Compte-rendu projet innovant - - Soutenu en 2008
Transcription
Compte-rendu projet innovant - - Soutenu en 2008
Le 21 juillet 2011 Département Ecologie des Forêts, Prairies et milieux Aquatiques - Compte-rendu projet innovant - Soutenu en 2008 Unité : Responsable (nom et adresse électronique) : Titre du projet UMR 1202 Biodiversité, Gènes et Communautés (BioGeCo) Carole Kerdelhué ([email protected]) Recherche de marqueurs liés à la phénologie chez la Processionnaire du Pin, Thaumetopoea pityocampa Nature et objectifs du projet : La processionnaire du pin est un modèle biologique qui fait l'objet de nombreuses recherches complémentaires au sein du département EFPA. Depuis plusieurs années, les chercheurs de l'URZF à Orléans, et plus récemment de BioGeCo à Pierroton, ont mené des études importantes sur la structuration génétique neutre chez cette espèce. Les objectifs du présent projet étaient de développer des marqueurs situés au sein de gènes candidats potentiellement impliqués dans des caractères adaptatifs. L'opportunité d'une collaboration fructueuse avec une équipe de l'Université Technique de Lisbonne autour du co-encadrement d'une thèse nous a fourni la possibilité de commencer de telles recherches sur la phénologie de l'insecte. En effet, une population de cette espèce présentant un cycle biologique décalé (population d'été) par rapport à toutes les autres populations connues, et n'ayant de ce fait plus de flux de gènes avec les individus sympatriques présentant le cycle biologique normal (population d'hiver), a été découverte en 1997 au Portugal (1). Nous sommes chargés de l'encadrement et du développement des recherches génétiques sur cette population. Si nous avons commencé à bien la caractériser à l'aide de marqueurs génétiques neutres (2), nous voulions explorer diverses possibilités de travailler sur des gènes candidats potentiellement impliqués dans cette mutation phénologique. Pour cela, nous avions identifié plusieurs étapes: - Réaliser une étude bibliographique pour identifier les gènes candidats les plus prometteurs; - Réaliser des tests d'amplification à partir d'amorces utilisées chez d'autres Lépidoptères, si possible de la même famille; - Si nécessaire, réaliser des séquences consensus à partir de données disponibles dans les banques de gènes, et dessiner des amorces dégénérées pour de nouveaux tests d'amplification; - Amplifier ces gènes pour une quinzaine d'individus de chaque type de population puis les séquencer (avec ou sans clonage) afin de déterminer leur polymorphisme nucléotidique et de comparer les indices de différentiation par rapport à des gènes neutres déjà séquencés. D'autre part, nous avions identifié pour un des loci microsatellites (MS-ThPit2) des allèles atypiques dans la population d'été, avec des longueurs de fragments plus élevées, et un fort polymorphisme (Santos, in prep.). Nous avions également comme objectif de mieux caractériser ces allèles. Enjeux originaux : L'enjeu principal est la mise au point de marqueurs situés dans des régions du génome impliquées dans un caractère adaptatif majeur chez la processionnaire du pin, et de réaliser ainsi un tournant dans les approches de génétique des populations dans le domaine de l'entomologie forestière. Si de tels marqueurs peuvent être mis au point, nul doute qu'ils nous permettraient de développer des projets de recherche ambitieux et novateurs. A Champenoux, le lundi 21 juillet 2011 Département Écologie des Forêts, Prairies et milieux Aquatiques Principaux résultats (cette rubrique est évidemment essentielle) : Une vaste étude bibliographique a permis de sélectionner 14 gènes pouvant avoir un lien avec la phénologie. Les recherches dans les banques de gènes nous ont amenés à en sélectionner 7. Quatre sont impliqués dans les horloges biologiques [period, cryptochrome, timeless et cycle], un dans la régulation de la diapause et du développement [DH-pBAN (Diapause Hormone – pheromone biosynthesis activating neuropeptide)], et deux sont liés au chromosome sexuel, au sein duquel des groupes de liaisons impliqués dans la levée de diapause ont été mis en évidence chez d'autres Lépidoptères [LdH (lactate déshydrogénase) et Tpi (triose-phosphate isomérase)]. Pour chacun de ces gènes, nous avons aligné les séquences présentes dans les banques de gènes chez des Lépidoptères, en privilégiant les espèces de la famille des Notodontidae. Il s’agit dans la plupart des cas de séquences obtenues à partir de cDNA. Nous avons positionné sur les séquences consensus les amorces décrites dans la littérature pour amplifier des portions de ces gènes. A partir de ces consensus, nous avons redessiné des amorces dégénérées, en y insérant de l’Inosine, pour augmenter les chances d’amplification. En effet, les alignements ont révélé un polymorphisme important au sein de ces gènes, même entre espèces de la même famille. (Tab 1). gène amorce F timeless cryptochrome period dh-pban lactate dehydrog. Tpi amorce R tim_Kti_F tim_Zhu_F cry_Kti2_Ch_F cry_Mer_Ch_F cyc_Kti_Ch_F per_Kti_Ch_F per_Mer_Ch_F tim_Kti_R Tim_Zhu_R cry_M_K_Ch_R cry_M_K_Ch_R cyc_Kti_R per_Kti_Ch_R per_Kti_Ch_R per_Reg177_Ch_F per_Reg197_Ch_F per_Reg197_Ch_F per_Reg341_Ch_F per_Reg532_R per_Reg397_Ch_R per_Reg532_R per_Reg532_R pb_Jin_Ch_F pb_Jin_Ch_R Ldh_Dop65_F Ldh_Dop376_R Tpi_Kwia_Ch_F Tpi_Kwia_R taille (pb) 710 900 790 1200 1070 450 430 1100 700 1000 600 2700 330 500 Ref PCR 3 4 3, 5 3, 5 3 3 3, 5 6 6 6 6 7 8 9 + + + + + + + + + + + Séquençage oui oui oui oui oui Tab. 1 Tests PCR. « Ch »dans le nom d’une amorce indique une dégénérescence supplémentaire que nous avons effectuée après alignement. Un résultat positif d’amplification indique que des profils de bandes ont été obtenus. Les deuxièmes amplifications ont ensuite permis d’effectuer un séquençage pour les fragments indiqués dans la dernière colonne. Les tests PCR ont été effectués en modifiant les paramètres classiques, concentration en MgCl 2 , température d'hybridation, temps d’élongation etc. Seules 11 paires d’amorces ont permis l’obtention d’amplifiats. Les profils multibandes ne permettant pas de séquençage direct, nous avons dû effectuer des PCR en récupérant les amplifiats sur gels (toothtpick method). A partir de cette deuxième amplification, nous avons obtenus des séquences pour 6 paires d’amorces et 3 gènes. Les séquences ont été finalement comparées avec les séquences des banques Institut National de la Recherche Agronomique Etablissement public à caractère scientifique et technologique placé sous la tutelle conjointe des ministres chargés de la Recherche et de l’Agriculture INRA – Département EFPA - Route d’Amance – 54280 CHAMPENOUX Tél : 03.83.39.41.04 - Fax : 03.83.39.73.19 - Mail : [email protected] A Champenoux, le lundi 21 juillet 2011 Département Écologie des Forêts, Prairies et milieux Aquatiques (BLASTN), ce qui a malheureusement montré qu’aucune des bandes séquencées ne correspondait à un des gènes recherchés. En ce qui concerne le marqueur microsatellite MS-ThPit2, les allèles de taille moyenne et des allèles de grande taille ont été clonés et séquencés. Cela a démontré que l'augmentation de la taille des allèles était simplement due à une augmentation du nombre de répétition, sans polymorphisme dans les régions flanquantes ni insertion majeure. Nous avons réalisé une recherche d'homologie de séquence par Blast sur les séquences disponibles dans les bases de données internationales, mais n'avons obtenu aucun résultat significatif. Le génotypage de femelles a montré de plus que ce locus n'est pas situé sur le chromosome sexuel. Nous n'avons pas réussi à l'amplifier sur les populations Nord-Africaines pour déterminer si des allèles longs sont naturellement présents dans cette partie de l'aire de distribution de l'insecte. De nouvelles investigations seront donc nécessaires pour proposer un scénario expliquant l'évolution atypique de ce locus dans la population d'été. Conclusions et perspectives : Ce résultat négatif pour l'amplification et le séquençage de portions de gènes candidats est sans doute dû à des amorces trop dégénérées ou à une trop grande divergence des séquences de T. pityocampa par rapport aux Lépidoptères les mieux étudiés. Les amplifications étant réalisées à partir d’ADN génomique, alors que les séquences disponibles dans les banques proviennent de cDNA, il est également possible que de grands introns aient empêché l’amplification de certains fragments (par exemple le fragment de dh-pban de 330 pb de cDNA correspond à 2720 pb avec les introns chez Clostera anastomosis). Deux banques de cDNA viennent d’être constituées dans le cadre du réseau d’excellence Evoltree, une pour la population d’été et une pour celle d’hiver. Nous venons juste de recevoir les résultats bruts du séquençage, soit 5000 EST pour chaque banque (10 000 séquences F ou R). Après traitement de ces données (avec l’aide d’un bioinformaticien de l’unité), il sera possible par blast de rechercher les gènes candidats directement dans ces banques, et de redessiner des amorces non dégénérées permettant l’amplification de ces gènes dans les populations naturelles. Ce travail sera probablement financé dans le cadre d'Evoltree (deux propositions de recherche ont été déposées, dans le Jera2 et dans le Jera3 du réseau, réponses attendues courant mars 2009). Au cas où ces gènes ne seraient pas présents dans ces banques, nous disposerons ultérieurement de ressources génomiques plus importantes, puisque les deux banques seront séquencées à l'aide de la technologie 454 (pyroséquençage, environ 200 000 séquences attendues par banque courant 2009). D'autre part, nous allons accroître le nombre de marqueurs microsatellites afin de mieux caractériser les profils alléliques des marqueurs neutres et vérifier que le marqueur MS-ThPit2 est bien le seul à avoir des allèles spécifiques de la population d'été. Nous bénéficierons pour cela de la mise au point de 10 nouveaux microsatellites financée par le projet ANR 'Urticlim' et réalisée par la société Ecogenics, et des microsatellites en cours de développement dans le cadre du réseau Evoltree. Fin 2009, lorsque tous les outils auront été mis au point, nous envisageons de proposer un projet de recherche sur les bases génétiques de la phénologie chez la Processionnaire du Pin dans le cadre de l'ANR 'Jeunes Chercheurs'. Institut National de la Recherche Agronomique Etablissement public à caractère scientifique et technologique placé sous la tutelle conjointe des ministres chargés de la Recherche et de l’Agriculture INRA – Département EFPA - Route d’Amance – 54280 CHAMPENOUX Tél : 03.83.39.41.04 - Fax : 03.83.39.73.19 - Mail : [email protected] A Champenoux, le lundi 21 juillet 2011 Département Écologie des Forêts, Prairies et milieux Aquatiques Références citées (1) Pimentel C., Calvao T., Santos M., Ferreira C., Neves M. & Nilsson J.-A. 2006. Establishment and expansion of a Thaumetopoea pityocampa (Den. & Schiff.) (Lep. Notodontidae) population with a shifted life cycle in a production pine forest, Central-Coastal Portugal. Forest Ecology and Management, 233: 108-115. (2) Santos H., Rousselet J., Magnoux E., Paiva M.R., Branco M. & Kerdelhué C. 2007. Genetic isolation through time: allochronic differentiation of a phenologically atypical population of the pine processionary moth. Proceedings of the Royal Society of London Series B, 274: 935-941. (3) Kourti A. & Gkouvitsas T. 2007. Insect photoperiodism and circadian clocks: expression patterns of genes period, timeless, cycle and cryptochrome in Sesamia nonagrioides (Lepidoptera : Noctuidae). Journal of Insect Science, Univ. Arizona, 7. (4) Zhu H., Sauman I., Yuan Q., Casselman A., Emery-Le M., Emery P. & Reppert S. M. 2008. Cryptochromes define a novel circadian clock mechanism in monarch butterflies that may underlie sun compass navigation. PLoS Biology, 6: e4. (5) Merlin C., François M.-C., Queguine I., Maïbèche-Coisné M. & Jacquin-Joly E. 2006. Evidence for a putative antennal clock in Mamestra brassicae: Molecular cloning and characterization of two clock genes – period and cryptochrome – in antennae. Insect Molecular Biology, 15(2): 137–145. (6) Regier J., Fang Q., Mitter C., Peigler R., Friedlander T. & Solis M. 1998. Evolution and phylogenetic utility of the period gene in Lepidoptera. Molecular Biology and Evolution, 15: 1172-1182. (7) Jing T., Wang Z., Qi F. & Liu K. 2007. Molecular characterization of diapause hormone and pheromone biosynthesis activating neuropeptide from the black-back prominent moth, Clostera anastomosis (L.) (Lepidoptera, Notodontidae). Insect Biochemistry and Molecular Biology, 37: 1262-1271. (8) Dopman E.B., Pérez L., Bogdanowicz S.M. & Harrison R.G. 2005. Consequences of reproductive barriers for genealogical discordance in the European corn borer. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 102(41): 14706-14711. (9) Kwiatowski J., Krawczyk M., Kornacki M., Bailey K. & Ayala F.J. 1995. Evidence against the exon theory of genes derived from the triose-phosphate isomerase gene. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 92: 8503-8506. Remerciements: Nous remercions Anna Kourti pour nous avoir aimablement fourni des séquences d’amorces non publiées. Publications éventuelles issues du projet : titres et références (avec renvoi éventuel vers le site de la revue ou vers le numéro s'il est accessible en pdf.). Institut National de la Recherche Agronomique Etablissement public à caractère scientifique et technologique placé sous la tutelle conjointe des ministres chargés de la Recherche et de l’Agriculture INRA – Département EFPA - Route d’Amance – 54280 CHAMPENOUX Tél : 03.83.39.41.04 - Fax : 03.83.39.73.19 - Mail : [email protected]