Soutenance mémoire
Classification des êtres vivants
Etude de la diversité du vivant à l’échelle des espèces, et des populations
Théories sous-jacentes à la reconstruction des phylogénies
De très nombreuses méthodes existent pour représenter les relations de parenté entre taxons. De nos jours, sont exploitées comme support presque exclusivement les séquences nucléotidiques. En effet, dans une séquence nucléotidique, chaque nucléotide est considéré comme un caractère. Si l’on étudie une séquence de 500 paires de bases, entre divers individus, la comparaison se réalise de manière bien plus pointue que si l’on comparait une dizaine de caractères observables. Bien sûr, il convient de choisir des gènes présentant peu de variabilité intra-spécifique, et une forte variabilité inter-spécifique, afin de permettre une comparaison aisée entre organismes d’espèces différentes. L’étude de la phylogénie est un vaste domaine et quelle que soit la méthode utilisée, des hypothèses très simplificatrices sur l’évolution biologique des séquences sont nécessaires. Avec les méthodes actuelles, pour reconstruire une phylogénie de bonne qualité, c’est-à-dire la plus représentative d’une réalité biologique, la qualité et le nombre des données provoquent plus de variations au sein d’un arbre qu’un changement de méthode. L’outil informatique permet un traitement de très nombreuses données, ainsi qu’une complexification des algorithmes nécessaires à leur réalisation (LECOINTRE et LE GUYADER, 2001).
Le choix du gène sera particulièrement important dans la réalisation d’un arbre phylogénétique. En effet, par l’utilisation des séquences nucléotidiques, on part du postulat que le ou les gènes choisis évolueront de la même manière que l’organisme qui les porte. Ainsi, lors du phénomène de spéciation, deux populations d’une même espèce en viennent à évoluer indépendamment l’une de l’autre, et donneront in fine deux espèces. Le même gène, présent dans les deux espèces, acquerra dans chacune de ces espèces des mutations différentes. On appellera ces gènes « gènes orthologues », et ce sont eux qui nous intéresseront. Néanmoins, il est possible, au sein d’une même espèce, qu’un gène en vienne à se dupliquer, une ou plusieurs fois. Ainsi, chaque répétition du gène en viendra à évoluer séparément, et ces gènes, nommés « gènes paralogues » seront alors un « piège » pour la réalisation de phylogénies moléculaires (DARLU et TASY, 1993 ; LE GUYADER, 2003).Il existe cependant quelques limites à l’utilisation de l’outil moléculaire pour la reconstruction de phylogénies. Tout d’abord, l’emballement premier à l’arrivée de cet outil a été freiné par le coût important du séquençage, même s’il tend à diminuer avec l’évolution des techniques. De plus, des erreurs dues au choix des protéines ou des gènes sont possibles. Citons l’exemple de Graur en 1991 qui a montré que d’après l’analyse de quinze protéines, la souris serait plus proche des primates que du cochon d’Inde, ce qui contredit toutes les autres données morphologiques, paléontologiques, ou générées par l’étude d’autres protéines (GRAUR, 1991). Le problème résultait de l’utilisation d’un nombre trop faible d’espèces. En effet, l’éloignement de certains taxons de leurs groupes frères peut s’expliquer par un artéfact d’attraction des longues branches. Ce phénomène peut nous conduire à définir des relations de parenté fausses. Il faut donc prêter une attention particulière à ce type d’artéfacts lors de l’interprétation des reconstructions phylogénétiques (LE GUYADER, 1998).
Applications pratiques
On peut globalement séparer les arbres phylogénétiques en trois types, reposant sur trois approches différentes : phénétique, cladistique, ou probabiliste.La plus ancienne, la systématique phénétique, date des années 1960, et fait suite aux travaux des généticiens des populations ainsi que, principalement, du biologiste Ernst Mayr. Cette systématique est associée à une école de pensée dite « New Systematics », qui a pour but de réunir la spéciation, donc l’analyse de la divergence entre les espèces à l’aide de l’outil génétique, et la systématique. La systématique phénétique consiste à mesurer les ressemblances entre taxons, principalement ceux éloignés les uns des autres, et à les ramener à des distances (MAYR, 1963). En parallèle à cette doctrine émerge la phylogénie cladistique, pour laquelle on cherche à placer sur les branches les événements évolutifs ayant eu lieu dans chaque lignée, les états dérivés de caractères homologues, en partant du principe que seuls ces caractères permettent de prouver la parenté entre deux taxons, tandis que les caractères plus anciens, communs à des taxons descendants d’un autre ancêtre, n’apportent pas d’information pertinente. Un organisme et tous ses descendants forment un « groupe monophylétique ». La difficulté consiste à définir les états dérivés (ou plésiomorphes) par rapport aux états ancestraux (ou apomorphes), ces derniers étant ceux apparus moins récemment dans l’histoire, ou au cours du développement. De plus, le cladogramme choisi sera celui présentant le nombre de transformations évolutives le plus restreint : on appelle ce dernier critère la parcimonie. Cela permet entre autres d’éviter les analogies (ressemblances dues uniquement à des convergences adaptatives, par exemple les ailes chez les oiseaux et les chauves-souris, nées d’une même adaptation au vol) et de conserver les homologies (TILLIER, 2000).Enfin, l’approche probabiliste consiste à choisir un modèle d’évolution, constitué d’un ensemble de paramètres θ sur lesquels on peut formuler différentes hypothèses. On cherche, au sein d’un modèle choisi, à faire tendre les paramètres vers leurs valeurs les plus vraisemblables. Plus on possède de données initiales, plus les valeurs estimées pour les paramètres sont probables. On ne pourra pas néanmoins tirer de conclusions quant à la validité du modèle lui-même (DARLU et TASY, 1993).Il existe de très nombreux algorithmes permettant d’aussi nombreuses réalisations d’arbres. Il peut être pertinent au cours d’une étude d’en tester plusieurs, et de les comparer. Si les résultats sont proches, cela signifiera que ceux-ci sont probablement exacts. Il est également intéressant de choisir la méthode en fonction d’une question spécifique, ainsi que d’incorporer une possibilité de variation dans les taux de mutations / substitutions, afin de ne pas trop encadrer la réalisation de l’arbre.Enfin, et ce quelle que soit la méthode choisie, il peut se révéler intéressant d’évaluer statistiquement l’arbre obtenu : on fait alors appel à la méthode de bootstrap, inventée par Bradley Efron en 1979. Il s’agit de perturber la matrice de données utilisée pour la création de l’arbre pour tester la robustesse de chaque nœud, en recréant artificiellement plus d’une centaine de « pseudo-arbres » et en les comparant à chaque fois à l’arbre initial. La fréquence à laquelle on retrouve les sous-parties de l’arbre dans l’ensemble de pseudo-arbres est la valeur de bootstrap. Une valeur de bootstrap élevée attestera d’un embranchement fiable (EFRON, 1979).
L’apport de la génétique des populations : principes sous-tendant la biodiversité
Après avoir vu les différentes manières de modéliser les relations de phylogénie entre espèces, il peut être intéressant de se pencher sur le stade antérieur à l’apparition d’une nouvelle espèce, c’est-à-dire la population. Les mêmes outils que ceux vus précédemment pourront être utilisés, en considérant cette fois une population, comme unité taxonomique. En effet, dans cette vision, pour passer d’une génération à une autre, ce sont bien les populations qui se reproduisent à l’identique, en reproduisant la même diversité de génotypes, et non les individus. On considère bien dans ce cas la population comme une unité évolutive. Aucun descendant n’est totalement identique à ses parents, mais les fréquences alléliques au sein d’une population sont bien, elles, identiques de génération en génération. Pour Ernst Mayr, important théoricien de la discipline, la population est un pool génique, donc un ensemble évolutif, et il se caractérise par sa diversité génétique à un instant t, et recombine les allèles entre les individus par la reproduction sexuée. Le terme « génétique des populations » n’est donc pas uniquement synonyme de génétique utilisée au niveau de la population comme on en ferait à n’importe quel autre niveau, mais elle identifie que c’est à ce niveau, précisément, que se détermine l’évolution des espèces (HENRI et GOUYON, 2008).
De plus, la génétique des populations est dotée d’outils divers, nous renseignant particulièrement sur les flux de gènes entre populations. Il est alors possible de connaître, à l’aide de tels estimateurs, le taux de différenciation entre deux populations. Il est aussi possible de connaître l’évolution démographique d’une population. Les tests dits de « neutralité sélective », comme le Fs de Fu (FU, 1997) ou le D de Tajima (TAJIMA, 1989), auront pour but de comparer certaines quantités observables (nombre d’allèles de l’échantillon, etc.) à celles que l’on devrait observer en l’absence de sélection. Si la différence est significative, il sera alors possible de s’orienter vers une hypothèse de sélection du gène, ou bien si l’on écarte cette hypothèse, vers une modification démographique de la population, qu’il s’agisse d’une expansion ou d’un goulot d’étranglement (réduction de la taille efficace de la population).
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Table des matières
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : Terminologie et modèle d’étude
I. Historique de la classification des êtres vivants
1. Fixisme et créationnisme, héritages de l’Antiquité
2. Introduction des concepts de transformisme, puis d’évolution
3. Une révolution technologique : l’outil moléculaire
II. Etude de la diversité du vivant à l’échelle des espèces, et des populations
1. Théories sous-jacentes à la reconstruction des phylogénies
2. Applications pratiques
III. Forficula auricularia, organisme modèle pour l’étude de la spéciation
1. Présentation générale de l’objet d’étude
2. Particularité de l’organe caudal, le forceps
3. Dynamique des populations
DEUXIEME PARTIE : Travail personnel
I. Introduction
II. Matériels et méthodes
1. Collection et identification des individus
2. Protocole morphogéométrique
3. Tests préalables
4. Extraction d’ADN, amplification et séquençage de deux gènes mitochondriaux… 30
4.1 Extraction d’ADN
4.2 Amplification par PCR de la région 5′ de COI
5. Analyse des séquences et construction d’arbres phylogénétiques
III. Résultats
1. Résultats préliminaires
2. Localisation des deux espèces en Europe
3. Phylogénie
4. Diversité et structuration des populations
5. Flux de gènes entre population
6. Morphogéométrie
6.1. Le dépassement de l’aile gauche
6.2. Le pronotum
6.3. Les forceps
6.4. Synthèse
DISCUSSION
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
ANNEXE 1 : Lexique
ANNEXE 2 : Liste des contributeurs à l’échantillonnage de perce-oreilles
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