Rapport de Stage

Diversité et structuration génétiques des zones
natives et envahies chez une espèce envahissante :
l’ajonc d’Europe
Guillaume Cossard
M2 EFCE
2009/2010
Maîtres de Stage : Michèle Tarayre
Anne Atlan
Je souhaiterais, avant de commencer ce rapport, exprimer mes grands
Remerciements,
À Michèle Tarayre, pour sa gentillesse doublée d’une extrême patience et d’une ténacité de
tous les jours, même du week-end, pour corriger le même rapport maintes et maintes fois et
trouver la force d’en discuter après.
À Anne Atlan pour ses conseils avisés et sa capacité à toujours orienter la réflexion vers des
axes nouveaux. En somme, je la remercie pour m’avoir communiqué sa passion d’étudier et
de chercher à comprendre un monde extrêmement vaste.
À Benjamin Hornoy pour le heavy qui coule dans ses veines et fait headbanguer sa tête à
l’écoute du nombre de la bête. Je le remercie aussi pour son incrédulité face à mes vaines
tentatives d’ébrécher son impassibilité face aux situations de crise. Car crises il y a eu, et en
nombre, toutes résolues à l’aide seulement d’un peu de braises, de quelques saucisses et de
tanins tous judicieusement dosés. Enfin, je le remercie pour sa magnanimité dans tous les
moments difficiles et pour son aide qui a été plus que généreuse.
À Louis Parize pour sa bonne humeur sans faille et son goût pour la botanique. Merci pour le
ginkgo. Je le remercie aussi pour le partage de sa passion pour les rythmes simples et
sauvages du blues.
Et à ces quatre personnes d’une façon générale pour m’avoir accueilli dans le cadre de ce
stage et m’avoir fait découvrir à quel point les travaux de recherches sont directement
corrélés, comme dirait un statisticien, ou plutôt à la fois favorisés et extrêmement dépendants
d’une volonté de travailler en équipe.
À Annie Guiller pour son implication dans mon travail et toute l’aide qu’elle m’a apportée
sur les méthodes de génotypage et les techniques d’analyse en génétique des populations.
À Dominique Vallet pour sa disponibilité, son affabilité et ses précieux conseils quant à la
composition des multiplexes et de la lecture des génotypes.
À Stéphane Dréano pour son incroyable capacité à être toujours disponible et à donner de lui
pour faire avancer les travaux des autres. Son efficacité n’a d’égal que sa sympathie et sa
faculté à séquencer plus vite que son ombre.
À Valérie Roussel pour l’aide précieuse qu’elle nous apportée quant aux méthodes d’analyse
de la diversité génétique chez les polyploïdes. Les arcanes des logiciels d’analyse génétique
pour les polyploïdes nous seraient restées inconnues si elle n’avait pas été présente.
À tous les collègues du M2 EFCE. A leur esprit de groupe, à leur soutien et aux joies qu’ils
m’ont apportées.
SOMMAIRE
INTRODUCTION .................................................................................................................... 1
MATERIELS ET METHODES ............................................................................................. 5
1.
Modèle biologique...................................................................................................................... 5
2.
Sites d’étude et échantillonnage ............................................................................................... 5
3.
Caractérisation moléculaire de la diversité génétique ........................................................... 6
4.
3.1.
Extraction et purification de l’ADN génomique ................................................................. 6
3.2.
Marqueurs moléculaires : microsatellites nucléaires ........................................................... 7
3.3.
Amplification de l’ADN ...................................................................................................... 7
3.4.
Génotypage .......................................................................................................................... 8
Analyses statistiques .................................................................................................................. 9
4.1. Analyse des paramètres de diversité génétique ........................................................................ 9
4.2. Structuration spatiale .............................................................................................................. 10
RESULTATS .......................................................................................................................... 11
1.
2.
Diversité génétique .................................................................................................................. 11
1.1.
Chez Ulex europaeus......................................................................................................... 11
1.2.
Diversité génétique au sein des populations ...................................................................... 12
1.3.
Comparaison de la diversité génétique entre régions et entre zones native et envahie ..... 13
Structuration de la diversité génétique.................................................................................. 14
2.1. Indice de différenciation entre populations F’ST. ................................................................... 14
2.2. Méthode d’assignation individuelle ....................................................................................... 15
DISCUSSION ......................................................................................................................... 18
1.
Diversité et structuration génétiques d’Ulex europaeus dans la zone native ..................... 18
2. Histoire de l’introduction de l’ajonc d’Europe en zone envahie : La Réunion , NouvelleZélande ............................................................................................................................................. 19
3.
Potentiel évolutif de l’ajonc d’Europe dans les zones envahies ........................................... 21
4.
Conclusion et Perspectives ...................................................................................................... 22
BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................. 24
ANNEXES
LISTE DES TABLES ET FIGURES
TABLEAU 1 : Situation géographique des 12 populations d’Ulex europaeus échantillonnées. La
distance minimale et la distance maximale entre les populations échantillonnées dans une région
sont indiquées (dist. Min. – dist. Max.). .................................................................................................. 6
TABLEAU 2 : Diversité génétique globale sur l’ensemble des populations étudiées. Sont indiqués : le
nombre d’individus échantillonnés (n), la gamme de taille des allèles, l’étendue et la moyenne du
nombre d’allèles portés par individu, le nombre d’allèles échantillonnés (Ae), la diversité allélique
(H’T), le nombre de phénotypes échantillonnés (Np) ainsi que l’indice de diversité phénotypique de
Shannon-Weaver (Hsw). ......................................................................................................................... 12
TABLEAU 3 : Mesures de diversité génétique (allélique et phénotypique) multilocus pour les 12
populations étudiées, par région, par zone (native et envahie) et totale. Sont présentés le nombre
d’individus génotypés (n), le nombre d’allèles échantillonnés (Ae), la diversité allélique (H’s) et le
nombre moyen d’allèles portés par individu (Aind), le nombre de phénotypes présents (Nh) et
l’indice de diversité de Shannon-Weaver (Hsw). .................................................................................. 14
TABLEAU 4 : Matrice des F’ST par paires de régions. Le F’ST moyen entre les populations de chaque
région est indiqué dans la diagonale, en grisé. ..................................................................................... 15
Figure 1 : Représentation en arbre des populations sur la base des F’ST calculés par paires de
populations. Les populations réunionnaises semblent former un groupe légèrement distinct (cercle
pointillé) des populations des autres régions qui apparaissent toutes mélangées : carrés bleus pour
les populations bretonnes, losanges verts pour les populations écossaises et cercles jaunes pour les
populations néo-zélandaises. ................................................................................................................ 16
Figure 2 : Représentation graphique des proportions d’assignation des individus par inférence
bayésienne à chaque cluster génétique (représentés chacun par une couleur différente) réalisées
sous STRUCTURE, avec K = 9. Chaque barre verticale représente un individu et les populations,
régions et zones d’origine de ces individus sont indiqués. ................................................................... 17
INTRODUCTION
Les invasions biologiques sont un des déterminants les plus importants de la perte de
biodiversité auquel on assiste aujourd'hui à l’échelle mondiale. (Sala et al., 2000). En effet, les
espèces envahissantes, c’est-à-dire les espèces qui ont été introduites dans un nouveau milieu et
qui l’ont colonisé, entrent en compétition avec les espèces autochtones, entraînant une perte de
biodiversité dans les zones envahies (Elton, 1958 ; Sakai et al., 2001 ; Lee, 2002 ; Lockwood et
al., 2007). En outre, elles menacent l’intégrité des écosystèmes, les activités de pêche et
d’agriculture, voire même la santé publique (cas d’Ambrosia artemisiifolia, Astéracées ;
Heckel, 1906). Les premières études qui se sont intéressées aux invasions biologiques,
généralement en vue d’un contrôle biologique, ont mis en évidence que seule une minorité des
espèces introduites dans de nouveaux milieux deviennent envahissantes (Williamson, 1996 ;
Jeschke & Strayer, 2005). Ces recherches étaient essentiellement axées sur les processus
écologiques déterminant les invasions : la tolérance des espèces envahissantes et leur plasticité
phénotypique (Williams et al. 1995 ; Sakai et al. 2001 ; Daehler, 2003) ou le relâchement des
pressions biotiques subies par les espèces dans leur zone native (hypothèse nommée « Enemy
release hypothesis » ou ERH ; Jones & Lawton, 1991 ; Keane & Crawley, 2002).
Cependant, les investigations menées sur les espèces envahissantes ont montré que les
invasions étaient la conséquence de la contingence de nombreux facteurs abiotiques et
biotiques, y compris génétiques. Les espèces envahissantes sont le siège de changements
évolutifs (Blossey & Nötzold, 1995 ; Lee, 2002 ; Lee & Gelembiuk, 2008 ; Monty & Mahy,
2009) et le succès envahissant d’une espèce est lié au potentiel évolutif des populations
introduites. Dans ce cadre, l’hypothèse d’évolution de la capacité compétitive (Evolution of
Increased Competitive Ability ou EICA) a été formulée en ces termes par Blossey et Nötzold
(1995) : le relâchement des pressions imposées à une espèce par ses prédateurs et parasites
lorsqu’elle est introduite dans un nouveau milieu entraîne l’évolution de ses traits d’histoire de
vie, vers une allocation moindre d’énergie dans les mécanismes de défense et une allocation
plus importante dans les mécanismes de reproduction et de croissance. Cela conduit à une
compétitivité accrue de l’espèce dans le milieu envahi et favorise son invasion.
Parce que la variabilité génétique détermine l’évolution d’une population (Fisher, 1930),
il est important de savoir comment les introductions déterminent la diversité génétique
retrouvée dans la zone envahie. Ainsi, de nombreux travaux ont montré comment cette
diversité génétique peut changer après l’introduction (voir Bossdorf et al., 2005, pour revue).
1
Plusieurs patrons de diversité et de structuration ont pu être liés à l’histoire évolutive des
populations introduites.
On s’attend généralement à observer une diminution de la diversité génétique dans la
zone envahie comparée à celle retrouvée chez les populations de la zone native. En effet lors de
la fondation des populations, le nombre d’individus introduits est généralement faible et ne
comporte qu’une petite partie du pool génique présent dans la zone d’origine (Barrett, 1992).
Ces goulots d’étranglements sont souvent associés à un fort effet de la dérive génétique
diminuant encore les niveaux de diversité des populations introduites (Nei et al., 1975 ; Sakai
et al., 2001 ; Holsinger & Weir, 2009). De même, dans le cas où un génotype introduit serait
plus adapté au milieu colonisé, l’action de la sélection sur ces populations peut entraîner la
fixation d’allèles et amener à une réduction de la diversité génétique (Kliber & Eckert, 2005).
Plusieurs espèces envahissantes montrent une variabilité génétique faible en zone envahie,
comme par exemple Rubus alceifolius (Rosacées ; Amsellem et al., 2000), Alternanthera
philoxeroides (Wang et al., 2005) ou Pennisetum sp. (Poulin et al., 2005). Notons que le
caractère envahissant de ces espèces est lié à leur mode de reproduction (clonal ou
apomictique) ou à la forte plasticité phénotypique qu’elles peuvent présenter (Williams et al.,
1995).
Pourtant, dans la majorité des invasions biologiques, une variabilité génétique
équivalente ou le plus souvent supérieure est décrite dans les zones envahies comparé à la zone
native. C’est par exemple le cas de Epipactis helleborine (Orchidacées ; Squirrell et al., 2001)
ou d’Hypericum perforatum (Maron et al., 2004a). Cette diversité résulte généralement
d’introductions multiples d’une même espèce dans un nouveau milieu comme cela a été mis en
évidence chez de nombreuses espèces envahissantes (Bartlett et al., 2002 ; Lavergne &
Molofsky, 2007 ; Simberloff, 2009). Cette importante diversité génétique de la zone envahie est
engendrée par des introductions répétées dans le temps mais aussi par l’apport d’individus issus
de plusieurs populations de la zone native. En effet, lorsque les individus introduits sont issus
de populations génétiquement hétérogènes, les flux de gènes dans le nouveau milieu colonisé
peuvent permettre un brassage génétique qui génère une plus forte diversité allélique. En outre,
l’hybridation interspécifique dans la zone envahie peut être un stimulus pour l’évolution du
potentiel envahissant (Schierenbeck & Ainouche, 2000 ; Ainouche et al., 2009). Elle conduit en
effet à masquer les allèles délétères via une augmentation de l’hétérozygotie aux loci
homologues ainsi qu’à une augmentation du nombre de combinaisons alléliques qui sont autant
de variants sur lesquels la sélection peut agir. La fixation de l’hybridité est entre autre permis
par la polyploïdie, résultant de la duplication du génome après hybridation. Ce processus
évolutif fréquent chez les espèces végétales et souvent à l’origine d’évènements de spéciation
2
(Stebbins, 1950 ; Ainouche et al., 2004) entraîne une augmentation de la variabilité allélique
présente chez ces espèces. En outre, une importante capacité de dispersion et une gamme de
tolérance environnementale plus large ont souvent été montrées chez les espèces polyploïdes.
Ainsi elles représentent des espèces susceptibles d’envahir plus facilement de nouveaux
milieux. Plusieurs études décrivent des espèces végétales envahissantes et lient le succès de la
colonisation du nouveau milieu avec le niveau élevé de ploïdie de ces espèces (Soltis & Soltis,
2000 ; Ainouche et al, 2004).
Concernant les patrons de structuration génétique retrouvés en zone envahie, ils sont
directement liés au mode d’introduction aux flux de gènes existant entre les populations qui s’y
sont formées. En effet un important brassage génétique entre les populations introduites conduit
à leur homogénéisation et la structuration en zone envahie est alors plus faible que celle
présente dans la zone native. Kolbe et al. (2004) ont montré ce phénomène de conversion de la
diversité inter-populationnelle en zone native en diversité intra-populationnelle dans la zone
envahie chez Anolis sagrei. Au contraire, les effets non-exclusifs de la dérive génétique et de la
sélection naturelle sur les individus importés en l’absence de flux de gènes entre les
populations, peuvent mener à une structuration plus importante dans la zone envahie que dans
la zone d’origine.
Dans ce contexte, l’ajonc d’Europe (Ulex europaeus, Fabacées) est un modèle très
intéressant pour l’étude des mécanismes impliqués dans les invasions biologiques. Il s’agit
d’une plante originaire de la Péninsule ibérique qui s’est répandue le long de la façade
atlantique jusqu’en Norvège et dans les îles britanniques, depuis les dernières glaciations. Il a
été introduit volontairement dans de nombreuses régions du monde et est considéré comme
envahissant dans plusieurs d’entre elles (p.e. à La Réunion, en Nouvelle-Zélande, au Chili, etc).
L’ajonc d’Europe a été classé par l’UICN (International Union for the Conservation of Nature)
comme l’une des 30 espèces envahissantes les plus nuisibles au monde. Il s’agit d’une espèce
allohexaploïde dont les espèces parentales ne sont pas encore clairement identifiées (Misset &
Gourret, 1995 ; Ainouche K. com. pers.). Son niveau de ploïdie élevé (6X) laisse suspecter une
importante diversité génétique et un fort potentiel évolutif, qui lui aurait permis de s’adapter à
un grand nombre d’environnements différents à travers le monde. Dans sa zone native, l’ajonc
d’Europe présente une variabilité des traits liés à la croissance et à la reproduction (Atlan et al.
2010). Cette variabilité génétique des traits a pu être introduite dans les différentes régions où il
est envahissant, lui conférant un important potentiel évolutif qui expliquerait son succès
envahisssant.
Mon travail de stage se place dans le cadre d’une thèse portant sur l’évolution des traits
d’histoire de vie et de la diversité génétique chez l’espèce envahissante Ulex europaeus. Ma
3
contribution a porté sur une première évaluation et la comparaison de la diversité génétique et
sa structuration entre la zone native et la zone envahie. Pour ce faire, nous avons étudié la
diversité génétique de l’ajonc sur l’ensemble des individus échantillonnés, à l’échelle régionale
- plusieurs populations des zones envahies de La Réunion et de Nouvelle-Zélande et plusieurs
populations de Bretagne et d’Ecosse, deux régions de la zone native - et populationnelle. Ce
travail a été réalisé en vue de répondre à plusieurs questions :
-
La diversité génétique présente dans la zone native de l’ajonc européen est-elle
retrouvée dans les zones envahies ?
-
Quels patrons de structuration génétique retrouve- t-on dans les deux zones native et
envahie?
-
Est-ce que la diversité génétique introduite peut être un facteur promoteur du succès
envahissant de l’ajonc ?
-
Quelle est l’histoire évolutive de l’ajonc d’Europe dans les régions envahies ?
L’étude de la diversité génétique a été effectuée à l’aide de marqueurs microsatellites
(ou SSR, Simple Sequence Repeat) nucléaires. L’analyse des données moléculaires des espèces
polyploïdes reste limitée et complexe puisque les génotypes ne sont pas accessibles. Très
récemment, de nouveaux logiciels intégrant de nouvelles méthodes d’analyses ont été élaborés,
nous permettant en particulier d’estimer la structuration génétique des populations d’ajonc
d’Europe.
4
MATERIELS ET METHODES
1. Modèle biologique
L’ajonc d’Europe (Ulex europaeus) est un arbuste sempervirent de la famille des Fabacées,
originaire de l’ouest de l’Europe. Il s’agit d’une espèce allohexaploïde (6X=96 ; Misset &
Gourret, 1995) considérée comme envahissante dans plusieurs régions du monde où il a été
introduit : Amérique (p.e.. Etats-Unis, Chili, Brésil), Afrique (p.e. Afrique du Sud), Asie (p.e.
Inde), Australie, ainsi que dans plusieurs îles (La Réunion, Nouvelle-Zélande, Hawaï, etc.).
Les individus produisent des fleurs hermaphrodites à partir de la troisième année et la
reproduction se fait préférentiellement par allogamie (Tarayre et al., 2007). La dispersion des
graines se fait essentiellement par barochorie : plus de 50% des graines tombent à moins d’un
mètre de la plante mère (Rees & Hill, 2001). Certaines graines peuvent être dispersées plus loin
par les eaux de ruissellement, des herbivores ou l’Homme. En Europe, la dispersion est aussi
assurée par les fourmis (Rees & Hill, 2001). Les graines d’ajonc d’Europe sont attaquées au
printemps par le charançon spécifique Exapion ulicis (Curculionidés) essentiellement (Davies,
1928 ; Barat et al., 2007).
Une grande variabilité des traits liés à la croissance et à la reproduction a été mise en avant
chez U. europaeus dans sa zone d’origine par Atlan et al. (2010). Cette étude propose
d’expliquer la variabilité observée de ces traits comme une réponse à la prédation des graines
d’ajoncs, ce qui suppose qu’elle est liée à un polymorphisme génétique. Deux phénotypes de
phénologie de floraison ayant une base génétique ont été décrits : une floraison longue, dès
l’automne et jusqu’au printemps, associée à une faible production de fleurs en même temps ;
une floraison courte seulement au printemps associée à une production intense de fleurs
(évitement de la prédation par satiété du prédateur). Les individus à floraison longue sont
moins résistants à la prédation des graines au printemps que les individus à floraison courte.
2. Sites d’étude et échantillonnage
Les ajoncs dont l’ADN a été extrait pour les analyses de diversité génétique proviennent de
deux régions natives de l’espèce (Bretagne et Ecosse) et deux régions envahies (La Réunion et
la Nouvelle-Zélande). Nous supposons que les ajoncs présents à la Réunion ont été importés
par l’Homme à partir du 18ème siècle depuis des populations françaises lors de la colonisation
de l’île. De même, les ajoncs de Nouvelle-Zélande seraient issus de populations écossaises
importées au 19ème siècle.
5
Dans trois populations de chacune des quatre régions (soit 12 populations, Tableau 1), une à
trois graines par plante-mère ont été collectées. Cent-vingt graines ont été mises à germer et les
plantules en résultant ont été transplantées en novembre 2007 au jardin expérimental situé sur
le campus de Beaulieu (Rennes) dans le cadre d’une étude portant sur l’évolution des traits
d’histoire de vie.
En outre, d’autres graines ont été prises aléatoirement dans les stocks de graines des mêmes
12 populations, ont été scarifiées et mises à germer en mars 2010 afin de compléter à 25
individus par population (soit 300 individus sur l’ensemble de l’étude). Le Tableau 1 résume
les informations géographiques concernant les 12 populations étudiées.
TABLEAU 1 : Situation géographique des 12 populations d’Ulex europaeus échantillonnées. La distance
minimale et la distance maximale entre les populations échantillonnées dans une région sont indiquées (dist. Min.
– dist. Max.).
3. Caractérisation moléculaire de la diversité génétique
3.1. Extraction et purification de l’ADN génomique
Les échantillons récoltés (fragment de branche adulte ou plantules) ont été broyés dans
l’azote liquide à l’aide d’un mortier et d’un pilon. L’ADN a été extrait et purifié à partir de ces
6
broyats à l’aide du Kit NucleoSpin® Plant II (Macherey-Nagel), suivant les instructions du
fabriquant.
La qualité des échantillons d’ADN extraits a été contrôlée par électrophorèse sur gel
d’agarose à 2% et leur concentration a été mesurée grâce au spectrophotomètre ND-1000
(NanoDrop®). Des aliquots à 30 ng/µL ont été réalisés pour le génotypage des individus et
l’ADN extrait a été stocké à -20°C.
3.2. Marqueurs moléculaires : microsatellites nucléaires
Nous avons caractérisé la diversité génétique au sein des 12 populations échantillonnées
(Tableau 1) au moyen de marqueurs microsatellites nucléaires. Ces marqueurs correspondent à
des séquences d’ADN formées par la répétition en tandem de motifs nucléotidiques (2 à 6
nucléotides). Leur important taux de mutation, entre 10-6 et 10-2 mutations par locus et par
génération, consiste surtout en des erreurs lors de la réplication de l’ADN dans le nombre de
répétitions du motif (erreurs dites de « slippage »). Ce phénomène conduit à un important
polymorphisme de longueur des fragments i.e. une variation du nombre de motif répétés
formant le microsatellite (Wan et al., 2004). Ces taux de mutations importants génèrent une
grande diversité allélique, nécessaire pour étudier les processus génétiques et évolutifs à des
échelles de temps écologiques, comme les invasions biologiques (Selkoe & Toonen, 2006). En
outre, les marqueurs microsatellites sont considérés comme sélectivement neutres et montrant
une hérédité mendélienne.
Dans cette étude, la diversité génétique est estimée à l’aide de sept locus microsatellites
nommés A101, A110, A114, A125, B4, B104, B123, développés par la société GIS (Genetic
identification Services, Chatsworth – Californie).
Chez l’ajonc, il s’agit de la première étude de la diversité génétique réalisée à partir de
microsatellites. Aussi nous avons dû tester le polymorphisme des sept marqueurs et évaluer la
gamme de taille des allèles échantillonnés en vue de réaliser des multiplexes pour le
génotypage (les multiplexes sont caractérisés en Annexe 3). Ces tests ont été menés via des
migrations par électrophorèse sur gel d’agarose à 2% après amplification des marqueurs chez
20 individus choisis dans les quatre régions étudiées : Bretagne, Ecosse, La Réunion et
Nouvelle-Zélande.
3.3. Amplification de l’ADN
Le génotypage des individus pour les sept marqueurs requiert l’amplification spécifique
par PCR des allèles présents chez chacun des individus. Le volume réactionnel (25 µL) pour un
7
individu est composé de 12,5 µL de Mix (concentration : 1X ) contenant la Taq-polymerase
(GoTaq® colorless Master Mix), d’amorces forward et reverse (entre 0,2 et 0,35 µM, voir
Annexe 1 pour les séquences des amorces) et d’eau ultra pure (qsp 25 µL). Les concentrations
en amorces diffèrent selon le marqueur microsatellite. Elles ont été mises au point au cours des
expériences en fonction de la détection de la fluorescence par le séquenceur (voir Annexe 2
pour la composition des mixes). Les réactions de PCR ont consisté en 35 cycles d’amplification
composés de : 40 secondes de dénaturation à 94°C, 40 secondes d’hybridation à une
température associée à chaque marqueur (Tm s’étendant de 52°C à 61°C, voir Annexe 3) et 30
secondes d’élongation à 72°C, précédés d’une étape de dénaturation initiale de 3 minutes à
94°C et suivis d’une étape d’élongation finale de 4 minutes à 72°C. Les réactions de PCR ont
été réalisées dans des thermocyclers Mastercycler epgradient S (Eppendorf).
Pour chaque marqueur microsatellite, les amorces forward sont marquées à l’aide des
fluorochromes PET (marqueurs A110 et A114), NED (marqueurs A125 et B123), VIC
(marqueurs A101 et B104) et 6-FAM (marqueur B4). Le marqueur de taille a été marqué avec
le fluorochrome LIZTM (fluorochromes : Applied Biosystems Inc.).
Chaque amplification des extraits d’ADN d’ajonc a été testée par une électrophorèse sur
gel d’agarose à 2% avant génotypage.
3.4. Génotypage
Après amplification, le génotypage des individus a été réalisé en deux multiplexes : l’un
avec les marqueurs A101, A110 et A125 ; l’autre avec les marqueurs A114, B4, B104, B123,
mélangés dans une solution dénaturante de formamide (Hi-DiTM Formamide, Applied
Biosystems). Un marqueur de taille est ajouté pour chaque individu (GeneScanTM-500 LIZTM
Size)
Les allèles amplifiés des différents marqueurs sont séparés par électrophorèse dans des
capillaires contenant un polymère d’acrylamide (POP7, Applied Biosystems Inc), à l’aide du
séquenceur multi-capillaires ABIPRISM® 3130x genetic analyser (Applied Biosystems
Hitachi, situé au sein de l’UMR 6061, Rennes 1). La fluorescence associée à chaque marqueur
permet leur détection au moyen d’un laser et d’une caméra. Les profils d’électrophorèse sont
capturés par le logiciel ABI 3130 xL Data Collection.
La lecture des données issues du séquenceur (taille des différents allèles amplifiés) a été
réalisée à l’aide du logiciel GeneMapper v4.1 (Applied Biosystems).
Après avoir effectué les lectures des tailles d’allèles pour chaque locus chez tous les
individus, nous avons décidé d’écarter les données du marqueur A101 pour la suite des
8
analyses de diversité génétique, étant donné la difficulté
difficulté de lecture des tailles d’allèles sous
Genemapper et l’incertitude
titude que nous avions quant au tableau des allèles obtenu.
obtenu
4. Analyses statistiques
4.1. Analyse des paramètres de diversité génétique
Ulex europaeus étant une espèce allohexaploïde, nous pouvons en théorie observer entre
un et six allèles différents au sein d’un individu, sans aucune indication sur leur fréquence. Par
exemple, pour un individu présentant deux allèles A et B pour un locus, plusieurs génotypes
sont possibles : ABBBBB, AABBBB, AAABBB, etc. Or nous pouvons
ouvons seulement visualiser un
génotype incomplet AB, que nous appellerons « phénotype » dans le reste de l’étude, ainsi qu’il
est largement admis dans la littérature (Obbard et al., 2006 ; Hamilton & Eckert, 2007 ; Marrs
et al., 2008b). Peu d’outils et de méthodes ont été développés à ce jour pour répondre aux
difficultés inhérentes à la polyploïdie des espèces.
Dans le but d’étudier la diversité génétique chez l’ajonc et son organisation à différentes
échelles (entre populations, entre régions et entre zones : native et envahie), nous avons calculé
différents paramètres de diversité allélique et phénotypiques qui ne sont pas biaisés par
l’ambiguïté des génotypes,, à savoir : le nombre d’allèles différents échantillonnés au sein d’une
population (Ae), le nombre d’allèles portés par un individu (Aind), le nombre de
d phénotypes
observés (Np), par locus et multilocus. Le calcul de ces valeurs a été réalisé à l’aide de FDASH
(Obbard et al., 2006). Cependant, l’hexaploïdie ne permet pas de réaliser
aliser des analyses de
diversité génétique standard basées sur les fréquences alléliques (hétérozygotie, F de Wright,
etc). Néanmoins Obbard et al.
al. (2006) ont proposé plusieurs mesures de diversité, alléliques et
phénotypiques,
s, dédiées aux espèces allopolyploïdes. La diversité allélique intra-populationnelle
intra
(H’s) a donc été mesurée par le nombre moyen d’allèles non-partagés
non partagés entre paires d’individus
pris au sein d’une même population et sur l’ensemble des locus :
n : nombre d’individus
xijk = 1 seulement si un des individus i et j porte un
allèle k, sinon
xijk = 0
2
s
La diversité phénotypique
typique est mesurée par l’indice de Shannon-Weaver
Weaver (Hsw), selon la
formule :
m
Hsw′ = ∑ pi log( pi )
i =1
m : nombre d’allèles
ème
pi : fréquence du i phénotype
phéno
9
Ces statistiques calculées au niveau des populations, des régions et des zones et ont été
comparées par un test de 1000 permutations.
4.2. Structuration spatiale de la diversité génétique
Calcul de l’indice de différenciation entre populations F’ST (Obbard et al.,
2006).
La mesure de diversité allélique (H’s) permet de calculer un estimateur de
différenciation génétique (F’ST) correspondant au rapport entre la diversité interpopulationnelle moyenne et la diversité observée chez tous les individus (H’T) :
FST′ =
H T′ − H S′
H T′
’ : diversité allélique intra-populationnelle moyenne
Cet estimateur synthétise la diversité allélique distribuée entre les populations. Nous
avons calculé les F’ST de chaque région, testés par un test de 1000 permutations sous FDASH,
et par paires de populations. Sur la base de cet indice de différenciation, un arbre liant les
populations a été réalisé grâce au logiciel Phylip® (PHYLogeny Inference Package, Felsenstein,
2005) selon l’algorithme UPGMA (Unweighted Pair Group Method with Arithmetic mean),
représenté visuellement à l’aide de Treeview® (Page, 1996). La distance géographique entre
populations d’une même région varie énormément selon la région (Tableau 1). Afin de vérifier
s’il existe un isolement par la distance entre les populations échantillonnées et de déterminer si
l’échelle géographique n’apporte aucun biais dans nos mesures de structuration génétique, nous
avons conduit un test de Mantel (Mantel, 1967) entre les matrices de distances génétiques (F’ST
par paires de populations) et de distances géographiques. Le test de Mantel a été réalisé à l’aide
de la macro pour Microsoft© Excel : GenAlEx (Genetic Analysis in Excel ; Peakall & Smouse,
2006).
Méthode d’assignation individuelle
Afin d’observer la structuration entre populations sans a priori sur leur distribution
spatiale, nous avons conduit des analyses par assignation individuelle. Cette méthodes reposant
sur des techniques d’inférence bayésienne peuvent permettre de retracer efficacement les
caractéristiques démographiques et historiques d’une introduction, à savoir le nombre de
populations sources, leur composition génétique et le nombre d’évènements d’introductions
entre autres (Guillemaud et al., 2010). Elle conduit au calcul du nombre le plus probable de
10
groupes génétiquement homogènes (K) sachant les données génétiques, et y assigne les
individus.
Nous avons réalisé les tests d’assignation sous STRUCTURE selon la méthode de
Pritchard et al. (2000), revue récemment par Falush et al. (2007) pour tenir compte de
l’ambiguïté génotypique inhérente à la polyploïdie. Nous avons choisi d’utiliser un modèle
autorisant le mélange des clusters au sein d’un même individu (« admixture model »), c'est-àdire que nous supposons que le génome d’un individu peut être composé de fractions héritées
d’ancêtres issus de clusters K différents. STRUCTURE fournit l’estimation moyenne a
posteriori de ces proportions. Après une « période d’échauffement » de 10000 itérations
pendant lesquelles aucune donnée n’est collectée afin de minimiser les effets de la
configuration initiale (Pritchard et al., 2000), l’inférence bayésienne a consisté en 50000
itérations selon une méthode de chaînes de Markov Monte Carlo pour une valeur de K. Dix
processus d’inférence bayésienne ont été conduit pour chaque valeur de K testée : de 1 (tous les
individus font partie du même groupe génétiquement homogène) à 12 (chaque population
correspond à un groupe génétiquement homogène). Le calcul du nombre K a été réalisé selon la
méthode proposée par Evanno et al. (2005) recourant à une statistique ∆K, basée sur le taux de
variation dans le « logarithme de probabilité des données » entre des valeurs successives de K.
Cette étude montre que ∆K identifie de façon plus fiable le nombre de groupes génétiquement
homogènes comparé à l’approximation donnée par le « logarithme des probabilités des
données » fournit par STRUCTURE®.
RESULTATS
1. Diversité génétique
1.1.
Chez Ulex europaeus
Le nombre d’individus que nous avons finalement pu génotyper varie entre 235 et 264
selon le locus. Les six locus utilisés pour cette étude présentent un polymorphisme allélique et
phénotypique très important chez l’ajonc d’Europe. La diversité allélique (Ae) s’étend de 12
(B4) à 50 allèles (A125) pour une moyenne multilocus de 27,33 (Tableau 2). Pour tous les
locus, le nombre d’allèles par individus varie de un (individus homozygotes) à six (individus
présentant une seule copie de chaque allèle), pour une moyenne de 3,25 allèles différents. La
diversité phénotypique montre de grands écarts selon le locus considéré : le marqueur B4
compte 25 phénotypes différents sur l’ensemble des individus tandis que le marqueur A125, le
11
plus polymorphe, présente presque autant de phénotypes différents (255) que d’individus
génotypés (264), pour une moyenne multilocus de 158,83. L’indice de diversité de ShannonWeaver varie entre 1,36 pour B4 et 2,95 ce qui démontre une diversité phénotypique globale
très importante chez cette espèce hexaploïde.
TABLEAU 2 : Diversité génétique globale sur l’ensemble des populations étudiées. Sont indiqués : le nombre
d’individus échantillonnés (n), la gamme de taille des allèles, l’étendue et la moyenne du nombre d’allèles portés par
individu, le nombre d’allèles échantillonnés (Ae), la diversité allélique (H’T), le nombre de phénotypes échantillonnés
(Np) ainsi que l’indice de diversité phénotypique de Shannon-Weaver (Hsw).
1.2.
Diversité génétique au sein des populations
Les 12 populations étudiées présentent en général une importante diversité génétique.
En effet le nombre moyen d’allèles observés pour les six locus au sein d’une population varie
entre 11,38 (population écossaise SST) et 18,50 (population bretonne BCC ; Tableau 3). En
moyenne, chaque individu possède entre 2,85 et 3,53 allèles différents par locus. La diversité
allélique n’est pas significativement différente entre les 12 populations échantillonnées pour les
six locus étudiés (p=0,24 ; 1000 permutations) : l’indice de diversité allélique H’s ne varie
qu’entre 3,28 (RLB) et 4,67 (BCC). Aucun allèle privé, c'est-à-dire spécifique d’une
population, ni d’allèles caractérisant une région ou une zone n’ont été détectés. Il existe une
variabilité phénotypique entre les populations d’ajoncs encore plus grande que la diversité
allélique : le nombre moyen de phénotypes échantillonnés au niveau multilocus varie entre
11,89 (SBA) et 20,33 (BCC). Toutefois ces différences ne sont pas significatives (p=0,11 ;
1000 permutations).
12
Etant donné que les effectifs génotypés diffèrent selon les populations et que
l’hexaploïdie confère une richesse allélique importante chez chaque individu, il est possible que
ces différences génèrent un biais dans les mesures de diversité génétique. Cependant, le nombre
d’allèles obtenus au sein de chaque population n’est pas corrélé au nombre d’individus
génotypés dans la population (corrélation de Pearson, r=0,47 ; p=0,126). De même, il n’existe
pas de corrélation entre le nombre d’individus et l’indice de diversité allélique H’s (r=0,22 ;
p=0,495). Le nombre moins important d’individus génotypés dans certaines populations (p.e.
SBA, n=17) n’a pas d’influence sur le nombre d’allèles échantillonnés. Les effectifs de nos
populations nous ont permis d’échantillonner la majorité de la diversité allélique présente dans
ces populations, et les faibles variations observées ne sont pas dues aux différences d’effectifs.
Nous trouvons cependant une corrélation positive entre le nombre d’individus échantillonnés et
le nombre de phénotypes observés dans les populations (r=0,90 ; p=5.10-5). Logiquement, il
existe également une corrélation entre le nombre d’individus d’une population et l’indice de
diversité phénotypique de Shannon-Weaver (r=0,77 ; p=3.10-3). Ces constatations nous ont
conduit à ne considérer que l’indice de structuration basé sur la diversité allélique (F’ST), et non
celui basé sur la diversité phénotypique (F’SW) proposé par FDASH.
1.3. Comparaison de la diversité génétique entre régions et entre zones native et
envahie
Nous n’avons pas retrouvé de différences significatives au niveau de la diversité
allélique entre les quatre régions (p=0,42 ; 1000 permutations) : le nombre moyen d’allèles
échantillonnés au niveau multilocus varie entre 18,59 à La Réunion et 23,04 en Bretagne
(Tableau 3). De même, la diversité allélique échantillonnée en zone native et en zone envahie
est de 4,22 et 3,96 respectivement, et n’est pas significativement différente entre zones
(p=0,43 ; 1000 permutations).
Le nombre de phénotypes observés varie, en moyenne pour tous les locus, entre 38,32
(Ecosse) et 50,49 (Bretagne). L’indice de Shannon-Weaver est similaire d’une région à l’autre
et s’étend entre 2,42 (Ecosse) et 2,68 (Bretagne) : aucune différence significative n’est détectée
(p=0,69 ; 1000 permutations). Il en découle que la diversité phénotypique en zone native
(Hsw=2,57) n’est pas différente de la diversité phénotypique échantillonnée en zone envahie
(Hsw=2,53 ; p=0,55 ; 1000 permutations).
13
TABLEAU 3 : Mesures de diversité génétique (allélique et phénotypique) multilocus pour les 12 populations
étudiées, par région, par zone (native et envahie) et totale. Sont présentés le nombre d’individus génotypés (n), le
nombre d’allèles échantillonnés (Ae), la diversité allélique (H’s) et le nombre moyen d’allèles portés par individu
(Aind), le nombre de phénotypes présents (Nh) et l’indice de diversité de Shannon-Weaver (Hsw).
2. Structuration de la diversité génétique
2.1. Indice de différenciation entre populations F’ST.
Une grande part de la diversité retrouvée au niveau mondial est présente au sein de
chaque population étudiée. Ainsi, aucune structuration n’a été observée entre les 12 populations
échantillonnées pour les six locus étudiés. En effet, les F’ST par paires de populations (Annexe
5) s’étendent entre 7,84.10-4 (SST-BCC) et 0.076 (RLB-ZWE). Le même patron est retrouvé au
14
niveau des F’ST entre paires de régions (Tableau
(T
4). Les tests sur 1000 permutations montrent
qu’aucun des F’ST entre régions n’est significativement différent des autres (p=0,21). La
représentation graphique des populations sur la base de leur F’ST par paires semble montrer
cependant que les populations réunionnaises se distinguent des autres populations
popul
(Figure 1).
La Réunion présente la plus forte structuration moyenne entre les populations qui la compose
(F’ST=0,06 ; Tableau 4)
Le test de Mantel ne montre aucun isolement par la distance entre les populations au
niveau mondial (R²=0,005 ; p=0,324 ; 1000 permutations). En outre, étant donné que les
distances séparant les populations échantillonnées varient
varie grandement selon les régions (voir
Tableau 1),
), il aurait pu être possible que la structuration génétique soit tributaire de
l’éloignement géographique des populations,, ce qui n’apparait pas être le cas pour les
marqueurs étudiés.
Tableau 4 : Matrice des F’ST par paires de régions.
régions Le F’ST moyen entre les populations de chaque région est
indiqué dans la diagonale, en grisé.
2.2. Méthode d’assignation individuelle
Les résultats de l’analyse bayésienne proposent un regroupement de l’ensemble
des individus génotypés en neuf groupes génétiquement homogènes (K=9, Annexe 4). Ces
clusters sont représentés chacun par une couleur différente sur la représentation graphique
gra
des
probabilités d’assignations individuelles (Figure 2). Il apparaît que les individus sont assignés à
de nombreux clusters. Aucune structuration génétique entre populations, entre régions ou entre
zones ne se dégage des tests d’assignation avec les marqueurs utilisés, ce qui est congruent
avec le calcul des F’ST et confirme
confirm la représentation en arbre (Figure 1).
Cependant, nous pouvons observer que les populations réunionnaises semblent
plus homogènes, en termes de compositions de clusters, que les autres,
autres en particulier la
population RLB (dominance de la couleur marron).
marron . Ce résultat semble montrer,
montrer comme les
valeurs de F’ST le suggéraient, que les populations de La Réunion se distinguent des autres
populations.
15
BCC
Figure 1 : Représentation en arbre des populations sur la base des F’ST calculés par paires de populations. Les populations
réunionnaises semblent former un groupe légèrement distinct (cercle pointillé) des populations des autres régions qui
apparaissent toutes mélangées : carrés bleus pour les populations bretonnes, losanges verts pour les populations écossaises et
cercles jaunes pour les populations néo-zélandaises.
zélandaises.
16
0
1
17
Figure 2 : Représentation graphique des proportions d’assignation des individus par inférence bayésienne à chaque cluster génétique (représentés chacun par une
couleur différente) réalisées sous STRUCTURE, avec K = 9. Chaque barre verticale représente un individu et les populations, régions et zones d’origine de ces individus sont
indiqués.
DISCUSSION
Afin d’examiner la diversité génétique neutre chez les populations natives et envahissantes
d’ajonc d’Europe, nous avons utilisé six marqueurs microsatellites qui se sont avérés être très
polymorphes. Nous avons étudié et comparé les niveaux de diversité à plusieurs échelles
(populationnelle, régionale, entre la zone native et les zones envahies, et sur l’ensemble des
individus) afin d’inférer l’histoire évolutive des populations introduites et de comprendre les
mécanismes à l’origine de leur succès envahissant.
1. Diversité et structuration génétiques d’Ulex europaeus dans la zone native
Notre étude a mis en évidence une forte diversité génétique pour les six locus étudiés au
sein des populations naturelles d’ajonc d’Europe, tant au niveau allélique qu’au niveau
phénotypique. Le nombre de phénotypes dans chaque population est presque égal au nombre
d’individus qui les composent. De plus, aucune structuration génétique n’a été détectée en
Europe, que ce soit par le calcul de l’indice de différenciation (F’ST) ou par la méthode
d’assignation bayésienne.
Le niveau de diversité génétique élevé chez Ulex europaeus a déjà été observé dans une
étude antérieure portant sur des données allozymiques (Roussel et al., en préparation). De tels
niveaux de diversité allélique et génotypique peuvent s’expliquer par les caractéristiques
intrinsèques de l’espèce (Hamrick & Godt 1996 ; Nybom, 2004). Dans sa méta-analyse,
Nybom (2004) montre que les espèces pérennes à longue durée de vie sont celles qui présentent
les plus hauts niveaux de diversité, ce qui est le cas de l’ajonc d’Europe qui vit de 25 à 30 ans.
De même les espèces qui ont une répartition régionale et un mode de dispersion des graines par
barochorie, présentent une diversité génétique importante. De plus le système de reproduction
par allogamie prépondérant chez l’ajonc conduit à la création de nombreux variants
génotypiques (Nybom, 2004 ; Lee & Gelembiuk, 2008). Enfin, l’allohexaploïdie de l’ajonc
d’Europe autorise non seulement une plus grande diversité allélique portée par les individus du
fait de la duplication du génome, mais confère également une hétérozygotie fixée aux loci
homologues (Schierenbeck & Ainouche, 2006, Mallet, 2007). Les populations d’espèces
polyploïdes présentent dans la majorité des cas une diversité génétique élevée (Mallet, 2007).
Garcia-Verdugo et al. (2009) retrouvent par exemple ce patron chez Olea europea ssp
maroccana au Maroc.
18
Le degré de différenciation très faible voire nul des populations et des deux régions de la
zone native (Bretagne et Ecosse) d’une part, et l’absence d’isolement par la distance observé
chez l’ajonc d’Europe d’autre part, suggèrent des flux de gènes importants entre populations,
ce qui va à l’encontre des attendus pour des espèces avec une faible capacité de dispersion du
pollen et des graines. Or, si l’ajonc est essentiellement spontané actuellement, il était largement
planté par les bretons aux 18ième et 19ième siècles pour ses nombreuses utilisations (litière et
fourrage pour les animaux, amendement des sols, combustibles, etc.), ce qui pourrait avoir
occasionné des mouvements de graines conséquent homogénéisant les populations (C. Darrot,
com. pers.). En outre, cette forte diversité génétique non structurée intra et inter-régions natives
pourrait également remettre en cause le pouvoir discriminant des marqueurs microsatellites
utilisés. Celui-ci est peut être trop faible pour pouvoir mettre en évidence une quelconque
structuration.
2. Histoire de l’introduction de l’ajonc d’Europe en zone envahie : La Réunion ,
Nouvelle-Zélande
L’étude des microsatellites nucléaires dans six populations de la zone native et six
populations des zones envahies d’ajonc d’Europe n’a pas révélé de différence significative dans
les niveaux de diversité génétique entre les deux zones. Il apparaît ainsi qu’une grande partie de
la diversité génétique présente dans la zone native a été introduite à La Réunion et en NouvelleZélande. Cela suppose que les populations qui ont colonisé ces nouveaux milieux n’ont subi
que de faibles effets de goulot d’étranglement lors de leur établissement. Ce patron est souvent
retrouvé chez les espèces envahissantes, par exemple : Bromus mollis (Poacées ; Brown &
Marshall, 1981), d’Hypericum perforatum (Hypericacées ; Maron et al., 2004) ou encore
Centaurea stoebe micranthos (Astéracées ; Marrs et al., 2008b). L’apport important de
diversité allélique sous-entend que les plantes introduites résultent soit de l’apport d’un grand
nombre d’individus de génotypes différents, soit d’introductions multiples, soit des deux à la
fois.
L’hypothèse des introductions multiples s’accorde avec le fait que l’ajonc a été introduit
de façon volontaire à La Réunion (par les colons français à partir de la fin du 18ème siècle) et en
Nouvelle-Zélande (par les Ecossais, au 18ème siècle ; Hill et al., 1999), essentiellement dans le
but d’en faire des haies. Il a été montré dans de nombreuses études que le nombre et l’identité
génétique des individus introduits conditionnent la diversité allélique retrouvée en zone
introduite (voir la revue de Simberloff, 2009). En effet de multiples introductions génèrent une
diversité génétique intra-populationnelle plus élevée en zone envahie, étant donné la part plus
importante du pool génique de la zone native qui peut être introduite de cette façon. Ce patron
19
est notamment retrouvé chez Trifolium hirtum (Fabacées ; Molina-Freaner & Jain, 1992),
Ambrosia artemisiifolia (Astéracées ; Chun et al., 2009) ou encore Heracleum mantegazzianum
(Apiacées ; Henry et al., 2009). Ainsi Marrs et al. (2008b) mettent en évidence un phénomène
d’introductions multiples chez une epèce tétrapoïde, Centaurea stoebe micranthos
(Astéraccées) via la méthode d’assignation individuelle, observant l’assignation d’individus de
populations envahies à plusieurs clusters associés à des populations isolées de la zone native.
Cependant, bien que cela ait été possible dans l’étude citée précédemment, la forte diversité
allélique individuelle générée par l’allohexaploïdie de l’ajonc d’Europe a entraîné l’assignation
des individus à de trop nombreux clusters. Nous ne pouvons donc pas tirer de conclusions
quant à l’origine des populations envahissantes de La Réunion et de Nouvelle-Zélande.
La structuration génétique des populations entre elles au sein d’une région envahie peut
permettre de comprendre les mécanismes liés au succès envahissant des espèces. Elle dépend
directement de l’historique de fondation des populations et des flux de gènes existant entre ces
populations après leur colonisation du nouveau milieu (Ennos, 2001). Dans notre étude,
l’analyse de la structuration a révélé une très forte homogénéité entre les 12 populations et les
quatre régions. En effet, les F’ST moyens entre les populations de chaque région ne dépassent
pas 0,06 ce qui signifie que seulement 6% de la diversité génétique observée entre paires de
populations est présente entre les populations. De façon plus surprenante, il n’existe pas non
plus d’hétérogénéité génétique entre les populations de régions différentes : la valeur la plus
importante de F’ST par paires de populations est de 0,076, entre la population de Luc Boyer à
La Réunion (RLB) et celle de Wellington en Nouvelle-Zélande (ZWE). La méthode
d’assignation par inférence bayésienne nous fournit des résultats similaires et révèle en outre
une variabilité génétique très importante au sein de chaque population. Il apparaît alors que la
majorité de la variation génétique se retrouve au sein des populations plutôt qu’entre elles. Les
populations que nous avons étudiées partagent de nombreux allèles en commun pour nos
marqueurs. Cela peut être lié au niveau de ploïdie de l’ajonc et/ou au fait que les flux de gènes
entre les régions natives et les régions envahies ne sont pas « naturels » (de proche en proche)
mais dû à l’Homme. Cela biaise les patrons de différenciation attendus entre des populations si
distantes géographiquement.
Toutefois, il est intéressant de noter un niveau de structuration plus important entre les
populations réunionnaises, retrouvé pour les deux types d’analyses, alors que cette région
présente la plus faible diversité allélique parmi les quatre régions étudiées. Des résultats
similaires avaient été obtenus à partir de données allozymiques à partir de huit populations
20
réunionnaises, révélant les mêmes patrons de diversité et de structuration (Roussel et al., en
préparation).
Plusieurs hypothèses peuvent êtres émises pour expliquer le niveau de structuration
génétique légèrement plus important des populations réunionnaises : (i) l’isolement des
populations entre elles causé par la topographie de l’île, associé à un effet de dérive lors de
l’introduction; (ii) les populations réunionnaises étant les seules collectées en altitude, un effet
de la sélection aurait pu fixer des allèles différents selon la population (ensoleillement, taux
d’oxygènes différents, etc.). Nos résultats de structuration génétique peuvent aller dans le sens
de la première hypothèse. En effet la population de Luc Boyer (RLB) qui présente le contexte
d’isolement le plus fort située, dans une plaine au pied d’un rempart rocheux, est aussi la
population la moins diversifiée parmi toutes celles échantillonnées. En outre La Réunion est la
région où l’on retrouve le plus faible niveau de diversité allélique, témoignant peut-être d’un
apport de migrants plus faible qu’en Nouvelle-Zélande. Il est possible que le caractère
insulaire, et donc très isolé, de cette région explique le plus faible apport d’individus. Par
exemple, il est possible que l’ajonc n’ait été introduit qu’une fois en grand nombre sur l’île lors
de sa colonisation. Une étude de la diversité génétique de l’île d’Hawaï, où l’ajonc d’Europe est
également envahissant, permettrait d’explorer cette hypothèse.
La seconde hypothèse formulée sous-entend que nos marqueurs pourraient se révéler être
sous sélection alors que les microsatellites sont généralement supposés neutres. Si c’était le cas,
cela entraînerait des biais potentiels dans nos calculs et nos comparaisons de diversité et de
structuration génétique.
3. Potentiel évolutif de l’ajonc d’Europe dans les zones envahies
Notre étude montre que la diversité génétique neutre est similaire dans les deux zones,
native et envahie, et qu’une grande diversité génétique aurait donc été introduite dans les
régions envahies. Comme l’a montré Fisher (1930), la vitesse d’adaptation d’une espèce à de
nouvelles conditions environnementales est étroitement liée à son niveau de variabilité
génétique. Il est aujourd’hui reconnu que les invasions biologiques sont le lieu d’adaptations
rapides et que le potentiel évolutif des espèces introduites dans de nouveaux milieux est un
facteur conditionnant leur succès envahissant (Lee, 2002, Maron et al., 2004b). Cela a été
démontré chez de nombreuses espèces : Impatiens glandulifera (Balsaminacées ; Kollman &
Banuelos, 2004), Hypericum perforatum L. (Hypericacées, Maron
et
al., 2004b) et
Eschscholzia californica Cham. (Papaveracées ; Leger & Rice, 2007) par exemple. La diversité
21
présente dans les zones envahies dépend à la fois de la diversité retrouvée dans la zone native et
de la part de cette diversité qui a été introduite.
Lee et Gelembiuk (2008) ont proposé de faire le lien entre le niveau de perturbation de la
zone native d’une espèce, son niveau de diversité génétique et donc son potentiel évolutif. Cette
étude énonce en effet qu’un environnement présentant une hétérogénéité spatiale et/ou
temporelle favorise l’adaptation d’organismes au changement. Ce phénomène peut se traduire
de plusieurs façons : une évolution des systèmes de reproduction pour un brassage génétique
plus élevé, un plus fort taux de mutation ou un changement dans la covariance des taux de
mutations entre certains traits. L’ajonc d’Europe est soumis dans sa zone native à une
perturbation biotique : la prédation de ses graines au printemps par un charançon spécifique :
Exapion ulicis (Cucurlionidés). Atlan et al. (2010) ont montré chez l’ajonc une diversité de
traits liés à la reproduction et à la croissance (traits essentiels pour le succès envahissant) qui
ont évolué en réponse à cette interaction biotique. Ainsi, deux phénotypes de floraison se sont
mis en place chez l’ajonc : des individus à floraison longue (dès novembre jusqu’au printemps)
produisant peu de fleurs en même temps et des individus à floraison courte (uniquement au
printemps) mais produisant une grande quantité de fleurs en même temps. Ils correspondent
chacun à une stratégie d’évitement de la prédation, dans le temps pour la première, et par
satiété du prédateur pour la deuxième. Cette étude a montré qu’une base génétique sous-tend
ces deux phénologies, ce qui laisse penser à une forte diversité génétique en zone native.
La forte diversité allélique de la zone native qui semble avoir été introduite (la présente
étude) dans les régions envahies est certainement un facteur ayant joué un rôle majeur dans le
succès envahissant de l’ajonc européen. En outre, l’hexaploïdie de l’ajonc génère un grand
nombre de variants sur lesquels peut agir la sélection naturelle (Lavergne & Molofsky, 2007).
Une étude de l’évolution des traits de croissance et de reproduction chez les mêmes populations
(Hornoy et al., en préparation) n’a pas mis en évidence de différences entre la zone native et la
zone envahie mais a montré de fortes différences entre les populations, aussi bien dans la zone
native que dans les zones envahies. Nous pouvons émettre l’hypothèse que l’importante
diversité génétique introduite de l’ajonc d’Europe a conduit à des adaptations locales de ces
traits.
4. Conclusion et Perspectives
Dans le contexte des invasions par l’ajonc d’Europe, nous avons mis en évidence une forte
diversité génétique dans les régions de l’aire native et qui semble avoir été en grande partie
introduite dans les zones envahies. Cette diversité a pu promouvoir le succès envahissant de
22
l’espèce en lui conférant un important potentiel évolutif dans ces nouvelles zones. Nous
n’avons cependant pas pu retracer l’histoire évolutive de ces populations ni identifier les
régions de l’aire native d’où elles sont issues.
Il ressort de notre étude que les marqueurs microsatellites nucléaires utilisés ne sont pas
assez informatifs pour comparer correctement la diversité génétique chez l’ajonc entre la zone
d’origine et les zones envahies. Cela est essentiellement à mettre en lien avec l’hexaploïdie de
l’espèce. La détermination de marqueurs plus discriminants permettrait de mieux répondre aux
questions posées sur les invasions d’ajonc d’Europe dans de nombreuses régions du monde.
Des marqueurs cytoplasmiques haploïdes auraient été plus adaptés pour ce type d’étude. De
plus, la transmission uniparentale de tels marqueurs permettrait de mener une étude
phylogéographique. Cependant, contrairement aux marqueurs nucléaires, les génomes
cytoplasmiques mitochondrial et chloroplastique n’ont montré qu’une très faible diversité au
niveau du genre Ulex (Cubas et al., 2005 ; K. Ainouche, com. pers.).
Ces premiers résultats seront complétés grâce à un échantillonnage plus exhaustif des
populations européennes (natives) et des populations des régions envahies. C’est ainsi que des
ajoncs provenant d’Espagne (zone d’origine du genre Ulex avant sa colonisation de l’Europe,
après la dernière glaciation), du Chili, des Etats-Unis et d’Hawaï vont êtres analysés.
23
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ANNEXES
Annexe 1 : séquences des amorces des sept locus étudiés.
Marqueur A101
Forward : 5'CGCAATTTTATGCTTCTTC'3
Reverse :
5'ACACCAACAGATAACTTACAGG'3
Marqueur A110
Forward :
5'CTATGGTGAATTTGTGATACAC'3
Reverse : 5'ACCTTGTTGCATCTTTACC'3
Marqueur A114
Forward :
5'GCAGGAGCATCAAATATACGTG'3
Reverse :
5'ACGAATCACCTACGTTGAACTG'3
Marqueur A125
Forward :
5’GCATATACATACCCGAGG’3
Reverse :
5’AACCTGATGATATGCACTAATC’3
Marqueur B104
Forward :
5'GAACCTTATTCACTGGAATCTG'3
Reverse :
5'CCCTTTTCTTTCCTTTCTTAAC'3
Marqueur B123
Forward :
5'AATTTGCCTGACATTGTTACTC'3
Reverse :
5'AGACCGTGTTCATTATGGTTAG'3
Marqueur B4
Forward :
5'GGGCTCTGGCTCTGATAC'3
Reverse :
5'TTGGATTAACCAACTTTCCTC'3
Annexe 2 : Composition des mixes réalisés pour les réactions de PCR, en µL pour une
réaction, selon les marqueurs.
Annexe 3 : Caractéristique des multiplexes A et B. Les locus ont été amplifiés séparément
puis réunis en deux multiplexes pour le génotypage.
Annexe 4 : Transformation du logarithme de probabilité des données après
transformation en ∆K selon la méthode d’Evanno et al. (2005) en fonction du nombre de
clusters.
Annexe 5:: Matrice des F’st par paires de populations, à
partir duquel a pu être construit l’arbre phénétique liant
les populations sur la base de leur structuration
génétique (voir Figure 1)
Résumé :
Le rôle des processus évolutifs dans les invasions biologiques est considéré
aujourd’hui comme un élément majeur déterminant le succès envahissant d’une espèce.
L’ajonc d’Europe est une espèce allohexaploïde native de l’ouest de l’Europe qui a été
introduit et a envahit de nombreuses régions du monde. Afin d’inférer l’histoire évolutive des
populations envahissantes d’ajonc et de déterminer le rôle de la diversité génétique dans les
processus de son invasion, nous avons comparé la diversité génétique de plusieurs populations
de la zone native et des zones envahies. Une très forte diversité génétique et une absence de
structuration entre les populations a été mis en évidence dans chaque zone. La différenciation
entre populations semblerait plus forte au sein des régions qu’entre elles. Cela va dans le sens
d’introductions multiples de l’ajonc dans les régions envahies. Nous discutons le lien potentiel
entre la forte diversité génétique introduite ainsi dans les régions envahies et le potentiel
évolutif de l’ajonc d’Europe. L’importante capacité d’adaptation rapide de cette espèce à de
nouvelles conditions environnementales est certainement un facteur expliquant son succès
envahissant.
Mots clés : Invasions biologiques, introduction multiple, diversité génétique,
structuration génétique, allopolyploïdie, potentiel évolutif, Ulex europaeus.
Abstract :
Evolutionary processes are now recognized to have major implication in the invasive
success of species. Common gorse is an allohexaploid species native from West Europe,
introduced to many regions worldwide where it became invasive. In order to infer the
evolutionary history of these invasive populations, comparisons of genetic diversity and
genetic structure between native and introduced areas were performed. Both colonized and
native areas exhibited important genetic diversity levels with no genetic differentiation. These
results are consistent with an history of multiple gorse introductions in invaded regions. We
discuss the eventual relationship between the high degree of introduced genetic diversity and
the evolutionary potential of common gorse. The great ability of gorse rapid adaptation is
certainly an important factor for its invasive success.
Keywords : Biological invasions, multiple introduction, genetic diversity, genetic
structure, allopolyploidy, evolutionary potential, Ulex europaeus.