Genomic parasites or symbionts? Modeling the effects of environmental pressure on transposition activity in asexual populations

AbstractTransposable elements are DNA segments capable of persisting in host genomes by self-replication in spite of deleterious mutagenic effects. The theoretical dynamics of these elements within genomes has been studied extensively, and population genetic models predict that they can invade and maintain as a result of both intra-genomic and inter-individual selection in sexual species. In asexuals, the success of selfish DNA is more difficult to explain. However, most theoretical work assumes constant environment. Here, we analyze the impact of environmental change on the dynamics of transposition activity when horizontal DNA exchange is absent, based on a stochastic computational model of transposable element proliferation. We argue that repeated changes in the phenotypic optimum in a multidimensional fitness landscape may induce explosive bursts of transposition activity associated with faster adaptation. However, long-term maintenance of transposition activity is unlikely. This could contribute to the significant variation in the transposable element copy number among closely related species

Multiple invasions of Gypsy and Micropia retroelements in genus Zaprionus and melanogaster subgroup of the genus Drosophila

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>The <it>Zaprionus </it>genus shares evolutionary features with the <it>melanogaster </it>subgroup, such as space and time of origin. Although little information about the transposable element content in the <it>Zaprionus </it>genus had been accumulated, some of their elements appear to be more closely related with those of the <it>melanogaster </it>subgroup, indicating that these two groups of species were involved in horizontal transfer events during their evolution. Among these elements, the <it>Gypsy </it>and the <it>Micropia </it>retroelements were chosen for screening in seven species of the two <it>Zaprionus </it>subgenera, <it>Anaprionus </it>and <it>Zaprionus</it>.</p> <p>Results</p> <p>Screening allowed the identification of diverse <it>Gypsy </it>and <it>Micropia </it>retroelements only in species of the <it>Zaprionus </it>subgenus, showing that they are transcriptionally active in the sampled species. The sequences of each retroelement were closely related to those of the <it>melanogaster </it>species subgroup, and the most parsimonious hypothesis would be that 15 horizontal transfer events shaped their evolution. The <it>Gypsy </it>retroelement of the <it>melanogaster </it>subgroup probably invaded the <it>Zaprionus </it>genomes about 11 MYA. In contrast, the <it>Micropia </it>retroelement may have been introduced into the <it>Zaprionus </it>subgenus and the <it>melanogaster </it>subgroup from an unknown donor more recently (~3 MYA).</p> <p>Conclusion</p> <p><it>Gypsy </it>and <it>Micropia </it>of <it>Zaprionus </it>and <it>melanogaster </it>species share similar evolutionary patterns. The sharing of evolutionary, ecological and ethological features probably allowed these species to pass through a permissive period of transposable element invasion, explaining the proposed waves of horizontal transfers.</p

The Genome Sequence of the Grape Phylloxera Provides Insights into the Evolution, Adaptation, and Invasion Routes of an Iconic Pest

Background: Although native to North America, the invasion of the aphid-like grape phylloxera Daktulosphaira vitifoliae across the globe altered the course of grape cultivation. For the past 150 years, viticulture relied on grafting-resistant North American Vitis species as rootstocks, thereby limiting genetic stocks tolerant to other stressors such as pathogens and climate change. Limited understanding of the insect genetics resulted in successive outbreaks across the globe when rootstocks failed. Here we report the 294-Mb genome of D. vitifoliae as a basic tool to understand host plant manipulation, nutritional endosymbiosis, and enhance global viticulture. Results: Using a combination of genome, RNA, and population resequencing, we found grape phylloxera showed high duplication rates since its common ancestor with aphids, but similarity in most metabolic genes, despite lacking obligate nutritional symbioses and feeding from parenchyma. Similarly, no enrichment occurred in development genes in relation to viviparity. However, phylloxera evolved > 2700 unique genes that resemble putative effectors and are active during feeding. Population sequencing revealed the global invasion began from the upper Mississippi River in North America, spread to Europe and from there to the rest of the world. Conclusions: The grape phylloxera genome reveals genetic architecture relative to the evolution of nutritional endosymbiosis, viviparity, and herbivory. The extraordinary expansion in effector genes also suggests novel adaptations to plant feeding and how insects induce complex plant phenotypes, for instance galls. Finally, our understanding of the origin of this invasive species and its genome provide genetics resources to alleviate rootstock bottlenecks restricting the advancement of viticulture

Taming, Domestication and Exaptation: Trajectories of Transposable Elements in Genomes

During evolution, several types of sequences pass through genomes. Along with mutations and internal genetic tinkering, they are a useful source of genetic variability for adaptation and evolution. Most of these sequences are acquired by horizontal transfers (HT), but some of them may come from the genomes themselves. If they are not lost or eliminated quickly, they can be tamed, domesticated, or even exapted. Each of these processes results from a series of events, depending on the interactions between these sequences and the host genomes, but also on environmental constraints, through their impact on individuals or population fitness. After a brief reminder of the characteristics of each of these states (taming, domestication, exaptation), the evolutionary trajectories of these new or acquired sequences will be presented and discussed, emphasizing that they are not totally independent insofar as the first can constitute a step towards the second, and the second is another step towards the third

12. Interrelations entre le biologique et l'écosystème

Depuis le début du XXe siècle, la relation génotype*/phénotype* est au cœur de nombreux débats et questions. Le génome d’un individu est l’ensemble du matériel génétique abrité par chacune de ces cellules, toutes les cellules ayant le même génome. Le phénotype est, quant à lui, l’ensemble des caractères observables d’un individu. Ces caractères peuvent être morphologiques, physiologiques, moléculaires, comportementaux… Aujourd’hui, l’étude de la relation entre ces deux entités revient sur le ..

Variabilite genetique des populations naturelles de Drosophila melanogaster et de Drosophila simulans

SIGLECNRS T Bordereau / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Analyse de la diversité moléculaire de populations d'abeilles de la lignée ouest-méditerranéenne (Apis mellifera mellifera) dans le but de la conservation

L abeille mellifère (Apis mellifera, L.) est divisée en quatre lignées évolutives (M : Ouest-Méditerranéenne, A : Africaine, C : Nord-Méditerranéenne et O : Orientale), elles-mêmes divisées en au moins 26 sous-espèces. Ces lignées et sous-espèces Sont caractérisées par une très forte structuration géographique. Cette structure est le fruit de milliers d années d évolution (depuis les dernières glaciations jusqu à nos jours).Parmi les différentes sous-espèces, on distingue notamment Apis mellifera mellifera (A. m. mellifera), également connue sous le nom de Abeille noire . Cette sous-espèce est naturellement présente en France et en Europe du Nord.Pour diverses raisons, des sous-espèces non locales, appartenant en particulier à la lignée C sont importées depuis les années 60 en France.Ces importations, souvent massives, ont tendance à déstructurer la répartition géographique de l espèce et pourraient mener à une perte de la sous-espèce locale et de ses caractéristiques spécifiques.Des conservatoires d A. m. mellifera, gérés par des associations d apiculteurs, ont progressivement vu le jour en Europe, pour limiter les effets des importations. Toutefois, aucun cahier des charges , couplant l aspect scientifique de la conservation avec l apiculture, n a encore été émis.La présente thèse a donc permis, par l étude de congrégation de mâles d abeilles, de caractériser et valider des conservatoires Européens.Un protocole, quant à la mise en place et au suivi scientifique ainsi qu apicole de ces conservatoires a été proposé.Enfin, une étude préliminaire du fonctionnement reproducteur d une population d abeilles a été menée en Ile-de-France. Cette étude a été entreprise dans le but d apporter de nouvelles informations pour les programmes de conservation de l espèce et de l Abeille noire.Il ressort de cette thèse que la majorité des conservatoires étudiés présentent un niveau d introgression (par la lignée Nord-Méditerranéenne) suffisamment faible et une diversité génétique suffisante pour être acceptés comme conservatoires. Il faut cependant maintenir le faible niveau d introgression, d une part, et, d autre part, la diversité génétique suffisante, ces critères étant indispensable pour tout conservatoire d A. m. mellifera.Il apparait également que l isolement géographique n est pas obligatoire, voire même non recommandé, pour l établissement d un conservatoire. Mais, il est important de caractériser l ensemble des populations situées autour des zones conservatoires. Cette caractérisation a, en effet, pour but d estimer et de limiter les risques d introgression par des colonies non locales.Plusieurs hypothèses émises au cours de cette analyse réfuteraient les conclusions proposées dans des études précédemment réalisées sur l espèce A. mellifera.En effet, il semblerait que les faux bourdons ne se rendent pas à la congrégation de mâles la plus proche. Toutefois, une étude plus approfondie du comportement reproducteur doit être réalisée afin de valider ou d infirmer cette hypothèse.Enfin, des essaims naturels pourraient être présents dans la région Ile-de-France. Ces essaims étaient considérer comme complètement disparus, à cause de l invasion du parasite Varroa destructor en Europe. Cette nouvelle hypothèse doit cependant être confirmée par d autres analyses plus approfondie. La présence de ces essaims naturels serait très encourageante pour la conservation d A. m. mellifera, mais également de l espèce en générale.The honeybee species (Apis mellifera, L.) is divided in four evolutionary lineages (M: West-Mediterranean, A: African, C: North-Mediterranean and O: Oriental). These lineages are also divided in, at least, 26 subspecies which show a very high geographical structure. This structure is the result of more than thousand years of evolution (from the last Ice Ages to nowadays).Among the different subspecies, one is naturally found in France and Northern Europe: Apis mellifera mellifera (A. m. mellifera), also known as the Black Honeybee.For many reasons, non local subspecies, belonging to the C evolutionary lineage, have been imported in France since the beginning of the sixties.These massive importations result in the tendency of losing of the Apis mellifera geographical repartition and could lead to the loss of the local subspecies (A. m. mellifera) and its specific traits.Many A. m. mellifera conservatories, managed by beekeepers, have been initiated in Europe to compensate the importation effects on the subspecies. However, no specifications, combining a scientific approach and beekeeping, regarding the setup and monitoring of a conservation center have been proposed.The present study genetically characterized and validated, by the analysis of drone congregation areas, different European conservatories.A protocol regarding the setup and, scientific and beekeeping, monitoring of conservation centers have been proposed.Finally, a preliminary study, regarding the specific honeybee mating system and its implication on conservation programs, has been initiated in the Ile-de-France region.This thesis presents interesting results.First, the conservatories analyzed show a level of introgression, by C lineage, low enough and a genetic diversity high enough to be validated as A. m. mellifera conservation centers. But, the introgression cannot increase, and/or the genetic diversity cannot decrease, these criterions are indeed necessary for any Black Honeybee conservation center.Second, the geographical isolation of conservatories is not needed, it could even be not recommended because of the possible loss of genetic diversity implied, to set up conservation centers. However, it is really important to genetically characterize the colonies surrounding the conservatory. This is, indeed, needed to estimate and limit the risk of introgression by non local colonies.Different hypotheses proposed is this thesis do not corroborate the conclusions of previous studies on A. mellifera.It seems that drones do not go to the closest drone congregation. But the question whether they go to another congregation or they do not have the same probability to join a congregation is not answer. This analysis has to be more precisely considered in further studies.The most striking result is the possible presence of feral swarms in the Ile-de-France region. These swarms were supposed to have disappeared because of the invasion of the parasite Varroa destructor in Europe. However, this new and interesting hypothesis has to be confirmed by more precise analyses. Nevertheless, the occurrence of feral swarms would be very encouraging for the conservation of A. m. mellifera, but also for the conservation of the whole species.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Génétique écologique et systématique du genre zaprionus (Diptera : Drosophilidae) (Approches Moléculaires et Morphologiques)

La génétique écologique de l espèce invasive Zaprionus indianus et l histoire évolutive du genre Zaprionus ont été étudiées. Chez Z. indianus, la génétique d un nouveau caractère du genre, le nombre de soies mésosternales, a été analysée. La plasticité phénotypique de la taille du corps et des soies sternopleurales a été comparée chez les adultes vivant dans la nature et chez leur descendance élevée au laboratoire. L histoire de l'expansion géographique de Z. indianus a été construite en considérant l ADN mitochondriel de nombreuses populations. Cette étude a confirmé l origine afrotropicale de l espèce et a montré que les populations introduites dans la région orientale étaient indépendantes de celles introduites plus récemment sur le continent américain. Traditionnellement, le genre Zaprionus était subdivisé en deux sous-genres. La phylogénie du sous-genre Zaprionus s.s. de la région afrotropicale a été analysée, en utilisant des données moléculaires et morphologiques. Une nouvelle méthode, appelée greffe morphologique , a été proposée pour résoudre le problème des données manquantes (ADN des spécimens anciens du muséum). Une révision complète des espèces du sous-genre Anaprionus de la région orientale a été réalisée aussi mais en utilisant seulement des caractères morphologiques. Les résultats conduisent à des changements systématiques importants, et permettent aussi de porposer que l Afrique a été colonisée relativement récemment (7 ma) à partir d un propagule asiatique arrivée dans les îles de l océan indien. Zaprionus devrait devenir un clade modèle pour comprendre les mécanismes d adaptation et d évolution chez les drosophiles.The ecological genetics of the invasive drosophilid species, Zaprionus indianus, and the evolutionary history of the genus Zaprionus, have been investigated following two complementary approaches: molecular and morphological. In Z. indianus, genetics and developmental stability of a new generic character, the mesosternal bristle number, have been analyzed. Besides, developmental stability of body size and sternopleural bristles has been compared between wild-living flies and their laboratory offspring. In a second part of the thesis, the colonization history of Z. indianus has been reconstructed using mitochondrial DNA, which reconfirmed its Afrotropical origin and showed that older Oriental introduction was independent from the more recent colonization in the Americas. Traditionally, the genus Zaprionus has been subdivided into two subgenera. A phylogenetic revision has been conducted for the African subgenus Zaprionus s.s. using molecular and morphological data. A new method, called morphological grafting , has been proposed to resolve problems of missing data (DNA from old, museum specimens). Further, the phylogeny of the Oriental subgenus Anaprionus has also been revised, but using only morphological characters. This has resulted in many important systematic changes, and in hypothesizing a recent colonization of Africa (7 MYA) with an Oriental propagule via the islands of the Indian Ocean. In conclusion, the genus Zaprionus comprises nearly 70 species, many of which can be subject of experimental manipulations. It has to be considered as an important model clade for the study of adaptation, speciation and evolution of drosophilids.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Les effets de la sexualité sur la dynamique des éléments transposables

Le système de reproduction est responsable de la diffusion des gènes dans les populations, il joue donc un rôle essentiel dans l'évolution des espèces ainsi qu'au niveau de l'architecture du génome et de la dynamique de ses composantes telles que les éléments transposables. Ces derniers sont des séquences d'ADN capables de se multiplier au sein des génomes indépendamment des effets qu'ils induisent. Présents dans tous les organismes vivants, les éléments transposables peuvent occuper une portion (très) importante des génomes. Il est nécessaire de comprendre leur dynamique afin de mieux comprendre l'architecture et l'évolution des génomes. Les travaux effectués au cours de cette thèse ont porté sur l'étude des effets du système de reproduction de l'hôte sur la dynamique des éléments transposables par le biais d'un modèle implémenté dans un logiciel simulations DyET. Ce dernier permet de simuler la dynamique d'une famille d'éléments transposables des premières étapes de l'invasion jusqu'au long terme - soit plusieurs dizaines de milliers de générations - au sein d'une population d'hôte pouvant se reproduire selon différents modes tels que la panmixie, l'autogamie ou bien l'asexualité. L'exploration des différents jeux de paramètres a permis de mettre en évidence l'importance de la sexualité de l 'hôte sur la dynamique des éléments transposables des premières étapes de l'invasion jusqu'à long terme.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Modélisation de la dynamique évolutive des éléments transposables (naissance, vie et mort d'un parasite génomique)

Les éléments transposables sont l'un des constituants majeurs des génomes; on les trouve chez la quasi-totalité des organismes vivants. Cependant, à part dans quelques cas documentés de domestication moléculaire , ils semblent s'y maintenir principalement grâce à leur propre capacité de multiplication, et on les considère en général comme des séquences d'ADN parasites . Le travail présenté dans cette thèse propose l'investigation d'un modèle d'évolution d'une famille d'éléments transposables, implémenté dans un logiciel de simulation. Les différentes phases du cycle de vie de l'élément y sont étudiées, des toutes premières générations qui suivent son arrivée dans une nouvelle espèce, à sa co-évolution à long terme avec les autres éléments transposables et les gènes du génome. Les résultats proposés illustrent la complexité de l'évolution de ces parasites génomiques, et proposent plusieurs scénarios évolutifs réalistes. Dans la plupart des cas, une situation d'équilibre stable dans le temps semble écartée, et l'invasion d'une famille d'éléments transposables apparaît être un processus dynamique qui dépend non seulement des caractéristiques de l'élément, mais aussi des interactions qui peuvent se mettre en place entre le génome de l'hôte et l'élément transposable.Transposable elements are one of the main components of the genomes, and they can be found in almost every living organism. However, except in a few "molecular domestication" events, they seem to maintain themselves in the genomes thanks to their own multiplication ability, and they are thus generally considered as "parasitic" DNA sequences. In the present work, we have investigated, through a simulation software, a population genetics model of a transposable element family. The different stages of the "life cycle" of the element have been studied, from the very first generations following its arrival in a new species, to its long-term co-evolution with the other elements and genes in the genome. The results presented here highlight the complexity of the evolution of these genomic parasites, and several realistic evolutionary scenarios can be proposed. In the most cases, a stable equilibrium state appears to be unlikely, and the invasion of a transposable elements family seems to be a dynamic process, depending not only on the features of the element, but also on the interactions existing between the host genome and its parasitic DNA sequences.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF