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GGéénomes, Adaptation, Environnementnomes, Adaptation, Environnement

Réunion BASC18 octobre 2012

Présenté par Myriam HARRY pour les équipes LEGS et DEEIT participant à cette thématique

MULTIGENEvolution moléculaire et fonctionnelledes familles multigéniques

ELEGEMEléments Génétiques Mobiles

GERADGénétique Évolutive, Reproduction et Adaptation des Drosophiles

DEEITDiversité, Ecologie et Evolution

des Insectes Tropicaux

Objectifs

- Etudier les gènes et les mécanismes de régulation impliqués dans les processus adaptatifs au niveau des populations et des espèces

- documenter les relations entre la diversité génétique et l'adaptation à différentes échelles (biochimique, comportementale, morphologique)

- modéliser et prédire en fonction de l’environnement (changements de milieux anthropisés ou non) en termes d’évolution des génomes, des populations et des espèces

EMulti Modèles : Lépidoptères foreurs, Punaises hématophages, Drosophiles

Coord. et Resp.ScientifiqueMyriam HARRY

ADAPTANTHROP Adaptation aux anthroposystèmes2010-2013 (programme 6ème extinction)

Multi Equipes LEGS:DEEIT, MULTIGEN, GERAD, ELEGEM

ABC-PaPoGen Adaptation in Biological Control : Parasitoids Populations Genomic2013-2016, programme Bioadapt

Coord. Laure KAISER-ARNAULDModèle : Lépidoptères-parasitoïdesEquipe LEGS : DEEITEtude des invasions biologiques àpartir d’introductions intentionnelles et non intentionnelles d’insectes

Coord. et Resp. Scientifique Thomas GUILLEMAUD (INRA, Sophia)

Modèle : Lépidoptères foreursEquipe LEGS : DEEIT

2007-2011, Programme BIODIVERSITEBIOINV4I

Adaptation à l’obscurité et aux ressources alimentaires réduites de populations indépendantes de poissons cavernicoles aveugles de l’espèce Astyanax mexicanus : une approche par transcriptomique comparative des mécanismes moléculaires sous-jacents

Blindtest2013-2015,

Programme BlancCoord. et Resp. Scientifique

Sylvie RETAUX (Institut Alfred Fessard)Modèle : VertébrésEquipe LEGS : MULTIGEN

Environnement 2Environnement 1Modèle Lépidoptères foreurs

Sesamia nonagrioïdes/Tecia solanivora

Modèle parasitoïde-hôteCotesia Noctuelles

Environnement 2Environnement 1

Modèle Lépidoptères foreursSesamia nonagrioïdes

Population anthropiséeFrance

Population sauvageKenya

ADAPTANTHROP, ABC PaPoGen, Equipe DEEIT

Modèle Lépidoptères ravageurTecia solanivora

BodegaChamp

ANR ADAPTANTHROP, DEEIT

Sesamia nonagrioïdes/ Tecia solanivora

Modèle vecteurs de la maladie de Chagas Rhodnius/ Triatoma

Environnement 2

Environnement 1

Modèle vecteurs de la maladie de Chagas

Processus de domiciliation

Rhodnius prolixus

ANR ADAPTANTHROP, Equipe DEEIT

Triatoma infestans

Modèle vecteurs de la maladie de Chagas Rhodnius

Processus de domiciliation

Rhodnius robustus

Habitat sylvatique

Anthroposystèmes

ANR ADAPTANTHROP, Equipe DEEIT

« insecte modèle »Drosophila simulans/melanogaster

« insecte modèle »Drosophila simulans

ANR ADAPTANTHROP, Equipe GERAD

Modèle vertébréAstyanax mexicanus

Environnement 2Environnement 1 Modèle vertébréAstyanax mexicanus

« morphotype surface »Nourriture abondante, forte densité de population, forte compétition intra-espèce

« morphotype cavernicole »Nourriture limitée et apport irrégulier, faible densité de population, faible compétition intra-espèce

ANR Blindtest, Equipe MULTIGEN

Région de la Sierra de El Abra au Mexique

Modèle vertébréAstyanax mexicanus

Stress thermique

Stress chimique

appétant aversif

chaud froid

Stress nutritif

Avecpesticides

Sanspesticides

Changement d’habitat

Sélection expérimentale

Obj 1: Diversité neutreStructure des populations

Données mtDNA, microsatellitesDonnées GPS, écologiques, pratiques culturales, SIGRéseau d’haplotypes, Fst, test assignation, neutralité …

Environnement 1 Environnement 2

marqueurs neutres (ADNmt,microsatellites)

Aucune restriction aux flux géniques

73 palmiers disséqués (54,9% infestés)742 R. robustus (16,6% infectés T. cruzi)

Pas de structuration des populations sylvatiques et péridomiciliaires de R. robustus (Brésil) soumises à un gradient d’anthropisation

du fait de la connectivité maintenue par les palmiers du genre Attalea

Sesamia nonagrioidesStructuration neutre en fonction de la plante hôte Une capacité de déplacement entre parcelles éloignées de 10km.

Environnement 1Typhacae

Environnement 2Poacae

capacité de dispersion

Plantes hôtes sauvages/ cultivées

•14 Marqueurs microsatellites

Obj 2: Diversité adaptative et gènes candidats

Polymorphisme allélique cDNA, expression différentielle (qPCR)

P Comportement (foraging)Reconnaissance sensorielle (OBPs, ORs, GRs)

Phéromones cuticulairesFonctions digestives (alpha-amylase)

Gènes de détoxification (Cytochrome P450, Cyp6g1) Gènes du développement

Gènes candidats : gènes positivement sélectionnés

PopulationsécologiquesMilieu sauvage Milieu cultivé

Polymorphismede séquence etd’expression

« ser »dominant

« gly »dominant

Expression + Expression -

Gène foraging (cDNA 2235pb) : existence d’une mutation nonsynonyme entre la population kenyane (milieu sauvage) et la population française (champs cultivés), localisée dans le site actif de l’enzyme

« ser »dominant

« gly »dominant

Gène foraging (cDNA 2235pb) : existence d’une mutation nonsynonyme entre la population kenyane (milieu sauvage) et la population française (champs cultivés), localisée dans le site actif de l’enzyme

« ser »dominant

« gly »dominant

2 phénotypescomportementaux« nomade » « sédentaire »

Gène foraging (cDNA 2235pb) : existence d’une mutation nonsynonyme entre la population kenyane (milieu sauvage) et la population française (champs cultivés), localisée dans le site actif de l’enzyme et corrélée à une activité de recherche de nourriture

« ser »dominant

« gly »dominant

2 phénotypescomportementaux« nomade » « sédentaire »

Gène foraging (cDNA 2235pb) : existence d’une mutation nonsynonyme entre la population kenyane (milieu sauvage) et la population française (champs cultivés), localisée dans le site actif de l’enzyme et corrélée à une activité de recherche de nourriture

Recherche de la valeur adaptative du polymorphisme

Obj 3b: Comparaison de profils d’expression

NGS: Next generationsequencing : Génomique et transcriptomique comparées

Obj 3a: Comparaison génomes/ transcriptomes

SNP, traces de sélection

Obj 3b : Annotation géniqueRecherche de gènes candidats

Données de séquençage à haut débit :454, IlluminaAssemblage, nettoyage, blastStatistiques

eDonnées mtDNA, microsatellitesDonnées GPS, écologiques, pratiques culturales, SIGRéseau d’haplotypes, Fst, test assignation, neutralité …

Analyse des données

Caractérisation des SNPs, avec une attention particulière pour les mutations fixées chez les cavernicoles

Evolution moléculaire des génomes en fonction de l’environnementPertes et duplications de gènes associées au phénotype cavernicoleRecherche de mutations impliquées dans le phénotype cavernicole

Projet Séquençage en Illumina de populations de surface et cavernicoles d’Astyanax mexicanus et d’un groupe extérieur proche (Hyphessobryconanisitsi)

Tests fonctionnels de mutations (croisements, morpholinos, transgénèse).

, Blin

tObj 3: Comparaison de transcriptomes,

Recherche de SNPEq

Obj 3: Comparaison de profils d’expressionM

PSesamia nonagrioïdes

Population sur plantes sauvages

Population sur maïs cultivé

Transcriptome de référence 454 + Illumina Comparaison profils

d’expression

Femelles : Antennes (x1)Femelles : Ovipositeurs (x1)Larves : Antennes + palpes (x3)

Mapping

19 OBP dont 3 Pheromone-binding proteins (PBP)

17 OR (dont 2 récepteurs aux hormones)

2 GR2 SNMP (sensory neuron

membrane proteins)IR (ionotropic receptors)

Antennes femelles 281 gènes diffentiellement exprimés156 sur-exprimés pop sauvage125 sous-exprimése pop sauvage

dont gènes chemosensorielsEqu

Analyse de la spécificité tissulaire par RT-PCR sur différents tissus :validation de l’annotation « PBP »

Comparaison d’expression par qPCR entre sexe et populations

Nouveaux gènes

candidats

66 gènes significativement surexprimés à Valence (en brun les Cytochromes P450)

Expression relative Valence/Mayotte

Cyp6g1

Recherche de la signature génomique de la sélection dans les populations

Populations naturelles de Drosophila simulans

Allèle avec insertion du transposon Juan dans la région régulatrice => augmentation de l’expression et de la résistance au DDT

PMayotte < 7%, PValence > 90%

Obj 3: Annotation géniqueRecherche de gènes candidats

Obj 4 : Impact des changements d’environnement

sur le phénotype

Du phénotype au génotypeDonnées de choix alimentaire, choix sexuel, choix d’hôte, activitétranscriptionnelle d’éléments transposables

Lignées isofemelles D. simulans et D. melanogester, sélection par stress nutritionnel (approches comportementales, physiologiques,biochimiques; activité transcriptionnelle d’éléments transposables)

Caféine: inhibe l’alimentation, induit une baisse de fertilité des adultes, pas de changements des phéromones cuticulaires

Amidon: stimule l’alimentation. Digestion extra-orale impliquant une sécrétion d’amylase.

Obj 4 : Impact des changements d’environnement sur le phénotype

Obj 4: activité transcriptionnelled’éléments transposables

Effet de la sélection caféine (RT-QPCR)7 éléments transposables testés

D. simulans

D. melanogaster

Pas de différences significatives en G16, mais différences entre populations/ET et entre sexesM

M F M F

Obj 5 : Activité des amylases

Activité relative à l’amidon (kcat)

On observe une adaptation différentielle des amylases de drosophiles pour leur capacité à exploiter les oligosaccharides, une possibilité de résistance partielle aux inhibiteurs.

Explorer les processus d’adaptation de cette enzyme aux climats froids chez des animaux des régions polaires : convergence ou diversité des stratégies d’adaptation? Quelles sont les régions de la protéine soumises à sélection? M

Obj 4 : Impact des changements d’environnement

sur le phénotype

Du phénotype au génotypeDonnées de choix alimentaire, choix sexuel, choix d’hôte, activitétranscriptionnelle d’éléments transposables

Obj 5 : Modèles : Statistiques et prédictifs

Données de diversité, écologiques,expérimentales, théoriques

Construction d'un modèle générique de simulation individus-centréspatialement explicite incluant les processus d'adaptation et d'écologie quantitative au sein d'un paysage complexe sous influence humaine

Conception et développement d’un logiciel de simulation prospective en génétique du paysage (modèle multi-agents): SimAdapt

Applications en termes agronomiques et de santé publique

éoriqu

volution

relation

− Développement d'outils statistiques destinés à estimer la force de la sélection et la vitesse de l'évolution dans les populations naturelles ou artificielles

− Modélisation et analyse empirique de la dynamique des séquencesrépétées (éléments transposables) dans les génomes

− Étude théorique de l'évolution de l'épistasie et de l'évolvabilitédes populations

- Développement de modèles plus réalistes du lien entre le génome et le phénotype (réseaux de gènes, modèles développementaux) afind'éprouver les modèles de génétique quantitative existants

- Améliorer la compréhension de l'évolution non-adaptative (ADN égoïste, dérive génétique, décanalisation environnementale) pour mieux évaluer l'impact de la sélection sur l'évolution des populations.

Diversité neutreStructure des populations

Diversité adaptative et gènes candidats

Recherche de gènes candidats

NGS: Next generation sequencing

Recherche des signatures génomiques de la sélection

Nouveaux gènes

candidats

Impact des changements d’environnement sur le phénotype

Du phénotype au génotype

Génomique de la

spéciation

ModèlesStatistiques et prédictifs

démo-

géné

lation

opulat

Flux géniques

Validation modèles

d’évolution

Recherche des patrons de polymorphisme

Développement d’outils démo-

génétiques

-Emission de signauxd’interaction: sexuelle (phéromones, fluide séminal…..), sociale, ou défensifs (contre prédateurs et parasites)

- Perception de signauxd’interaction intra-(reproduction, compétition, antagonismes) et inter-spécifiques (parasitisme, défense, camouflage, alimentation, pollinisation)

- Comportements associéssélection sexuelle, exploitation des ressources nutritives

- Résistance aux stressxénobiotiques, température, sécheresse, salinité, disette…..

Caractères potentiellement adaptatifs

Mise en place (laboratoireterrain) d'expériences“évolution expérimentale”, pour tester les prédictionsde modèles théoriques

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