Mécanismes génomiques pour l'évolution de l'absence de vol chez les canards à vapeur

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Nous pouvons comprendre l'évolution en étudiant la séquence dans laquelle les nouvelles fonctionnalités sont acquises. Mais étudier la perte de fonctionnalités présente également des avantages. Lorsqu'un certain trait est perdu plusieurs fois dans des groupes d'organismes distincts, de puissantes approches statistiques peuvent en identifier les fondements génomiques. dans Évolution met en lumière les modifications génétiques associées à une perte de vol chez les oiseaux. Ils comparent les génomes entiers de 59 canards individuels à la vapeur (du genre Tachyeres) d'examiner la perte de vol au fur et à mesure de son évolution.

Les canards à vapeur occupent des habitats côtiers et des lacs dans le sud du Chili, le sud de l'Argentine et les îles Falkland. Ils manifestent un comportement distinctif appelé «steaming» (échappement à la vapeur) – une palpation rapide et synchronisée de leurs ailes et de leurs pieds dans l’eau qui imite l’action de leur bateau éponyme (fig. 1). Sur les quatre espèces reconnues, trois (T. brachypterus, T. Pteneres et T. leucocephalus) sont caractérisés par leur incapacité à voler. Certains canards mâles plus lourds des espèces habituellement volées, T. patachonicus, sont également incapables de voler, car la charge de leurs ailes (rapport entre le poids du corps et la surface de l’aile) est supérieure à celle de leurs homologues plus légers.

Figure 1 | Comportement à la vapeur chez un canard à vapeur. Canards à vapeur en vol et incapables de voler dans le genre Tachyeres montrent un comportement d'évasion distinct appelé vapeur, dans lequel ils pagayent rapidement leurs ailes et leurs ailes courtes. La campagne et al. séquencé les génomes de canards à vapeur individuels de chacun des Tachyeres espèces (y compris les volants) Brachypterus de Tachyeres ci-dessous), et les a analysées avec les mesures de l’aile des oiseaux pour proposer des changements dans l’expression des gènes qui pourraient sous-tendre l’évolution de l’absence de vol.Crédit: Bill Coster / FLPA

Tous les canards à vapeur marchent également sur la terre ferme et plongent pour se nourrir et échapper aux prédateurs. Contrairement aux macareux et aux manchots, qui utilisent les mouvements des ailes pour se nourrir et se nourrir, ils ne peuvent pas se nourrir à la vapeur. Cependant, ils utilisent leurs ailes lorsqu'ils plongent sous l'eau et les muscles du vol chez les espèces incapables de voler ne sont que légèrement plus petits par rapport à la masse corporelle que chez les canards à vapeur qui peuvent voler.

Il a été débattu de savoir si les espèces de canards à vapeur qui ne pouvaient voler, ont chacune perdu leur capacité de voler ou si elles sont toutes descendues d'une seule branche de canards sans fleurs.. La résolution de ce débat permettrait de mieux comprendre certains des facteurs environnementaux ou écologiques susceptibles de favoriser les pertes en vol.

Les canards à vapeur forment un groupe jeune et évolutif, estimé à environ 2 millions d'années. À travers leur comparaison de génome, Campagna et al. montrer que l’évolution de l’absence de vol chez les deux espèces continentales, T. Pteneres et T. leucocephalus, se sont produits tôt dans l’histoire du clade et dans un délai relativement court. Par contre, T. patachonicus et le littoral T. brachypterus sont plus étroitement liés (ils n'ont divergé que récemment) et pourraient même se croiser. Dans l’ensemble, la comparaison du génome des auteurs suggère que l’absence de vol aurait pu évoluer indépendamment à trois reprises, bien qu’il existe différentes interprétations.

La campagne et al. a également identifié les parties du génome qui contiennent le plus grand nombre de différences dans la séquence d'ADN entre individus volés et incapables de voler, en exploitant les génomes pour les polymorphismes nucléotidiques (SNP): substitutions de nucléotides simples en des points spécifiques de la séquence d'ADN. Les auteurs ont mis en corrélation les mesures des os des ailes et des proportions d'os chez les oiseaux séquencés avec les données du génome, de manière à pouvoir distinguer les différences génétiques liées à la forme des ailes entre les individus de celles qui n'étaient pas pertinentes pour la forme des ailes ou qui s'étaient produites par hasard. Notamment, certains T. patachonicus et T. brachypterus les canards présentaient un mélange de versions des séquences génétiques liées à la longueur des ailes, liées ou non au vol. Ainsi, l'évolution de la perte en vol semble être prise en flagrant délit chez les canards à vapeur.

La plupart des SNP que Campagna et al. s'est avéré associé à des différences dans les mesures des membres dans ou à proximité d'un gène appelé DYRK1A. Ainsi, les auteurs suggèrent que les changements de DYRK1A l'expression et la fonction pourraient contribuer à la réduction de la longueur du membre par rapport au poids corporel observée chez les individus incapables de voler. Ils notent également que les souris qui portent plus de copies de DYRK1A que la normale montrent des différences de membre-squelette. De plus, l’augmentation du nombre de copies de DYRK1A ont été impliqués dans certains symptômes du syndrome de Down chez l'homme, notamment des différences dans la taille du corps et la longueur des os longs, en particulier dans les membres antérieurs. Bien que la campagne et al. ont été incapables d'examiner le nombre de copies de DYRK1A dans Tachyeres, Les travaux futurs pourraient examiner expérimentalement les effets des différences génétiques observées dans le développement des oiseaux.

Les espèces sans vol sont très diverses et les pertes en vol ont évolué dans des contextes très différents. Elle s'est produite après l'acquisition ou l'élaboration d'un mode de locomotion aquatique, tel que la plongée ou la navigation à la vapeur, et dans des contextes essentiellement terrestres dans lesquels les prédateurs sont peu nombreux. Comme exemple de ce dernier scénario, les rails, qui sont des parents de grues, ont perdu la capacité de voler sur presque toutes les îles océaniques sur lesquelles ils ont atterri (et parfois à plusieurs reprises sur la même île).).

Quels que soient les différents contextes susceptibles de favoriser la perte de vol, dans tous les cas de perte de vol, une réduction de la longueur des ailes par rapport au reste du corps entraîne une charge en ailes trop importante pour permettre le vol. Cependant, d’autres modifications de la musculature des ailes, de la peau et des plumes, ainsi que des systèmes sensoriels et du reste du squelette, varient considérablement d’une espèce à l’autre, et il n’est pas toujours clair si ces modifications sont liées à une perte de vol ou à d’autres facteurs. les facteurs. Par exemple, il est intéressant de noter qu'il est proposé que les modifications génétiques et de la forme des ailes associées à la perte de vol chez les canards à vapeur se soient produites au même moment où ces oiseaux ont acquis un comportement à la vapeur. Les ailes sont généralement relativement courtes chez les oiseaux qui les utilisent pour se déplacer dans l'eau. Il est donc difficile de déterminer si les modifications génétiques qui affectent la forme des ailes sont associées à l’acquisition de vapeur ou à la perte de vol.

Ces dernières années ont été marquées par d’autres développements importants dans la recherche sur la génétique des pertes en vol.,. Une étude des différences identifiées entre les génomes de trois espèces de cormorans en vol et leur parent incapable de voler, Phalacrocorax harrisi. Beaucoup de ces variations étaient dans ou autour de gènes impliqués dans la fonction de protrusions cellulaires appelées cils, qui transmettent les signaux cellulaires nécessaires au développement du squelette. Cependant, les muscles de vol et les parties associées des os sternaux de P. harrisi sont beaucoup plus petites que celles de ses parents volés (différences non observées entre les canards sans).

Une autre étude ont étudié une base différente pour la perte de vol chez les ratites – un groupe d'oiseaux comprenant le casoar, l'autruche et le kiwi, et dans lequel le vol avait été perdu plusieurs fois dans le passé. Des différences entre les espèces volées et non volées ont été identifiées dans des régions de l’ADN régulant l’expression des gènes intervenant dans la détermination de la structure de la patte antérieure (mais étaient distinctes des modifications observées chez les canards à vapeur). Des modifications de l’expression de plusieurs de ces gènes au cours du développement entraînent des membres antérieurs courts..

Les divers mécanismes sous-jacents au vol qui ont été identifiés dans ces études génomiques ne sont pas nécessairement incompatibles. En effet, une perspective émergente est que les mécanismes génétiques qui entraînent des changements dans la forme et la longueur des ailes pourraient être aussi divers que les contextes écologiques dans lesquels la perte de vol s'est produite. Ce n'est peut-être pas surprenant. Des études sur la réduction digitale chez les mammifères ont mis en évidence des mécanismes aussi divers,et différents mécanismes génétiques sous-tendent les adaptations à la haute altitude chez des espèces de colibris étroitement apparentées. Plus de travail avec les collections de muséeet en biologie du développement et en anatomie, est nécessaire pour améliorer notre compréhension des changements génétiques qui sous-tendent des traits tels que l'absence de vol.

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