Evo-dévo des plantes: évolution de la fleur

Catherine Damerval

Evo-dévo : origine des innovations évolutives

• Le développement chez les plantes est « continu »

• Les méthodes :

l’analyse comparative dans un contexte phylogénétique pour interpréter l’origine des caractères observés sur les espèces actuelles, définir l’homologie des caractères

la génétique moléculaire du développement sur les « espèces modèles »

• Evo-devo-eco: ajouter la dimension populationnelle et l’action de l’environnement pour comprendre les processus évolutifs

Mayr (1963): « newly acquired structure or property that permits the performance

of a new function, which in turn, will open a new adaptive zone »

Muller & Wagner (1991): « a structure that is neither homologous to any structure

in the ancestral species nor serially homologous to any other part of the same

structure »

Arthur (2000): innovation~apomorphie

West-Eberhard (2003): importance de la différentiation « qualitatively distinct

developmental variant »

Pigliucci (2008): « new traits or behaviours, or novel combinations of previously

existing traits, arising during the evolution of a lineage, and that perform a new

function within the ecology of that lineage»

Innovation évolutive

Bowman et al 2007

Plan du cours

• Organisation de la fleur et diversité

• Génétique du développement chez Arabidopsis et Antirrhinum: le modèle ABC d’identité des organes floraux

• Conservation et variation du modèle à l’échelle des angiospermes

• Evolution multiple des pétales

• Evolution de la symétrie

La fleur

Pédondule

Calice (=sépales)

Réceptacle

Corolle

(=pétales) Androcée (=étamines)

Gynécée (=carpelles)

Fleur = structure déterminée, associant des organes reproducteurs mâles (microsporanges=étamines) et

femelles (megasporanges=carpelles) sur un axe court, entourés d’organes stériles (sépales et/ou

pétales=périanthe).

Périanthe

Coen 2001

Plan d’organisation général conservé

SEPALES / PETALES / ETAMINES / PISTIL

Photos Sophie Nadot

Variations de l’architecture florale

• Position des organes (spiralée ou cyclique, position infère ou supère du gynécée)

• Nombre (variable ou fixé)

• Forme

• Taille

• Couleur

• Soudure (intra-verticille ou inter-verticilles)

• Présence / absence de récompense (nectar, lipides, résines)

• Présence / absence d’organes

• Symétrie florale

Lien avec le mode de pollinisation

The Plant Archetype (1837). Illustration de la

métamorphose demandée par Goethe à PJ Turpin

Un peu d’histoire...

J.W. Goethe (1787)

« Alles ist Blatt »

1790 : ‘Metamorphosis of Plants’.

Concept d’homologie sérielle des organes au

sein d’un individu

Les organes de la fleur sont des feuilles

modifiées (métamorphose) et groupées

ensemble.

C. F. Wolff (1759) : ‘Theoria

Generationis’ redécouvert par Goethe

La feuille est l’élément constitutif fondamental

. Observations d’organes floraux transformés

dans des fleurs «anormales » (S P, E P)

Cette théorie n’a pu être validée

expérimentalement qu’à la fin des

années 90 !

Bases génétiques du développement floral :

Le modèle ABC chez Arabidopsis thaliana et Antirrhinum majus

MONOCOTYLEDONES

EUDICOTYLEDONES

ASTERIDEES (119-110 My)

ROSIDEES (123-115 My)

EUDICOTYLEDONES

CENTRALES

(126-121 My)

Arabidopsis Arabidopsis

Antirrhinum Antirrhinum

Phylogénie simplifiée des angiospermes

MAGNOLIIDEES

APGIII-2009

Magallon et al 2015

Les mutants floraux homéotiques chez Arabidopsis

(A) Wild-type

sépales + pétales + étamines + carpelles

(B) agamous

sépales + pétales + pétales + (sépales+pétales..)

(C) apetala2

carpelles + étamines + étamines + carpelles

(D) apetala3

sépales + sépales + carpelles + carpelles

(E) pistillata

sépales + sépales + carpelles + carpelles

Bowman et al 1989, Krizek & Fletcher 2005

= 4S+4P+6P+S/P/intermédiaires

= 4carpelles+4E+6E+1C

= 4S+4S+6C+1C

= 4S+4S+2-3C

= 4S+4P+6E+1C

C

The war of the whorls

Coen & Meyerowitz 1991

WT

Classe A

Classe B

Classe C

Mutants homéotiques

Antirrhinum Arabidopsis

ovulata

ap2

deficiens (def), globosa (glo)

ap3, pi

plena (ple)

ag

Les 3 classes de mutants définissent 3 fonctions: le modèle ABC

Causier 2010

Valeur prédictive du modèle ABC

les doubles mutants

A: ag ap3

B: ag pi

C: ag ap2

D: ap2 pi

E: ap2 ap3

Bowman et al. 1989

Bowman et al 1991

A: ap2 ap3 ag

B: ap2 pi ag

les triples mutants

L’expression ectopique des gènes B (C) ne suffit pas

à transformer des feuilles en organes floraux

Krizek & Meyerowitz 1996

D: 35S::PI

E: 35S::PI p35S::AP3

Les fonctions B et C sont nécessaires mais

pas suffisantes pour l’identité « florale »

Identification de protéines en interaction avec les ABC: la classe/fonction E

Expression ectopique de la fonction E avec des gènes ABC

Les gènes SEP sont nécessaires à la manifestation de l’identité florale

Pelaz et al 2001

Transformation de feuilles en « pétales »

Comment interagissent les protéines SEP

et celles des fonctions ABC ?

Theissen & Saedler 2001

Les facteurs MADS sont capables de faire des homo/hétérodimères et

sous cette forme, de se lier à une « boîte » CArG

Ces dimères ont la

capacité d’interagir

entre eux

Chaque organe serait

défini par un quartet

particulier, activant une

cascade de cibles

spécifiques

Melzer et al 2009

Melzer & Theissen 2009

Quartet model

Validation expé

Le modèle ABCE

Chanderbali et al 2010

Quels gènes derrière ces fonctions ? Tous codent pour des facteurs de transcription

Becker & Theissen 2003

Tous, sauf Apetala2 appartiennent à la famille des MADS-box

A

B

C(D)

La duplication (AP3-PI)

précède la diversification des

angiospermes

E

Les gènes de classe E (A ?)

sont spécifiques des

Angiospermes

D’après Soltis et al 2006

Histoire évolutive simplifiée des gènes MIKCc: les gènes assurant les fonctions A, B, C, E

appartiennent à des clades différents (A, B, C, E)

Seq. gymnosperme

Duplications à la base des

core eudicots

(Kramer & Zimmer 2006)

B A

C E

Conservation et variation du modèle

à l’échelle des angiospermes

Homologie vs homoplasie

• Étienne Geoffroy Saint-Hilaire (1818)

“Deux structures sont homologues bien

qu’ayant (éventuellement) un aspect

différent, si elle conservent la même

organisation fondamentale (le même plan) et

les mêmes connexions essentielles avec les

organes avoisinants.”

Principe des connexions

“ Homologue: The same organ in different

animals under every variety of form and

function.

Analogue: A part or organ in one animal

which has the same function as another part

or organ in a different animal”

• Richard Owen (1843)

Homologie primaire (structurale, de position)

• Charles Darwin (1859, 1872)

“The natural system is founded on descent with

modification; the characters which naturalists

consider as showing true affinity between two or

more species are those which have been inherited

from a common parent”

Homologie secondaire (de filiation)

“Homology: That relation between parts which

results from their development from corresponding

embryonic parts”

Descendance avec modification

Homoplasie = opposé de l’homologie

Plus de deux cycles de tépales

Plus de deux cycles d’étamines

Plusieurs carpelles non soudés

Bisexuée ?

Périanthe différencié ?

Insertion spiralée ou cyclique ?

Les carpelles et étamines sont homologues à l’échelle des angiospermes

Le cas du périanthe est complexe

Les différents organes floraux sont-ils homologues à l’échelle des angiospermes ?

Reconstruction de la fleur ancestrale (Endress & Doyle 2009)

Plus de deux cycles de tépales

Plus de deux cycles d’étamines

Plusieurs carpelles non soudés

Bisexuée ?

Périanthe différencié ?

Insertion spiralée ou cyclique ?

Les carpelles et étamines sont homologues à l’échelle des angiospermes

Le cas du périanthe est complexe

Les différents organes floraux sont-ils homologues à l’échelle des angiospermes ?

Reconstruction de la fleur ancestrale (Endress & Doyle 2009)

Qu’en est-il des mécanismes qui contrôlent l’identité de ces organes ?

La fonction A n’est pas conservée :

• Le mutant de classe A d’Antirrhinum (ovulata) est en réalité un mutant de

sur-expression du gène de fonction C Plena

Aucun mutant récessif de classe A (perte de fonction) n’a été identifié

• Chez Arabidopsis, différents allèles d’ap2 ont des effets variables sur le

verticille 4 (F, C)

deux homologues chez Antirrhinum,

Lipless1 et 2

Keck et al. 2003

double mutant lip1 lip2

S et P modifiés

Pas d’extension de la fonction C

apetala1-1

Irish & Sussex 1990

S->’feuille’ axillant fleur secondaire, etc.

0 P; E, C

Huijser et al1992

remplacement des fleurs

par des inflorescences

fleurs anormales, mais

présence de pétales

• Deuxième gène de ‘fonction A’ chez Arabidopsis, Apetala1 (Ap1):

squamosa

Chez Antirrhinum, Squamosa (Squa)

La fonction A et l’évolution de la régulation d’AP1 chez Arabidopsis

WGD à la base des Brassicaceae (40-50 Myrs):

AP1 et CAL (CAULIFLOWER) chez Arabidopsis

AP1

CAL

Expression différenciée,

sous-fonctionalisation

Comparaison des régions génomiques d’AP1 et CAL:

6 sites de liaison communs

Beaucoup plus de sites sur AP1 que sur CAL

Analyse fonctionnelle du promoteur (B-G, gène rapporteur GUS)

Boucle d’auto-régulation

Reconstruction de l’évolution des boîtes de liaison dans un cadre phylogénétique

+ 7, 0 perte + 2, -4

Ye et al. 2016

A. thaliana

A. lyrata

C. rubella

T. parvula

A. arabicum

T. hassleryana

C. papaya

Au sein des eudicots dérivés :

• La fonction A chez A. thaliana ne représente pas le cas général

• Les gènes de fonction A jouant un rôle dans l’identité Sépale ont aussi un rôle

dans l’identité du méristème (floral vs inflorescence)

• Le rôle dans l’identité Pétale n’est pas général

• Le rôle « antagoniste-C » est assuré par des processus divers selon les

espèces

Kim et al 2005

PI/GLO AP3/DEF

C: AG

B

A

Chez les angiospermes basales: les patrons d’expression des gènes

sont moins spécifiques que chez les core eudicots

État ancestral A

B/B

C

Les fonctions B et C sont mieux « conservées » que la fonction A :

les gènes homologues d’AP3/PI sont exprimés dans les étamines et

de manière variable dans le périanthe

les gènes homologues d’AG sont exprimés dans les carpelles/ovules et étamines

Limite aux études faites en dehors des espèces modèles :

la plupart du temps, il s’agit de corrélations entre patrons d’expression et caractère

pas/peu d’analyses fonctionnelles possibles (eg inactivation de gène, transformation)

Des homologues des classes B et C interviennent dans la différenciation

des organes sexuels chez les gymnospermes

Theissen and Melzer 2007

modèle sliding border

(shifting boundary) van Tunen,1993

Bowman, 1997

Kramer et al. 2003

organes d’identité mal définie

modèle « fading borders » : état ancestral

(Buzgo et al. 2004)

Les variations du modèle ABC : une origine de la diversité florale

Agapanthe, Tulipe, Palmier à huile..

mais pas Lys ni Asparagus

Aller au-delà des gènes ABCE pour décrypter les réseaux de gènes

impliquées dans l’identité des organes floraux

Chanderbali et al 2010

Les périanthes différenciés et l’origine des pétales

dans un périanthe différencié (bipartite=calice+corolle)

morphologie et fonction : « pétaloïde », présence de cellules coniques,

attraction des pollinisateurs vs protection (sépales/calice)

anatomie et développement : nb traces vasculaires, pause dans le

développement

pièces stériles internes (corolle) entourant les étamines

Cooper et al 2013, Plant Ontology Consortium

Définition d’un « pétale »

non différencié

(« tépale »)

différencié

(sépales + pétales)

Le périanthe différencié a évolué

plusieurs fois indépendamment chez les

angiospermes

=> les « pétales » ne sont pas

homologues dans les différents taxons

Qu’en est-il de leur origine moléculaire ?

Gènes candidats= fonction B

Au niveau évolutif, plusieurs origines indépendantes :

les pétales sont des structures homoplasiques

Endress 2011

Rasmussen et al. 2009

Chez les Ranunculales Cycle 1 Cycle 2

Les gènes de la fonction B

chez les Ranunculales:

Trois clades de gènes AP3

Un clade de PI (duplication

spécifiques d’espèces)

• Expression spécifique dans les

pétales (Rasmussen et al 2009)

• L’inactivation d’AP3-3 chez l’ancolie

transforme les pétales en sépales

(Sharma et al. 2011)

• L’inactivation d’AP3-3 chez la nigelle

phénocopie un mutant spontané

sans pétales (Gonçalves et al. 2013)

• Dans plusieurs espèces ou les

pétales sont « perdus », le gène

AP3-3 est inactif (Zhang et al 2013)

Sous-fonctionalisation des paralogues AP3

Rasmussen et al. 2009

Le paralogue AP3-III joue un rôle

dans l’identité « pétale »

chez les Ranunculaceae

AP3-I et –II plutôt dans

les étamines et sépales

Ra: rachis

Ge: glumes

Le: lemma

Pa: palea

Lo: lodicules

St: étamines

WT Mutant spw1-1

Transformation

homéotique des

lodicules en

lemma/palea, des

étamines en

carpelles

Mutant de fonction B

Riz : le gène Superwoman-1 (AP3-like)

Riz: Nagasawa et al 2003; Maïs: Ambrose et al. 2000

Épillet=fleur modifiée

lodicule: cycle 2, non

pétaloïde, gonflement à

l’anthèse

Chez les Poaceae: les lodicules sont-ils homologues de pétales ?

Les lodicules des graminées dérivées sont-ils

homologues de pétales ?

Grasses

lodicules

Whipple et al 2007

Yoshida 2012

Développement précoce homologue

AP3-like

PI-like

Streptochaeta

Elegia

Joinvillea

AP3

AP3

AP3a AP3b

PI2

PI

Whipple et al 2007

Zea

Silky1

Ambrose et al 2000

Pour conclure sur les pétales et les gènes B

• Les gènes B semblent jouer un rôle dans la définition d’un champ

morphogénétique « cycle 2 »

• On peut parler d’évolution parallèle des pétales par activation de ce(tte)

fonction/programme ancestral(e) (« homologie profonde » ou process

homology)

• Le caractère pétaloïde ou non, la forme, peuvent être associés aux réseaux

recrutés en aval des gènes B

Evolution de la symétrie florale

EUDICOTS

MONOCOTS

CORE EUDICOTS

A l’échelle des angiospermes:

état ancestral = radiale/actinomorphie

état dérivé = bilatérale/zygomorphie

Nombreuses évolutions indépendantes

de la zygomorphie

APG 2009

Apparition de la s. bilatérale (zygomorphie) au cours de l’évolution

premiers fossiles angiospermes

La zygomorphie est probablement apparue

~60 MY après l’émergence des angiospermes

Maastrichtian

Campanian

Santonian

Coniacian

Turonian

Cennomanian

Albian

Aptian

Barremian

Hauterivian

Valanginian

Berriasian

Jurassic

Millions years

72

93 99

112

130

140

120

89

84

65 Paleocene

Eocene 56

34

Oligocene

Paleogene

Crétacé

fossiles de fleur zygomorphe

fossile de fleur d’eudicot cyclique

* *

* * *

La symétrie bilatérale: un caractère adaptatif

Interaction spécifique avec les pollinisateurs:

approche unidirectionnelle

plateforme d’aterrissage

limitation des mouvements

placement spécifique du pollen

La zygomorphie apparaît comme un caractère propre

à améliorer la fécondation croisée

Fleurs zygomorphes : pollinisation biotique

très souvent des abeilles/bourdons

(nectar, pollen)

Innovation évolutive, associée à richesse spécifique

e.g., Orchidacées (~27 000 sp)

Fabacées (~19 000 sp)

Asteracées (~24 000 sp)

Mécanismes génétiques/moléculaires du contrôle de la

symétrie chez Antirrhinum majus

WT Pétales

Dorsal Dorsal Latéral Latéral Ventral

ventral

dorsal

Mutants semi-péloriques

Dorsal Dorsal Latéral Latéral Ventral cycloidea dichotoma

X 6

x

= Mutant pélorique

cycloidea-dichotoma

L’interaction de quatre facteurs de transcription

détermine le patron bilatéral

DIV DIV

DIV

DIV

RAD

CYC+DICH

DIV

Luo et al 1996, 1999

Galego & Almeida 2002

Corley et al. 2005

Raimundo etal 2013

CYCLOIDEA,

DICHOTOMA = TCP

RADIALIS,

DIVARICATA = MYB

gène majeur = CYCLOIDEA

Les gènes homologues de CYC :

une histoire de duplications multiples

Citerne et al. 2013

Au moins une duplication chez les

Monocots

Deux duplications chez les Core Eudicots

duplications chez différents ordres

d’Eudicots basales

Hileman 2014

Association récurrente d’un patron

d’expression asymétrique d’homologues de

CYC et de la symétrie bilatérale

Expression dorso-ventrale asymétrique de

CYC2 chez les core Eudicots

Expression asymétrique d’homologues de

CYC chez les Eudicots basales

Heliconia, Costus (Zingiberaceae)

Expression asymétrique d’homologues de

CYC chez les Monocots Oryza (Poaceae)

Les Magnoliids: la symétrie bilatérale (zygomorphie) chez les Aristolochiaceae

Horn et al. 2015

Saruma henryi, actinomorphe

Aristolochia arborea, zygomorphe

Expression homogène chez S. henryi

Expression asymétrique (abaxiale),

tardive chez A. arborea

Piperales

CYC1 CYC2

Les Eudicots basales : les Papaveraceae, Ranunculaceae et Proteaceae

Core Eudicots > 46

Monocots > 23

Proteales x16

Ranunculales x 3

Eudicots basales Sabiaceae x 1

ACTINOMORPHIE

ZYGOMORPHIE

1 éperon

BISYMETRIE

2 éperons

Capnoides

Lamprocapnos

Chez les Papaveraceae

Expression

asymétrique,

transversale,

tardive

Damerval et al. 2007, 2013

Hybridation in situ, PapCYC2

Différents types de symétrie

et scenario évolutif:

Mise en place

tardive au cours du

développement

AcCyL1a

AcCyL1b

AcCyL2a

AcActin

1 2 3 DS LS VS St

Jabbour et al. 2014

Chez les Ranunculaceae

Le clade des espèces zygomorphes

(Delphinieae) possède une duplication

supplémentaire

Expression asymétrique, dorso-ventrale,

tardive

G

Ve Ve

Do Do

Chez les Proteaceae

>15 transitions actinomorphie -> zygomorphie

Grevillea juniperina

ProtCYC1

ProtCYC2

Do Ve G

2

6

Rela

tive

Pro

tCY

C e

xp

res

sio

n

Expression asymétrique, dorso-ventrale,

tardive

Citerne et al. 2015

Evolution récurrente de la zygomorphie

Gènes CYC: duplication à la base des Proteaceae

=> deux paralogues

Les gènes CYC et la symétrie chez les Magnoliids et les eudicots basales:

Duplications

Expression asymétrique tardive relativement à la mise en place du

phénotype (? Ranunculaceae) => pas de rôle initiateur

L’asymétrie d’expression suit le plan de symétrie florale, transverse

ou dorso-ventrale

Quel est le signal activateur, et agit-il directement sur les CYC ?

Réversions de la zygomorphie à l’actinomorphie

= transformations homéotiques

Dorsalisation

(hétérotopie)

État ancestral

Ventralisation (expression

transitoire)

Ventralisation (inactivation/perte)

CYC expression

s1 s3 s2

Gesneriaceae: Bournea

Linaria

Plantago lanceolata

Malpighiaceae: Sphedamnocarpus) Cadia, Plantago major

sp. Malpighiaceae : Microsteria,

Lasiocarpus et Psychopterys )

Les pétales et la symétrie bilatérale:

deux caractères homoplasiques à évolution parallèle au niveau

moléculaire

Les pétales:

Implication récurrente des gènes B, via une fonction ancestrale

« minimum » de définition d’un champ morphogénétique W2

switch on/off, via l’activation de différents réseaux de gènes cibles en

aval

La symétrie bilatérale:

Implication récurrente des gènes TCP de type CYC : quelle est la fonction

ancestrale de ces gènes ? Quel est leur rôle chez des espèces où

l’actinomorphie est ancestrale ?

Le réseau en aval de CYC paraît conservé chez les Lamiales (autres

Asterids ?)… différent chez les Rosids; inconnu chez les autres clades

d’angiospermes

B+C

Axe mâle

C

B+C

Axe bisexué

Out of Male

L’expression des gènes de classe B agit comme « sélecteur » du sexe.

Axe femelle

C C

B+C

Axe bisexué

Out of Female

Expression ectopique de B

Restriction

d’expression de B

Mécanismes proposés :

- modification des régulateurs trans de B

- modification des régions cis-régulatrices de B

C B

éta carp

C B

microsporophylles