Génomique de l'invasion de la coccinelle Harmonia axyridis – GANDHI

WP1 - Étendre les ressources génomiques : assemblage annoté de haute qualité, informations sur les cartes de liaison et de LD

Séquençage Hi-C
Cartes de liaison de densité moyenne et cartes LD
Annotation à l'aide d'outils bioinformatiques de prédiction génétique
Encapsulation des ressources génomiques dans un navigateur convivial.

WP2 - Caractériser la réponse globale du génome pendant les invasions

Développement de nouveaux algorithmes ABC-Random Forest et de solutions statistiques associées.
Implémentation du logiciel «DIYABC-Random Forest« et du paquetage R abcrf.
Développement et exploration de l'estimation des ƒ-statistiques et de la construction de graphes d'admixtion avec des données Pool-Seq ou de comptage d'allèles pour inférer l'histoire de la population et de l'invasion.
Application sur les données de population NGS obtenues à partir de populations sauvages de H. axyridis.
Caractérisation/comparaison des modèles d'éléments transposables (TE) dans les populations indigènes et invasives.
Nouveaux développements statistiques dans BAYPASS
pGWAS sur les populations invasives/non invasives et les traits d'histoire de vie
Tentative de détermination de réseaux de gènes fonctionnels
Validation fonctionnelle des gènes candidats

WP3 - Déterminants génomiques des traits potentiellement impliqués dans les invasions réussies

Séquençage du génome entier d'individus invasifs et indigènes de Red-nSpots
Cartographie, génotypage et phasage
Traitements statistiques utilisant REHH (et d'autres méthodes)
RNAseq sur des hybrides élevés à trois températures
RNAi pour les facteurs impliqués dans la plasticité
ChIPseq et FAIREseq
Caractérisation fine des phénotypes élytraux (morphes de couleur) à différentes températures du développement larvaire au moyen de méthodes d'analyse d'images basées sur des algorithmes d'intelligence artificielle (IA).
Tâche 3.2. Masse corporelle des femelles
Nouveaux développements statistiques des méthodes BayPass et HMML pour les données de séries temporelles Pool-Seq
pGWAS pour identifier les gènes candidats
Tentative de détermination de réseaux de gènes fonctionnels
Test fonctionnel des gènes candidats (RNAi)
Tâche 3.3. Temps à la première reproduction
Nouveaux développements statistiques dans les méthodes BAYPASS et HMML pour les données de séries temporelles Pool-Seq
Production de données NGS (Pool-seq Shotgun) des échantillons de population sélectionnés
pGWAS pour identifier les gènes candidats
Tentative de détermination de réseaux de gènes fonctionnels
Test fonctionnel des gènes candidats (RNAi)

Principaux résultats obtenus jusqu'à présent

- Pour répondre de manière optimale aux questions associées aux trois objectifs susmentionnés, nous avons considérablement étendu nos ressources génomiques H. axyridis en produisant un grand nombre de données NGS de différents types) et avons exploré différentes méthodologies bioinformatiques pour extraire de manière optimale la variation génétique du génome complet à partir des données de reséquençage.
- Nous avons développé des algorithmes Random Forest (apprentissage automatique) pour effectuer la sélection de scénarios et l'estimation des paramètres d'intérêt à partir d'ensembles de données génétiques simulées, ainsi que des outils pour évaluer la précision de ces estimations. Nous avons constaté que les approches ABC-RF sont particulièrement bien adaptées à l'analyse de grands ensembles de données NGS afin de discriminer les voies d'invasion complexes et d'estimer les paramètres d'intérêt tels que l'intensité des goulots d'étranglement au moment des introductions, ou les taux de mélange génétique entre plusieurs populations sources. L'application sur les données génomiques générées pour l'étude de l'invasion globale de H. axyridis sera traitée dans les prochains mois.
- Nous avons développé de nouvelles méthodes mises en œuvre dans le programme Baypass du CBGP pour (i) mesurer plus efficacement les corrélations entre les fréquences alléliques des populations et les covariables phénotypiques ou environnementales ou historiques (par exemple, invasive versus native) des populations étudiées, et (ii) traiter ensemble les données NGS de séquençage individuel et en pool. Nous avons commencé à appliquer cette nouvelle version de Baypass sur les données génomiques générées pour l'étude de l'invasion globale de H. axyridis et sur les données génomiques générées pour l'étude de deux expériences de sélection expérimentale traitées sur H. axyridis.
- En utilisant des analyses RNAseq sur les croisements appropriés, nous avons découvert que le principal déterminant génétique de la variation des motifs de coloration des élytres d'H. axyridis, le gène pannier, est également fortement impliqué dans les mécanismes moléculaires qui sous-tendent la plasticité thermique de la coloration chez H. axyridis. Plus précisément, nous avons montré que seul le niveau d'expression de l'allèle pannier non mélanique est fortement sensible à la température.

Perspectives d'avenir et actions de recherche supplémentaires

Nous avons trouvé pertinent d'ajouter trois actions de recherche en accord avec l'objectif 2 (actions de recherche 1/ et 2) et l'objectif 3 (action de recherche 3/) du projet :

Action de recherche 1 : Le développement et l'exploration de l'estimation des ƒ-statistiques et de la construction de graphes d'admixtion avec des données Pool-Seq ou de comptage d'allèles pour déduire l'histoire de la population et de l'invasion (c'est-à-dire la route de l'invasion), et ce indépendamment des connaissances préalables concernant le moment des introductions.

Action de recherche 2 : Nous avons commencé à caractériser/comparer les modèles d'éléments transposables (TE) dans les populations indigènes et invasives de H. axyridis. Les approches de graphes de mélange s'avèrent complémentaires des approches ABC Random Forest et ont été appliquées avec succès aux données génomiques générées pour l'étude de l'invasion globale de D. suzukii et sont prêtes à être appliquées aux données génomiques générées pour l'étude de l'invasion globale de H. axyridis. Les éléments transposables (ET) sont des séquences d'ADN capables de se répliquer dans les génomes indépendamment de l'ADN de la cellule hôte. Ces séquences sont pratiquement présentes dans tous les génomes eucaryotes et, en raison de leur capacité à se mobiliser dans les génomes, elles sont considérées comme des éléments régulateurs très importants du génome, en particulier dans le contexte d'invasions biologiques où une évolution contemporaine rapide pourrait être nécessaire. C'est la première fois que de tels éléments génomiques sont étudiés chez H. axyridis (et plus généralement chez les Coccinellidés).

Action de recherche 3 : En ce qui concerne l'étude des déterminants génomiques de la plasticité constatée pour au moins certaines formes de couleur, nous avons observé une diminution significative du niveau d'expression de l'allèle mélanique à des températures de développement élevées, bien que cette diminution soit bien moindre que celle observée pour l'allèle non mélanique, cette observation est surprenante puisque les morphes mélaniques de H. axyridis ne montrent pas de plasticité thermique phénotypique, du moins lorsqu'on les observe à l'œil. Ces résultats moléculaires nous ont récemment conduits à envisager une troisième nouvelle action de recherche en lien avec l'objectif 3 du projet : la caractérisation fine des phénotypes élytraux (morphes de couleur) à différentes températures du développement larvaire au moyen de méthodes d'analyse d'images basées sur des algorithmes d'intelligence artificielle (IA). Ce type d'analyse est susceptible de révéler des différences d'intensité de la coloration noire non visibles à l'œil. Ces développements méthodologiques sont menés en étroite collaboration avec une start-up spécialisée dans les méthodes d'IA, BionomeeX.

Publications
Collin FD et al. Extension du calcul bayésien approximatif avec apprentissage automatique supervisé pour déduire l'histoire démographique à partir des polymorphismes génétiques en utilisant DIYABC Random Forest. Ressources en écologie moléculaire, Wiley/Blackwell, 2021, 21 (8), pp.2598-2613. ?10.1111/1755-0998.13413?. ?hal-03229207?
Gautier M et al. Estimation des ƒ-statistiques et construction de graphes d'admixtion avec des données Pool-Seq ou de comptage d'allèles à l'aide du package R poolfstat. Ressources en écologie moléculaire, Wiley/Blackwell, 2021, 22,1394-1416. ?10.1111/1755-0998.13557?. ?hal-03481066?
Communications orales
Estoup A (2021) La génétique des espèces invasives : la coccinelle arlequine Harmonia axyridis comme espèce modèle ; journées du réseau EFOR (Réseau d'Etudes Fonctionnelles chez les ORganismes modèles) - 10-11 mai 2021.
Estoup A (2022) Goodness of fit using standard ABC and ABC Random Forest. Réunion du groupe «Génétique/Génomique des populations«, Montpellier, CBGP, 7 juin 2022.
Estoup A, Prud'homme B (2022) Caractérisation de la plasticité phénotypique des formes de couleur chez Harmonia axyridis : une avancée grâce à l'analyse d'imagerie basée sur l'apprentissage profond (deep learning machine learning). Bionomeex, Montpellier, 5 août 2022.

Actions de diffusion
Interview et aide à la rédaction (en 2021) pour la télévision/presse : france3-regions.francetvinfo.fr/grand-est/faut-il-se-mefier-coccinelles-asiatiques-1652776.html .
Interview + Numéro spécial du journal Mariane - Insecticide naturel, désastre écologique : la coccinelle asiatique, cette alliée devenue envahissante www.marianne.net/societe/sciences-et-bioethique/insecticide-naturel-catastrophe-ecologique-la-coccinelle-asiatique-cette-alliee-devenue-envahissante. Publié le 24/07/2022.

Logiciels informatiques
Marin et al. (2022) Package R : abcrf (Approximate Bayesian Computation via Random Forests). Version 1.9 (2022), disponible sur le CRAN.
Collin F-D et al. (2021) DIYABC Random Forest v1.0. Ce logiciel intègre deux fonctionnalités dans une interface conviviale : la simulation, dans le cadre de scénarios évolutifs personnalisés, de différents types de données moléculaires (microsatellites, séquences d'ADN ou SNP) et de traitements Random Forest, incluant des outils statistiques pour évaluer la puissance et la précision des inférences sur le choix du modèle et l'estimation des paramètres - Disponible sur diyabc.github.io.

Autres
Collin F-D et al. (2020) USER MANUAL for DIYABC Random Forest v1.0 - Pp 61 - Disponible sur diyabc.github.io/rf/Diyabc%20Random%20Forest%20User%20Manual%2010-07-20_submitted_with_MER_ms.pdf.
Estoup A. Conseiller scientifique pour un film documentaire d'ARTE FRANCE sur les insectes (dont certains invasifs). - Réalisatrice Jennifer Aranda (ARTE FRANCE). Sortie fin 2022 - début 2023. Expertise mobilisée tout au long de l'année 2021-2022.

Les invasions biologiques sont définies comme l'établissement réussi d'espèces en dehors de leur aire de répartition d'origine. Ils sont une composante du changement global et induisent un impact substantiel sur les communautés et les écosystèmes envahis ainsi que des pertes économiques considérables. Bien que les effets écologiques des invasions soient bien documentés, les forces évolutives et les réponses des génomes à des facteurs sélectifs conférant aux populations une plus grande propension à envahir un nouvel environnement sont en grande partie inconnues. La coccinelle arlequin Harmonia axyridis, une espèce d'insecte emblématique pour étudier le polymorphisme des couleurs, est devenue une espèce modèle pour étudier les invasions biologiques. Dans ce projet, en nous appuyant sur nos travaux précédents et en capitalisant sur les ressources génomiques ainsi que sur les méthodes statistiques innovantes que nous avons récemment implémentées et que nous prévoyons de développer (par exemple, ABC Random Forest et BayPass), nous caractériserons les empreintes moléculaires d’adaptations qui ont favorisé la réussite de l’invasion mondiale de H. axyridis. En utilisant des approches complémentaires (cf. génomique, analyses expérimentales et fonctionnelles), nous nous focaliserons sur trois objectifs principaux. (1) nous allons consolider et étendre nos ressources génomiques chez H. axyridis en générant un assemblage génomique annoté de haute qualité et une carte de liaison génétique de densité moyenne; (2) nous explorerons la réponse du génome de H. axyridis au cours de l’invasion en affinant les routes d’invasion et en réalisant des analyses d'association afin d’identifier les gènes impliqués dans les processus d'adaptation au cours de l'invasion; et (3) nous allons caractériser expérimentalement l'architecture génétique de trois traits potentiellement impliqués dans le succès d’invasion de H. axyridis: plasticité et variation de la coloration des élytres des adultes, masse corporelle des femelles et âge de première reproduction. Dans une perspective générale, la compréhension de la réponse génomique à de nouveaux environnements envahis nous aidera à prédire les conditions dans lesquelles le caractère envahissant peut être augmenté ou supprimé. Il est important de noter que nos approches méthodologiques peuvent être transposées à n’importe quelle autre espèce caractérisée par des conditions démographiques hors d’équilibre. Au-delà de ses contributions à la génomique fondamentale des populations et à la biologie de l'évolution, notre projet peut également soutenir des méthodes de gestion innovantes des espèces invasives, y compris des méthodes de contrôle fondées sur la génétique.