29 Avr Comment les levures trouvent le partenaire idéal
Une expérience d’accouplement collectif menée en laboratoire révèle comment les cellules de levure choisissent leurs partenaires – et quels facteurs déterminent le succès de leur descendance.
Alors que les humains ont souvent du mal à trouver un partenaire à la fois physiquement attirant et capable d’assumer pleinement son rôle de parent, la levure aurait déjà trouvé la formule du couple idéal. Selon une nouvelle étude menée par des scientifiques de l’Institut Weizmann des sciences et publiée dans *Cell Reports*, ces organismes unicellulaires ont tendance, lorsqu’ils choisissent un partenaire, à privilégier ceux susceptibles d’augmenter les chances de réussite de leur progéniture. L’étude a également révélé un lien entre la réussite des parents et la distance génétique qui les sépare, d’une part, et la réussite de leur progéniture, d’autre part, apportant ainsi un nouvel éclairage sur l’évolution de la reproduction sexuée.
Ces résultats sont issus d’une expérience d’une ampleur sans précédent menée dans le laboratoire du professeur Yitzhak Pilpel. Les chercheurs ont réuni environ 10 millions de cellules de levure issues d’une centaine de souches différentes, leur permettant de se mélanger librement tandis que l’équipe observait leurs choix de reproduction.
(de gauche à droite) Dr Orna Dahan, Dr Sivan Kaminski Strauss et le professeur Yitzhak Pilpel
La levure de boulangerie, bien connue pour la fabrication du pain et la production d’alcool, peut se reproduire de différentes manières. Lorsque les conditions environnementales sont favorables, elle se multiplie par auto-réplication. En période de disette, cependant, elle forme des spores qui attendent des jours meilleurs. Ces spores, dont chacune porte la moitié du matériel génétique de la cellule mère, se déclinent en deux types de reproduction, a et α, qui correspondent en gros aux sexes masculin et féminin. Lorsque les conditions s’améliorent, les spores a et α sécrètent des signaux chimiques odorants appelés phéromones pour se courtiser ; deux cellules de sexes opposés fusionnent alors pour former un seul descendant complet.
Tout comme l’humanité se compose de différentes populations, la levure de boulangerie compte des milliers de souches. Dans la nature, les spores produites par chaque cellule de levure se forment à l’intérieur d’une poche distincte, et la reproduction sexuée a presque toujours lieu entre frères et sœurs au sein de cette poche. Par conséquent, les accouplements entre souches différentes sont relativement rares. Cependant, de tels accouplements se produisent parfois et sont particulièrement intéressants, car ils peuvent révéler comment les caractères hériditaires sont transmis – et si ces organismes anciens font preuve de préférences dans le choix d’un partenaire.
Dans le cadre de cette étude, dirigée par le Dr Sivan Kaminski Strauss sous la supervision du professeur Pilpel et du Dr Orna Dahan, les chercheurs ont organisé un événement d’accouplement massif entre les spores d’une centaine de souches de levure en les plaçant ensemble dans un seul tube à essai pendant 20 heures. Des milliers de copies de chaque souche ont été introduites, de sorte que chaque souche ait de nombreuses occasions de s’accoupler avec d’autres, ce qui a permis aux scientifiques de compter exactement combien de fois chaque souche a choisi une autre souche particulière comme partenaire.
« Nous avons inséré un code-barres d’identification dans le code génétique de chaque souche parentale », explique le docteur Dahan. « Nous avons également mis en place un mécanisme qui ne s’active que chez la descendance, garantissant ainsi que les codes-barres des deux parents s’assemblent en une seule séquence. Cela nous a permis de déterminer, à la fin de l’expérience, qui étaient les parents de chaque descendant, et à quelle fréquence chaque parent s’était accouplé avec chaque partenaire potentiel. »
Ca Colle ! Illustration générée par IA
Les chercheurs ont été surpris de découvrir que certaines souches de levure évitaient systématiquement de s’accoupler entre elles. En comparant des paires de souches qui produisaient une nombreuse progéniture à celles qui en produisaient moins, l’équipe a identifié des différences qui ne pouvaient s’expliquer uniquement par le niveau d’activité sexuelle de chaque souche. Les résultats suggèrent donc que les levures manifestent des préférences d’accouplement spécifiques.
L’expérience a été menée dans deux conditions environnementales principales : l’une avec une source de nourriture préférée par la plupart des souches de levure, et l’autre avec une source de nourriture que la plupart des souches trouvent beaucoup plus difficile à digérer. Lorsque la nourriture de haute qualité était disponible, les levures avaient tendance à choisir des partenaires qui produisaient une progéniture plus robuste.
« Cette découverte nous rapproche de la réponse à une question fondamentale de l’évolution : la capacité à choisir un partenaire fait-elle partie intégrante de la reproduction sexuée, ou s’agit-il d’un raffinement apparu plus tard ? », explique le professeur Pilpel. « D’une part, la reproduction sexuée, par opposition à l’autoreproduction, a peut-être été préservée simplement parce qu’elle génère une diversité génétique. D’autre part, la capacité à sélectionner un partenaire susceptible d’améliorer la descendance pourrait bien être l’élément déterminant. Le fait que de telles préférences existent chez la levure suggère qu’il s’agit d’un mécanisme ancien et fondamental. »
« Pour répondre à cette question, nous testons actuellement s’il est possible de désactiver les gènes responsables des préférences d’accouplement chez la levure sans éliminer complètement la reproduction sexuée – ou si les deux sont indissociables. Une autre question reste en suspens : comment une souche de levure identifie-t-elle le bon partenaire ? Une possibilité est que les phéromones de chaque souche contiennent des caractéristiques chimiques uniques qui révèlent des informations sur des traits importants. »
Une cellule de levure qui détecte les phéromones émises par un individu de type sexuel opposé développe une excroissance en direction du signal, un processus appelé « shmooing ». Lorsque les excroissances des deux cellules se touchent, elles fusionnent pour former une seule cellule contenant le matériel génétique des deux / Crédit photo : Pilarbini
La recette d’une descendance prospère
L’expérience sur la reproduction de la levure a également offert une occasion rare d’étudier comment la « réussite dans la vie » se transmet des parents à la descendance. Pour les biologistes évolutionnistes, la réussite désigne avant tout la valeur sélective, un terme qui décrit la capacité d’un organisme à se développer et à se reproduire dans l’environnement où il se trouve.
La valeur sélective est un trait complexe et quantitatif : elle varie selon différents niveaux et est influencée par de nombreux gènes ainsi que par les conditions environnementales. Le temps de génération de la levure étant inférieur à deux heures, la valeur sélective peut être mesurée rapidement et facilement grâce à des compétitions de croissance en laboratoire. Afin de retracer l’hérédité de la valeur sélective, les chercheurs ont mené des compétitions de croissance tant entre les souches parentales qu’entre leurs descendants.
« Lorsque la nourriture préférée était disponible, plus chaque parent était en bonne condition physique, plus la progéniture avait tendance à l’être aussi », explique le docteur Kaminski Strauss. « En l’absence de nourriture préférée, c’était la différence génétique entre les parents qui comptait. La condition physique de la progéniture augmentait à mesure que la distance génétique entre les parents s’accroissait – jusqu’à un point optimal, au-delà duquel elle diminuait. » Les chercheurs ont ensuite développé un modèle statistique qui prédit, en se basant sur les caractéristiques parentales telles que l’aptitude et la distance génétique, l’aptitude de la future progéniture dans différentes conditions environnementales.
La Science en Chiffres
En une seule journée au laboratoire, environ 100 millions de cellules de levure « naissent » dans un tube à essai – soit à peu près le nombre total de naissances humaines dans le monde en une année entière.
