How broad is the selfing syndrome? Insights from convergent evolution of gene expression across species and tissues in the Capsella genus

The shift from outcrossing to selfing is one of the main evolutionary transitions in plants. It is accompanied by profound effects on reproductive traits, the so-called selfing syndrome. Because the transition to selfing also implies deep genomic and ecological changes, one also expects to observe a genomic selfing syndrome. We took advantage of the three independent transitions from outcrossing to selfing in the Capsella genus to characterize the overall impact of mating system change on RNA expression, in flowers but also in leaves and roots. We quantified the extent of both selfing and genomic syndromes, and tested whether changes in expression corresponded to adaptation to selfing or to relaxed selection on traits that were constrained in outcrossers. Mating system change affected gene expression in all three tissues but more so in flowers than in roots and leaves. Gene expression in selfing species tended to converge in flowers but diverged in the two other tissues. Hence, convergent adaptation to selfing dominates in flowers, whereas genetic drift plays a more important role in leaves and roots. The effect of mating system transition is not limited to reproductive tissues and corresponds to both adaptation to selfing and relaxed selection on previously constrained traits

Integrated miRNA and transcriptome profiling to explore the molecular determinism of convergent adaptation to corn in two lepidopteran pests of agriculture

BackgroundThe degree to which adaptation to same environment is determined by similar molecular mechanisms, is a topic of broad interest in evolutionary biology, as an indicator of evolutionary predictability. We wished to address if adaptation to the same host plant in phytophagous insects involved related gene expression patterns. We compared sRNA-Seq and RNA-Seq data between two pairs of taxa of Ostrinia and Spodoptera frugiperda sharing maize as host-plant. For the latter, we had previously carried out a reciprocal transplant experiment by feeding of the larvae of the Corn strain (Sf-C) and the Rice strain (Sf-R) on corn versus rice and characterized the mRNA and miRNA responses.ResultsFirst, we predicted the genes encoding miRNA in Ostrinia nubilalis (On) and O. scapulalis (Os). Respectively 67 and 65 known miRNA genes, as well as 196 and 190 novel ones were predicted with Os genome using sncRNAs extracted from whole larvae feeding on corn or mugwort. In On, a read counts analysis showed that 37 (55.22%) known miRNAs and 19 (9.84%) novel miRNAs were differentially expressed (DE) on mugwort compared to corn (in Os, 25 known miRs (38.46%) and 8 novel ones (4.34%)). Between species on corn, 8 (12.5%) known miRNAs and 8 (6.83%) novel ones were DE while only one novel miRNA showed expression variation between species on mugwort. Gene target prediction led to the identification of 2953 unique target genes in On and 2719 in Os, among which 11.6% (344) were DE when comparing species on corn. 1.8% (54) of On miR targets showed expression variation upon a change of host-plant.We found molecular changes matching convergent phenotype, i.e., a set of nine miRNAs that are regulated either according to the host-plant both in On and Sf-C or between them on the same plant, corn. Among DE miR target genes between taxa, 13.7% shared exactly the same annotation between the two pairs of taxa and had function related to insect host-plant interaction.ConclusionThere is some similarity in underlying genetic mechanisms of convergent evolution of two distant Lepidopteran species having adopted corn in their host range, highlighting possible adaptation genes

Spodoptera frugiperda (Lepidoptera: Noctuidae) host-plant variants: two host strains or two distinct species?

International audienceThe moth Spodoptera frugiperda is a well-known pest of crops throughout the Americas, which consists of two strains adapted to different host-plants: the first feeds preferentially on corn, cotton and sorghum whereas the second is more associated with rice and several pasture grasses. Though morphologically indistinguishable, they exhibit differences in their mating behavior, pheromone compositions, and show development variability according to the host-plant. Though the latter suggest that both strains are different species, this issue is still highly controversial because hybrids naturally occur in the wild, not to mention the discrepancies among published results concerning mating success between the two strains. In order to clarify the status of the two host-plant strains of S. frugiperda, we analyze features that possibly reflect the level of post-zygotic isolation: (1) first generation (F1) hybrid lethality and sterility; (2) patterns of meiotic segregation of hybrids in reciprocal second generation (F2), as compared to the meiosis of the two parental strains. We found a significant reduction of mating success in F1 in one direction of the cross and a high level of microsatellite markers showing transmission ratio distortion in the F2 progeny. Our results support the existence of post-zygotic reproductive isolation between the two laboratory strains and are in accordance with the marked level of genetic differentiation that was recovered between individuals of the two strains collected from the field. Altogether these results provide additional evidence in favor of a sibling species status for the two strains

Role of host plant specialization and reproductive isolation in the divergence of lepidopteran pests

La spécialisation à différents environnements est un moteur de divergence entre populations et espèces. Les insectes phytophages sont des candidats pertinents pour l’étude de la spéciation par spécialisation écologique, de par leur relation intime à leur plante hôte et à l’occurrence régulière de changements d’hôtes au cours de leur évolution. Cette spéciation écologique nécessite trois composantes : une source de sélection divergente, un isolement reproducteur (pré-ou post-zygotique), et un mécanisme liant les gènes sous sélection et ceux responsable de l’isolement reproducteur. Dans ce cadre, nous avons étudié l’isolement reproducteur et la spécialisation chez deux modèles de lépidoptères polyphages, ravageurs des cultures : (1) la pyrale du maïs, Ostrinia nubilalis, et son espèce sœur, Ostrinia scapulalis, (2) la légionnaire d’automne, Spodoptera frugiperda, dont deux variants sont identifiables, le variant riz (sf-R) et le variant maïs (sf-M). Ces deux modèles montrent des patrons de diversification via la plante hôte : les deux espèces sœurs et les deux variants sont différenciés génétiquement et sont spécialisés sur différentes plantes hôtes (maïs pour O. nubilalis et sf-M ; armoise pour O. scapulalis ; riz pour sf-R). Nous avons étudié les patrons de spécialisation de ces modèles en effectuant des mesures de traits d’histoire de vie à deux moments clés de leur cycle de vie : (1) au stade larvaire, par des expériences de transplantation réciproque, (2) au stade adulte, par des expérience de choix d’oviposition. Ces mesures nous ont permis de mettre en évidence un patron de spécialisation pour les deux espèces de pyrale et pour le variant sf-M au stade adulte et/ou larvaire, alors que les résultats ne montre pas de spécialisation claire pour le variant sf-R de S. frugiperda, du moins sur les plantes testées. Nous avons également recherché des mécanismes de cette spécialisation par une analyse transcriptomique visant à identifier les gènes ou familles de gènes dont l’expression varie en fonction de la plante hôte chez nos deux modèles. Cette étude mécanistique a mis en lumière des fonctions de gènes impliquées dans la détoxification, la digestion et l’immunité qui peuvent expliquer les différences de traits d’histoire de vie que nous avons observés. Enfin, nous avons quantifié différentes barrières (pré- et post-zygotiques) pour estimer le degré de divergence et les facteurs impliqués dans l’isolement reproducteur des entités génétiques étudiées. Nous avons notamment trouvé pour les deux modèles des barrières post-zygotiques précoces avec un pourcentage d’éclosion plus faible dans les croisements interspécifiques. Dans le modèle Ostrinia, nous avons également mis en évidence la présence d’une barrière pré-zygotique en lien avec le bouquet phéromonal émis par les femelles.Specialization in different environments is a driver of divergence between populations and species. Phytophagous insects are interesting candidates to study the speciation process via the ecological specialization, due to the intimate relationship between the insects and their host plant but also the regular occurrence of host changes they experienced during evolution. Ecological speciation requires three important components: a source of divergent selection, a form of reproductive isolation either pre- or post-zygotic, and a mechanism linking the genes under selection to those responsible of the reproductive isolation. In this context, we studied the reproductive isolation and specialization in two models polyphagous lepidopteran pests: (1) the European corn borer, Ostrinia nubilalis, and the closely related species Ostrinia scapulalis, (2) two host races of Spodoptera frugiperda (the fall armyworm), rice strain (sf-R) and corn strain (sf-M). Both models showed a patterns of diversification via the host plant: both species sisters and the two strains are genetically differentiated and are specialized on different host plants (maize for O. nubilalis and sf-M; mugwort for O. scapulalis; rice sf-R). We studied the patterns of specialization of these models by quantification of life history traits in two time points of their life-cycles: (1) in the larval instar, by reciprocal transplant experiments, (2) in the adult, by choice oviposition experiment. These measures highlighted a pattern of specialization at the adult and/or larval instar for both moth species and sf-M. However, the results showed no clear specialization for sf-R of S. frugiperda on the tested plants. We investigated the mechanisms of specialization by RNA-seq in order to identify the genes or the gene families for which variation of their expression depends on the host plant. This mechanistic study revealed genes involved in detoxification, digestion and immunity process that may explain the differences observed in life history traits. Finally, we quantified various barriers (pre- and post-zygotic) to estimate the divergence degree and the causes involved in reproductive isolation of genetic entities studied. In particular, for the two models, we found evidences of post-zygotic barriers with a lower percentage of hatching in the interspecific crosses. In Ostrinia model, we have also demonstrated the presence of pre-zygotic barrier depending of the pheromone blend emitted by the females

Rôle de la spécialisation à la plante hôte et de l'isolement reproducteur dans la divergence de lépidoptères ravageurs de cultures

La spécialisation à différents environnements est un moteur de divergence entre populations et espèces. Les insectes phytophages sont des candidats pertinents pour l’étude de la spéciation par spécialisation écologique, de par leur relation intime à leur plante hôte et à l’occurrence régulière de changements d’hôtes au cours de leur évolution. Cette spéciation écologique nécessite trois composantes : une source de sélection divergente, un isolement reproducteur (pré-ou post-zygotique), et un mécanisme liant les gènes sous sélection et ceux responsable de l’isolement reproducteur. Dans ce cadre, nous avons étudié l’isolement reproducteur et la spécialisation chez deux modèles de lépidoptères polyphages, ravageurs des cultures : (1) la pyrale du maïs, Ostrinia nubilalis, et son espèce soeur, Ostrinia scapulalis, (2) la légionnaire d’automne, Spodoptera frugiperda, dont deux variants sont identifiables, le variant riz (sf-R) et le variant maïs (sf-M). Ces deux modèles montrent des patrons de diversification via la plante hôte : les deux espèces soeurs et les deux variants sont différenciés génétiquement et sont spécialisés sur différentes plantes hôtes (maïs pour O. nubilalis et sf-M ; armoise pour O. scapulalis ; riz pour sf-R). Nous avons étudié les patrons de spécialisation de ces modèles en effectuant des mesures de traits d’histoire de vie à deux moments clés de leur cycle de vie : (1) au stade larvaire, par des expériences de transplantation réciproque, (2) au stade adulte, par des expériences de choix d’oviposition. Ces mesures nous ont permis de mettre en évidence un patron de spécialisation pour les deux espèces de pyrale et pour le variant sf-M au stade adulte et/ou larvaire, alors que les résultats ne montrent pas de spécialisation claire pour le variant sf-R de S. frugiperda, du moins sur les plantes testées. Nous avons également recherché des mécanismes de cette spécialisation par une analyse transcriptomique visant à identifier les gènes ou familles de gènes dont l’expression varie en fonction de la plante hôte chez nos deux modèles. Cette étude mécanistique a mis en lumière des fonctions de gènes impliquées dans la détoxification, la digestion et l’immunité qui peuvent expliquer les différences de traits d’histoire de vie que nous avons observées. Enfin, nous avons quantifié différentes barrières (pré- et postzygotiques) pour estimer le degré de divergence et les facteurs impliqués dans l’isolement reproducteur des entités génétiques étudiées. Nous avons notamment trouvé pour les deux modèles des barrières postzygotiques précoces avec un pourcentage d’éclosion plus faible dans les croisements interspécifiques. Dans le modèle Ostrinia, nous avons également mis en évidence la présence d’une barrière pré-zygotique en lien avec le bouquet phéromonal émis par les femelles

Specialization to the host plant in Lepidoptera pests: pattern and process.

Specialization to the host plant in [i]Lepidoptera[/i] pests: pattern and process.. SMBE Satellite meeting SMBEBA 2015. Investigating biological adaptation with NGS: data and model

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Specialization to the host plant in [i]Lepidoptera[/i] pests: pattern and process.. 15. Congress of the European Society for Evolutionary Biology (ESEB 2015

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Specialization to the host plant in [i]Lepidoptera[/i] pests: pattern and process.. 3. Colloque de Génomique Environnemental