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Publication du programme PAUSE – ANR Ukraine pour l’accueil de scientifiques ukrainiens et ukrainiennes dans des laboratoires français
CE02 - Milieux et biodiversité : Terre vivante

Rôle de la transmission uniparentale double de la mitochondrie dans le maintien de l’isolement reproducteur – DRIVE

Rôle de la transmission uniparentale double de la mitochondrie dans le maintien de l’isolement reproducteur

Les incompatibilités génétiques mito-nucléaires (MNI) sont une cause de dépression hybride et d'isolement reproducteur. L'étude des MNI a un rôle sur la compréhension de la divergence génétique et la spéciation. Le système de transmission uniparentale double (DUI) de la mitochondrie des bivalves permet d'étudier le rôle des MNI dans le maintien de l'isolement reproducteur. DRIVE s’intéresse au rôle des MNI dans l’isolement reproducteur chez la telline Baltique, une espèce littorale à DUI.

Un mode particulier de transmission de la mitochondrial, et comment celui-ci pourrait influencer la mise en place d'incompatibilités génétiques

Les bivalves marins sont de formidables modèles biologiques pour étudier comment les MNIs contribuent à l'isolement reproductif. Ces espèces sont souvent caractérisées par de grandes tailles de population, une fécondité et des capacités de dispersion élevées, facteurs qui devraient entraver l'adaptation locale. Malgré ces caractéristiques, une forte structuration génétique peut être observée à des échelles géographiques plus fines que l'échelle attendue de dispersion larvaire. De plus, les bivalves côtiers ont été soumis à des fluctuations historiques complexes de la population et à des changements de gamme en réponse aux cycles glaciaires, conduisant à des zones de contact secondaires propices au développement de MNI. <br /> <br />Certaines espèces de bivalves présentent une exception remarquable de l'hérédité maternelle des mitochondries chez les métazoaires: le mode d'hérédité doublement uniparentale (DUI). Dans ce système, les femelles transmettent une mitochondrie «femelle» qui persiste dans les ovocytes et dans les tissus somatiques des deux sexes, tandis que les mâles transmettent des mitochondries «mâles» qui persistent dans la lignée germinale mâle. Les génomes mitochondriaux mâles et femelles peuvent être très divergents, ce qui soulève la question de savoir comment le DUI évolue et est maintenu. Ce système offre un potentiel énorme pour les MNI de se développer dans des hybrides interpopulationnels, car il existe un réseau d'interactions cyto-nucléaires complexe. Chez les espèces à DUI, des incompatibilités génétiques pourraient être exprimées entre gènes mitochondriaux et nucléaires femelles (dans les tissus somatiques et les ovocytes), mais aussi entre gènes mitochondriaux et nucléaires mâles dans les spermatozoïdes d'hybrides interpopulationnels. <br /> <br />Le projet DRIVE vise à déterminer si le DUI peut jouer un rôle significatif dans le maintien des barrières au flux de gènes entre les populations divergentes par le biais des MNI chez le bivalve Limecola balthica.

Les génomes mt mâles complets seront séquencés à partir de trois lignées couvrant deux zones hybrides en Europe: une à l'entrée de la mer Baltique et une en France. L'échantillonnage de ces lignées assurera que nous pouvons capturer la gamme de variation génétique au sein des lignées présentes en Europe, dans la perspective de concevoir un ensemble de sondes moléculaires pour capturer les gènes mt au niveau de la population.

La caractérisation des gènes OXPHO nucléaires consistera à tester l'hypothèse qu'un ensemble spécifique d'isoformes nucléaires OXPHO sont exprimées dans le sperme, par rapport aux tissus somatiques et aux ovocytes, et à mesurer leur expression relative. Pour ce faire, des mâles et des femelles sexuellement matures seront prélevés des deux côtés de la zone hybride française. Le niveau de divergence de séquence entre ces populations facilitera la conception des appâts. Un catalogue de gènes et d'isoformes OXPHO sera construit et leur expression différentielle sera mesurée.

Tester l'implication de DUI dans les MNI représente le cœur du projet DRIVE. Nous concevrons un ensemble d'appâts personnalisés pour capturer les gènes mt et OXPHO nucléaires à la fois du sperme et des tissus somatiques. Nous échantillonnerons ensuite 6 sites à travers la zone hybride Finistère / Contentin. Nous examinerons si le degré de déséquilibre de liaison (LD) entre les gènes de différents complexes OXPHO, pour le sperme et les tissus somatiques chez les mêmes individus. Nous testerons si la DL est en corrélation avec le degré de mélange entre les lignées nord et sud (c'est-à-dire que les INM causés par DUI sont plus probables chez les hybrides). Les mutations putatives de MNI seront cartographiées sur la 3ème structure de la protéine pour étudier les effets fonctionnels.

Durant la période concernée, les objectifs étaient de :

1. préparer les supports de communication pour le projet. Cet objectif est rempli.

2. préparer une banque de tissus somatiques et gamétiques pour diverses populations de l’espèce cible L. balthica, en optimisant les protocoles (a) de maintien et de la reproduction des populations en laboratoire, (b) de préparation d’extraits de gamètes pures pour séquençage du transcriptome. Cet objectif est rempli.

3. séquencer, annoter et comparer les mitogénomes de plusieurs lignées de L. balthica. Nous avons fait le choix de nous concentrer, dans un premier temps, sur la description des mitogénomes mâles et femelle d’une seule lignée de L. balthica, et de les comparer à une autre espèce à DUI (Scrobicularia plana) ayant les mêmes caractéristiques exceptionnelles (taille du mitogénome mâles, et du gène cox2 en particulier ; divergence extrême entre mitogénomes mâles et femelle). Cet objectif est donc partiellement atteint.

4. caractériser les transcriptomes nucléaires et mitochondriaux des gamètes mâles et femelles. Les échantillons de tissus pour compléter cet objectif sont prêt à être utiliser pour extraction d’ARN et séquençage du transcriptome. Cet objectif, il sera complété lors de l'année 3 du projet.

5. des échantillons ont été collectés le long des côtes atlantiques françaises, lors de la période de ponte de L. balthica, lors des hivers 2018 et 2019 (9 sites, 248 individus mâles échantillonnés). Nous avons complété cet échantillonnage en 2019 et 2020 (non prévu initialement) par l’ajout de 140 individus mâles provenant de 12 sites en Europe. Cet objectif est atteint (sauf pour la partie enrichissement ciblé des gènes OXPHOS et de leur séquençage, programmé pour l’année 3 du projet).

6. transfert de connaissance. Notre travail a été présenté sous forme de deux posters au congrès de l’ESEB en Finlande (2019), une publication de rang A, un chapitre d'ouvrage, un séminaire. Nous avons formé 2 M2, 1 L3, 2 BTS.

DRIVE aborde plusieurs questions clés en biologie des organismes et biologie évolutive, telles que la façon dont des organismes hautement dispersifs comme les bivalves marins peuvent développer et maintenir des adaptations locales à des échelles géographiques étroites. La théorie prédit que les incompatibilités génétiques à l'origine de la divergence des populations peuvent être piégées par des gradients environnementaux, ce qui complique énormément la distinction entre les barrières intrinsèques et extrinsèques au flux génétique. DRIVE ajoutera un nouvel outil pour comprendre comment ces différentes forces peuvent participer à la divergence des populations. Ces questions concernent la recherche sur la biodiversité (la classe Bivalvia est un groupe très diversifié de plus de 9000 espèces décrites), car la divergence des populations peut conduire à la spéciation, mais aussi pour l'aquaculture, car l'adaptation des espèces de coquillages à un environnement changeant est une préoccupation économique.

Capt C, Bouvet K, Guerra D, Robicheau BM, Stewart DT, Pante E*, Breton S*. Unorthodox features in two venerid bivalves with doubly uniparental inheritance of mitochondria. Sci Rep 10, 1087 (2020). doi.org/10.1038/s41598-020-57975-y (* contribution égale) hal.archives-ouvertes.fr/hal-02499562v1

Stewart DT, Breton S, Chase EE, Robicheau BM, Bettinazzi S, Pante E, Youssef N, Garrido-Ramos MA (2020) An unusual evolutionary strategy: the origins, genetic repertoire, andimplications of doubly uniparental inheritance of mitochondrial DNA in bivalves. 24th Evolutionary Biology Meeting at Marseilles. Dépot hal-02927307 en attente de validation.

17th Congress of the European Society for Evolutionary Biology (ESEB), Turku,Finland (2019) Tassé M, Capt C,Pante E, Breton S. The mtDNA-encoded COX2 protein: bivalves have the longest (poster)

17th Congress of the European Society for Evolutionary Biology (ESEB), Turku,Finland (2019) Bremaud J, Viricel A, Dubillot E,Pante E. Comparative phylogeography of a marine bivalve based on mâles- and femâles-type mitochondrial DNA (poster)

Eric Pante (2019-02-12) Etude des mécanismes qui génèrent et maintiennent la biodiversité en milieu marin : le cas des invertébrés à fort pouvoir dispersif. Habilitation à Diriger les Recherches (HDR). La Rochelle Université.

Les incompatibilités génétiques cyto-nucléaires sont une cause de dépression hybride et d'isolement reproducteur. Elles surviennent lorsque des gènes nucléaires et cytoplasmiques n’ayant pas co-évolués sont confrontés dans des hybrides. Les incompatibilités de type mito-nucléaires (MNIs) sont particulièrement pertinentes, car elles affectent une fonction fondamentale des animaux et des plantes, la production d'ATP. Bien que de nombreuses avancées dans la compréhension de ces mécanismes aient été faites sur la base d'espèces modèles, l’effet des MNI affectant des populations naturelles confrontées à des environnements changeants reste mal compris.

Les bivalves marins sont un modèle biologique intéressant pour étudier le rôle que jouent les MNIs dans la mise en place de l'isolement reproducteur. Beaucoup de ces espèces sont caractérisées par de grandes tailles de population, une forte fécondité et des capacités de dispersion élevées, facteurs qui devraient entraver la mise en place de l’adaptation locale. Malgré ces traits, une structuration génétique forte peut être observée à des échelles géographiques plus fines que celle de la dispersion des larves. En outre, les bivalves côtiers ont subi des fluctuations démographiques en réponse aux cycles glaciaires, entraînant des zones de contact secondaires propices au développement des MNIs.

Certains bivalves sont caractérisées par une transmission uniparentale double de la mitochondrie (DUI), une exception remarquable à la transmission maternelle typique des métazoaires. Dans ce système, les femelles transmettent une mitochondrie «femelle» qui persiste dans les ovocytes et dans les tissus somatiques des deux sexes, tandis que les mâles transmettent une mitochondrie «mâle» qui persiste dans la lignée germinale mâle. Les mitogénomes mâle et femelle peuvent être très divergents, suscitant des interrogations sur l’évolution du DUI. Ce système offre un cadre idéal pour le développement d’MNI dans des hybrides inter-populationnels, puisque de nombreuses interactions cyto-nucléaires sont possibles. En effet, les MNI pourraient être exprimées non seulement entre gènes mitochondriaux et nucléaires femelle (dans les tissus somatiques et les ovocytes), mais aussi entre gènes mitochondriaux et nucléaires mâle dans les spermatozoïdes des hybrides.

Le projet DRIVE vise à déterminer si le DUI peut jouer un rôle important dans l’émergence d’MNI. Pour cela, nous utiliserons le bivalve Limecola balthica comme système modèle. Notre but est (1) d’obtenir des mitogénomes mâles et femelles complets de lignées échantillonnées de part et d’autre de zones de contacts secondaires, (2) de déterminer, en utilisant le RNA-seq, si des isoformes nucléaires spécifiques au mitogénome mâle sont exprimées dans le sperme, (3) de mesurer, par capture d'axons, la différenciation populationnelle et le déséquilibre de liaison entre les gènes nucléaires et mitochondriaux (mâle et femelle) codant pour les complexes protéiques impliqués dans la production de l'ATP.

DRIVE adresse des questions clés en biologie évolutive, telles que la façon dont les organismes hautement dispersifs peuvent développer des adaptations locales à des échelles géographiques fines. La théorie prédit que les incompatibilités génétiques peuvent être emprisonnées par des gradients environnementaux, ce qui complique énormément la distinction entre barrières intrinsèques et extrinsèques au flux génétique. DRIVE ajoutera un nouvel outil pour comprendre comment ces différentes forces peuvent participer à la structuration des population en milieu marin ouvert. Ces questions ont une incidence pour la recherche sur la biodiversité (Bivalvia est une classe très diversifiée comptant plus de 9000 espèces décrites), car la divergence populationnelle peut conduire à la spéciation. Ces questions ont également une incidence sur l'aquaculture, car l'adaptation des espèces de mollusques aux changements climatiques est un enjeu sociétal et économique important.

Coordinateur du projet

Monsieur Eric Pante (Littoral, Environnement et Sociétés)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LIENSs Littoral, Environnement et Sociétés

Aide de l'ANR 233 686 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 36 Mois

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