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Etudier l’évolution en réalisant des expériences
GQE, EGCE
January 23, 2019
Etudier l’évolution Pour étudier l’évolution, on peut travailler a posteriori, sur la diversité des espèces vivantes actuelles ou passées (fossiles), pour reconstruire la phylogénie des populations ou des espèces, ou avoir recourt à des analyses comparatives ou rétrospectives pour rechercher les mécanismes évolutifs impliqués dans les changements. Parce qu’on ne peut pas remonter l’histoire, ces analyses ont des limites : - les espèces actuelles sont le résultats de millions d’années d’évolution et le poids des événements contingents ou fortuits est difficile à appréhender, - on ne connaı̂t pas précisément l’environnement biotique ou abiotique des espèces au moment où elles ont évolué, - certaines transitions évolutives se sont produites dans des environnements biotiques ou abiotiques qui n’existent plus, - le monde est compliqué, beaucoup de facteurs interviennent simultanément, l’environnement biotique et abiotique peut varier, ... L’évolution expérimentale est une approche alternative qui consiste à observer les processus évolutifs en temps réel en réalisant des expériences
Réaliser des expériences pour comprendre l’évolution
Les expériences d’évolution sont réalisées dans des conditions contrôlées pour répondre
à des questions extrêmement variées comme
- l’adaptation à des environnements particuliers,
- étudier les compromis évolutifs et les contraintes
- estimer des paramètres de génétique des populations
- tester des hypothèses évolutives
- chercher à reproduire les premières étapes de processus évolutifs
...
Formation d’une ou plusieurs populations initiales
Contrôle de la démographie, de la sélection et/ou de l’environnement
Méthodologie pour analyser les résultats des expériences
Modélisation
Sélection pour la résistance à la famine chez E. coli
L1S2 UE évolution expérimentale, C. Dillmann et E. Marchadier. BASE, GQE.
Objectifs de l’UE :
- Participer à une expérience de recherche
- Comprendre les mécanismes de l’évolution
- Acquérir des connaissances de base en microbiologie
Une souche de départ, 8 réplicats
Consommation
des ressouces Survie sans ressource
Repiquage
Densité optique
La culture en batch avec transfert régulier d’une fraction de la population correspond
à une évolution dans un nouvel environnement saisonnier. En repiquant longtemps
après l’épuisement des ressources, on sélectionne pour la résistance à la famine.
Sélection pour la résistance à la famine chez E. coli
Croissance des différentes souches pendant 6h
Repiquages
R1 à R4 : fin 2015 au laboratoire
R4 à R8 : 2016
R8 à R12 : 2017
R13 à R16 : 2018
R17 à R20 : à venir (2019)
Phénotypes observés et questions abordées
Les changements sont-ils dus à des contaminations ? A chaque repiquage, étalements
sur boı̂tes de Pétri, observation des colonies et test de gram
Observe-t-on des changements dans la morphologie des cellules ? Observations au
microscope de plusieurs générations.
Observe-t-on des changements de la cinétique de croissance ? Cinétiques de croissance
Les changements concernent-ils l’abondance des protéines ? Extraction des protéines
R12, analyse des résultats R0-R8
Les changements concernent-ils les capacités d’inhibition de l’oxidation ? Tests
d’activité enzymatique catalase
Evolution expérimentale en batch chez la levure
GQE. D. Colot, O. Martin et J. Legrand. BASE.
Changements au cours d’un batch
Fermentation (consommation du
glucose et production d’éthanol)
puis passage à la respiration
(consommation de l’éthanol)
Développement d’un modèle mathématique pour étudier
le résultat de la compétition entre deux souches
Système d’équations différentielles décrivant les
changements de concentration du glucose, de l’éthanol, leur
effet et le nombre de cellules des deux souches
Paramétrisation du modèle : souches de levures dans des
milieux à 1% ou 15% de glucose avec des transferts tous les
48h ou 96h
Spor et al. (2014) Evolution 68(3):772–90. Collot et al.
(2018) Proc R Soc B. 285:9
Evolution expérimentale en batch chez la levure
En décomposant la valeur sélective dans le cas de deux souches en compétition,
identification des traits sous sélection : taux de croissance, le taux de mortalité, la
sélection à l’éthanol et la sensibilité aux changements de l’environnement
Exemple de compétition entre deux souches
La souche rouge a un meilleur taux de croissance en fermentation, un taux de
mortalité plus faible que la souche noire, mais une tolérance à l’éthanol plus faible
Parce que l’environnement est modifié par les caractéristiques des souches en
compétition, dans certains cas la valeur sélective des souches peut être non transitive
Sélection du taux de recombinaison chez la levure
GQE. X. Raffoux, O. Martin, M. Falque.
La recombinaison comprend le brassage chromosomique et l’échange de portions de
chromatides entre chromosomes. Elle a un impact évolutif très important en créant de
nouvelles combinaisons génétique.
Méthode haut-débit de mesure du taux de Diversité des taux de
recombinaison recombinaison
Chez la levure, les taux de recombinaison varient entre 0.2 et 0.51
Raffoux et al. 2018 Yeast. Raffoux et al. 2018 Genetics.
Sélection du taux de recombinaison chez la levure
Peut-on sélectionner pour augmenter le taux de recombinaison ?
Si oui, recherche des gènes impliqués dans la réponse à la sélection par séquençage en
pool de la population initiale et des populations évoluées et comparaison des
fréquences alléliques, détection de QTLs et validation fonctionnelle.
Evolution d’un dimorphisme floral chez la Nigelle de Damas
GQE-Le Moulon, D. Manicacci, DyGAP.
Polymorphisme bi-allélique au gène AP33
Gonçalves et al. 2013
Forme sauvage [Pétaloı̈de] Forme ornementale [Tépaloı̈de]
8 pétales nectarifères et 5 sépales pétaloı̈des Nombreux tépales pétaloı̈des
Principalement allogame ? Principalement autogame ?
Devenir de populations naturelles [P] avec flux de gènes depuis cultures [T] ?
Formation de la population initiale par croisement d’une plante sauvage issue d’une
population 100% [Pétaloı̈de] et d’une plante ornementale [Tépaloı̈de] puis
rétrocroisement par une plante ornementale [Tépaloı̈de]
+ p + p + p
[P] x [T] → [P] x [T] → 50% [P] + 50% [T]
+ p p p p pEvolution d’un dimorphisme floral chez la Nigelle de Damas
+ p
A la génération G0, on attend : 50% [Pétaloı̈de] + 50% [Tépaloı̈de]
p p
3 réplicats de 100m2 , 1200 graines par réplicats, 5 années d’expériences
Baisse de la fréquence de l’allèle [Pétaloı̈de] dans toutes les populations
Fréquence initiale différente de 50% pour les deux morphes en G0 ? Régime de
reproduction ? Dépression de consanguinité ?Autres expériences pour étudier l’évolution Evolution expérimentale de 3 Populations de blé composites (croisements pyramidaux de 16 parents, ou 90 parents croisés à un testeur mâle stérile) distribuées sur 12 sites en France x 12 cycles de reproduction x 2 modes de culture pour tester l’adaptation locale. Deux des populations (celles en allogamie forcée) sont toujours en évolution au Moulon. Equipe DEAP, J. Enjalbert et I. Goldringer. Sélection participative de populations de blé tendre. Environ 1000 populations multipliées et sélectionnées localement dans les fermes du Réseau Semences Paysannes avec pour objectif de sélectionner des variétés adaptées localement. Sélection naturelle et massale, suivi de l’histoire des lots de graines pour certaines populations. Equipe DEAP, I. Goldringer. Expérience de sélection artificielle : Sélection pour la précocité de floraison chez le maı̈s. Etude de la contribution des mutations dans l’évolution de la date de floraison. Equipe BASE et DyGap, C. Dillmann, E. Marchadier, A. Ressayre, M. Tenaillon. Analyse de colzas néo-synthétisés. Le colza (Brassica napus) est une espèce allo-tétraploı̈de issue du croisement B. oleracea x B. rapa suivie d’un doublement chromosomique. Observation d’une réponse immédiate des populations de petits ARN à l’allopolyploı̈die, spécifique des premières générations des colzas néo-synthétisés. Martinez Palacios et al. MBE 2019. Equipe DyGAP, K. Alix.
À quoi sert Amyrel?
EGCE, J-L. Da Lage, M. Bonneau
Le gène Amyrel (paralogue de l’amylase) n’existe que chez les mouches, et reste bien
conservé depuis plus de 200Ma. Sa fonction reste très mal connue.
”Fabrication” d’un allèle inactif (délétions Crispr-Cas) dans un fond génétique contrôlé
chez Drosophila melanogaster. Initialisation de lignées expérimentales (50/50) et
génotypage toutes les 5 générations sur 40 générations (12000 mouches typées par
profil PCR).À quoi sert Amyrel?
Deux génotypes différents sur trois milieux d’élevage (contrôle et amidon), en deux
réplicats.
Résultats préliminaires:
• La sélection est faible,
• Le type sauvage pourrait
être légèrement favorisé sur
milieu contrôle.
% allèle sauvage, haut: contrôle, milieu: amidon, bas: glucose.Évolution des éléments transposables dans le génome
EGCE, A. Hua-Van et al.
Les éléments transposables sont des constituants importants du génome. Leur
évolution et leur dynamique restent peu étudiées.
Suivi de la dynamique d’amplification des éléments de type mariner chez
Drosophila melanogaster. L’élément mariner est introduit par transgénèse dans une
souche, puis un individu porteur (”migrant”) est mélangé à 99 non-porteurs pour
initialiser des dynamiques expérimentales.Évolution des éléments transposables dans le génome
Test de l’hypothèse ”ADN
égoı̈ste”: après 10 générations,
l’élément a envahit la population
plus fréquemment qu’attendu par
dérive, quel que soit le nombre de
copies introduites, chez les mâles
et les femelles.
Fréquence d’invasion de l’élément transposable.
L’augmentation du nombre de
copies est rapide et répétable.
De nombreuses autres expériences
(avec séquençage) sont prévues.
Augmentation du nombre de copies (qPCR).Évolution du transcriptome sous sélection fluctuante
BIOGER, A. Genissel, A. Jallet (+ EGCE A. Le Rouzic)
Le régime de la sélection fluctuante impose des contraintes spécifiques aux systèmes
biologiques (compromis adaptatifs et plasticité phénotypique).
Étude de l’évolution du transcriptome chez Zymoseptoria tritici, un champignon
ascomycète responsable de la septoriose du blé. Cultivable in vitro, il représente un
modèle eucaryote intéressant pour l’évolution expérimentale. Le régime de sélection
impose l’adaptation à la croissance sur milieu artificiel dans trois conditions de
température: 17◦ C, 23◦ C, et un régime fluctuant deux fois par semaine entre 17◦ C et
23◦ C.Évolution du transcriptome sous sélection fluctuante
Un an d’évolution expérimentale pour tous
les traitements (> 500 générations). 2
génotypes de départ, 2 températures de
test, 2 réplicats par traitement, 2
échantillons par réplicat → 56
transcriptomes possibles (40 réalisés).
• Le transcriptome évolue plus à 23◦ C
et en régime flucutant,
• Identification de gènes dont
l’expression change spécifiquement
en régime fluctuant,
• Tendance à perdre la plasticité
phénotypique sous sélection
fluctuante.Bilan Beaucoup d’expériences, sur des micro-organismes, des insectes, ou des plantes. Diversité des questions de recherche abordées Approches expérimentales développées à GQE et à l’EGCE, et pour l’ESE ? ”We define experimental evolution as the study of evolutionary changes occurring in experimental populations as a consequence of conditions (environmental, demographic, genetic, social, and so forth) imposed by the experimenter. Thus, we do not consider cases of evolution in action that do not result from a planned and designed experiment. The above definition also excludes artificial selection, where breeding individuals are chosen explicitly by the investigator based on phenotypic values of defined traits or genotypes (e.g., at specific marker loci), thus enforcing a predetermined relation between those traits or genotypes and fitness. By contrast, in experimental evolution, selection can act on any and all traits and genes relevant to fitness under the environmental regimes of interest. Experimental evolution is sometimes called ‘laboratory natural selection’; however, some experimental evolution studies have been conducted in the field and, moreover, others have explicitly focused on other evolutionary forces, including mutation, genetic drift, and gene flow. Indeed, these other forces almost invariably act along with selection during experimental evolution, just as they do in nature.” Kawecki et al. (2012) Experimental Evolution. TREE, 27, p 547
Convergence et contrainte adaptative chez la levure
Trade-off taille des cellules et capacité biotique
dans deux milieux (1% et 15% de glucose).
6 souches présentant des stratégies variées ont été
placées dans 4 environnements différents (3
répétitions/souches/environnements).
Mesure de la consommation du glucose, de la
quantité d’éthanol produit, du taux de croissance et
de la taille des populations.
Convergence des souches dans
chacun des milieuxVous pouvez aussi lire
