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La génomique environnementale : un nouveau regard sur le vivant

par Frédéric Magné - publié le

Le séquençage à haut débit de l’ADN qui a émergé au début des années 2000 constitue une rupture dans la manière d’aborder les questions scientifiques, voire en poser de nouvelles en biologie et sciences de l’environnement. De ces bouleversements émerge un nouveau champ de recherche appelé « génomique environnementale ». Cette nouvelle discipline représente une opportunité exceptionnelle pour répondre aux défis posés en matière d’environnement, de réchauffement climatique, et plus généralement de maîtrise des impacts du changement global sur les écosystèmes. Fruits du dynamisme de la communauté française, soutenue par le Groupement de recherche Génomique Environnementale (GDR3692), deux issues spéciales publiées récemment dans les revues Heredity et Genetica, reflètent les récentes avancées dans un champ de recherche qui bouleverse notre compréhension du vivant et des écosystèmes.

En 15 ans, le séquençage à haut débit a changé de manière irréversible la production de séquences ADN en elle-même, mais aussi l’analyse, l’échange, le stockage et l’exploitation des données produites. En effet, il donne accès aux (méta)génomes, (méta)transcriptomes et (méta)codes-barres d’individus, de populations et de communautés d’organismes appartenant à l’ensemble des domaines du vivant, Archées, Bactéries et Eucaryotes, ainsi qu’aux Virus. De nouvelles opportunités scientifiques s’offrent aux chercheurs pour comprendre la vie sur Terre dans de nombreux champs de recherche comme la classification du vivant, l’exploration, l’inventaire et la dynamique de la biodiversité, l’évolution, l’adaptation et l’écologie des organismes vivants et des virus, le fonctionnement des communautés ou encore la connaissance des écosystèmes contemporains et passés.

A travers des synthèses bibliographiques et des articles originaux, ces issues spéciales illustrent la diversité des approches scientifiques et des stratégies expérimentales portées par la génomique environnementale, et abordent des questions relevant de la taxinomie, l’écologie, l’évolution, l’adaptation et de la biodiversité. Certains de ces articles sont le fruit de la transition entre séquençage de première génération (Sanger) et de deuxième génération (Illumina ou 454-Roche), d’autres utilisent le séquençage de troisième génération (Pacific Biosciences).

L’issue spéciale dans Heredity présente tout d’abord une discussion par Schlotterer et al. sur l’approche Pool-seq comme outils d’analyse du polymorphisme au sein de populations, permettant ainsi de mieux comprendre la dynamique de leur évolution. Les articles de Peyretaillade et al. ainsi que Pante et al. montrent l’acquisition de données sur la structure du génome et la taxinomie de populations eucaryotes que sont les Microsporidia et les Chrysogorgia. Les trois articles suivants analysent la structure, la dynamique et le fonctionnement de communautés et populations bactériennes issues de différents environnements : An et al. concentrent leur analyse sur les dynamiques de communautés bactériennes transportées par les tempêtes de sable sur des distances planétaires ; à partir d’étude biogéographiques à grande échelle Terrat et al. comparent différentes méthodes d’analyse de la structure des communautés bactériennes des sols, tandis que Kwasiborski et al. utilisent la transcriptomique pour comprendre les relations entre deux populations bactériennes en interaction avec des végétaux. Deux études rapportent des approches méthodologiques originales qui permettent soit de réaliser un génotypage à haut débit d’un nombre important d’individus par Ferrandiz-Rovira et al., soit d’utiliser les séquences généralement non-exploitées et issues du séquençage d’organismes eucaryotes pour lesquels les génomes de référence sont de faible qualité afin d’en révéler les compositions symbiotiques par Gouin et al.. Enfin, les trois derniers articles montrent l’intérêt de différentes approches de séquençage à haut débit pour comprendre la réponse évolutive des organismes face aux changements environnementaux : Porcelli et al. synthétisent les données de la littérature sur la réponse aux stress liés à un accroissement de la température chez les métazoaires ; Huber et al. examinent la spéciation associée au mimétisme chez des papillons Sud-américains du genre Heliconius par différentes méthodes de QTL génomique ; Lopes et al. analysent les mécanismes écologiques d’évitement de la compétition entre des espèces sympatriques de rongeurs de la côte Est du Brésil par des analyses de métacode-barres de leurs régimes alimentaires ainsi que de la faune et la flore locales.

L’issue spéciale dans Genetica s’ouvre par une synthèse par Pompanon et Samadi qui discutent des atouts, contraintes et opportunités de l’approche (meta)code-barres pour quantifier et caractériser la biodiversité. Une autre revue par Henri et al. propose une nouvelle méthode de réduction génomique par RAD-seq pour optimiser l’analyse par multiplexage de centaines de spécimens d’une espèce donnée, tandis qu’une autre approche de réduction génomique par micropuces de haute densité est utilisée par Gurgul et al. pour analyser la variation génétique chez différentes populations de bovins. Une approche de métatranscriptomique est discutée par Pascault et al. dans une étude de métabolisme de différentes communautés bactériennes issues de lacs eutrophisés, durant des blooms de cyanobactéries. Les trois articles suivants par Bellanger et al., Aznar-Cormano et al., et Robuchon et al. montrent l’utilisation du séquençage de première génération (Sanger) pour résoudre la taxinomie de différents groupes de champignons, décapodes et algues. Ils constituent des études de référence sur lesquelles se baseront les futures approches code-barres liées au séquençage à haut débit. Les articles de Marchant et al., Khayi et al., et Kwasiborski et al. montrent comment utiliser le séquençage à haut débit de deuxième et troisième générations pour assembler et analyser des génomes d’organismes non-modèles, eucaryotes et bactériens.

Ces deux issues spéciales illustrent la diversité des questions et des objets étudiés par la communauté française en génomique environnementale qui se réunit tous les 2 ans lors d’un colloque national sous l’égide du GDR Génomique environnementale. Ce colloque est l’occasion de mettre en avant les avancées les plus spectaculaires dans ce domaine en émergence, mais aussi d’échanger entre chercheurs des savoirs et savoir-faire permettant d’utiliser au mieux les différentes techniques de séquençage à haut débit, ainsi que les nouveaux outils bioinformatiques assurant le traitement et l’analyse des données produites.

Le prochain colloque « Génomique environnementale » se tiendra à Montpellier les 26-27-28 octobre 2015 : https://colloque.inra.fr/ge-montpellier2015

A venir
Un ouvrage grand public sur la génomique environnementale, rédigé par des chercheurs issus de laboratoires CNRS ou associé et publié par Le cherche midi, paraîtra en novembre 2015.

 class= Référence

Heredity : Special Issue on Environmental Genomics Volume 114, Issue 5 (May 2015)

Genetica : Special Issue on Next-generation sequencing for Biodiversity, Taxonomy, Evolution and Ecology Volume 143, Issue 2 (April 2015)

Contacts chercheurs

Denis Faure, Institut de Biologie Intégrative de la Cellule (I2BC) – CNRS/Univ. Paris Sud/CEA
Mail : Denis.Faure@i2bc.paris-saclay.fr

Dominique Joly, Évolution, génomes, comportement et écologie (EGCE) - CNRS/Univ. Paris Sud/IRD
Mail : Dominique.Joly@cnrs-dir.fr

Source : CNRS-INEE http://www.cnrs.fr/inee/