Projet ANR-13-JSV7-0003 – DOMEVOL : Mecanismes et evolution de la dominance
Programme : JCJC - SVSE 7 - Biodiversité, évolution, écologie et agronomie (JCJC SVSE 7)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Madame Violaine LLAURENS (Laboratoire OSEB (UMR7205))
Partenaires : Institut de Systématique, Évolution, Biodiversité
Montant : 207000.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Mécanismes et évolution de la dominance génétique: les réponses apportées par un papillon toxique amazonien.La dominance génétique est un phénomène très fréquent dans le monde vivant. Ce projet s’attache à caractériser les mécanismes moléculaires permettant l’arbitrage entre allèles ainsi qu’à comprendre comment la sélection naturelle influence cette dominance chez le papillon Heliconius numata. Cette espèce toxique présente des motifs de couleurs vives agissant comme signal d'alerte pour les prédateurs, constituant un modèle pertinent pour étudier l'évolution de la dominance chez un trait complexe.
De l'architecture génétique à la sélection naturelle: comprendre la dominance génétique au supergene controlant les variations de motifs colorés des ailes chez Heliconius numata.Chacun des motifs arborés par cette espèce présente une ressemblance forte avec d’autres espèces de papillons toxiques, un phénomène appelé mimétisme Müllérien. Un ensemble de gènes liés, appelé supergène, contrôle la variation des motifs de couleur des ailes et présente de nombreux allèles. Chaque allèle du supergène code pour un motif mimétique distinct et se retrouve fréquemment en présence d'un autre allèle chez les individus dit hétérozygotes. Nous nous interrogeons sur l’expression de ces différents allèles chez ces hétérozygotes et leur impact sur le développement des différents motifs mimétiques. Combien de gènes sont impliqués dans le développement des motifs mimétiques ? Quels sont leurs rôles respectifs ? Leurs relations de dominance respectives sont elles coordonnées ? Quels sont les mécanismes moléculaires contrôlant cette dominance ?En parallèle, nous étudions comment les prédateurs, et notamment les oiseaux, reconnaissent ces motifs d’avertissement et exercent une sélection naturelle sur l’expression de ces gènes. Chaque allèle du supergène code pour motif fortement mimétique d'une communauté d'espèces toxique. Cependant, les intermédiaires entre ces motifs, non-mimétiques, pourraient souffrir d'une prédation accrue, constituant une forte sélection agissant sur la dominance. Comment les oiseaux perçoivent-ils les variations de motifs ? Les variations de couleurs ? Comment différencient ils les motifs associés à une toxicité des autres ? En étudiant ce cas d'une espèce toxique imitant plusieurs autres espèces toxiques présentant des motifs de couleur contrastés, nous pourrons comprendre précisément la sélection agissant sur la dominance génétique car l'étude des communautés locales d'espèces toxiques nous informe sur la direction de la sélection agissant sur la dominance.
Du modèle mathematique aux populations naturelles en passant par le laboratoire de biologie moléculaireModélisation de l'évolution de la dominance au supergène P:Afin de tester les conditions dans lesquels la dominance pourrait évoluer au supergène P, nous avons utilisé un modèle théorique dans lequel nous évaluons l'impact de différents facteurs écologiques sur la probabilité de fixation d'un modifieur de dominance. Nous avons également modélisé différents types de mécanismes de modification d'expression afin de réduire le nombre d'hypothèse à explorer par les outils moléculaires.Expression des gènes et dominance entre allèles:Afin d'identifier les gènes du supergène impliqués dans les variations des motifs de couleurs des ailes, nous avons tout d'abord réalisé des croisements contrôlés entre papillons de l'espèce Heliconius numata présentant des motifs de couleurs différents, pour obtenir des descendants avec différentes combinaisons d'allèles. Ceci nous permet de comparer l'expression relative des allèles en fonction de la présence d'autres allèles.Nous avons ensuite séquencé les ARNs messagers dans les embryons d'ailes (disques alaires) de chenilles et de chrysalides issus de ces croisements. Nous avons ensuite visualisé où ces gènes étaient exprimés sur les disques alaires par une technique d'hybridation in situ.Estimation de la sélection sur dominance en populations naturelles:Pour estimer directement la prédation sur les motifs de couleurs intermédiaires, nous avons construit des papillons artificiels avec des ailes imprimées et des corps en cire. Nous avons ensuite placé ces papillons en forêt tropicale dans des sites où vit le papillon H. numata. Les 1500 papillons artificiels étaient laissés 3 jours en foret puis ramassés afin de compter les marques de becs. Nous avons ensuite comparé les taux d'attaques entre des motifs intermédiaires et des motifs mimétiques fréquent localement. Nous avons utilisé un papillon artificiel imitant une espèce comestible et un papillon H.numata dont le motif n'est pas présent dans ces sites comme contrôle.
Résumé de la soumission : La dominance génétique est un phénomène répandu en biologie qui se définit comme l'expression relative, au niveau phénotypique, des allèles présents à un même locus. La question des mécanismes moléculaires responsables et de l’évolution de la dominance a fait l'objet d'une forte controverse chez les biologistes de l’évolution. La dominance a en effet longtemps été considérée comme un simple sous-produit des propriétés intrinsèques des protéines codées par les différents allèles présent à un locus. Cependant, des résultats théoriques et empiriques récents ont démontré que la dominance pouvait être contrôlée par des locus modifieurs et évoluer sous l'effet de la sélection naturelle indépendamment du locus qu'elle régule. D’un point de vue théorique, l’évolution de la dominance semble favorisée dans des populations où la fréquence des hétérozygotes est élevée, car la sélection sur la dominance agit uniquement sur les individus hétérozygotes. C’est le cas des locus soumis à la sélection balancée, processus évolutif permettant le maintien de polymorphisme stable.Dans le cadre de ce projet, nous nous intéressons à un cas de sélection balancée due à l’hétérogénéité spatiale de l'environnement pour lequel l’architecture génétique ainsi que les pressions de sélection sont connues : le polymorphisme des patrons de couleur des ailes chez le papillon néo-tropical Heliconius numata. Chez cette espèce non-comestible, les patrons de couleurs des ailes présentent un fort mimétisme avec d’autres espèces non-comestibles locales. Ce mimétisme protecteur semble adapté à la variation géographique des communautés de papillons, ce qui permet le maintien du polymorphisme des patrons de couleur par un équilibre sélection-migration. Les patrons de couleur complexes d’Heliconius numata sont contrôlés principalement par un locus unique, le supergène P, qui contient au moins 18 gènes. Les relations de dominance au supergène P sont donc probablement sous forte contrainte sélective due à l’augmentation du risque de prédation pour les hétérozygotes non mimétiques. Par conséquent, le comportement des prédateurs vis-à-vis des variations de patron de couleur joue un rôle majeur sur l’évolution de la dominance au supergène P. L’objectif de ce projet est d’étudier l’évolution des relations de dominance entre hapotypes au supergène P en déterminant notamment les mécanismes moléculaires et évolutifs mis en jeu. Cet objectif se divise entre quatre taches : (Tache 1) Définir les relations de dominance attendues et leur évolution par une approche théorique ; (Tache 2) Quantifier les variations de dominance en population naturelle par des méthodes morphométriques, et déterminer l’influence de l’adaptation locale sur cette variation par des croisements entre individus allopatriques; (Tache 3) Caractériser les déterminants moléculaires de la dominance par d'étude de l'expression allele spécifique et du transcriptome (Tache 4) Caractériser la pression de sélection exercées sur la dominance par des approches théoriques sur la perception visuelle chez les oiseaux et par des approches comportementales. En combinant les approches génétiques et écologiques pour l’étude de ce trait complexe, ce projet offre donc la possibilité d’analyser les mécanismes de la dominance d’un point de proximal et évolutif.
Résultats : Modélisation de l'évolution de la dominance au supergène P:
Nous avons démontré théoriquement que la dominance pouvait évoluer au supergène P à la condition que plusieurs allèles mimétiques co-existent au sein des populations. Des mécanismes modifiant spécifiquement l'expression d'un allèle pourraient être responsable d'une telle évolution mais des mécanismes non-spécifiques pourraient également entrer en jeu s'ils sont portés par des régions génétiques proches du supergène. Ces deux hypothèses seront explorées dans l'analyse de nos données moléculaires.
Expression des gènes et dominance entre allèles:
Par le séquençage du transcriptome de 24 individus, nous avons identifié 2 gènes majeurs dont le niveau d'expression diffèrent entre individus portant des motifs de couleurs distincts. Les hybridations in situ nous ont montrés que certains éléments des motifs des ailes étaient préfiguré par la localisation de l'expression de ces gènes sur les disques alaires, confirmant le rôle de ces gènes dans le développement des motifs de couleurs.
Estimation de la sélection sur dominance en populations naturelles:
Nous avons observé de nombreuses marques de becs sur nos papillons et nous avons démontré que les motifs d'H. numata provenant de populations éloignées étaient fortement attaqués, alors que les motifs locaux l'étaient beaucoup moins, prouvant que les oiseaux étaient capables de reconnaître et d'éviter les motifs de couleurs associés aux espèces toxiques présentes localement. Les motifs intermédiaires étaient aussi fortement attaqués, montrant qu'il existe une sélection pour une dominance forte des allèles du supergène, limitant l'apparition de motifs intermédiaires. En utilisant plusieurs séries de motifs, nous avons découvert que la présence ou absence d’éléments jaunes jouait un rôle important dans la discrimination exercée par les oiseaux. La force de la sélection exercée sur les différents éléments de patrons et les gènes qui les contrôlent semble donc varier.
Perspectives : La caractérisation du rôle des gènes du supergène dans le développement des différents motifs est en cours et nous permettra de comprendre comment l'expression de ces différents gènes s'orchestre pour former ces motifs mimétiques complexes sur les ailes de nos papillons. 
Nous pourrons ensuite explorer plus précisément comment l'expression des différents allèles est régulée par la dominance chez les hétérozygotes, empêchant la formation de motifs intermédiaires non-mimétiques. Nous quantifierons l'expression des différents gènes et allèles dans les disques alaires chez les hétérozygotes par la technique de PCR quantitative et visualiseront la localisation de cette expression sur les disques alaires par hybridation in situ.
Nous décortiquerons les variations de la sélection naturelle sur les différents éléments du patron en utilisant notamment un jeu-vidéo présenté à des volontaires, où les joueurs devront chasser des papillons présentant des motifs de couleurs variés pour survivre. Certains motifs seront associés à une toxicité induisant un coût en survie et les joueurs apprendront donc à les reconnaître. Nous testerons quelles sont les variations discriminantes pour la reconnaissance des motifs toxiques par les joueurs. Ce jeu, bien que basé sur les capacités cognitives et visuelles des humains plutôt que des oiseaux, nous permettra de tester un grand nombre de variations de motifs et de mieux comprendre quelles sont les cibles de la sélection sur la dominance et réciproquement quelles sont les régions de l'aile dont les variations n'affectent pas la survie des papillons.
En caractériser à la fois la sélection naturelle d'une part et les bases génétiques d'autre part nous permettra de comprendre comment la dominance peut évoluer pour des traits soumis à une sélection maintenant en équilibre plusieurs variants.
Publications et brevets : Ce projet, qui a démarré il y a 18 mois, a déjà donné lieu à cinq publications dans des journaux internationaux (Journal of theoretical Biology, Journal of evolutionary biology (2), Evolution, Nature communications). Il a également fait l'objet de quatorze communications dans des conférences nationales et internationales. Il a également permis de financer les expériences menées par Monica Arias qui soutiendra sa thèse de doctorat en décembre 2015.