines évoluaient – accumulant des mutations – plus rapidement que prévu chez les ratites sans vol, mais ces gènes avaient tendance à être liés au métabolisme plutôt qu’au rétrécissement des ailes. Ces modifications du codage des protéines ne sont pas aussi importantes pour la perte du vol que les modifications de l’ADN régulateur, concluent les chercheurs.

Les preuves ne convainquent pas la biologiste évolutionniste Luisa Pallares de l’Université de Princeton. « Ce papier joue un vieux jeu », dit-elle, opposant les changements d’ADN régulateurs à ceux codant pour les protéines pour l’importance évolutive. « Personnellement, je ne vois pas l’intérêt de faire cela ». Les deux se produisent et peuvent être tout aussi importants pour façonner l’évolution, dit-elle.

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