Utilisation de l'ADN environnemental (ADNe) pour surveiller les écosystèmes aquatiques

La surveillance de l'ADN environnemental - ADNe - est à l'avant-garde d'une nouvelle vague d'efforts de surveillance technologiquement avancés. Enraciné dans le sol et la paléoécologie, l'ADNe a été utilisé pour la première fois pour détecter un organisme aquatique multicellulaire - le grenouille-taureau américaine envahissante Lithobates catesbeianus -dans un article scientifique de référence de Ficetola et al. en 2008[1]. En appliquant la réaction en chaîne de la polymérase (PCR), largement utilisée mais très sensible - une réaction qui "amplifie" une séquence d'ADN spécifique dans un échantillon, uniquement si l'ADN de l'espèce est présent en petite quantité - Ficetola et ses collègues ont détecté l'ADN des grenouilles dans des sédiments filtrés de la colonne d'eau. Pour comprendre pourquoi, une définition de travail actuelle de l'ADNe - adoptée par la plupart des écologistes - sera éclairante : l'ADNe est "...du matériel génétique obtenu directement à partir d'échantillons environnementaux (sol, sédiment, eau, etc.) sans aucun signe évident de matériel biologique source" (Thomsen & Willerslev 2015[2]). Des exemples de la manière dont l'ADNe est excrété par un organisme - par exemple, ici une tortue peinte du milieu du pays, Chrysemys picta - sont illustrés dans la figure ci-dessous.

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Dans la figure, les cellules contenant de l'ADN sont constamment ou périodiquement éliminées des parois internes de l'intestin de la tortue, du système de reproduction, par la régurgitation de la nourriture, le remplacement des cellules de la peau et du mucus, l'évacuation des déchets et la libération des cellules sexuelles (c'est-à-dire les spermatozoïdes et les ovules). Une fois dans l'eau, l'ADN est en quelque sorte protégé à l'intérieur des cellules. Finalement, les cellules sont décomposées et l'ADN est libéré dans l'environnement aqueux où il se retrouve en solution. Bien que l'ADNe soit épuisé par un certain nombre de processus biologiques, chimiques et physiques, il continuera à se reconstituer si l'organisme continue à vivre dans le voisinage. En d'autres termes, le signal de l'ADNe sera d'autant plus fort qu'il sera proche de sa source, et il augmentera également lorsque la population locale comptera davantage d'individus, si le volume d'eau reste le même. Par conséquent, un signal d'ADNe peut être un indicateur fiable de la présence de l'espèce cible dans un habitat donné.

Quels sont les principaux avantages de la surveillance de l'ADNe ? Tout d'abord, il n'est pas nécessaire d'échantillonner physiquement l'espèce, ce qui minimise les perturbations associées à la surveillance ciblée des créatures vivantes sensibles au stress. De plus, comme seuls des échantillons d'eau sont prélevés, et par quelques personnes, il y aura une diminution de l'empreinte environnementale associée aux efforts de surveillance en tant que tels. La PCR étant un test de biologie moléculaire très sensible, les études d'ADN électronique ont tendance à être beaucoup plus sensibles pour pouvoir détecter des espèces rares ou cryptiques que les méthodes conventionnelles (par exemple, Schmelzle & Kinziger 2016[3]). Par conséquent, les enquêtes ADNe spécifiques aux espèces sont également potentiellement beaucoup plus rentables que les techniques conventionnelles. En outre, n'importe qui peut prélever un échantillon d'eau, en suivant des instructions simples, ce qui démocratise et facilite les projets de science citoyenne dans le monde entier. En effet, les entreprises qui proposent actuellement des services de détection de l'ADN électronique sont basées sur un modèle d'échantillons d'eau prélevés par du personnel non professionnel et technique pour être traités dans un laboratoire central.

Cependant, comme l'ADNe est une technologie naissante, des incertitudes existent quant à certaines des conclusions tirées des premières études sur l'ADNe. Cependant, ces questions (c'est-à-dire les sources d'"erreur") font l'objet d'un examen continu par les scientifiques, y compris ici à Precision Biomonitoring, afin de minimiser leurs impacts. Ainsi, toutes les sources d'erreur potentielles, telles qu'elles sont actuellement comprises, doivent être reconnues et intégrées dans tout développement technique (c'est-à-dire la conception, la production et la validation de tests PCR spécifiques aux espèces) ou dans les protocoles opérationnels standard pour les études de terrain. Par exemple, les organismes sont susceptibles de se déplacer tout au long de leur vie. La saisonnalité s'est avérée être un facteur important dans le succès de la détection de l'ADNe (de Souza et al. 2016[4]). Il est impératif que les enquêtes soient menées avec une connaissance approfondie de l'écologie d'une espèce, notamment en ce qui concerne les distributions actuelles et les préférences en matière d'habitat, sinon une enquête inadéquate conduira à un résultat faussement négatif, c'est-à-dire à la déduction d'une cible comme étant absente alors qu'elle est réellement présente ; tout simplement non détectée. Le fait de ne pas tenir compte des faux négatifs peut avoir de graves répercussions financières si les projets d'infrastructure sont par la suite arrêtés, mis en attente ou abandonnés en raison de la redécouverte de la cible par un écologiste intrépide ou un membre du public. Les faux négatifs peuvent également résulter d'un développement inapproprié des tests, de la sous-estimation de la diversité génétique au sein de l'espèce sur les sites d'amplification PCR, et du processus actuel disjoint par lequel les échantillons d'ADN électronique sont traités par la majorité des praticiens de l'ADN électronique.

Comme indiqué précédemment, l'ADNe se décomposera s'il est laissé exposé aux processus du monde naturel. Par conséquent, l'ADN électronique collecté risque de se décomposer après l'échantillonnage, car il n'y aurait pas de mécanisme de reconstitution de l'ADN électronique dans le récipient de collecte, ce qui réduirait le signal de l'ADN électronique et pourrait empêcher d'obtenir un résultat positif à la PCR. Par conséquent, le risque de dégradation de l'ADNe pendant l'échantillonnage - en particulier les jours chauds et ensoleillés - et pendant le transit entre le terrain et le laboratoire, est très important. Un stockage inapproprié peut également détruire l'ADNe (par exemple, la formation de cristaux d'eau pendant la congélation peut "déchiqueter" les molécules d'ADN). Pour aggraver encore le statu quo, malgré les efforts des laboratoires actuels, il existe toujours un risque important de résultats faussement positifs de la PCR, dû au transport de particules d'ADN en aérosol entre les laboratoires à l'intérieur des bâtiments par des voies de ventilation. La plupart des praticiens de l'ADN électronique cherchent à séparer physiquement le traitement des échantillons d'ADN électronique (par exemple, les papiers filtres ou les échantillons d'eau précipitée) avec la détection PCR en aval, mais même cela est loin d'être infaillible.

Ici, à Precision Biomonitoring, nous sommes sur le point de dévoiler une plateforme de pointe qui cherchera à éliminer, ou à minimiser, ces sources d'erreurs d'analyse et d'échantillonnage de l'ADN électronique, par l'éradication des étapes de transit vers un laboratoire central et l'application de procédures opérationnelles standard. En outre, nous ferons avancer la cause d'un domaine de biosurveillance démocratisé dans lequel aucune spécialité technique n'est nécessaire pour effectuer des tests sophistiqués spécifiques aux espèces, basés sur la PCR. Notre système, qui utilise des tests PCR sur mesure, produira des résultats d'eDNA PCR en temps réel (

Notre objectif est de donner à ceux qui travaillent sur le terrain de la surveillance de la biodiversité (des écologistes professionnels aux projets scientifiques citoyens locaux), le pouvoir de mener des études d'ADN électronique très rigoureuses et potentiellement très coordonnées, afin de mieux garantir le patrimoine mondial de biodiversité pour toutes les générations à venir.

(1 ) Ficetola et al. (2008). Détection des espèces à l'aide de l'ADN environnemental des échantillons d'eau. Biology Letters, 4, 423-425.

2] Thomsen & Willerslev (2015). ADN environnemental - Un outil de conservation émergent pour la surveillance de la biodiversité passée et présente. Biological Conservation, 183, 4-18.

[3] Schmelzle & Kinziger (2016). Utilisation de la modélisation de l'occupation pour comparer l'ADN environnemental aux méthodes traditionnelles de terrain pour la surveillance à l'échelle régionale d'une espèce aquatique menacée. Molecular Ecology Resources, 16, 895-908.

(4 ) de Souza et al (2016). La probabilité de détection de l'ADN environnemental (eDNA) est influencée par l'activité saisonnière des organismes. PLoS One, doi : 10.1371/journal.pone.0165273