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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
PR
OG
RA
MM
ES
DE
RE
CH
ER
CH
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
MO
DE
LES
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s
Environnement 2Environnement 1
Modèle Lépidoptères foreursSesamia nonagrioïdes
MO
DE
LES
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elle
s
Population anthropiséeFrance
Population sauvageKenya
ADAPTANTHROP, ABC PaPoGen, Equipe DEEIT
Environnement 2Environnement 1
Modèle Lépidoptères ravageurTecia solanivora
BodegaChamp
MO
DE
LES
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opul
atio
ns n
atur
elle
s
ANR ADAPTANTHROP, DEEIT
Environnement 2Environnement 1Modèle Lépidoptères foreurs
Sesamia nonagrioïdes/ Tecia solanivora
Modèle vecteurs de la maladie de Chagas Rhodnius/ Triatoma
Modèle parasitoïde-hôteCotesia Noctuelles
MO
DE
LES
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Environnement 2
Environnement 1
Modèle vecteurs de la maladie de Chagas
Processus de domiciliation
MO
DE
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s
Rhodnius prolixus
ANR ADAPTANTHROP, Equipe DEEIT
Triatoma infestans
Environnement 2Environnement 1
Modèle vecteurs de la maladie de Chagas Rhodnius
Processus de domiciliation
MO
DE
LES
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opul
atio
ns n
atur
elle
s
Rhodnius robustus
Habitat sylvatique
Anthroposystèmes
ANR ADAPTANTHROP, Equipe DEEIT
Environnement 2Environnement 1Modèle Lépidoptères foreurs
Sesamia nonagrioïdes/ Tecia solanivora
« insecte modèle »Drosophila simulans/melanogaster
Modèle vecteurs de la maladie de Chagas Rhodnius/ Triatoma
Modèle parasitoïde-hôteCotesia Noctuelles
MO
DE
LES
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opul
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s
Environnement 2Environnement 1
« insecte modèle »Drosophila simulans
MO
DE
LES
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opul
atio
ns n
atur
elle
s
ANR ADAPTANTHROP, Equipe GERAD
Environnement 2Environnement 1Modèle Lépidoptères foreurs
Sesamia nonagrioïdes/ Tecia solanivora
« insecte modèle »Drosophila simulans/melanogaster
Modèle vecteurs de la maladie de Chagas Rhodnius/ Triatoma
Modèle vertébréAstyanax mexicanus
MO
DE
LES
Modèle parasitoïde-hôteCotesia Noctuelles
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
MO
DE
LES
: P
opul
atio
ns n
atur
elle
s
Environnement 2Environnement 1Modèle Lépidoptères foreurs
Sesamia nonagrioïdes/ Tecia solanivora
« insecte modèle »Drosophila simulans/melanogaster
Modèle vecteurs de la maladie de Chagas Rhodnius/ Triatoma
Modèle vertébréAstyanax mexicanus
Modèle parasitoïde-hôteCotesia Noctuelles
MO
DE
LES
: P
opul
atio
ns n
atur
elle
s
Environnement 2Environnement 1
« insecte modèle »Drosophila simulans/melanogaster
MO
DE
LES
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opul
atio
ns e
xpér
imen
tale
s
Stress thermique
Stress chimique
appétant aversif
chaud froid
Stress nutritif
Avecpesticides
Sanspesticides
Environnement 2Environnement 1
Changement d’habitat
Sélection expérimentale
Modèle parasitoïde-hôteCotesia Noctuelles
MO
DE
LES
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atio
ns e
xpér
imen
tale
s
Obj 1: Diversité neutreStructure des populations
Données mtDNA, microsatellitesDonnées GPS, écologiques, pratiques culturales, SIGRéseau d’haplotypes, Fst, test assignation, neutralité …
Environnement 1 Environnement 2
Mod
èle
C
haga
s, A
NR
AD
AP
TAN
THR
OP
marqueurs neutres (ADNmt,microsatellites)
Aucune restriction aux flux géniques
73 palmiers disséqués (54,9% infestés)742 R. robustus (16,6% infectés T. cruzi)
Obj 1: Diversité neutreStructure des populations
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
Equi
pe D
EEIT
Sesamia nonagrioidesStructuration neutre en fonction de la plante hôte Une capacité de déplacement entre parcelles éloignées de 10km.
Environnement 1Typhacae
Environnement 2Poacae
10 km
10
km
2 km
capacité de dispersion
Plantes hôtes sauvages/ cultivées
•14 Marqueurs microsatellites
Maïs
Obj 1: Diversité neutreStructure des populations
Mod
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Ses
amia
, AN
R A
DA
PTA
NTH
RO
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DEE
IT
Obj 1: Diversité neutreStructure des populations
Obj 2: Diversité adaptative et gènes candidats
Données mtDNA, microsatellitesDonnées GPS, écologiques, pratiques culturales, SIGRéseau d’haplotypes, Fst, test assignation, neutralité …
Polymorphisme allélique cDNA, expression différentielle (qPCR)
Environnement 1 Environnement 2
Dém
arch
e sc
ient
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e
Obj 2: Diversité adaptative et gènes candidats
AN
R A
DA
PTA
NTH
RO
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 -
Mod
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Ses
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,AN
R A
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PTA
NTH
ROP
Equi
pe D
EEIT
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
Obj 2: Diversité adaptative et gènes candidats
PopulationsécologiquesMilieu sauvage Milieu cultivé
Polymorphismede séquence etd’expression
« ser »dominant
« gly »dominant
Expression + Expression -
Mod
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,AN
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PTA
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Equi
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EEIT
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
Obj 2: Diversité adaptative et gènes candidats
PopulationsécologiquesMilieu sauvage Milieu cultivé
Polymorphismede séquence etd’expression
« ser »dominant
« gly »dominant
Expression + Expression -
2 phénotypescomportementaux« nomade » « sédentaire »
Mod
èle
Ses
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,AN
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PTA
NTH
ROP
Equi
pe D
EEIT
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
Obj 2: Diversité adaptative et gènes candidats
PopulationsécologiquesMilieu sauvage Milieu cultivé
Polymorphismede séquence etd’expression
« ser »dominant
« gly »dominant
Expression + Expression -
2 phénotypescomportementaux« nomade » « sédentaire »
Mod
èle
Ses
amia
,AN
R A
DA
PTA
NTH
ROP
Equi
pe D
EEIT
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
Obj 2: Diversité adaptative et gènes candidats
Recherche de la valeur adaptative du polymorphisme
Obj 1: Diversité neutreStructure des populations
Obj 2: Diversité adaptative et gènes candidats
Obj 3b: Comparaison de profils d’expression
Polymorphisme allélique cDNA, expression différentielle (qPCR)
Environnement 1 Environnement 2
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
Dém
arch
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ient
ifiqu
eDonnées mtDNA, microsatellitesDonnées GPS, écologiques, pratiques culturales, SIGRéseau d’haplotypes, Fst, test assignation, neutralité …
Obj 1: Diversité neutreStructure des populations
Obj 2: Diversité adaptative et gènes candidats
Obj 3b: Comparaison de profils d’expression
Polymorphisme allélique cDNA, expression différentielle (qPCR)
Environnement 1 Environnement 2
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
Dém
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ient
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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).
Mod
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, Blin
dtes
tObj 3: Comparaison de transcriptomes,
Recherche de SNPEq
uipe
MU
LTIG
EN
Obj 1: Diversité neutreStructure des populations
Obj 2: Diversité adaptative et gènes candidats
Obj 3b: Comparaison de profils d’expression
Polymorphisme allélique cDNA, expression différentielle (qPCR)
Environnement 1 Environnement 2
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
Dém
arch
e sc
ient
ifiqu
eDonnées mtDNA, microsatellitesDonnées GPS, écologiques, pratiques culturales, SIGRéseau d’haplotypes, Fst, test assignation, neutralité …
Obj 3: Comparaison de profils d’expressionM
odèl
e S
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ia,A
NR
AD
APT
AN
THRO
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
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DE
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, Col
lPIS
C
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
Obj 1: Diversité neutreStructure des populations
Obj 2: Diversité adaptative et gènes candidats
Obj 3b: Comparaison de profils d’expression
Polymorphisme allélique cDNA, expression différentielle (qPCR)
Environnement 1 Environnement 2
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
Nouveaux gènes
candidats
Dém
arch
e sc
ient
ifiqu
eDonnées mtDNA, microsatellitesDonnées GPS, écologiques, pratiques culturales, SIGRéseau d’haplotypes, Fst, test assignation, neutralité …
66 gènes significativement surexprimés à Valence (en brun les Cytochromes P450)
Expression relative Valence/Mayotte
10
1
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
Mod
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D
roso
phile
,AN
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DA
PTA
NTH
ROP
Equi
pe G
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Obj 1: Diversité neutreStructure des populations
Obj 2: Diversité adaptative et gènes candidats
Obj 3b: Comparaison de profils d’expression
Polymorphisme allélique cDNA, expression différentielle (qPCR)
Environnement 1 Environnement 2
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
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
QTL
Dém
arch
e sc
ient
ifiqu
eDonnées mtDNA, microsatellitesDonnées GPS, écologiques, pratiques culturales, SIGRéseau d’haplotypes, Fst, test assignation, neutralité …
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
Mod
èle
D
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phile
,AN
R A
DA
PTA
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D, E
LEG
EM
, col
lPIS
C
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
odèl
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APT
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M F M F
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
odèl
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NR
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N
Obj 1: Diversité neutreStructure des populations
Obj 2: Diversité adaptative et gènes candidats
Obj 3b: Comparaison de profils d’expression
Polymorphisme allélique cDNA, expression différentielle (qPCR)
Environnement 1 Environnement 2
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
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
Dém
arch
e sc
ient
ifiqu
e
Données de diversité, écologiques,expérimentales, théoriques
Données mtDNA, microsatellitesDonnées GPS, écologiques, pratiques culturales, SIGRéseau d’haplotypes, Fst, test assignation, neutralité …
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
Obj 5 : Modèles : Statistiques et prédictifs
Conception et développement d’un logiciel de simulation prospective en génétique du paysage (modèle multi-agents): SimAdapt
AN
R
AD
APT
AN
THRO
PE
quip
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EE
IT, E
LEG
EM
Applications en termes agronomiques et de santé publique
Obj 5 : Modèles : Statistiques et prédictifs
Equ
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ELE
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M
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l'é
volution
de la
relation
gé
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-ph
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− 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
Environnement 1 Environnement 2
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
QTL
Génomique de la
spéciation
ModèlesStatistiques et prédictifs
Proj
et
démo-
géné
tiqu
e/bi
oinf
ormat
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Popu
lation
s na
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lles
et P
opulat
ions
exp
érim
enta
les
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