Équipe Les Espèces Sociales dans leurs Environnements : Adaptation et Évolution "ESEAE" - iEES Paris

Légende : De gauche à droite : Fourmis Temnothorax nylanderi©T.Colin. Termites Nasutitermes ephratae©D.Sillam-Dussès. Expression du gène engrailed (vert : hybridation in-situ) dans un disque imaginal d’aile de larve de la fourmi Mystrium rogeri©M.Molet. Thorax d’une fourmi ouvrière, muscles volumineux de la tête et de l’abdomen©A.Khalife

Axe 1. Implication de la socialité dans l’adaptation aux habitats

Chez les espèces sociales, l’adaptation à l’environnement passe non seulement par les individus mais aussi par la société. Les changements récents dans l’usage des sols (intensification de l’agriculture, déforestation, pollutions métalliques et organiques, urbanisation) et les changements climatiques entraînent une perte, une fragmentation et une dégradation des habitats qui peuvent avoir des effets à tous les niveaux de la biodiversité. Nous étudions comment ces modifications impactent les communautés, les populations, les stratégies de reproduction et la dispersion des sociétés d’insectes.

Les espèces présentes dans les milieux naturels et anthropisés sont délimitées et identifiées en combinant des données de morphologie et moléculaires afin de mieux en décrire la diversité et les particularités. L’effet de la perturbation des écosystèmes sur l’assemblage des espèces est appréhendé au travers de l’étude de la composition et de la richesse en espèces, et de leur structuration en régimes trophiques. Nous quantifions également la différenciation génétique et morphologique de populations urbaines et forestières. Les colonies sont exposées à des environnements stressants au laboratoire afin de tester si les populations urbaines y sont mieux adaptées. Ces travaux sont réalisés en collaboration avec Claudie DOUMS (MNHN).

La caractérisation des stratégies de reproduction et de dispersion des colonies (nombre d’accouplements, nombre et origine des reproducteurs, fondation indépendante, fission, investissement dans la croissance et dans la reproduction) face à la modification de leur habitat est réalisée en utilisant conjointement des méthodes moléculaires, des approches de génétique du paysage, et des modèles mathématiques à base d’agents dans un environnement spatialement explicite.

Contrairement aux organismes solitaires, les individus des espèces sociales ne font pas entièrement face à l’environnement extérieur, car celui-ci est filtré par la société. L’environnement social pourrait donc jouer un rôle majeur dans l’adaptation de ces espèces aux changements environnementaux. En manipulant les environnements externe et social et la diversité génétique des individus nous quantifions la contribution de ces facteurs à la valeur sélective des colonies.

Axe 2. Diversité des traits d’histoire de vie

La diversité des cycles de vie coloniaux, des phénotypes adultes, et les mécanismes de leur production sont abordés selon différents exemples.

La stratégie de formation des colonies par fission est étudiée à l’aide de modélisations combinant agents et expériences en milieu semi-naturel.

Nous décrivons la biomécanique du transport de charge en nous intéressant à la diversification évolutive des adaptations musculo-squelettiques, en utilisant l’imagerie microtomographique en collaboration avec Evan P. ECONOMO (Okinawa Institute of Science & Technology). Nous départageons les effets liés à la miniaturisation et à la phylogénie, et nous nous intéressons notamment à la différence entre soldats (grosses têtes) et ouvrières. Le « central place foraging » et la défense du nid sont considérés.

Une méthode d’élevage de larves de fourmis avec peu ou pas d’ouvrières est développée afin de quantifier l’implication de l’environnement social dans la diversité des phénotypes produits par les colonies, en collaboration avec Brian L. FISHER (California Academy of Sciences).

Grâce à un dispositif expérimental développé au bois de Vincennes, nous manipulons certains traits coloniaux des sociétés de fourmis, et mesurons les conséquences de ces manipulations sur la valeur sélective de la société dans la nature. Par exemple, nous avons manipulé la diversité de taille et la taille moyenne des ouvrières afin de quantifier le caractère adaptatif de la taille chez la fourmi Temnothorax nylanderi. 

Axe 3. Interactions au sein des communautés

La diversité et le succès écologique des insectes sociaux résultent en partie des interactions qu’ils ont développées au cours de l’évolution avec d’autres espèces, notamment les microorganismes.

Chez les termites, les endo- et exosymbiontes digestifs sont déterminants. Les modalités du maintien de ces symbiontes à travers les générations par transmission horizontale via l’environnement ou verticale via les reproducteurs sont déterminées par des méthodes de pyroséquençage et d’écologie comportementale grâce aux élevages au laboratoire.

Une étude expérimentale de l’interaction fourmis/pucerons est entreprise en nous focalisant sur sa plasticité. En particulier sa nature mutualiste, ou prédatrice, peut être mise en évidence en manipulant les bénéfices obtenus par les fourmis selon qu’une colonie de fourmis a le monopole d’une colonie de pucerons ou l’exploite.

Nous décrivons de nouveaux exemples d’interactions écologiques de prédation, d’herbivorie, de parasitoïdisme et de symbiose établies entre les insectes sociaux et d’autres espèces.

Axe 4. Le termite, un modèle original pour étudier le vieillissement

Le vieillissement est en partie programmé génétiquement, ce qui explique que différents mécanismes liés au vieillissement se rencontrent dans la diversité du vivant allant du ver Caenorhabditis elegans, en passant par la drosophile Drosophila melanogaster et la souris, qui sont les principaux modèles utilisés en laboratoire. Chez de nombreux organismes, il a été démontré que la longévité était négativement corrélée avec la reproduction. Seuls les insectes sociaux semblent être épargnés par ce compromis longévité/fécondité et représentent donc un excellent modèle pour comprendre les mécanismes impliqués. Notre équipe, M. Vasseur-Cognet et ses collaborateurs HS. Sul, W. De Beer, E. Bornberg-Bauer, T. Van Dooren et S. Séité, financée par Human Frontier Science Program (HFSP), étudie un nouveau modèle naturel, les reines de termite Macrotermes spp. Chez cette espèce d’insectes sociaux, les reines et rois vivent au moins jusqu’à 30 ans et sont, durant toute leur vie, extrêmement fertiles. En utilisant une approche de biologie intégrative, nous étudions, au cours des différents stades de différenciation de la reine, l’impact de la reprogrammation du métabolisme énergétique sur le taux de reproduction et nous comparons ces données à celles des ouvrières à courte durée de vie et infertiles, du roi très fertile et à longue durée de vie ainsi qu’à celles de reines d’une autre espèce de termite ayant une vie très courte. La comparaison de nos résultats avec d’autres organismes modèles aidera à identifier quels composants moléculaires sont universellement conservés ou modifiés et permettra de mettre en évidence les voies de signalisation impliquées dans la longévité accrue et/ou la reproduction. 

Axe 5. Applications

Au-delà de nos recherches fondamentales, une partie de nos études est directement valorisable :

Des méthodes de lutte biologique durables et respectueuses de l’environnement contre certaines espèces de termites et de fourmis ravageuses dans les systèmes agricoles sont mises au point. Il s’agit d’appâts non toxiques pour l’environnement qui affectent directement le potentiel de développement de la colonie et pas seulement les individus fourrageurs. Des phéromones de piste spécifiques permettent d’attirer vers les appâts toxiques les espèces cibles.

L’originalité et les performances du microbiote intestinal des termites dans la dégradation des composés ligno-cellulosés en font un élément clé des nouvelles recherches en biotechnologie. En partenariat avec des industriels, nous participons au développement de leurs utilisations potentielles en fermenteurs.

Une lignée cellulaire est développée à partir d’une espèce de fourmi pour l’étude du cycle cellulaire avec une meilleurs compréhension de la multiplication cellulaire en lien avec le cancer, avec Alain DEBEC (chercheur bénévole S-U).

Ces cinq grands axes sont dynamisés par le maintien de diverses espèces de termites et de fourmis dans nos infrastructures d’élevages et d’expérimentations tropicales et tempérées.