La génomique écologique vise à comprendre comment les gènes d'organismes ont été façonnés par leur environnement naturel. Les progrès technologiques permettent de relier l'information génétique avec des études écologiques et d'unifier les disciplines biologiques disparates. Au cours des 5-10 prochaines années, la mission de la génétique sera élargie pour inclure contexte plus écologique et évolutif.
La recherche en biologie contemporaine varie de processus cellulaires de base à des modèles climatiques à travers le monde. Ce spectre n'a pas toujours été continu: bien que les organismes s'adaptent physiquement à leurs milieux naturels, les processus génétiques sous-jacents sont restés un mystère. Le domaine multidisciplinaire émergent de la génomique écologique contribue à éclairer la relation entre la variabilité génétique individuelle et l'histoire évolutive des espèces dans leur milieu naturel.
NOUVELLE TECHNOLOGIE GÉNÉTIQUE
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Figue. 1 | Variation des
souches sauvages
de la plante à fleurs Arabidopsis thaliana
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En raison des investissements technologiques nécessaires, les analyses génétiques ont traditionnellement été appliquées à un petit ensemble d'espèces modèles, tels que les vers nématodes ou les mouches des fruits, qui ont de courtes durées de vie et se prêtent à une manipulation expérimentale. Ces organismes représentent généralement des abstractions des systèmes biologiques, de sorte qu'il a été difficile de déduire de ces études comment les espèces dans la nature interagissent avec leur environnement naturel. En outre, bien que la génétique traditionnelle a mis l' accent sur l'action des gènes uniques avec des effets phénotypiques discrets, les traits qui déterminent les interactions des organismes avec leur environnement sont généralement contrôlés par plusieurs gènes produisant un continuum de phénotypes ( Fig. 1 ).De nouvelles combinaisons d'approches génétiques et génomiques appliquées dans le contexte des populations naturelles offrent maintenant un moyen de tracer les bases génétiques de l' adaptation et les interactions des organismes avec leur environnement
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Le locus de caractères quantitatifs (QTL) est utilisé pour examiner un trait continu dans une population naturelle ou expérimentale. Il identifie plusieurs segments d'ADN dans le génome de la population qui sont associés avec le trait en question comme une première étape vers l'identification des gènes qui contribuent. Une alternative plus récente est l'étude d'association pangénomique (GWAS), qui compare l’information phénotypique dans une population naturelle contre un panel de marqueurs de séquence à travers les génomes de milliers de personnes .Grâce d'association statistique, régions génomiques qui sont en corrélation avec le trait de l'intérêt peut être identifié.
>> Génomique écologique unifie les disciplines biologiques disparates pour fournir une meilleure compréhension des tendances en matière de biodiversité.
Il est également possible de dépister systématiquement les gènes impliqués dans les adaptations récentes sans sélectionner d'abord un trait. Cela nécessite des techniques de signature de l’évolution, comme la cartographie de balayage sélectif, qui analysent les modèles de variation de l’ADN dans les populations naturelles. Une fois que la signature de l'évolution a été identifiée, un trait phénotypique peut être associé. Des études de génétique au niveau des adaptations parallèles fournissent un moyen de confirmer la validité des résultats des systèmes simples.
Grâce à une combinaison de ces approches, des gènes spécifiques responsables des caractères adaptatifs, tels que la couleur du pelage chez la souris sylvestre, armures en plaques en épinoches et le temps de floraison chez les plantes, ont été identifiés. Cependant, les progrès technologiques en matière d' analyse de séquence, comme à base de micro réseaux unique poly nucléotide polymorphisme (SNP) de détection et de la prochaine génération de techniques de séquençage , permettent de plus grands écrans systématiques pour identifier des ensembles complets de gènes de traits adaptatifs dans les organismes non-modèle. La prochaine génération de technologies de séquençage permettra la population et l'analyse des écosystèmes sur une échelle sans précédent.
Parallèlement aux progrès des technologies génétiques, il y a eu des améliorations dans l'imagerie et de la télédétection. Jusqu'à récemment, des techniques telles que, la capture par satellites aérienne et terrestre de l'information ont été utilisées pour enregistrer seulement les grandes tendances dans les écosystèmes. Cependant, comme la technologie comme les appareils photo numériques devient moins cher et plus intégrée grâce à des réseaux sans fil, des images détaillées de la dynamique des écosystèmes peuvent être obtenus et partagés pour révéler des composantes spatiales et temporelles des interactions entre les individus et leurs milieux naturels. L'acquisition des données est de plus en plus facile; le défi sera de veiller à ce que la vitesse de génération de données ne soit pas trop éloignée de la capacité d'analyse des données.
IMPLICATIONS FUTURES
Ces progrès auront un effet dramatique sur le nouveau domaine de la génomique écologique. Au cours des deux prochaines années, il sera possible d'effectuer le séquençage comparatif des milliers de génomes individuels d'une espèce, fournissant un aperçu de la variation naturelle et les signatures d'adaptation. Les chercheurs ne seront pas limitées à des organismes de laboratoire élevés et seront en mesure d'étudier les populations à l'état sauvage, y compris sur le plan écologique et des espèces évolutivement intéressantes précédemment indisponibles pour l'analyse génétique. De même, il sera possible de séquencer les génomes de communautés complexes de micro-organismes dans des échantillons environnementaux pour comprendre la composition des espèces, le contenu des gènes et des voies biochimiques. Le défi sera de comprendre comment les génomes interagissent.
Au cours des 5-10 prochaines années, l'analyse génétique fonction comprendra contexte plus écologique et évolutif. La génétique se déplacera dans une perspective largement concentrée sur la biomédecine et de l'agriculture afin d'inclure l'écologie, avec un intérêt particulier pour les questions de changement global. Par la compréhension de la génétique des interactions d'adaptation et de la communauté, il sera possible de comprendre l'écosystème, ses services et sa stabilité. Cela vous aidera à déplacer le champ d'être en grande partie descriptive d'être plus prédictive.
NOUVEAUX DOMAINES DE RECHERCHE
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Figue. 2 | Graphique de la
relation entre
la puissance de la sélection naturelle
(le coefficient de sélection) et
génétique
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Comme génomique écologique est établie, des approches expérimentales doivent être mis au point pour tenir compte des différences entre la sélection dans des conditions naturelles et expérimentales. Par exemple, des expériences en laboratoire sont limitées dans la taille de la population; ils peuvent identifier uniquement les nouvelles variantes qui fournissent un organisme ayant un avantage relatif par rapport à ses frères et sœurs - de l'ordre de 10%. Nature, en revanche, vous pouvez sélectionner des améliorations qui sont simplement un centième d'un pour cent de mieux (Fig. 2).
Il y a aussi une limitation dans l'étude des effets d'un seul gène, les interactions entre les gènes peuvent être négligées. Ces interactions épistatiques sont difficiles à détecter car il y a tellement de combinaisons possibles. Une meilleure analyse des génotypes naturels - avec leurs paires épistatiques sélectionnées positivement de gènes - va corriger cela, bien que le défi soit énorme statistique .
Comme l'acquisition de données devient plus efficace, de nouvelles avancées conceptuelles seront nécessaires pour l'analyse. Les algorithmes actuels qui analysent les données de séquence ont été élaborés lorsque les données étaient relativement rares et l'efficacité de calcul n'a pas été une priorité. Les circonstances et les technologies actuelles exigent le changement, et les informaticiens devront développer de nouvelles solutions.
La génomique écologique unifie les disciplines biologiques disparates pour fournir une meilleure compréhension des tendances en matière de biodiversité. La révolution technologique va révéler comment les organismes et leurs gènes ont été façonnés par leur environnement naturel. Maintenant, le défi est de comprendre la relation.