Le supercalculateur Roar fournit une puissance de calcul pour les études d’expression génique riches en données.
Alors que la plupart des gens aux États-Unis peuvent considérer les bourdons comme la variété jaune et noire standard, il existe environ 260 espèces d’abeilles qui arborent environ 400 motifs de couleurs différentes. L’une des raisons pour lesquelles de nombreuses personnes associent les bourdons à des couleurs distinctes est que l’évolution peut influencer plusieurs espèces d’abeilles pour qu’elles partagent des motifs de couleurs similaires dans des régions géographiques spécifiques, ce que les scientifiques appellent mimétisme.
Lorsque plusieurs espèces imitent les schémas des autres, elles alertent les prédateurs potentiels dans une certaine zone que lorsqu’elles voient ces couleurs, une piqûre douloureuse peut s’ensuivre. Dans d’autres endroits du monde, les abeilles utilisent une palette de noirs, d’oranges, de rouges, de jaunes et de blancs pour créer ce signal d’avertissement commun.
Aujourd’hui, les chercheurs en apprennent davantage sur le rôle que joue la génétique évolutive dans la formation des modèles de couleurs distinctifs qui donnent aux différentes espèces d’abeilles leur éclat régional.
Dans une étude, les chercheurs rapportent comment un gène Hox, un gène de développement majeur qui régule l’identité des structures sur les segments de l’abeille, active un ensemble complexe de gènes en aval qui entraînent finalement des changements segmentaires dans la pigmentation de l’abeille.
“Dans un article précédent, ce que nous ne pouvions pas expliquer, c’est comment une modification du gène Hox appelé Abdominal-B entraîne une modification des pigments qui colorent ces abeilles », a déclaré Heather Hines, professeure agrégée de biologie et d’entomologie. “Dans cet article particulier, nous essayions de combler cette lacune et de comprendre quels gènes sont ciblés par ce premier gène, et quelle est la cascade d’événements qui conduit finalement à ces différences de couleur mimétiques.”
Les chercheurs, qui rapportent leurs découvertes dans un récent numéro de Biologie et évolution du génome, ont découvert que le ciblage génomique d’un gène majeur du développement permet à plusieurs gènes de mélanine, plutôt qu’à une seule enzyme spécifique, d’être modifiés pour renforcer ces traits de couleur. Ils ont également déclaré que l’étude enrichit les connaissances sur les gènes impliqués dans la production d’un pigment appelé phéomélanine. Le pigment était connu pour être impliqué dans la coloration rouge chez les vertébrés, mais ce n’est que récemment qu’il a été trouvé chez les insectes.
Selon Hines, beaucoup de travail reste à faire pour comprendre la génétique évolutive de ces abeilles. « En comprenant ces gènes, nous avons maintenant le potentiel d’examiner de nombreuses espèces d’abeilles différentes et la manière dont elles se sont diversifiées », a déclaré Hines. « Donc, ce n’est pas une affaire qu’une fois que nous avons terminé ici, nous avons terminé. Compte tenu de la diversité de ces abeilles, il y a tellement plus à faire avec la découverte. Ce n’est vraiment que la première étape.
Les chercheurs ont tendance à utiliser certains organismes – ou organismes modèles – lorsqu’ils étudient la génétique évolutive, car ils sont pratiques et faciles à étudier. C’est l’une des rares études qui ont examiné les gènes de coloration en dehors de ces organismes bien étudiés, ou non-modèles. L’étude de systèmes non modèles permet aux chercheurs de comprendre l’évolution de certaines des diversifications de formes les plus exceptionnelles de la nature, telles que ce rayonnement de couleur.
“Cela ajoute vraiment à la recherche génétique évolutive non modèle, qui est un domaine en pleine croissance et le domaine s’étend également pour être plus comparatif”, a déclaré Hines. «Au fur et à mesure que nous avançons, les chercheurs examineront comment les gènes et les voies génétiques ont évolué à travers une plus grande diversité d’espèces.»
Recherche coûteuse en calcul : ROAR à la rescousse
“L’utilisation d’une puissance de calcul haute performance a rendu ce type de recherche plus gérable et reproductible”, a déclaré Sarthok Rahman, ancien doctorant et étudiant affilié à l’ICDS, Penn State et chercheur postdoctoral en sciences biologiques, Université d’Alabama, et premier auteur de l’étude.
Les chercheurs se sont appuyés sur le superordinateur Roar de l’Institute for Computational and Data Sciences pour fournir cette puissance de calcul pour les études d’expression génique sur les abeilles.
« Nous avons effectué le séquençage dans le Genomics Core Facility, puis nous avons principalement utilisé le serveur opérationnel pour l’analyse de l’expression différentielle des gènes. Parce qu’il s’agit d’un organisme non modèle, nous devons également utiliser d’autres sources génomiques de la drosophile et des souris, par exemple, pour rechercher les gènes et attribuer l’identité », a déclaré Rahman. « Ces analyses peuvent être assez coûteuses en calculs et prendraient beaucoup de temps si elles étaient effectuées sur un ordinateur portable ou un ordinateur de bureau de tous les jours, c’est pourquoi nous avons utilisé l’installation de supercalcul ICDS pour cet article et le précédent. »
Référence : “Developmental Transcriptomics Reveals a Gene Network Driving Mimetic Color Variation in a Bumble Bee” par Sarthok Rasique Rahman, Tatiana Terranova, Li Tian et Heather M Hines, 21 avril 2021, Biologie et évolution du génome.
DOI : 10.1093/gbe/evab080
L’équipe comprenait également Tatiana Terranova, étudiante en recherche de premier cycle avec distinction à Penn State; et Li Tian, ancien chercheur postdoctoral au Hines Lab de Penn State.
La National Science Foundation a soutenu le travail.
