Antennae Vol. 10, no.2, Printemps 2003

Bienvenue au «Wolbachia-boom» !
par Anthony Daniel

Perçue comme une bizarrerie biologique au tout début, la bactérie Wolbachia a aujourd’hui la cote auprès des chercheurs. Non seulement les microbiologistes s’y intéressent, mais les entomologistes, les évolutionnistes et les médecins aussi (Bordenstein et al. 2001; Rasgon et Scott 2001; Stouthamer et al. 2001). Cela se traduit même par ce que l’on pourrait appeler un Wolbachia-boom. Considérée comme un véritable laboratoire vivant, cette bactérie fascine par ses capacités exceptionnelles de contrôler ses hôtes. Des évolutionnistes croient qu’elle permettra d’affiner nos connaissances sur certains phénomènes, notamment ceux menant à l’émergence ou à l’extinction des espèces (Bordenstein et al. 2001; Jiggins et al. 2000). Wolbachia pourrait même être en partie responsable de l’extraordinaire diversité observée dans les mécanismes de détermination des sexes chez les invertébrés (Knight 2001). Plus encore, les caractéristiques de Wolbachia laissent entrevoir d’importantes applications médicales et agronomiques (Rasgon et Scott 2001; Taylor et Hoerauf 1999; Vavre et al. 2000). Intimement liée à plusieurs espèces d’arthropodes, cette bactérie promet d’avoir de fortes répercussions en entomologie. Sans plus tarder, permettez-moi de vous présenter Wolbachia cette féministe encore mal connue. 

Découverte
Découverte en 1924 dans les tissus d’un moustique, Culex pippentis, par le docteur Wolbach (Hertig et Wolbach 1924), cette bactérie n’est sortie de l’ombre que dans les années 50. Tout commença lorsque des généticiens rencontrèrent des problèmes à effectuer des croisements entre différentes lignées de moustiques appartenant à la même espèce. En cause : un problème d’incompatibilité cytoplasmique empêchant ces croisements. Ayant observé que des Wolbachia étaient toujours présentes au moins chez un des spécimens incompatibles, ce n’est que 20 ans plus tard que deux chercheurs de l’Université de Californie firent la démonstration de ce lien (Yen et Barr 1971). 

Que sont les Wolbachia ?
Les Wolbachia sont des bactéries vivant dans le cytoplasme des cellules de leur hôte (Weiss et Moulder 1984; O’Neill et al. 1992). Elles colonisent généralement les cellules du système reproducteur mais peuvent aussi être présentes dans d’autres tissus (Werren 1997). Impossibles à cultiver en dehors de leurs hôtes (ce sont des endocytobiontes strictes), elles sont encore très mal connues (Rousset et al. 1992 ; Stouthamer et al. 1993 ; Werren 1997). Elles forment un groupe monophylétique dans la famille des Rickettsies qui infectent, d’après les connaissances actuelles, uniquement des invertébrés (Werren et al. 1995; Werren 1997). Elles se transmettent essentiellement de façon verticale (de génération en génération) par voie transovarienne (ovules), le sperme des mâles ne pouvant pas les transporter (Werren et al. 1995). Des transferts horizontaux (entre les espèces) peuvent également survenir (O’Neill et al. 1992 ; Werren et al. 1995). La particularité des Wolbachia est qu’elles sont spécialisées dans la manipulation de la reproduction de leurs hôtes. Bien que ces manipulations peuvent prendre plusieurs formes, elles se traduisent par une augmentation de la transmission bactérienne et conduisent toutes à l’envahissement plus ou moins complet de la population infectée (Vavre et al. 2000). 

Spectre d’hôtes, incidence dans la nature
Selon les connaissances actuelles, les Wolbachia infectent des nématodes et de nombreuses espèces d’arthropodes appartenant aux groupes des acariens, des crustacés et surtout des insectes. Selon une étude assez récente, environ 20 % des espèces d’insectes pourraient être infectées (Werren et Windsor 2000). Cependant, les travaux, encore plus récents, de deux chercheurs de l’Université de Floride (Jeyaprakash et Hoy 2000) laissent aujourd’hui suggérer que les méthodes utilisées par l’équipe de Werren ont peut-être sous-estimé de façon importante l’incidence réelle de cette bactérie en nature. Ces chercheurs, contrairement à l’équipe de Werren, ont utilisé la technique de « Réaction de Polymérase en Chaîne » (RPC) dite « longue » qui utilise un second enzyme pour corriger les erreurs pouvant survenir lors de la réplication des brins d’ADN. Sur des échantillons d’arthropodes appartenant à 61 espèces d’insectes et 2 espèces d’araignées, 75 % des espèces ont été testées positivement par la méthode RPC longue (Jeyaprakash et Hoy 2000). Bien que plusieurs chercheurs réclament plus d’évidences avant d’accepter une répartition si élargie de la bactérie, tous s’entendent pour dire que les résultats de l’équipe de Werren sont conservateurs. Il faut considérer que Werren et son équipe ne disposaient que de un à deux individus par échantillon de chaque espèce d’insectes (Werren et Windsor 2000). 

Les formes de manipulations de la reproduction par Wolbachia
Le male-killing implique la mort différentielle des mâles infectés chez certaines espèces d’insectes hôtes (Hurst et al. 2000; Jiggins et al. 2000). Par exemple, chez le papillon africain Acraea encedon, où 90 % des femelles portent la bactérie, la présence de mâle infecté est extrêmement rare (Jiggins et al. 2000). Les bactéries présentes dans les embryons mâles, les tuent avant qu’ils puissent se développer. Ce comportement, qu’on pourrait qualifier de suicidaire, puisqu’il tue également les bactéries de l’hôte tué, n’implique pas d’avantages directs pour les bactéries. Il augmente néanmoins leur valeur sélective, de façon indirecte, en favorisant la dispersion des gènes que ces dernières partagent avec leurs proches parents infectant les embryons femelles (Jiggins et al. 2000). Comme la mort des embryons mâles survient tôt avant leur éclosion, une hypothèse veut que les œufs mâles non-éclos servent de source d’énergie aux individus femelles après leur éclosion. Cela augmenterait la survie des chenilles femelles bénéficiant du même coup aux Wolbachia dont elles sont porteuses. Bien que cela ne fut pas encore démontré chez Acraea encedon, cela fut observé chez Adalia bipunctata, la coccinelle à deux points (Hurst et Randerson 2002). Chez cette espèce, la période entre l’éclosion et le premier repas des larves est déterminante pour leur survie (Hurst et Randerson 2002). 

La parthénogénèse thélythoque se traduit par le développement de femelles seulement dans la descendance de certaines espèces d’Hyménoptères arrhénotoques (Stouthamer et al. 1993; Stouthamer 1997; Vavre et al. 2000). Habituellement, chez ces espèces, les œufs fécondés se développent en femelles (diploïdes) alors que les œufs non-fécondés se développent en mâles (haploïdes) (Godfray 1994). La présence de Wolbachia provoque la diploïdie des œufs non-fécondés, ce qui entraîne la disparition des mâles qui ne sont alors plus nécessaires (Stouthamer 1997). Il est intéressant de noter que des traitements aux antibiotiques ou à des températures élevées, qui tuent les bactéries, permettent de faire réapparaître les mâles dans ces populations (Bordenstein et al. 2001; Hurst et Randerson 2002). 

La féminisation est la transformation d’un mâle génétique en néo-femelle fonctionnelle qu’entraîne la présence de Wolbachia chez certaines espèces de crustacés (Rigaud 1997). Bien que le mécanisme ne soit pas encore totalement compris, les Wolbachia interviendraient au niveau de la différenciation et du fonctionnement de la glande androgène qui est responsable du développement des caractères mâles (Moreau et al. 2001). Un exemple de féminisation, parmi les plus étudiés, est celui qui survient chez Armadillidium vulgare, le cloporte commun. Chez certaines populations de cette espèce, la détermination du sexe est même presque entièrement contrôlée par la bactérie Wolbachia (Moreau et al. 2001). Chez les cloportes, le système de détermination du sexe est WZ : les mâles sont ZZ alors que les femelles sont WZ. Chez A. vulgare, les mâles possèdent tout le matériel génétique nécessaire pour devenir des femelles. Il suffit aux Wolbachia de bloquer le développement de la glande androgène pour féminiser les mâles qui deviennent alors des néo-femelles ZZ. Ces néo-femelles ZZ sont capables de disséminer l’infection à de nouveaux descendants qui seront en quasi-totalité des néo-femelles ZZ. De plus, ces femelles ZZ produisent beaucoup plus de filles au détriment des femelles normales WZ qui deviennent rares et finissent par disparaître complètement de la population (Moreau et al. 2001). Chez d’autres espèces de cloportes, il semble qu’un revirement ce soit produit et que les cloportes ont regagné le contrôle de leur sexe ratio. Bien que le mécanisme ne soit pas encore compris, ils le feraient en contrôlant les proportions de leur descendance recevant les Wolbachia (Moreau et al. 2001). 

Une augmentation de la fécondité aurait été observée chez Trichogramma bourarachae. Il semble que les Wolbachia stimuleraient le nombres de mitoses par un mécanisme encore incompris (Girin et Boulétreau 1995)

L’incompatibilité cytoplasmique (IC) consiste en un isolement reproductif post-zygotique qui se produit lors du croisement d’une femelle non-infectée avec un mâle infecté (IC unidirectionnelle) ou entre des individus infectés par des Wolbachia différentes (IC bidirectionnelle) (Hoffmann et Turelli 1997; Vavre et al. 2000). Ce phénomène est provoqué par une condensation anormale des chromosomes du père qui fait avorter le développement de l’embryon peu de temps après la fécondation. L’IC résulterait de l’influence d’une toxine larguée par les bactéries dans le sperme des mâles infectés (Hurst et Randerson 2002). Chez une femelle infectée, l’IC serait évitée grâce à une anti-toxine produite par les bactéries des hôtes femelles. Dans le cas d’une IC bidirectionnelle, des incompatibilités entre les Wolbachia du mâle et de la femelle annuleraient la désactivation de la toxine du mâle par l’antitoxine de la femelle (Hurst et Randerson 2002).

Comme dans le cas du « male-killing », les bactéries portées par les mâles ne retirent aucun avantage direct du sabotage du sperme de leur hôte, cela favorise néanmoins la continuité de leurs gènes en favorisant leurs proches parents portés par des femelles infectées. N’ayant pas de contrainte de partenaire, les femelles infectées sont favorisées par rapport aux femelles non-infectées et finissent donc par envahir rapidement les populations. Une évidence d’un tel envahissement est actuellement observée chez une lignée de Wolbachia nommée « la lignée Riverside » qui infecte une population de la mouche à fruit Drosophila simulans dans l’est des États-Unis (Hurst et Randerson 2002). Selon cette étude, l’envahissement de cette population s’effectue actuellement suivant un front se déplaçant de 100 kilomètres par année. 

Qu’est-ce qui explique le «Wolbachia-boom» actuel ?

Wolbachia et l’évolution des espèces
Les Wolbachia constituent un véritable paradoxe dans le monde des bactéries symbiotes transmises verticalement. Selon la théorie, elles devraient évoluer vers le mutualisme puisque leur valeur sélective dépend aussi de celle de leur l’hôte (Vavre et al. 2000). Or, les Wolbachia n’augmentent que rarement la valeur sélective de leurs hôtes (Vavre et al. 2000). À cause des changements qu’elles induisent sur la reproduction de leurs hôtes, les Wolbachia représentent néanmoins un modèle biologique exceptionnel pour étudier les processus régissant l’évolution des espèces. Une des propositions parmi les plus controversées est qu’elles pourraient même provoquer l’émergence de nouvelles espèces. Rappelant que le processus conduisant à la spéciation implique, d’une part, l’apparition d’une barrière qui isole deux populations de la même espèce, et d’autre part, une isolation assez longue pour permettre l’apparition d’un assez grand nombre de mutations pour empêcher les individus de ces dernières populations de se reproduire s’ils venaient à se rencontrer (Stouthamer et al. 2001), certains chercheurs croient que l’IC bidirectionnelle pourrait constituer une telle barrière et mener à la spéciation (Bordenstein et al. 2001). Comme le processus de spéciation est long, la seule façon qui pourrait permettre de vérifier cette hypothèse serait d’observer des espèces affectées par l’IC bidirectionnelle en voie de spéciation. Le plus proche exemple connu d’un tel cas est celui de Nasonia longicornis et N. giraulti, deux espèces de guêpes parasitoïdes présentes dans la zone nord-est américaine. Bien que ces deux espèces soient phénotypiquement différentes et ne se reproduisent pas entre elles, des analyses d’ADN suggèrent, néanmoins, qu’elles sont très proches l’une de l’autre. D’après les évidences génétiques, elles proviendraient d’un ancêtre commun qui aurait vécu il y a 250 000 ans (Knight 2001). Infectées par des souches différentes de Wolbachia, ces espèces ne peuvent pas se reproduire, selon toute évidence, à cause d’IC bidirectionnelle. Après qu’elles aient été traitées avec des antibiotiques pour tuer leurs Wolbachia, des croisements réussis ont été rapportés par Werren et son équipe, donnant naissance à des individus viables (Bordenstein et al. 2001). Cela leur laisserait donc supposer que les bactéries sont responsables de la divergence de ces deux espèces. Tous les chercheurs n’abondent pas dans le même sens que Werren et questionnent le réel potentiel de l’IC bidirectionnelle de pouvoir représenter une barrière suffisante pouvant mener à la spéciation. Lorsque des insectes s’accouplent de façon répétitive, il a été démontré que l’IC peut être déjouée (Stouthamer et al, 2001). Selon ces chercheurs, ces « mises en échec » occasionnelles de l’IC suffiraient à générer un brassage de gènes assez grand pour empêcher des populations coexistantes de diverger. D’autres études sont en cours, notamment chez Nasonia vitripenis et chez les drosophiles Drosophila subquinaria et D. recens qui présentent des IC bidirectionnelles probablement dues à Wolbachia (Knight 2001). L’état actuel des connaissances ne permet donc pas, pour l’instant, d’affirmer que l’IC bidirectionnelle induite par les Wolbachia peut mener directement à la spéciation, mais elle y joue probablement un rôle important.

Wolbachia et l’évolution des mécanismes de détermination du sexe
En dehors de la spéciation, les Wolbachia pourraient peut-être également jouer un rôle très important dans la détermination du sexe chez les invertébrés (Knight 2001). Par exemple, chez les trichogrammes qui sont arrhénotoques, les œufs non fécondés deviennent normalement des mâles (haploïdes) alors que des œufs fécondés se développent en femelles (diploïdes) (Godfray 1994). Sous l’influence des Wolbachia, les trichogrammes deviennent thélytoques et ne produisent que des femelles. Or, une équipe de chercheurs vient de découvrir un chromosome dit « parasite » chez les trichogrammes. Celui-ci serait responsable de la production de mâles par les femelles non accouplées (Stouthamer et al. 2001). Ce chromosome pourrait donc vraisemblablement constituer une adaptation visant à restaurer l’équilibre des sexes dans les populations sauvages de trichogrammes fortement infectées par les Wolbachia. Des gènes masculinisants similaires ont également été trouvés chez des cloportes infectés (Rigaud et Juchault 1993). 

Les Wolbachia et l’extinction d’espèces
Une autre hypothèse à examiner veut que les Wolbachia puissent mener certaines espèces à l’extinction. Si on reprend l’exemple du papillon africain Acraea encedon, où 90 % des femelles portent la bactérie, on pourrait, en théorie, craindre effectivement leur extinction. La bactérie a tellement changé le rapport de sexe chez cette espèce que les rôles des deux sexes ont été inversés. Les mâles sont devenus tellement rares que ce sont les femelles qui sont en compétition. Elles ont même développé un comportement grégaire pour vraisemblablement augmenter leur chance de rencontrer un mâle (Jiggins et al. 2000). Bien que leur extinction semble possible en théorie, aucun cas connu n’a jamais été rapporté pour vérifier cette hypothèse. Un des effets envisagés d’un tel débalancement des sexes pourrait être le confinement de l’espèce infectée à des régions géographiques où elles peuvent survivre. Il est connu que les Wolbachia sont sensibles à la température sous laquelle vivent leurs hôtes (Stouthamer et al. 1990 ; Girin et Bouletreau 1995). Elles ne sont pas transmises aussi efficacement aux générations suivantes d’hôtes des régions chaudes alors que dans les régions plus froides leur transmission est systématique (Knight 2001). Ainsi, les régions plus chaudes serviraient en quelque sorte de refuge aux espèces en voie d’extinction. Cette hypothèse est actuellement vérifiée chez la drosophile Drosophila innubila qui vit en Arizona aux États-Unis (Knight 2001). 

L’évolution des Wolbachia 
Du point de vue évolutif, deux caractéristiques majeures expliquent le succès des Wolbachia : les transferts horizontaux qui leur permettent de coloniser de nouvelles espèces d’hôtes et la manipulation de la reproduction de leur hôte qui leur permet d’envahir rapidement les populations (Vavre et al. 2000). Cependant, certaines études suggèrent que les associations à Wolbachia ne sont pas stables dans le temps et que les pertes d’acquisitions qui peuvent survenir compensent les acquisitions par transfert horizontal (Vavre et al. 2000; Werren et Windsor 2000). Comme il fut mentionné, certains facteurs comme la température et le climat pourraient également exercer un certain contrôle de leurs populations. Un laboratoire japonais vient également de découvrir un virus bactériophage, nommé WO qui pourrait faire partie intégrante de leur biologie (Masui et al. 2000). Ce virus pourrait être transporté pendant plusieurs générations de bactéries en insérant son ADN dans le génome de celles-ci. Il réapparaîtrait ensuite, faisant lyser son hôte pour infecter d’autres bactéries. Ce virus exercerait donc aussi un certain contrôle sur les populations de Wolbachia. Néanmoins, il pourrait également contribuer pour une grande part à la diversité génétique des Wolbachia, en transportant parfois avec lui une partie du génome bactérien (Masui et al. 2000). Cette hypothèse est sur le point d’être vérifiée par plusieurs laboratoires qui effectuent le séquençage du génome de différentes souches de Wolbachia (Knight 2001). Si elle s’avère vraie, cette hypothèse expliquera probablement le fait que des souches très proches de Wolbachia peuvent produire des effets radicalement différents sur leurs hôtes. 

Selon Vavre et al. (2000), deux avenirs sont envisageables pour les associations à Wolbachia : le maintien d’un cycle acquisition-perte ou la stabilisation par l’évolution vers d’autres effets, par exemple en développant une relation de mutualisme avec leurs hôtes. C’est notamment le cas des nématodes qui causent l’éléphantiasis et la cécité des rivières chez l’humain. Ils ont besoin de Wolbachia pour survivre. Certains voient même plus loin que le mutualisme : une hypothèse assez controversée veut que les Wolbachia seraient sur le point de fusionner avec leurs hôtes. Cela rappelle les mitochondries organites à l’intérieur de nos cellules ou les chloroplastes des plantes que certains chercheurs soupçonnent d’avoir été des bactéries parasites dans un lointain passé. Assisterons-nous peut-être à cette fabuleuse page de l’évolution ? Qui sait ? 

Les applications possibles des Wolbachia 
Les caractéristiques des Wolbachia laissent également entrevoir de nombreuses applications dans plusieurs domaines. Du côté médical, certaines parasitoses causées par des nématodes sont contrées en éliminant les Wolbachia nécessaires à leur survie par antibiothérapie (Taylor et Hoerauf 1999). Pour la lutte antiparasitaire dans les cultures, plusieurs méthodes montrent un potentiel intéressant. Par exemple, on pourrait introduire des souches de Wolbachia à des insectes nuisibles dans le but d’induire l’IC pour réduire leurs populations. On pourrait également utiliser le potentiel invasif des Wolbachia pour disséminer des gènes d’intérêt dans la population à contrôler (Vavre et al. 2000). Des chercheurs projettent de mettre sous peu cette stratégie à l’essai sur une espèce de moustique qu’ils souhaitent rendre inapte à transporter le vecteur de la malaria (Rasgon et Scott 2001). L’induction de la thélytoquie chez certaines espèces de parasitoïdes, notamment chez des trichogrammes, pourraient également être utilisée pour diminuer les coûts de production de ces agents de lutte ou même pour augmenter leur efficacité (Stouthamer 1997; Girin et Boulétreau 1995). Bien sûr, les connaissances sur les Wolbachia sont encore insuffisantes et beaucoup de recherches ont lieu à l’heure actuelle dans de nombreuses directions. Qui sait ? Ces recherches aboutiront-elles à de nouvelles applications encore plus prometteuses ?

Références
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