Espèces envahissantes : une crise écologique croissante

Les espèces envahissantes sont des organismes non indigènes qui, lorsqu'elles sont introduites dans de nouveaux environnements, causent des dommages à l'économie, à l'environnement ou à la santé humaine. Elles sont maintenant reconnues comme l'un des cinq principaux moteurs de la perte de biodiversité mondiale, ainsi que de la destruction de l'habitat, de la surexploitation, de la pollution et des changements climatiques.Le coût économique est ébranlant : une étude de 2021 dans Nature a estimé que les espèces envahissantes ont coûté à l'économie mondiale au moins 1,28 billion de dollars au cours des 50 dernières années, et les coûts annuels dépassent maintenant 400 milliards de dollars.

Les espèces envahissantes dégradent les habitats indigènes, se livrent à la concurrence ou s'en prennent à des espèces indigènes, introduisent des maladies et perturbent les services écosystémiques.Par exemple, le serpent brun de Guam, qui a éradiqué la plupart des oiseaux forestiers indigènes de l'île, les moules zébrées dans les voies navigables nord-américaines, qui enferment l'infrastructure et modifient les réseaux alimentaires aquatiques, et les crapauds de canne en Australie, qui empoisonnent les prédateurs indigènes.

Les pesticides chimiques nuisent souvent aux espèces non visées, causent une contamination environnementale et peuvent entraîner une résistance. L'élimination mécanique est une activité à forte intensité de main-d'oeuvre, coûteuse et entraîne rarement une éradication complète sur de grandes superficies. La lutte biologique comporte ses propres risques de cascades écologiques imprévues. Il faut absolument des outils plus précis, évolutives et humains. Les progrès récents en génie génétique, en particulier le développement de systèmes d'entraînement , offrent une nouvelle approche radicale.

Que sont les systèmes Gene Drive?

Les systèmes de transmission de gènes sont des éléments génétiques qui faussent l'héritage de sorte qu'un trait particulier se propage à travers une population plus rapidement que ce qui se produirait sous l'héritage mendélien normal. Dans la génétique mendélienne, une variante de gène (allèle) a 50% de chance d'être transmise de parent à progéniture.

Le mécanisme principal repose sur une nucléase spécifique à la séquence (comme CRISPR-Cas9) qui est intégrée dans le génome avec une charge utile souhaitée (p. ex., un gène conférant l'infertilité). Pendant la reproduction, la nucléase coupe le chromosome homologue à un site spécifique. La cellule est la machine de réparation de l'ADN naturel puis copie la cassette de la transmission du gène sur le chromosome brisé, convertissant un individu hétérozygote en homozygote pour la transmission. Ce processus --copie-et-colle --- assure que la transmission se propage dans la population en quelques générations.

Les entraînements de gènes peuvent être conçus à différentes fins : suppression de la population (réduction ou élimination d'une espèce), modification de la population (altération d'un trait, par exemple en rendant les moustiques résistants à un agent pathogène), ou même inversion de caractères artificiels (entraînements de renversement).La technologie a été démontrée pour la première fois avec succès dans Drosophila en 2015 et a depuis été montrée pour travailler dans les moustiques, les levures et les souris en laboratoire ou en cage.

Composantes clés d'un lecteur Gene

  • CRISPR-Cas9 nucléase: Les ciseaux moléculaires qui coupent l'ADN à une séquence cible spécifique.
  • Guide RNA (gRNA):[ Dirige la nucléase vers le locus cible dans le génome.
  • Payload: La modification génétique souhaitée à répandre (p. ex., un gène de stérilité).
  • Promoteurs: Séquences réglementaires qui contrôlent l'expression de la nucléase et de la charge utile.

Les chercheurs développent également des entraînements à rupture, des entraînements à chaîne, des systèmes de sous-dominance et des systèmes de contrôle plus fin et potentiellement moins risqués pour l'environnement. Ces variations visent à limiter la propagation à une population ciblée ou à rendre la conduite auto-limitante au fil du temps.

Comment le gène peut combattre les espèces envahissantes

Les moteurs à gènes sont parfaitement adaptés pour contrôler les espèces envahissantes car ils peuvent propager un caractère nuisible à travers une population sans nécessiter une intervention humaine répétée. L'objectif est soit de supprimer la population (réduire son nombre en dessous d'un seuil de dommages ou la conduire à l'extinction locale) ou de modifier la population (par exemple, la rendre moins dommageable).

En perturbant un gène essentiel à la fertilité ou à la viabilité des femelles, le gène peut provoquer un accident de la population. Comme les mâles ne sont généralement pas directement blessés, ils continuent de s'accoupler et de transmettre le gène, exerçant un effet suppresseur fort. Les modèles mathématiques suggèrent qu'un gène bien conçu peut éliminer une population isolée de souris ou de moustiques envahissants en moins de 20 générations.

Objectifs prioritaires pour les disques Gene

  • Rongeurs envahissants sur les îles:[ Les rats et les souris sont parmi les espèces envahissantes les plus destructrices sur les îles, causant l'extinction des oiseaux de mer, des reptiles et des plantes. L'éradication traditionnelle par les rodenticides est possible sur les petites îles inhabitées, mais est coûteuse, logistiquement difficile et dangereuse pour les espèces sauvages non ciblées. Une campagne génétique ciblant la fertilité des femelles pourrait, en théorie, être introduite dans une seule île et se propager à travers la population, en fin de compte l'éliminer.
  • Mousses envahissantes:[ Alors que la plupart des recherches sur les moustiques portent sur la suppression des vecteurs de maladies (p. ex., Anophèles gambiae pour le paludisme), des moustiques envahissants comme Aedes aegypti et Aedes albopictus ont également répandu la dengue, le chikungunya et le Zika. Les moteurs génétiques pourraient être utilisés pour supprimer ces populations en dehors de leur aire de répartition naturelle.
  • Pêches envahissantes: Dans les systèmes d'eau douce, des poissons envahissants comme la carpe commune (Cyprinus carpio) ont décimé des communautés de poissons indigènes en Amérique du Nord et en Australie. Une campagne génétique qui réduit la viabilité des femelles pourrait aider à les contrôler.
  • Pare-festifs agricoles envahissants:[ La tordeuse de l'automne (Spodoptera frugiperda), une papillon de nuit originaire des Amériques, a envahi l'Afrique en 2016 et en Asie en 2018, causant des pertes importantes de cultures.
  • Plantes envahissantes: Le génie génétique offre des possibilités de supprimer les plantes envahissantes – par exemple, en ciblant les gènes nécessaires à la production de semences ou à la viabilité du pollen. Cependant, les gènes végétaux sont confrontés à des obstacles supplémentaires en raison de la polyploïdie, des génomes complexes, et de la difficulté d'ingénierie des moteurs stables chez de nombreuses espèces végétales.

Études de cas en développement

Contrôle de la souris dans les îles

La conservation des îles constitue le cas le plus convaincant à court terme pour les activités géniques. De nombreuses espèces d'oiseaux marins menacés dépendent d'îles exemptes de prédateurs pour se reproduire.L'enlèvement des rongeurs envahissants a déclenché un rétablissement rapide de l'écosystème, mais les techniques actuelles sont limitées.Le partenariat [Génétique Biocontrol of Invasive Rodents], une collaboration entre universités, organismes gouvernementaux et ONG, met au point des approches géniques pour les souris et les rats.

La répression des moustiques dans le laboratoire

En 2018, des scientifiques de l'Imperial College London ont signalé une transmission génétique fondée sur le CRISPR dans Anopheles gambiae qui se propage avec un héritage super-mendélien et cause une infertilité 100% féminine lorsque les deux copies du gène cible ont été perturbées. Dans les essais en cage, la transmission a éliminé la population dans les 7 à 11 générations. Cependant, l'émergence d'allèles résistants à la traction (mutations qui empêchent la coupe) a été observée, mettant en évidence un défi critique.

Défis et risques

Malgré cette promesse, la technologie de la transmission génétique est confrontée à des obstacles importants avant qu'elle ne puisse être déployée dans la nature.

Défis techniques

  • Évolution de la résistance: L'obstacle technique le plus grave est l'évolution de la résistance. Lorsque la nucléase coupe un chromosome, le processus de réparation peut parfois introduire des mutations au site cible qui empêchent une future coupe, rendant l'entraînement inefficace.
  • Drive efficacité et stabilité: Tous les lecteurs ne réalisent pas le biais de transmission souhaité à 100%. Les effets hors-cible, les mutations non intentionnelles et la copie incomplète peuvent réduire la propagation du lecteur.
  • Containment et confinement :[ Pour la recherche en laboratoire, le confinement physique (p. ex. insectaires, installations de rongeurs sécuritaires) est essentiel pour prévenir les rejets accidentels.De nombreux laboratoires ont construit de multiples barrières, mais des accidents peuvent survenir.

Risques écologiques

  • Effets non prévus sur les espèces non ciblées:[ Un essai génétique conçu pour supprimer une espèce envahissante pourrait se propager à un congénère indigène (espèces apparentées) par hybridation ou flux génétique.C'est une préoccupation particulière pour les rongeurs et les poissons, où les espèces apparentées peuvent être sympatriques.
  • Dérèglement des écosystèmes: Même si l'espèce cible est éradiquée, les conséquences écologiques peuvent être complexes. L'élimination d'une espèce envahissante pourrait déclencher des invasions secondaires, des cascades trophiques ou d'autres changements imprévisibles.
  • Spread au-delà de la zone prévue: Les moteurs à gènes sont conçus pour se propager et, s'ils sont libérés dans une zone, ils pourraient se déplacer vers d'autres populations ou pays par le biais de la dispersion naturelle ou du transport humain, ce qui soulève des questions transfrontières et la nécessité d'une gouvernance internationale.

Défis éthiques et de gouvernance

  • Consentement et prise de décision:[ Qui décide de libérer un gène susceptible d'affecter une région ou une espèce entière? La gestion des espèces envahissantes implique souvent de multiples intervenants, dont les communautés autochtones, les résidents locaux, les organismes de conservation et les gouvernements.
  • Les considérations morales d'éradication d'une espèce : Même lorsque l'espèce est envahissante, causant délibérément son extinction soulève des questions éthiques.D'autres soutiennent que nous avons la responsabilité de protéger la biodiversité indigène, ce qui peut justifier l'éradication.
  • Cadres réglementaires :[ La plupart des pays n'ont pas encore élaboré de règlements spécifiques aux moteurs de gènes. Le Protocole de Cartagena sur la biosécurité et d'autres accords internationaux fournissent des conseils, mais ils ont été créés avant que les moteurs de gènes soient une perspective réaliste.La Convention sur la diversité biologique[ a discuté des moteurs de gènes et a appelé à une approche de précaution.
  • Dual-use concerns: The same technology that can suppress invasive species couldpotentially be used maliciously to harm agriculture or ecosystems. Safeguards, such as designing drives that are self-limiting or require specific conditions to function, are being explored.

Perspectives et voies de déploiement en toute sécurité

The field of gene drive research is advancing rapidly, driven by improvements in genome editing, synthetic biology, and ecological modeling. Several key milestones are needed before field trials can proceed.

Approche progressive des essais sur le terrain

Les chercheurs préconisent un processus d'évaluation par étapes : études en laboratoire avec un confinement élevé → essais contrôlés en plein champ dans des zones isolées (p. ex., petites îles) → déploiements surveillés. L'utilisation de disques réversibles ou auto-limitants peut servir de première étape pour réduire les risques. - Les disques Daisy-chain , par exemple, sont conçus pour perdre fonction sur quelques générations une fois que l'approvisionnement initial de larves les libèrent est arrêté.

Amélioration de la modélisation et de l'évaluation des risques

Les modèles informatiques qui intègrent la génétique des populations, l'écologie et le comportement aident à prédire la propagation des vecteurs, la résistance potentielle et les résultats écologiques.Ces modèles sont de plus en plus sophistiqués et peuvent intégrer des données spatiales, des modèles d'accouplement et la variabilité environnementale. Ils aident également à identifier les paramètres sensibles et les lacunes de données avant toute libération.

Engagement et gouvernance

Des projets comme Cibler le paludisme[ ont créé des précédents en travaillant en étroite collaboration avec les communautés d'Afrique, en fournissant des informations, en sollicitant des commentaires et en obtenant un consentement. L'initiative Risques et avantages des organismes de Gene Drive (une collaboration des académies nationales des États-Unis et d'autres organismes) élabore des cadres pour l'analyse des avantages et des coûts et les délibérations publiques.

La gouvernance internationale est en cours de discussion dans le cadre de la Convention sur la diversité biologique [ (CBD]. En 2018, la CDB a adopté une décision demandant une approche de précaution pour les organismes géniques et a demandé instamment que toute dissémination d'organismes contenant des gènes ingénierie dans l'environnement fasse l'objet d'une évaluation approfondie des risques.

Conclusion

Les systèmes d'entraînement des gènes représentent un changement de paradigme dans notre capacité à gérer les espèces envahissantes. En biaisant l'héritage pour répandre un trait à travers une population, ils offrent la possibilité de contrôle hautement ciblé, efficace et humain, en particulier pour les écosystèmes insulaires isolés où les méthodes traditionnelles sont insuffisantes.

Cependant, la voie vers un déploiement sûr est très difficile.Les obstacles techniques comme l'évolution de la résistance, les incertitudes écologiques, et les questions éthiques et de gouvernance profondes restent sans solution.Le développement responsable des moteurs génétiques nécessitera des investissements soutenus dans la recherche, une évaluation robuste des risques, un dialogue public transparent et une coopération internationale.

Pour en savoir plus : Rapport des Académies nationales des sciences, de l'ingénierie et de la médecine sur les moteurs génétiques; Projet de lutte contre le paludisme; Partenariat GBIRd; et décisions de la Convention sur la diversité biologique sur la biologie synthétique.

Rapport national des académies sur les moteurs de gènes --Projet de lutte contre le paludisme cible[--[Biocontrôle génétique des Rodents envahissants (GBIRd)[--Convention sur la diversité biologique – biologie synthétique--[Q&A sur les moteurs de gènes