Les invasions biologiques : modèles d’étude des phénomènes évolutifs

Le cas des insectes

La colonisation d'un nouveau milieu constitue souvent un défi pour les espèces invasives. Les individus fondateurs doivent ainsi s’adapter et développer, pour survivre, des capacités différentes. C’est le challenge adaptatif.
En biologie des populations, les invasions de bioagresseurs sont d'excellents modèles pour étudier les phénomènes évolutifs sur des périodes courtes. Au sein de l'équipe "Biologie des Populations en Interaction" (unité Interactions biotiques et santé végétale, Inra-CNRS-Université de Nice Sophia-Antipolis), les processus d’adaptation de populations d’insectes sont étudiés par des approches de biologie évolutive, incluant l’écologie évolutive et comportementale, la génétique des populations et la démographie.

Les invasions fortuites : des modèles d'évolution à suivre

Les invasions biologiques sont des phénomènes difficiles à suivre parce qu'elles sont difficilement détectables dans leur phase précoce (introduction et établissement de faible effectif), en raison de leur caractère imprévisible (lieu et date d'introduction souvent inconnus) et de scénarii démographiques différents (introductions simples, multiples ou répétées).

Cependant, leur étude permet in natura de tester des hypothèses évolutives générales sur les processus adaptatifs et particulières sur le fonctionnement des invasions. Il existe ainsi aujourd’hui un relatif consensus sur les facteurs démographiques et génétiques supposés déterminer le succès des invasions biologiques mais leur effet reste encore à tester. Ces facteurs sont, notamment, la localisation, le nombre et le niveau de différenciation des populations d'origine des individus fondateurs ainsi que le nombre d’individus introduits. Ces facteurs qui constituent ce qu’on appelle les routes d’invasions déterminent tous la variabilité génétique des populations introduites et donc indirectement leur adaptabilité dans le nouveau milieu. Les routes d’invasion peuvent aussi définir en partie la pression de propagule (nombre d'individus fondateurs et nombre de fondations), supposée avoir un effet positif purement démographique sur la probabilité d'établissement des populations introduites.
 

La chrysomèle du maïs : remonter les routes d'invasion pour comprendre ses incroyables capacités adaptatives

La chrysomèle des racines du maïs, Diabrotica virgifera virgifera, est un ravageur important du maïs. De part sa proximité avec cette culture comme plante-hôte spécifique pour les larves et de part les pratiques agricoles modernes de culture du maïs en monoculture et sur de larges échelles, la chrysomèle du maïs est économiquement un des plus grands ravageurs du maïs aux Etats-Unis. Probablement originaire d'Amérique centrale, cette chrysomèle a envahi le centre et le nord-est des Etats-Unis au cours du XXe siècle. Plus récemment arrivée en Europe, Diabrotica a été pour la première fois observée près de Belgrade, en Serbie, en 1992. Depuis, un réseau international de surveillance a été mis en place et a documenté l'expansion de Diabrotica en Europe.

Depuis 2003, l'équipe Biologie des populations en interaction mène des travaux de recherche sur les routes et la dynamique de l'invasion de la chrysomèle du maïs en Europe dans le but d’identifier la fréquence, l'origine et les modalités des introductions et les conditions qui les ont favorisées.

Des analyses de la diversité génétique des populations européennes et américaines à l’aide de marqueurs génétiques hypervariables de type microsatellites ont permis de déterminer les routes d'invasion. Elles ont conclu à l'existence d’au moins cinq introductions indépendantes en Europe, toutes issues de la même population d'Amérique du Nord.
 

Femelle de chrysomèle prenant son envol. (c) Joseph L. Spencer, University of Illinois

Une analyse de génétique des populations a également été réalisée pour étudier la structure des populations invasives de Diabrotica en comparaison aux populations sources et évaluer la perte de diversité génétique liée à chacune des fondations. Il apparait que les foyers européens présentent un niveau de diversité génétique moindre (le nombre moyen d’allèles par locus pour les individus fondateurs du premier foyer en Serbie est de 3,2 contre 8 dans la population américaine source). Ceci suggère qu’un très faible nombre d’individus ont été introduits. Cette étude a également montré de façon surprenante que certains foyers invasifs sont génétiquement très variables (Grande Bretagne, Alsace). Ceci suggère qu’un grand nombre d’individus fondateurs est à l’origine de certains foyers et pose des questions sur les modes d’introduction.

Depuis 1992, l’extension des différents foyers européens initialement indépendants fait craindre une accélération de la vitesse d’invasion du parasite sur le continent européen. Les analyses génétiques permettent de quantifier les deux principaux modes de dispersion géographique : une diffusion radiale et continue (en cercles concentriques autour de la zone d’introduction, sachant que la chrysomèle du maïs ne se déplace par elle-même que sur une distance maximale de 50 km par an) et des migrations longues distances responsables de la création de nouveaux foyers satellites (jusqu’à quelques centaines de km de distance). Ce double mode de dispersion a malheureusement un effet accélérateur sur la vitesse d’expansion géographique des foyers.
De plus, les capacités de dispersion dans une situation de colonisation peuvent évoluer : les individus les plus dispersants se reproduisent entre eux et leurs descendants bénéficient alors d’une plus grande capacité de dispersion que la moyenne des individus de la population. La vitesse de colonisation est donc amenée à évoluer et augmenter. Des études sur ce phénomène commenceront cet été.

Il est probable que les foyers d’Europe centrale et d'Italie du nord se rejoindront. Ces foyers proviennent de deux introductions différentes en provenance d’Amérique du Nord, ont une faible diversité génétique et sont très différenciés génétiquement. Le brassage attendu des individus issus des deux foyers différents permettra à la population européenne de Diabrotica virgifera virgifera de retrouver 73 % du niveau de variabilité génétique de la population source d’Amérique du nord et de restaurer l’incroyable potentiel d’invasion de ses ancêtres américains. De plus, le croisement entre ces deux foyers génétiquement très différenciés se traduira peut-être par l’apparition de phénotypes plus performants que ceux des populations parentales (effet d’hétérosis) et ainsi pourra contribuer à une meilleure adaptation des Diabrotica à leur milieu.

Il est à craindre que, dans un monde où le nombre d'échanges commerciaux ne cesse de croître, la perte de diversité génétique intra-populationnelle subie par les populations de bioagresseurs lors des invasions ne joue plus son rôle supposé de modérateur. En effet, à cause des introductions répétées en Europe, les populations invasives européennes gardent une grande diversité génétique inter-populationnelle et peuvent retrouver à court terme toutes leurs capacités de conquête.