Origine, Structure et Evolution de la Biodiversité
UMR 7205 MNHN/CNRS
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Reproduction & dispersion : évolution, organes et fonctions
Responsable : P.H. Gouyon
Le sexe est une caractéristique fascinante du monde vivant : fascinante par la diversité des formes qu’il prend, par les conséquences très diverses qu’il induit (que ce soit dans le domaine de l’évolution, de l’éthologie, de l’écologie ou même de la psychologie et de la sociologie) ; fascinante encore par le fait qu’on n’explique encore pas les mécanismes de son maintien ni les différentes étapes de ses origines.
Depuis les débuts de la systématique, le sexe a été un élément fondamental (voire même quasiment unique chez Linné) de la classification dans le domaine de la botanique. Depuis la différenciation des phanérogames (exhibant leurs noces) et des cryptogames (groupe totalement polyphylétique qui, au contraire les cachent) jusqu’à la différenciation des espèces en fonction de leur morphologie florale, cet élément est prépondérant aussi bien du point de que de la systématique que de la compréhension des mécanismes évolutifs qui influencent l’isolement et l’évolution des espèces.
Dans les domaines de la botanique, l’étude de la diversité de ces structures et de ces fonctionnements est fondamentale. Les plantes et les champignons explorent en effet l’ensemble des possibilités qu’offre ce processus.
D’une part, si, chez les espèces dites supérieures, le sexe est toujours lié à la reproduction, il n’en va pas toujours de même dans le reste du monde vivant. Chez les cryptogames, de nombreux processus reproductifs n’impliquent pas le sexe. C’est le cas chez les moisissures et ce sujet sera développé plus loin.
Par ailleurs, alors que nous sommes habitués à un sexe anisogame (un gros gamète ; le gamète femelle, qui fournit toutes les ressources à l’oeuf et un petit appelé mâle qui ne fournit que son information génétique), les moisissures présentent une vaste diversité de cas de figure allant de l’isogamie réelle à des anisogamies plus ou moins marquées (gros gamète mâle mais ne transmettant que son noyau par exemple).
Chez l’ensemble des plantes et des champignons, la perte de la reproduction sexuée est observée dans divers groupes. Nous l’étudierons chez divers organismes (moisissures, mousses…)
Chez les angiospermes, le sexe des fleurs, des individus et des populations ou des espèces est si variable qu’aucun vocabulaire cohérent n’a été développé à ce jour pour décrire l’ensemble des situations. Il faut dire que la nomenclature actuelle mélange les trois niveaux (fleur, individu, espèce). Les fleurs peuvent être mâles, femelles ou hermaphrodites. Les individus peuvent porter deux types de fleurs (monoecie, gynomonoecie, andro-monoecie), ou même les trois (trimonoecie). Quant à l’espèce, elle peut présenter des mélanges de plusieurs de ces types d’individus. A cette échelle, la nomenclature n’est pas cohérente et on emploie souvent le terme de « polygame » pour désigner toute situation complexe. La diversité des systèmes de reproduction impliqués, ainsi que les déterminants génétiques, morphogénétiques et évolutifs de ces différences sont des sujets passionnants.
Enfin, l’alternance des cycles, rythmée par la méiose et la fécondation produit des formes haploïdes et diploïdes de forme et d’écologie diverses. Chez les plantes et les champignons, la forme et l’écologie des organismes constituant ces cycles (haploïdes et diploïdes) sont très diverses. Ceci a permis une grande plasticité évolutive et offre de nombreuses questions de recherche. Les collections disponibles dans l’Herbier National permettent de connaître la partie morphologique de cette diversité. En effet, les fleurs (diploïdes) et le pollen (haploïde) des phanérogames mais aussi les tiges feuillées (haploïdes) et les sporogones (diploïdes) des bryophytes sont en général observables en herbier. De plus, la collection vivante de moisissures permet une approche de la sexualité (et de sa perte) chez ces organismes.
Notre projet s’articule essentiellement sur la façon dont le sexe (ou sa perte) organise l’alternance entre phases haploïdes et diploïdes et sur l’évolution de cette alternance. S’y ajoutent des recherches sur les aspects morphologiques concernant les structures correspondantes (fleurs, pollen…). Nous allons détailler ci-dessous, quelques projets en cours de développement et lancer quelques pistes pour le futur.
1. Evolution des systèmes de reproduction chez les bryophytes : le genre Dicranum
Responsables : Jacques Bardat & Catherine Rausch
Les recherches sur les bryophytes sont peu développées notamment sur la biologie de leur reproduction et leur variabilité génétique. Leur cycle de reproduction en fait pourtant un modèle particulièrement intéressant. Une première étude de la variabilité génétique de deux mousses du genre Dicranum Hedw. réalisée dans notre équipe, a montré une variabilité étonnamment faible aussi bien chez l’espèce ne réalisant pas la reproduction sexuée, que chez l’espèce à reproduction sexuée fréquente (dans une moindre mesure). Ces premiers résultats ouvrent de nombreuses perspectives dans un domaine encore méconnu.
Les objectifs sont de préciser le rôle du système de reproduction sur les flux de gènes et la viabilité à l’échelle intra et inter-spécifique chez les Bryophytes dans le but de
(1) déterminer la variabilité génétique et morphologique des espèces pour retracer leur phylogéographie et mieux préciser les critères morphologiques délimitant les espèces
(2) explorer la biologie de la reproduction en liaison étroite avec les facteurs du milieu, afin de déterminer l’influence du mode de reproduction (sexué versus asexué) sur la variabilité et sur la dispersion des populations et
(3) apporter des éléments de réponse à une question centrale de la biologie évolutive : pourquoi la reproduction sexuée ?
Cette thématique est nouvelle car les recherches, qui portaient à la fois sur l’écologie et la taxonomie des bryophytes et sur leur utilisation en tant que bioindicateurs de pollution métalliques, ont été réorientées au moment de notre intégration dans l’UMR.
Ce projet est centré sur le genre Dicranum (mousse, Bryophyta sensu stricto). Ce genre est largement dispersé, surtout dans l’hémisphère nord. Il comporte de nombreuses espèces à traits d’histoire de vie variés et à plasticité morphologique importante. Une étude est en cours actuellement sur deux espèces : Dicranum viride, espèce rare, peu abondante et à reproduction sexuée rarissime, et Dicranum scoparium, espèce ubiquiste, commune et à reproduction sexuée fréquente. Une phylogénie du genre est prévue et permettra d’orienter le choix d’autres espèces modèles,. L’étude pourra ainsi être élargie à la famille des Dicranacées, bien représentée en termes de nombre de genres, ou même à l’ordre des Dicranales.
Les études porteront sur des populations prélevées in situ, au cours de missions, mais également de cultures in vitro en condition stérile. Dicranum viride vient d’être mis en culture avec succès (en collaboration avec Christian Raquin, du laboratoire ESE d’Orsay) et il est prévu de cultiver d’autres espèces proches. Les échantillons de l’herbier du MNHN sont également exploités (les premiers essais d’amplification de la région ITS1 à partir d’échantillons d’herbiers ont été fructueux).
à g. Apex foliaire de Dicranum viride avec protonéma, à d. Protonéma de Dicranum viride avec bourgeonnement et jeune gamétophyte.
Etude de la variabilité à l’échelle du genre et de l’espèce
Variabilité inter-spécifique : une phylogénie du genre Dicranum basée sur des critères morphologiques et génétiques sera établie. Les espèces françaises et européennes seront étudiées en priorité. Les espèces pour les groupes extérieurs seront choisies parmi les genres appartenant à l’ordre des Dicranales.
Variabilité intra-spécifique : cette étude sera réalisée sur les espèces-modèles sélectionnées. Les méthodes de fingerprint, c’est-à-dire RAPD, ISSR (en cours d’étude), microsatellites, ou les méthodes de séquençages (en cours d’étude) ont été choisies et devrait permettre de mieux comprendre l’organisation des populations : les espèces sont-elles organisées en populations clonales ? A quelle échelle spatio-temporelle ?
Contexte environnemental des populations : les sites d’études sont choisis dans des conditions tempérées planitiaires (Bassin parisien) dans divers biotopes. Les modes de reproduction sexuée et asexuée seront étudiés in situ, mais également in vitro sur les cultures : phénologie des différentes espèces, détermination du sexe ratio, estimation du coût de la reproduction sexuée et asexuée… En parallèle, les stations d’accueil seront caractérisées, les stades dynamiques des populations et la compétition intra et inter-espèces seront évalués.
2. Evolution des systèmes de reproduction chez les moisissures : Penicillium/Talaromycès
Responsable : Joëlle Dupont
Vingt pour cent des espèces de champignons décrites sont supposées asexuées. Or, pour certaines, l’analyse génétique de leurs populations démontre une structure recombinante, compatible avec une reproduction de type sexuée. La question se pose donc de savoir si ces organismes ont réellement perdu l’aptitude à la reproduction sexuée ou bien s’ils pourraient être auto-stériles et appartenir aux espèces hétérothalliques, où la présence de deux partenaires compatibles est nécessaire pour accomplir le cycle sexué. La probabilité d’isoler des souches compatibles à partir d’habitats naturels est évidemment très faible et représente un biais considérable dans l’analyse de ces organismes.
L’identité sexuelle chez les champignons est régie par le locus du « Mating Type », système bipolaire chez les Ascomycètes. Chez les espèces hétérothalliques, ce locus comporte, de façon alternée, le gène MAT1 ou le gène MAT2 selon les individus, alors que les deux gènes sont présents chez tous les individus des espèces homothalliques, qui sont ainsi auto-fertiles. L’antériorité des unes ou des autres est très débattue. Par ailleurs, l’inversion de Mating type a été observée chez plusieurs espèces.
Le complexe Penicillium / Talaromyces est intéressant pour l’étude de l’évolution de la reproduction puisque la moitié des espèces présente un cycle de vie mixte (auto-fertile) sexué/asexué, l’autre moitié n’existant apparemment qu’à l’état asexué. D’une morphologie très simple et d’une grande plasticité, ces espèces, définies sur la base de caractères phénotypiques, sont particulièrement mal délimitées et nécessitent une réévaluation moléculaire préalable. Ce complexe comporte de nombreuses espèces d’intérêt économique.
Dans ce contexte, nous avons évalué les espèces par PCR-RFLP. Celles-ci ont ensuite été délimitées selon le principe de la coalescence de phylogénies multi géniques (ITS de l’ARNr et des gènes codant pour la -tubuline et le facteur d’élongation). D’autres gènes sont en cours d’analyse pour tenter d’améliorer la résolution des clades faiblement soutenus.
Nous avons ensuite déterminé le type sexuel et réalisé des croisements entre souches compatibles. La présence des gènes MAT a été mise en évidence chez des espèces supposées asexuées (Penicillium pinophilum, P. funiculosum). Ils sont répartis entre des individus MAT1 et des individus MAT2, ce qui suggère que ces espèces pourraient être ou ont été hétérothalliques. Comme attendu, les individus des espèces homothalliques (Talaromyces flavus et T. stipitatus) comportent les deux gènes.
La fonctionnalité des gènes a été évaluée par croisement de souches compatibles et démontrée chez un couple d’individus de l’espèce Penicillium pinophilum (fertilisation puis production d’ascospores) dans notre laboratoire (publication en cours). La possibilité de reproduction sexuée pour ces espèces d’intérêt économique constitue une découverte qui ouvre la voie à l’amélioration des souches par les méthodes classiques de génétique.
Reproduction sexuée chez le champignon « asexué » P. pinophilum. a) organes sexuels (gamétanges) ascogone et anthéridie. b) asques remplies d’ acospores (spores sexuées).
Nous prévoyons de développer nos investigations de façon à mieux comprendre l’effet de la sexualité, ou de son absence, sur la diversité des populations. Le recrutement récent de Manuela López comme MC au MNHN permet de conforter cette direction de recherche. D’une part, notre projet comporte une analyse de la descendance des croisements hétérothalliques chez P. pinophilum et la comparaison des résultats avec ceux obtenus chez une espèce homothallique voisine Talaromyces flavus. Cette recherche sera réalisée en collaboration avec B. Dennetière et P.H. Gouyon (MNHN) ; T. Giraud (ESE Orasy) et J. Taylor (Univ. Berkeley). Le succès de la reproduction hétérothallique chez P. pinophilum sera évalué par l’analyse des descendants de croisements fertiles.
Il sera comparé au résultat de la reproduction homothallique d’un Talaromyces voisin phylogénétiquement. Sachant que les champignons homothalliques peuvent garder la possibilité de se croiser avec des souches compatibles, ce phénomène pourra être testé (descendance clonale et recombinante).
D’autre part, nous étudierons de l’impact de la recombinaison génétique dans une population naturelle asexuée (P. pinophilum). A partir des données de séquences déjà produites et enrichies sur un échantillonnage élargi de souches sauvages de P. pinophilum, nous réaliserons une analyse du taux de recombinaison intragénique (selon les tests appliqués par l’équipe de T. Giraud).
Enfin, nous aborderons, grâce à une étude phylogénétique, l’évaluation de l’antériorité de l’hétérothallisme ou de l’homothallisme et nous mettrons en oeuvre une recherche concernant le type de sélection subi par les gènes MAT (pseudogènes ou non, DN/DS).
3. Structure, morphogenèse et diversité des structures de reproduction : le pollen des angiospermes (étude des Euphorbiaceae)
Responsable : Pierre-Henri Gouyon
Les théories expliquant l’élaboration de la diversité morphologique mettent une emphase plus ou moins forte sur l’importance des contraintes dans ce processus. Or, notre compréhension des processus évolutifs doit passer par une analyse qui articule le rôle des contraintes de développement avec celui des forces évolutives que sont la sélection, la migration et la dérive génétique. C’est dans cette perspective pluraliste que s’insère notre projet, qui vise à démêler les rôles causaux respectifs des contraintes morphogénétiques et de la sélection dans l’évolution des formes.
En effet, la diversité morphologique est le fruit de processus de développement qui déterminent l’éventail des morphologies sur lequel la sélection naturelle peut s’appliquer. Comment les caractéristiques des mécanismes du développement affectent-elles la quantité et la qualité de la variation phénotypique qui donnera prise à la sélection naturelle ? Comment évoluent ces mécanismes ? Donnent-ils prise eux-mêmes à la sélection ou bien résultent-ils d’un héritage phylogénétique, au quel cas la sélection se ferait uniquement sur la morphologie finale ?
Pour aborder cette problématique, l’organisme étudié doit présenter un caractère pour lequel nous puissions tester l’existence d’une éventuelle valeur sélective mais aussi dont les voies de développement soient accessibles. Un caractère morphologique satisfaisant ces deux conditions est le type apertural des grains de pollen des Angiospermes. Il est caractérisé par la structure, le nombre et la position des apertures, qui constituent des régions amincies de la paroi pollinique. C’est par ces régions qu’émerge le tube pollinique. On observe des variations du type apertural à tous les niveaux taxonomiques ainsi qu’au niveau intra-individuel. La morphogenèse, se déroule au cours de la méiose. Son étude nous a conduits, avec B. Albert, S. Nadot et A. Ressayre (link ESE et INRA, Orsay) à proposer un modèle d’ontogenèse qui montre que la plupart des différences observées chez les Angiospermes sont dues à un nombre limité de variations se produisant lors de la méiose. Ce modèle propose d’expliquer la formation de la plupart des types aperturaux répertoriés chez les Angiospermes par les variations combinées de quatre caractères impliqués dans la méiose mâle
Nous avons également travaillé sur la sélection au niveau de la morphologie produite à l’issue de la méiose et avons ainsi mis en évidence, par des expériences de germination in-vitro réalisées dans le genre Viola, des différences de viabilité et de capacité compétitive corrélées à différents types aperturaux.
Séquence développementale d’Arthropodium cirrhatum (Anthericaceae). (a) : coloration des noyaux au carmin acétique (mise en évidence de la cytocinèse successive) ; (b,c) : coloration des parois au bleu d’aniline (mise en évidence de la progression centrifuge des plaques cellulaires callosiques en her che épifluorescence) ; (d,e,f) coloration de la paroi d’exine au rouge congo (mise en évidence de la position polaire du sillon apertural). Barre d’échelle : 10 µm.
Le projet de recherche portera sur la famille des Euphorbiaceae qui est une famille répandue sur tous les continents, regroupant plus de 7000 espèces allant de l’herbacée annuelle à des arbres de grande taille. La morphologie pollinique décrite est remarquablement variable, le nombre d’apertures variant essentiellement entre 2 et 10, avec quelques espèces comportant du pollen non-aperturé. Récemment, des phylogénies moléculaires présentant une résolution acceptable de cette famille ont été publiées. Cette thématique interagit évidemment avec les recherches réalisées sur la même famille dans la partie 1 de cet exposé.
La sélection sur le développement sera étudiée en identifiant pour des pollens non-aperturés et des pollens tri-aperturés, les différents états de chacun des quatre caractères impliqués dans la formation des apertures. Sous l’hypothèse qu’il y ait des éléments dans la voie de développement conduisant au phénotype non-aperturé qui soient « indépendants » de nos quatre caractères, alors nous pouvons supposer que dans le cas des pollens non-aperturés, l’état des caractères est affranchi de toute pression de sélection due à la morphologie. On peut donc s’attendre à une variation plus grande, ou du moins plus « anarchique » de ces caractères chez les pollens inaperturés que chez les pollens tri-aperturés. L’impact des processus sélectifs sur la diversité morphologique sera étudié en choisissant deux types aperturaux largement représentés chez les Euphorbiaceae et répartis sur l’ensemble de la phylogénie. Nous testerons la résistance de la paroi pollinique à différentes pressions osmotiques, en fonction du type apertural. Cette étude devrait permettre de compléter les données existantes en apportant des informations sur le rôle des apertures et leur importance dans la physiologie et l’écologie du grain de pollen.
Les résultats obtenus dans ces deux études seront replacés dans une perspective évolutive grâce à des analyses comparatives. La corrélation entre la variation des types aperturaux avec celle de l’état des quatre caractères impliqués dans la méiose ainsi qu’avec l’écologie des espèces (par ex. l’habitat, le mode de pollinisation) pourra être informative pour voir s’il existe ou non de la sélection sur le développement et sur la morphologie produite. La réalisation de ces analyses comparatives nécessitera d’ajouter sur les phylogénies existantes les espèces d’intérêt (en collaboration avec T. Haevermans, Cf. thème 1.).
Cette étude, par son approche interdisciplinaire faisant appel aux méthodes et aux concepts des différentes disciplines que sont la systématique, l’évo-dévo, la biologie cellulaire et la phylogénétique, amène les perspectives suivantes :
L’étude contribuera à l’identification des forces évolutives qui sont à l’origine et qui contrôlent les mécanismes responsables de la diversité de la morphologie du pollen. -La description de l’ontogenèse pollinique chez de nouvelles espèces pourra permettre de continuer à tester la validité du modèle décrivant le « jeu des possibles » des types aperturaux.
Les expériences sur la germination du grain de pollen apporteront des informations sur le rôle écologique de l’aperture (rappelons que les pollens sont utilisés pour retracer l’évolution du paléoclimat).
Enfin, cette étude pourra interférer dans les débats ayant cours en histoire & philosophie de la biologie sur la notion de fonction, ou l’interprétation tautologique de la valeur sélective et sur différents aspects développés dans le thème 3 : Histoire de la botanique : concepts et réseaux.
4. Projets en devenir
L’équipe de Botanique, du fait de sa récente (ré)émergence est en cours d’élaboration de projets. Nous n’avons donné ici que ceux qui étaient suffisamment avancés. Un sujet qui devrait normalement émerger, en commun entre les deux thèmes évoqués ici est l’étude des structures florales en relation avec l’histoire des taxa. Un exemple cité dans la partie 1 est l’influence du cyathium des Euphorbes qui présente d’une part des caractéristiques morphogénétiques remarquables (il s’agit, en gros de la re-création d’une sorte de fleur hermaphrodite par juxtaposition de fleurs unisexuées très simples).
D’autre part, à Madagascar, une grande variété de systèmes sexuels a été décrite pour les Meliaceae. Des individus monoïques ont été décrits dans les genres Capuronianthus, Cedrela, Khaya, Neobeguea et Xylocarpus. Les genres Trichilia, Lepidotrichilia et Malleastrum sont décrits comme dioïques. D’autres situations incluant la polygamie (Cf. introduction) ont été décrites chez Quivisianthe, Turraea, Humbertioturraea, Calodecarya et Sandoricum. Dans le genre Aphanamixis, on trouve des fleurs femelles, mâles et hermaphrodites. Ces observations sont fondées sur l’étude des échantillons d’herbier (par Michèle Lescot). Une étude sur la répartition géographique et phylogénétique de ces caractères sera réalisée. Ces résultats seront mis en relation avec d’autres caractères comme l’existence de fruits charnus ou des caractères de dispersion et de pollinisation.
Enfin, les collections renferment des espèces qui sont en fait les formes femelles de formes hermaphrodites. De nombreux modèles prédisent l’invasion relativement rapide de telles formes déterminées par des gènes mitochondriaux puis leur déclin, rapide lui aussi, dû à l’invasion de gènes restaurateurs nucléaires. L’étude des échantillons d’herbier permettrait de valider ces hypothèses et, peut-être, d’identifier les gènes concernés.
Enfin, certains groupes taxonomiques méritent une étude alliant la phylogéographie et l’étude du système sexuel. Une étude dans ce sens sera réalisée.
b : Bractée
i : Inflorescence
g : Glande
ag : Appendices des glandes
bo : Bractéole
mf : Fleur mâle
jmf : Fleur mâle juvénile
a : Anthère
pmf : Pédicellle de la fleur mâle
ff : Fleur femelle
o : Ovaire
s : Stylet
pff : Pédicelle de la fleur femelle
