Soutenance mémoire
L’environnement, l’introgression différentielle et la sélection naturelle des hybrides
La diminution de valeur sélective des hybrides est généralement due à la dépression hybride qui résulte de la réduction de l’adaptationlocale ou de rupture de complexes de gènes co-adaptés (Shields 1993). Néanmoins, les forces évolutives affectent différemment les parties du génome. Des analyses récentes utilisant plusieurs marqueurs moléculaires ont mis en évidence l’hétérogénéité des patrons de différenciation entre marqueurs, faisant le lien avec les bases génétiques de l’isolement et l’adaptation écologique. Des études d’introgression menées à grande échelle sur des génomes de cotons (Martinsenet al.2001), de chênes (Scotti-Saintagne et al. 2004), de tournesols (Bull et al. 2006), de drosophiles (Machadoet al.2007), de moustiques (Turneret al.2005) et de souris (Payseuret al.2004) concluent que la perméabilité aux allèles étrangersvarie selon les génomes et leurs différentes portions. Les conséquences évolutives du flux de gènes interspécifiques dépendent donc largement des facteurs environnementaux. De la même façon que la reproduction sexuée peut combiner plusieurs groupes d’allèles différents dans un fond génétique commun et permettre l’adaptation, l’hybridation entre espèces peut transférer les allèles d’un fond génétique dans un autre si cela n’est pas contrecarré par la sélection (Rieseberg et al. 2003). Dans le contexte particulier des milieux alluviaux, une étude récente sur les iris de Louisiane met en évidence que l’introgression par certains allèles du génome d’Iris fulva (tolérant les crues du Mississipi) accroît la survie des Iris brevifolia dans des conditions extrêmes d’inondation(Martin et al. 2006), alors que ces derniers ne tolèrent pas l’inondation dans leur habitat originel (plateaux). Chez les crapauds, les femelles de Spea bombifrons produisent plus d’hybrides viables (qui atteignent la métamorphose plus rapidement) en se croisant avec des mâles de S. multiplicatadans des mares très éphémères. Les travaux expérimentaux de Parris et al. (1999) effectués sur les grenouilles léopards suggèrent que les hybrides seraient plus adaptés (développement larvaire plus rapide) que l’un des phénotypes parentaux (Rana blairi) dans des environnements fluctuants et imprévisibles. Au contraire, certains gènes sous sélection, associés à un choix de partenaire sexuel assorti, permettent ou maintiennent l’isolement reproducteurentre espèces (Dieckmann & Doebeli 1999; Kondrashov & Kondrashov 1999). Par exemple, le choix d’un partenaire reproducteur le mieux adapté aux locus du complexe majeur d’histocompatibilité (i.e.CMH) peut favoriser certaines adaptations locales et donc accélérer le processus de séparation despopulations ou des espèces, amenant les gènes du système immunitaire à agir comme desgènes pléiotropiques de la spéciation (i.e. « traits magiques », Eizaguirre et al. 2009).
Eizaguirre et al. (2009), suite aux travaux de Scharsack et al. (2007) sur les épinoches Gasterosteus aculeatusde lacs et de rivières, ont imaginé le modèle suivant. Trois groupes de poissons sympatriques, limnétiques, benthiques et leurs hybrides, vivent dans un lac avec deux habitats : limnétique et benthique. Chaque écotype a développé une défense immunitaire contre les parasites sympatriques. Dans l’habitat limnétique, une augmentation de la charge parasite décroît la valeur sélective de l’écotype benthique et vice versa. La figure I.1 (a) montre que la sélection exercée sur les gènes du CMH par une communauté de parasites fixes augmente la fréquence des génotypes les mieux adaptés (limnétiques) et diminue la fréquence des génotypes les moins adaptés (benthiques) dans l’habitat limnétique. En absence de sélection, les accouplements sont aléatoires. Cependant, si un génotype est mieux adapté, le choix d’un partenaire basé sur le CMH est possible.La figure I.1 (b) illustre l’accélération de la différentiation entre écotypes (populations ou espèces) sous l’action pléiotrope des gènes du CMH en fonction de la résistance aux parasites et du choix sexuel.
Les flux de gènes intraspécifiques et la structure de population neutre et sous sélection
A l’intérieur d’une espèce, le flux de gènes correspond au transfert d’allèles d’une population à une autre et fait l’objet de la génétique des populations. Les unités à l’intérieur desquelles les individus s’unissent le plus souvent sont appelées des dèmes. Ces dèmes peuvent être plus ou moins isolésles uns des autres, former des unités discrètesou il peut y avoir une certaine continuité génétique entre dèmes voisins. La dérive génétique, par fixation aléatoire des allèles, va agir différemment dans chaque dème, et ceux-ci vont progressivement se différencier les uns des autres. Ces dèmes peuvent être eux-mêmes organisés en groupes dont les individus s’unissent occasionnellement et maintiennent des contacts entre eux par l’échange de gènes véhiculéspar des migrants.
Le flux de gènes va dépendre (i) des capacités de dispersion intrinsèques de l’organisme et (ii) de la perméabilité de la matrice paysagère. Par exemple, en milieu marin, les grandes tailles efficaces et le peu de barrières physiques génèrent un flux de gènes important (Wardet al. 2005). Au contraire, les espèces terrestres (hormis plantes et animaux volants) ont des capacités dispersives généralement beaucoup plus limitées.
Capacités dispersives et structure de population chez les amphibiens
Les capacités migratoires
Les faibles capacités migratoires des amphibiens sont souvent associées à leur dépendance aux milieux humides ou des zones humides pour les corridors de dispersion en raison du risque de dessiccation et de la prédationassocié à la dispersion terrestre (Duellman & Trueb 1994; Rothermel 2004; Rothermel & Semlitsch2002; Sinsch 1990), et à la lenteur de la locomotion terrestre (Rothermel & Semlitsch 2002). Les amphibiens se déplacent donc généralement sur de plus petites distances que les autres petits tétrapodes (Sinsch 1990). Smith & Green (2005), suite à une étude bibliographique menée sur 166 articles scientifiques concernant la distance maximale parcourue par 90 espèces d’amphibiens, ont conclu que 44% des espèces ne dispersent pas plus de 400 m ; seules 5% sont capables de montrer des distances de dispersion maximales supérieures à 10 km (figure I.2). Chez les Urodèles, 94% des distances maximales de dispersion sont inférieures à 1 km dont 64% ne dépassent pas 400 m. Seules 2% des espèces montrent une dispersion maximale supérieure à 10 km. De récentes études tendent à montrer que des migrants occasionnels connecteraient les populations séparées de dizaines de kilomètres.
Les modèles de migration
Différents modèles de migration ont été proposés afin d’expliquer les patrons observés in situ. (cf. encadré 3). L’isolement par la distance est un patron fréquemment rencontré dans l’étude des populations d’amphibiens chez lesquels la restriction géographique de la dispersion provoque l’accumulation de divergences génétiques entre populations. Ainsi ce patron a été retrouvé chez la grenouille des champs Rana arvalis(Knopp & Merilä 2009; Vos et al.2001), le crapaud calamite Bufo calamita (Roweet al.2000), le triton à peau rugueuse Taricha granulosa (Kuchta & Tan 2005), la salamandre à longs doigts Ambystoma macrodactylum (Tallmon et al. 2000), ou encore la salamandre tachetée Ambystoma maculatum(Zamudio & Wieczorek 2007). L’isolement par la distance peut suivre un modèle en pas japonais(i.e. stepping-stone) comme cela a été suggéré pour le crapaud Bufo canorus dans la région de Yosemite où les migrations occasionnelles ne se font que dans les sites voisins (Bradley Shaffer et al. 2000), pour les crapauds de vallées désertiques Anaxyrus cognatus et Scaphiopus couchii (Chan & Zamudio 2009) ou encore pour les tritons crêtés Triturus cristatuset marbrés T. marmoratus (Jehleet al.2005).
Les capacités dispersives limitées, la forte fidélité au site de ponte et les habitats de reproduction disjoints des amphibiens sont souvent responsables d’un fonctionnement en métapopulation(Marsh & Treham 2001). Citons, entre autres espèces, les tritons crêtés et marbrés Triturus cristatus et T. marmoratus (Jehle et al. 2005), les salamandres ponctuées Ambystoma maculatum(Zamudio & Wieczorek 2007), les crapauds calamites Bufo calamita (Rowe et al. 2000), les grenouilles de lesson Rana lessonae (Sjögren 1991), les rainettes vertes Hyla arborea(Dubeyet al.2009). Néanmoins, d’autres études montrent que certaines espèces forment des populations trop isolées pour supporter ce modèle (Bufo americanus, Bufo fowleri, Pseudacris crucifer, Rana sylvatica, Rana pipens, Rana clamitans, Rana catesbeiana, voir Smith & Green 2005).
Les modèles biologiques tritons palmés et ponctués
Afin d’apporter des éléments de réponse à l’étude de la structure des populations en contexte alluvial, nous avons étudié les flux de gènes chez une espèce réputée peu dispersive, le triton palmé. De plus, l’analyse du flux de gènes interspécifique avec le triton ponctué a permis d’étudier l’intensité d’hybridation et l’isolement reproducteur entre deux espèces à grand chevauchement géographique et écologique. Protégées, ces espèces sont néanmoins assez communes à l’échelle européenne et sur la zone d’étude.
Répartition
Le triton palmé Lissotriton helveticus(Razoumowsky 1789) est une espèce lacunaire de l’Europe occidentale (figure I.6). Il est largementrépandu en France et est une des espèces les plus communes en plaine. Dans le Maine-et-Loire, ilest communément présent (Mourgaud & Pailley 2005).
Biologie, éthologie
La période de reproduction débute à partir de février et se termine au plus tard en juin pour le triton palmé. Elle débute un peu plus tard pour le triton ponctué (mars). Les adultes se rassemblent en milieu aquatique où les mâles initient une paradenuptiale complexe (figure I.10). Le comportement de parade des deux tritons est fortement similaire avec quelques variations dans la durée, la fréquence et la succession des séquences (Halliday 1977; Roberts 1990; Wambreuse 1984). La parade commence par une phase de reconnaissance de la femelle dans laquelle le mâle tourne autour de sa partenaire et renifle son cloaque. Dans chacune des phases d’orientation, de parade statique (dans laquelle le mâle fournit des stimuli mécaniques, chimiques et visuels) et de retraite, chacun des deux sexes peut choisir d’interrompre la parade. Celle-ci se concrétise si la femelle accepte le spermatophore que le mâle dépose. Mâles et femelles peuvent se reproduire plusieurs fois au cours de la saison de reproduction (Gabor & Halliday 1997; Garner & Schmidt 2003; Osikowski & Rafinski 2001; Verrell 1985; 1986). Chez les tritons, les mâles les plus grands seraient capables de produire plus de spermatophores (Halliday 1977; Howardet al.1997). Néanmoins la production s’affaiblit au fur et à mesure de la saison et s’est montrée limitante chez le triton alpestre (Hoeck & Garner 2007). Il existe un choixdes mâles pour les femelles les plus grandes (Verrell 1985; 1986) et un choix des femelles pour les mâles à la crête développée (Gabor & Halliday 1997; Hedlund 1990). Après fécondation interne, les femelles enroulent chacun de leur 200 à 400 œufs dans la végétation ; la femelle palmée est plus sélective quant au choix des végétaux suggérant un investissement encore plus important (Griffiths 1996; Griffiths & Mylotte 1987; Norris & Hosie 2005) (figure I.10). L’incubation durant environ 1 mois. La larve se métamorphose en 2 ou 3 mois et le juvénile quittant les eaux ne mesure pas plus de 4 cm (Griffiths 1996).
Après la métamorphose, les juvéniles peuvent rester plusieurs années en milieu terrestre avant d’atteindre la maturité. La maturité sexuelle est atteinte vers 2 à 5 ans selon les populations de tritons ponctués (Coglniceanu & Miaud 2003), et 4 à 5 ans pour une population de triton palmé de montagne (Guyetantet al.1991), les mâles étant plus précoces (Bell 1977; Coglniceanu & Miaud 2003; Guyetantet al.1991; Marnell 1998b) . La néoténie est rencontrée chez cette espèce, parfois fréquentedans certaines régions (Causses du Massif Central) (Denoël 2006). La dispersiondu juvénile, généralement terrestre, peut l’éloigner de plus d’1 km de son lieu de naissance (Duguet & Melki 2003). Le taux de survie annuel des juvéniles avoisine les 80% (Bell 1977).
La reproduction est suivie d’une migration post-nuptiale. Les urodèles du genre
Lissotriton font partie des organismes ayant les capacités de dispersion les plus faibles. La dispersion peut atteindre 150 m chez le triton palmé (Miaud 1990) et 50 à 180 m chez le triton ponctué (Warwick 1949). Bell (1977) ayant marqué 2500 individus de tritons ponctués constate qu’aucun d’entre eux n’a changé de site de reproduction d’une saison à l’autre. Guyetant et al. (1991) suggère une fidélité au site de ponte pour une population de tritons palmés de montagne.
Les caractéristiques d’une vallée alluviale et le cas de la vallée de la Loire
Les annexes hydrauliques et la biodiversité
Les cours d’eau sont des systèmes ouverts régis par des entrées et des sorties permanentes d’eau et de matière. Ces flux liquides et solides, avec d’autres paramètres physiques comme la pente de la vallée et la granulométrie des sédiments du lit et des berges, contribuent à modeler les formes de l’hydrosystème fluvial. A cet hydrosystème, dont l’axe principal est longitudinal (de l’amont vers l’aval), s’ajoute un axe latéral (du cours d’eau vers le lit majeur) qui s’accompagne de biotopes typiques façonnés par ce moteur géodynamique. Le milieu aquatique est donc assorti d’annexes hydrauliques : bras secondaires, bras morts, prairies inondables, marais, marécages (Ward 1998) (figure I.16). Ces dépendances du fleuve situées dans le lit majeur ou plaine d’inondation sont des écosystèmes interconnectés par le réseau hydrologique de surface ou par le réseau souterrain, hydrauliquement actifs à partir d’une certaine hauteur de la ligne d’eau (Malavoi & Souchon 1996).
La D-loop en SSCP
La technique utilisant polymorphisme de conformation de l’ADN simple brin (SSCP, Fujita & Silver 1994) est fondée sur le comportement électrophorétique d’un fragment d’ADN monocaténaire dans un gel d’acrylamide non dénaturant. En effet, une molécule d’acide nucléique peut former des structures secondaires dues à des appariements de bases au sein de la molécule. Ces structures secondaires dépendent de la séquence propre au brin d’ADN et donnent une conformation particulière à chaque type de molécule monocaténaire (Tagu 2003).
Cent trois séquences de la région contrôle du triton de Bosca Lissotriton boscai (MartínezSolanoet al.2006) ont été alignées sur BIOEDIT (Hall 1999). Nous avons ainsi déterminé des amorces pour l’amplification d’une séquence d’environ 314 pb, une taille facilement amplifiable et permettant une révélation par SSCP. Ces amorces (D-loop Trit F : CTGTGATATCAATTCCCCATA et D-loop Trit R GGTCTTTATAGTCTTGGGGTTG) ont été utilisées pour l’amplification par PCR des individus de six populations de tritons palmés et deux populations de tritons ponctués selon le protocole de Martínez-Solanoet al.(2006) à une température d’hybridation de 52°C. Les produits PCR ont ensuite été séparés sur gel de polyacrylamide non dénaturant pour mettre en évidence le polymorphisme de conformation simple brin. Les produits PCR ont été mélangés à unvolume égal de tampon de charge [95% formamide, 20 mM EDTA (pH 8,0), 0,05% xylène cyanol, et 0,05% bleu de bromophénol], dénaturés à 95°C pendant 5 min, et plongés dans la glace pour éviter la renaturation. Dix microlitres du mélange ont été déposés sur un gel non dénaturant à 8% contenant 14 ml de polyacrylamide à 37,5% et de bisacrylamide à 1%, 7 mL de Glycerol 0,5 X, 7 mL of TBE 5 X (450 mM Tris-borate, 10 mM EDTA à pH 8) et 42 mL d’eau ultra pure. La migration électrophorétique a été réalisée à une puissance constante de 8 W pendant 16 heures dans un tampon de TBE l X. Les produits ont été révélés parla technique du nitrate d’argent selon Creste (2001). Les gels ont été rincés dans 2 L de solution de fixation (10% ethanol, 1,5% acide acétique) pendant 10 min. Les gels rincés ontété plongés 3 min dans 2 L d’une solution d’acide nitrique à 1,5%, puis rincés et imprégnés d’une solution de nitrate d’argent à 1 g.L -1 pendant 10 min. Les gels ont été rincés rapidement (20 s) puis développés dans une solution de carbonate de calcium à 30 g.L -1 avec du formaldéhyde à 40% jusqu’à ce que les bandes apparaissent avec une intensité suffisante. Toutes les manipulations ont été réalisées dans des solutions réfrigérées (4°C) afin de pourvoir contrôler l’étape ultime de la révélation. Sur les 169 individus testés, les deux populations de tritons ponctués se sont révélées monomorphes et cinq populations de tritons palmés sur les six étaient monomorphes. Tous ces individus provenaient des Pays-de-Loire. La sixième population de tritons palmés (Tpal Mo, dans l’Aisne) a montré un deuxième haplotype (de fréquence 24%). Un second couple d’amorces (D-loop boscaiF : CAGCTGGTTATGAATCTATGA et Dloop boscaiR : CTTAGAAAAACTAGCTCCGG) a permis l’amplification d’un fragment d’environ 336 pb. Les PCR ont été réalisées sur les mêmes individus, dans les mêmes conditions, et à une température d’hybridation de 51°C. Les fragments obtenus étaient les mêmes que ceux amplifiés avec l’amorce précédente.
Le nouvel haplotype observé sur la population Tpal Mo a encouragé l’utilisation de ce marqueur à l’échelle de l’aire de distribution. Néanmoins, en génotypant quelques populations supplémentaires de tritons palmés en Europe, seul un troisième nouvel haplotype a été détecté (figure II.4).
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Table des matières
PREAMBULE: DE L’ECHELLE MACRO- A L’ECHELLE MICROEVOLUTIVE
CHAPITRE I – ETAT DE L’ART
1 – L’hybridation et l’isolement reproducteur ou comment maintenir son intégrité face à un flux de gènes
L’étude de l’hybridation
Les barrières d’isolement reproducteur chez les amphibiens
L’influence de l’environnement sur l’introgression
2 – Les flux de gènes intraspécifiques et la structure de population neutre et sous sélection
Capacités dispersives et structure de population chez les amphibiens
La génétique du paysage : barrières et corridors auflux de gènes
Les flux de gènes et l’adaptation chez les amphibiens
3 – Les modèles biologiques tritons palmés et ponctués
Répartition
Description
Biologie, éthologie
Ecologie
Menaces et intérêt de l’étude de la génétique des populations de tritons palmés
Spéciation et hybridation des tritons palmés et ponctués
4 – Les caractéristiques d’une vallée alluviale et le cas de la vallée de la Loire
Les annexes hydrauliques et la biodiversité
Les annexes hydrauliques de la Loire
5 – Plan de la thèse
CHAPITRE II – SITES ET PROTOCOLES D’ETUDE
1 – L’échantillonnage
L’échantillonnage en Vallée de la Loire
L’échantillonnage en Europe
2 – Mise au point de marqueurs moléculaires
Les marqueurs microsatellites
ARTICLE 1 – CHARACTERIZATION OF MICROSATELLITE LOCI IN TWO CLOSELY RELATED LISSOTRITONNEWT SPECIES
Les marqueurs mitochondriaux
3 – Caractérisation du paysage
4 – Mesures morphométriques
CHAPITRE III – ETUDE DE L’ISOLEMENT REPRODUCTEUR ENTRE DEUX ESPECES SYMPATRIQUES
ARTICLE 2 – WIDESPREAD INTROGRESSION DOES NOT LEAK INTO ALLOTOPYIN A BROAD SYMPATRIC ZONE
ARTICLE 3 – ACASE OF REPRODUCTIVE CHARACTER DISPLACEMENT IN FEMALE
PALMATE NEWTS (LISSOTRITON HELVETICUS)
ARTICLE 4 – ASYMMETRIC SEX AND SPECIES RECOGNITION IN NEWTS,
IMPLICATIONS FOR THE HYBRIDIZATION PROCESS IN A BROAD CONTACT ZONE
CHAPITRE IV – STRUCTURE DES POPULATIONS DE TRITONS PALMES EN VALLEE DE LA LOIRE
Introduction
Matériel et Méthodes
Echantillonnage
Génotypage
Analyse des données
Résultats
Analyse de la diversité génétique intra-population
Analyse de la structure génétique entre populations
Estimation bayésienne de la structure de population
Effet des cours d’eau et de la topographie sur la structure de population
Rôle de la vallée dans le flux de gènes
Discussion
Un patron d’isolement par la distance et un fonctionnement en métapopulation
Un flux génique relativement important
Pas de barrières paysagères évidentes à la dispersion
Les flux de gènes en vallée alluviale
Conclusion
CHAPITRE V – FLUX DE GENES ET ADAPTATIONS
Introduction
Matériel et méthodes
Echantillonnage
Analyses génétiques
Analyses du polymorphisme au locus du CMH-DAB
Résultats
Phylogénie des séquences de CMH-DAB
Diversité au locus du CMH-DAB
Structure génétique au locus du CMH-DAB
Détection de la sélection au locus du CMH-DAB
Discussion
Phylogénie des séquences de CMH-DABet potentialités d’introgression avec le triton ponctué
Une sélection positive à l’échelle européenne
Variation au locus du CMH-DABà l’échelle régionale
Conclusion
CHAPITRE VI – DISCUSSION GENERALE ET PERSPECTIVES
Flux de gènes interspécifiques : hybridation et isolement reproducteur chez deux espèces largement sympatriques
Les barrières prézygotiques et l’influence de l’environnement
Les barrières postzygotiques
Conséquences de l’hybridation
Perspectives dans l’étude de l’hybridation et de l’isolement reproducteur
Conclusion
Flux de gènes interspécifiques: Flux de gènes neutres et sous sélection chez une espèce ubiquiste
Rappel des principaux résultats
Perspectives dans l’étude de la génétique du paysage
Perspectives dans l’étude de la sélection au CMH
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXE I – LA SQUELETTOCHRONOLOGIE
