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 Plants’.
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 Plant 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 eudicots
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 Malpighiaceae: 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 Rosids; 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