Evo-dévo des plantes: évolution de la fleur

Catherine Damerval Evo-dévo : origine des innovations évolutives

• Le développement chez les plantes est « continu »

• Les méthodes : l’analyse comparative dans un contexte phylogénétique pour interpréter l’origine des caractères observés sur les espèces actuelles, définir l’homologie des caractères la génétique moléculaire du développement sur les « espèces modèles »

• Evo-devo-eco: ajouter la dimension populationnelle et l’action de l’environnement pour comprendre les processus évolutifs

Innovation évolutive

Mayr (1963): « newly acquired structure or property that permits the performance of a new function, which in turn, will open a new adaptive zone »

Muller & Wagner (1991): « a structure that is neither homologous to any structure in the ancestral species nor serially homologous to any other part of the same structure »

Arthur (2000): innovation~apomorphie

West-Eberhard (2003): importance de la différentiation « qualitatively distinct developmental variant »

Pigliucci (2008): « new traits or behaviours, or novel combinations of previously existing traits, arising during the evolution of a lineage, and that perform a new function within the ecology of that lineage»

Bowman et al 2007 Plan du cours

• Organisation de la fleur et diversité • Génétique du développement chez Arabidopsis et Antirrhinum: le modèle ABC d’identité des organes floraux • Conservation et variation du modèle à l’échelle des angiospermes

• Evolution multiple des pétales • Evolution de la symétrie La fleur

Corolle (=pétales) Androcée (=étamines)

Périanthe

Calice (=sépales) Gynécée (=carpelles)

Réceptacle Pédondule

Fleur = structure déterminée, associant des organes reproducteurs mâles (microsporanges=étamines) et femelles (megasporanges=carpelles) sur un axe court, entourés d’organes stériles (sépales et/ou pétales=périanthe). Plan d’organisation général conservé

SEPALES / PETALES / ETAMINES / PISTIL

Coen 2001 Photos Sophie Nadot Variations de l’architecture florale

• Position des organes (spiralée ou cyclique, position infère ou supère du gynécée) • Nombre (variable ou fixé) • Forme • Taille • Couleur • Soudure (intra-verticille ou inter-verticilles) • Présence / absence de récompense (nectar, lipides, résines) • Présence / absence d’organes • Symétrie florale

Lien avec le mode de pollinisation Un peu d’histoire...

J.W. Goethe (1787) « Alles ist Blatt »

1790 : ‘Metamorphosis of ’.

Concept d’homologie sérielle des organes au sein d’un individu Les organes de la fleur sont des feuilles modifiées (métamorphose) et groupées ensemble.

C. F. Wolff (1759) : ‘Theoria Generationis’ redécouvert par Goethe

La feuille est l’élément constitutif fondamental . Observations d’organes floraux transformés dans des fleurs «anormales » (S P, E P)

Cette théorie n’a pu être validée The Archetype (1837). Illustration de la expérimentalement qu’à la fin des métamorphose demandée par Goethe à PJ Turpin années 90 ! Bases génétiques du développement floral : Le modèle ABC chez Arabidopsis thaliana et Antirrhinum majus Phylogénie simplifiée des angiospermes

MAGNOLIIDEES

MONOCOTYLEDONES

EUDICOTYLEDONES

EUDICOTYLEDONES Arabidopsis CENTRALES (126-121 My)

ROSIDEES (123-115 My)

ASTERIDEES (119-110 My) Antirrhinum

APGIII-2009 Magallon et al 2015 Les mutants floraux homéotiques chez Arabidopsis

(A) Wild-type = 4S+4P+6E+1C sépales + pétales + étamines + carpelles

(B) agamous = 4S+4P+6P+S/P/intermédiaires sépales + pétales + pétales + (sépales+pétales..)

(C) apetala2 = 4carpelles+4E+6E+1C carpelles + étamines + étamines + carpelles C (D) apetala3 = 4S+4S+6C+1C sépales + sépales + carpelles + carpelles

(E) pistillata = 4S+4S+2-3C sépales + sépales + carpelles + carpelles

Bowman et al 1989, Krizek & Fletcher 2005 Antirrhinum Arabidopsis

WT Mutants homéotiques

Classe A ovulata ap2

Classe B deficiens (def), globosa (glo) ap3, pi

Classe C plena (ple) ag

The war of the whorls

Coen & Meyerowitz 1991 Les 3 classes de mutants définissent 3 fonctions: le modèle ABC

Causier 2010 Valeur prédictive du modèle ABC les doubles mutants

A: ag ap3 B: ag pi C: ag ap2 D: ap2 pi E: ap2 ap3

Bowman et al. 1989

les triples mutants

A: ap2 ap3 ag B: ap2 pi ag

Bowman et al 1991 L’expression ectopique des gènes B (C) ne suffit pas à transformer des feuilles en organes floraux

D: 35S::PI E: 35S::PI p35S::AP3

Krizek & Meyerowitz 1996

Les fonctions B et C sont nécessaires mais pas suffisantes pour l’identité « florale »

Identification de protéines en interaction avec les ABC: la classe/fonction E Expression ectopique de la fonction E avec des gènes ABC

Transformation de feuilles en « pétales »

Les gènes SEP sont nécessaires à la manifestation de l’identité florale

Pelaz et al 2001 Comment interagissent les protéines SEP et celles des fonctions ABC ?

Les facteurs MADS sont capables de faire des homo/hétérodimères et sous cette forme, de se lier à une « boîte » CArG

Ces dimères ont la capacité d’interagir entre eux

Chaque organe serait défini par un quartet particulier, activant une cascade de cibles spécifiques

Quartet model Theissen & Saedler 2001

Melzer et al 2009 Validation expé Melzer & Theissen 2009 Le modèle ABCE

Chanderbali et al 2010 Quels gènes derrière ces fonctions ? Tous codent pour des facteurs de transcription Tous, sauf Apetala2 appartiennent à la famille des MADS-box

Becker & Theissen 2003 Histoire évolutive simplifiée des gènes MIKCc: les gènes assurant les fonctions A, B, C, E appartiennent à des clades différents (A, B, C, E)

E Les gènes de classe E (A ?) A sont spécifiques des Angiospermes

C(D)

La duplication (AP3-PI) précède la diversification des B angiospermes

Seq. gymnosperme

D’après Soltis et al 2006 Duplications à la base des B A core

C E

(Kramer & Zimmer 2006) Conservation et variation du modèle à l’échelle des angiospermes Homologie vs homoplasie

• Étienne Geoffroy Saint-Hilaire (1818) Principe des connexions “Deux structures sont homologues bien qu’ayant (éventuellement) un aspect différent, si elle conservent la même organisation fondamentale (le même plan) et les mêmes connexions essentielles avec les organes avoisinants.” Homologie primaire (structurale, de position) • Richard Owen (1843)

“ Homologue: The same organ in different animals under every variety of form and function. Analogue: A part or organ in one animal which has the same function as another part or organ in a different animal”

• Charles Darwin (1859, 1872) Descendance avec modification “The natural system is founded on descent with modification; the characters which naturalists consider as showing true affinity between two or more species are those which have been inherited from a common parent” “Homology: That relation between parts which results from their development from corresponding embryonic parts”

Homologie secondaire (de filiation)

Homoplasie = opposé de l’homologie Les différents organes floraux sont-ils homologues à l’échelle des angiospermes ?

Reconstruction de la fleur ancestrale (Endress & Doyle 2009)

Plus de deux cycles de tépales Plus de deux cycles d’étamines Plusieurs carpelles non soudés Bisexuée ? Périanthe différencié ? Insertion spiralée ou cyclique ?

Les carpelles et étamines sont homologues à l’échelle des angiospermes Le cas du périanthe est complexe Les différents organes floraux sont-ils homologues à l’échelle des angiospermes ?

Reconstruction de la fleur ancestrale (Endress & Doyle 2009)

Plus de deux cycles de tépales Plus de deux cycles d’étamines Plusieurs carpelles non soudés Bisexuée ? Périanthe différencié ? Insertion spiralée ou cyclique ?

Les carpelles et étamines sont homologues à l’échelle des angiospermes Le cas du périanthe est complexe

Qu’en est-il des mécanismes qui contrôlent l’identité de ces organes ? La fonction A n’est pas conservée :

• Le mutant de classe A d’Antirrhinum (ovulata) est en réalité un mutant de sur-expression du gène de fonction C Plena Aucun mutant récessif de classe A (perte de fonction) n’a été identifié

• Chez Arabidopsis, différents allèles d’ap2 ont des effets variables sur le verticille 4 (F, C)

deux homologues chez Antirrhinum, Lipless1 et 2 double mutant lip1 lip2 S et P modifiés Pas d’extension de la fonction C

Keck et al. 2003 • Deuxième gène de ‘fonction A’ chez Arabidopsis, Apetala1 (Ap1):

S->’feuille’ axillant fleur secondaire, etc. apetala1-1 0 P; E, C

Irish & Sussex 1990

Chez Antirrhinum, Squamosa (Squa)

remplacement des fleurs par des inflorescences squamosa fleurs anormales, mais présence de pétales

Huijser et al1992 La fonction A et l’évolution de la régulation d’AP1 chez Arabidopsis

WGD à la base des Brassicaceae (40-50 Myrs):  AP1 et CAL (CAULIFLOWER) chez Arabidopsis

AP1

Expression différenciée, sous-fonctionalisation

CAL Comparaison des régions génomiques d’AP1 et CAL:

Boucle d’auto-régulation

6 sites de liaison communs Beaucoup plus de sites sur AP1 que sur CAL Analyse fonctionnelle du promoteur (B-G, gène rapporteur GUS) Reconstruction de l’évolution des boîtes de liaison dans un cadre phylogénétique

A. thaliana A. lyrata C. rubella T. parvula A. arabicum T. hassleryana C. papaya

+ 7, 0 perte + 2, -4

Ye et al. 2016 Au sein des eudicots dérivés :

• La fonction A chez A. thaliana ne représente pas le cas général

• Les gènes de fonction A jouant un rôle dans l’identité Sépale ont aussi un rôle dans l’identité du méristème (floral vs inflorescence)

• Le rôle dans l’identité Pétale n’est pas général

• Le rôle « antagoniste-C » est assuré par des processus divers selon les espèces Chez les angiospermes basales: les patrons d’expression des gènes sont moins spécifiques que chez les core eudicots

A PI/GLO B AP3/DEF C: AG

A État ancestral B/B C Kim et al 2005 Les fonctions B et C sont mieux « conservées » que la fonction A :

les gènes homologues d’AP3/PI sont exprimés dans les étamines et de manière variable dans le périanthe les gènes homologues d’AG sont exprimés dans les carpelles/ovules et étamines Limite aux études faites en dehors des espèces modèles : la plupart du temps, il s’agit de corrélations entre patrons d’expression et caractère pas/peu d’analyses fonctionnelles possibles (eg inactivation de gène, transformation)

Des homologues des classes B et C interviennent dans la différenciation des organes sexuels chez les gymnospermes Les variations du modèle ABC : une origine de la diversité florale

modèle « fading borders » : état ancestral organes d’identité mal définie (Buzgo et al. 2004)

Agapanthe, Tulipe, Palmier à huile.. mais pas Lys ni Asparagus

modèle sliding border (shifting boundary) van Tunen,1993 Bowman, 1997 Kramer et al. 2003

Theissen and Melzer 2007 Aller au-delà des gènes ABCE pour décrypter les réseaux de gènes impliquées dans l’identité des organes floraux

Chanderbali et al 2010 Les périanthes différenciés et l’origine des pétales

Définition d’un « pétale » différencié non différencié (sépales + pétales) (« tépale ») dans un périanthe différencié (bipartite=calice+corolle)

morphologie et fonction : « pétaloïde », présence de cellules coniques, attraction des pollinisateurs vs protection (sépales/calice)

anatomie et développement : nb traces vasculaires, pause dans le développement

pièces stériles internes (corolle) entourant les étamines Cooper et al 2013, Plant Ontology Consortium

Au niveau évolutif, plusieurs origines indépendantes : les pétales sont des structures homoplasiques

Le périanthe différencié a évolué plusieurs fois indépendamment chez les angiospermes

=> les « pétales » ne sont pas homologues dans les différents taxons

Qu’en est-il de leur origine moléculaire ? Gènes candidats= fonction B

Endress 2011 Chez les Ranunculales Cycle 1 Cycle 2

Rasmussen et al. 2009 Les gènes de la fonction B chez les Ranunculales:

Trois clades de gènes AP3

Un clade de PI (duplication spécifiques d’espèces) Sous-fonctionalisation des paralogues AP3 Le paralogue AP3-III joue un rôle dans l’identité « pétale » chez les Ranunculaceae

• Expression spécifique dans les pétales (Rasmussen et al 2009)

• L’inactivation d’AP3-3 chez l’ancolie transforme les pétales en sépales (Sharma et al. 2011)

• L’inactivation d’AP3-3 chez la nigelle phénocopie un mutant spontané sans pétales (Gonçalves et al. 2013)

• Dans plusieurs espèces ou les pétales sont « perdus », le gène AP3-3 est inactif (Zhang et al 2013)

AP3-I et –II plutôt dans les étamines et sépales

Rasmussen et al. 2009 Chez les Poaceae: les lodicules sont-ils homologues de pétales ?

Riz : le gène Superwoman-1 (AP3-like) WT Mutant spw1-1

Épillet=fleur modifiée Mutant de fonction B lodicule: cycle 2, non pétaloïde, gonflement à l’anthèse

Ra: rachis Ge: glumes Transformation Le: lemma homéotique des Pa: palea lodicules en Lo: lodicules St: étamines lemma/palea, des étamines en carpelles Riz: Nagasawa et al 2003; Maïs: Ambrose et al. 2000 Les lodicules des graminées dérivées sont-ils homologues de pétales ?

Whipple et al 2007 lodicules Yoshida 2012 Grasses

Développement précoce homologue Silky1

PI-like Zea

Ambrose et al 2000

Streptochaeta

AP3 PI2

AP3-like Elegia

AP3a AP3b

Joinvillea

AP3 PI

Whipple et al 2007 Pour conclure sur les pétales et les gènes B

• Les gènes B semblent jouer un rôle dans la définition d’un champ morphogénétique « cycle 2 »

• On peut parler d’évolution parallèle des pétales par activation de ce(tte) fonction/programme ancestral(e) (« homologie profonde » ou process homology)

• Le caractère pétaloïde ou non, la forme, peuvent être associés aux réseaux recrutés en aval des gènes B

Evolution de la symétrie florale

MONOCOTS A l’échelle des angiospermes:

état ancestral = radiale/actinomorphie état dérivé = bilatérale/zygomorphie

EUDICOTS

Nombreuses évolutions indépendantes de la zygomorphie CORE EUDICOTS

APG 2009 Apparition de la s. bilatérale (zygomorphie) au cours de l’évolution

Millions years Oligocene 34 Paleogene Eocene fossiles de fleur zygomorphe 56 65 Paleocene * Maastrichtian * 72 Campanian 84 Santonian 89 Coniacian Turonian 93 * fossile de fleur d’eudicot cyclique 99 Cennomanian * Albian Crétacé 112 Aptian 120 Barremian premiers fossiles angiospermes 130 Hauterivian Valanginian 140 Berriasian La zygomorphie est probablement apparue Jurassic ~60 MY après l’émergence des angiospermes

La symétrie bilatérale: un caractère adaptatif

Fleurs zygomorphes : pollinisation biotique très souvent des abeilles/bourdons (nectar, pollen) Interaction spécifique avec les pollinisateurs: approche unidirectionnelle plateforme d’aterrissage limitation des mouvements placement spécifique du pollen

La zygomorphie apparaît comme un caractère propre à améliorer la fécondation croisée

Innovation évolutive, associée à richesse spécifique e.g., Orchidacées (~27 000 sp) Fabacées (~19 000 sp) Asteracées (~24 000 sp) Mécanismes génétiques/moléculaires du contrôle de la symétrie chez Antirrhinum majus

dorsal

ventral

WT Pétales

Dorsal Latéral Ventral Latéral Dorsal Mutants semi-péloriques

cycloidea Dorsal Latéral Ventral Latéral Dorsal dichotoma

x = Mutant pélorique

X 6 cycloidea-dichotoma L’interaction de quatre facteurs de transcription détermine le patron bilatéral

CYC+DICH

RAD CYCLOIDEA, DICHOTOMA = TCP DIV

DIV DIV DIV

RADIALIS, DIVARICATA = MYB

Luo et al 1996, 1999 Galego & Almeida 2002 gène majeur = CYCLOIDEA Corley et al. 2005 Raimundo etal 2013 Les gènes homologues de CYC : une histoire de duplications multiples

Au moins une duplication chez les Monocots

Deux duplications chez les Core Eudicots

duplications chez différents ordres d’Eudicots basales

Citerne et al. 2013 Association récurrente d’un patron d’expression asymétrique d’homologues de CYC et de la symétrie bilatérale

Expression dorso-ventrale asymétrique de CYC2 chez les core Eudicots

Expression asymétrique d’homologues de CYC chez les Eudicots basales

Expression asymétrique d’homologues de Oryza (Poaceae) Heliconia, Costus (Zingiberaceae) CYC chez les Monocots

Hileman 2014 Les Magnoliids: la symétrie bilatérale (zygomorphie) chez les Aristolochiaceae

Piperales Saruma henryi, actinomorphe

Aristolochia arborea, zygomorphe

Expression homogène chez S. henryi

Expression asymétrique (abaxiale), tardive chez A. arborea

CYC1 CYC2

Horn et al. 2015 Les Eudicots basales : les Papaveraceae, Ranunculaceae et Proteaceae

Monocots > 23

Ranunculales x 3 Sabiaceae x 1 Proteales x16 Eudicots basales

Core Eudicots > 46 Chez les Papaveraceae

Différents types de symétrie et scenario évolutif:

Mise en place tardive au cours du ACTINOMORPHIE développement

Lamprocapnos

BISYMETRIE Hybridation in situ, PapCYC2 2 éperons Expression asymétrique, transversale, tardive

Capnoides

ZYGOMORPHIE 1 éperon Damerval et al. 2007, 2013 Chez les Ranunculaceae

Le clade des espèces zygomorphes (Delphinieae) possède une duplication supplémentaire

1 2 3 DS LS VS St AcCyL1a

AcCyL1b

AcCyL2a

AcActin

Expression asymétrique, dorso-ventrale, tardive Jabbour et al. 2014 Chez les Proteaceae

Gènes CYC: duplication à la base des Proteaceae => deux paralogues

Evolution récurrente de la zygomorphie G Do Do

Ve Ve

Grevillea juniperina

expression

6

ProtCYC ProtCYC1

2 ProtCYC2 Relative

Do Ve G

Expression asymétrique, dorso-ventrale, tardive

>15 transitions actinomorphie -> zygomorphie Citerne et al. 2015 Les gènes CYC et la symétrie chez les Magnoliids et les eudicots basales:

 Duplications

 Expression asymétrique tardive relativement à la mise en place du phénotype (? Ranunculaceae) => pas de rôle initiateur

 L’asymétrie d’expression suit le plan de symétrie florale, transverse ou dorso-ventrale

Quel est le signal activateur, et agit-il directement sur les CYC ? Réversions de la zygomorphie à l’actinomorphie = transformations homéotiques

CYC expression

État ancestral

s1 s2 s3

Ventralisation (inactivation/perte) Dorsalisation Linaria (hétérotopie) Plantago lanceolata : Sphedamnocarpus) Cadia, Plantago major sp. Malpighiaceae : Microsteria, Lasiocarpus et Psychopterys )

Ventralisation (expression transitoire) Gesneriaceae: Bournea Les pétales et la symétrie bilatérale: deux caractères homoplasiques à évolution parallèle au niveau moléculaire

Les pétales:

 Implication récurrente des gènes B, via une fonction ancestrale « minimum » de définition d’un champ morphogénétique W2

 switch on/off, via l’activation de différents réseaux de gènes cibles en aval La symétrie bilatérale:

 Implication récurrente des gènes TCP de type CYC : quelle est la fonction ancestrale de ces gènes ? Quel est leur rôle chez des espèces où l’actinomorphie est ancestrale ?

 Le réseau en aval de CYC paraît conservé chez les Lamiales (autres Asterids ?)… différent chez les ; inconnu chez les autres clades d’angiospermes L’expression des gènes de classe B agit comme « sélecteur » du sexe.

Out of Male

C B+C B+C Axe mâle Axe bisexué C C B B Restriction microsporophylles éta carp d’expression de B Out of Female

C C B+C Expression ectopique de B Axe femelle Axe bisexué

Mécanismes proposés : - modification des régulateurs trans de B - modification des régions cis-régulatrices de B