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Des gènes à l’origine de traits nouveaux donnant accès à un nouvel environnement

chez la punaise Rhagovelia (Heteroptera, Gerromorpha, Veliidae)

Les innovations évolutives se traduisent par l’apparition de nouvelles structures ou comportements au cours de l’évolution (ex : la fleur, la carapace des tortues, l’aile des insectes (lien), un patron de coloration chez les papillons (lien)). La théorie prédit que ces événements d’apparition sont uniques à chaque innovation et rares. C’est ainsi que les innovations sont partagées par des groupes d’espèces apparentées, des taxons (ex : respectivement, les angiospermes, les oiseaux, les tortues, les insectes, les papillons). L’apparition de nouvelles structures est le premier mécanisme par lequel les innovations participent à la diversification du vivant.

Une innovation est considérée comme clé, importante, lorsqu’elle permet l’adaptation à une nouvelle niche écologique via une nouvelle fonction. La théorie prédit que l’opportunité écologique ainsi créée va permettre la diversification de l’espèce possédant l’innovation en groupe d’espèces.  C’est le deuxième mécanisme par lequel les innovations participent à la diversification du vivant. Ainsi, elles façonnent les trajectoires évolutives des lignées dans lesquelles elles apparaissent.

L’importance de certaines de ces innovations pousse les chercheurs à se demander quels sont les mécanismes génétiques et développementaux à leur origine. Ils cherchent à faire le lien entre les changement génétiques, phénotypiques et adaptatifs à un nouveau milieu.

Punaises du genre Rhagovelia à la surface de l’eau (Source : A. Khila, 2017)

Pour tenter de répondre à ces questions, l’équipe de Khila Abderrahman (CNRS-UMR5242, Université de Lyon) a étudié les mécanismes génétiques et les pressions environnementales qui sous-tendent l’évolution de « l’éventail propulseur » (photo 2 ci-dessous), structure exclusive des punaises du genre Rhagovelia (Heteroptera, Gerromorphe, Veliidae) qui leur permet de se propulser à la surface de l’eau.

Leurs résultats mettent en évidence le rôle central de gènes qui sont spécifiques au taxon. L’un d’eux n’est présent que chez les punaises d’eau et l’autre que dans le groupe qui possède l’éventail (le genre Rhagovelia). Ces deux gènes sont impliqués dans le développement de l’éventail. De plus, l’utilisation de tests biomécaniques a prouvé le rôle essentiel de l’éventail dans l’adaptation à un nouvel environnement, agissant ainsi comme une innovation déterminante au plan évolutif.

Biologie et description des Rhagovelia

Le genre Rhagovelia (photo 1 ci-dessous) est constitué de ∼200 espèces dont le cycle biologique se déroule, en général, à la surface de petits courants d’eau rapides – niche écologique pas ou peu accessible à la plupart des autres insectes semi-aquatiques -. Ces punaises aquatiques se déplacent à la surface par des mouvements d’aviron de la paire de pattes médianes où se situent les éventails. Un éventail se compose d’environ 20 branches (ou fanes) primaires chacune, dotée de branches secondaires plus minces (photo 2 ci-contre). Contrairement à Rhagovelia, le genre Stridulivelia, qui lui est étroitement apparenté, ne possède pas d’éventail de propulsion. Bien que les espèces des deux genres occupent les mêmes cours d’eau (espèces sympatriques), les punaises du genre Stridulivelia restent statiques sur les feuilles des plantes et n’effectuant qu’occasionnellement des déplacements rapides (voir vidéo 1).

Photo 1 : Rhagovelia antilleana – les éventails sont visibles sur les pattes médianes (Source : Sciencesnews.org)

Photo 2 : éventail propulseur chez Rhagovelia antilleana (Source : Santos et al., 2017) (Modifié par B. gilles)

Le développement embryonnaire de l’éventail débute entre 144 et 210 heures, soit à 35% de la durée totale de l’embryogenèse (à 26°C). Les larves du premier stade éclosent avec des éventails entièrement fonctionnels, renouvelés au cours de chacune de leurs cinq mues, indiquant la persistance du programme de développement du éventail tout au long des stades post-embryonnaires (illustration 1 ci-dessous).

Illustration 1 : Développement de l’éventail au 1er, 3ème et 5ème stade larvaire – augmentation de la taille et du nombre des branches (Source : Santos et al., 2017)

Analyses génétiques

Pour identifier les gènes à l’origine du développement de l’éventail, l’équipe de scientifiques a réalisé un profilage transcriptomique (étude de l’ensemble des ARN messager produits lors du processus de transcription d’un génome) des pattes embryonnaires chez Rhagovelia antilleana. L’étude de l’expression de ces ARNm a permis d’identifier 5 gènes s’exprimant uniquement dans la paire de pattes médianes et à l’endroit où se développe l’éventail : y (yellow), cp19 (cuticular protéine 19), ccdc174 (coiled-coil domain-containing protéine 174) et deux gènes similaires inconnus (c67063_g1 et c68581_g1, respectivement nommé geisha et mother-of-geisha) (illustration 2 ci-dessous). Aucun de ces gènes ne s’exprime dans les pattes antérieures et postérieures de R. antilleana ou de toute autre espèce apparentée comme Stridulivelia tersa et Oiovelia cunucunumana.

Illustration 2 : Expression des 5 gènes à l’apex de la patte médiane de Rhagovelia (Source : Santos et al., 2017)

Une recherche d’homologie des séquences liées à geisha et mother-of-geisha a montré que mother-of-geisha possédait un paralogue (gène homologue) retrouvé chez 5 espèces d’Hémiptères (punaises) et une d’Isoptères (termites). Aucun de ces deux gènes ne possède d’homologue dans d’autres Ordres comme les Lépidoptères, les Diptères et les Hyménoptères. Le gène mother-of-geisha possède cependant de proches homologues dans les espèces de punaise d’eau n’ayant pas d’éventail (i.e. autres que Rhagovelia) alors que toutes les espèces de Rhagovelia et seulement celles-ci partagent le gène geisha Les chercheurs concluent que mother-of-geisha a émergé chez une espèce ancestrale commune à tous les Hémiptères et s’est ensuite dupliqué chez l’ancêtre commun du clade des Rhagovelia pour donner geisha. Dans cet ancêtre commun, la séquence de geisha a évolué très rapidement et a divergé de celle de mother-of-geisha (illustration 3 ci-dessous). C’est ainsi que les gènes ont (suite…)

Individu du genre Ornebius (Source : S. Hugel)

Individu du genre Ornebius – famille des Mogoplistidae (Source : S. Hugel)

Les Mogoplistidae constituent une famille basale des grillons dont la plupart des membres ont le corps recouvert de soies aplaties en forme d’écailles. Aucun d’eux n’est capable de voler.

Un genre de Mogoplistidae est particulièrement diversifié : le genre Ornebius qui comprend plus de cent espèces, principalement distribuées dans les régions Indo-Malaisienne, Australienne et Océanienne.

Quelques espèces d’Ornebius ont été sporadiquement décrites de certaines iles du sud ouest de l’Océan Indien : aux Seychelles, à La Réunion, à Maurice, sur certaines iles des Comores. Hormis les Seychelles, ces iles sont d’origine volcanique ; les Ornebius y sont donc parvenus par la mer et y ont évolué en formant des espèces endémiques.

  • Des questions se posent donc : d’où sont venus les ancêtres des Ornebius de ces archipels ? Sont-ils venus en une seule vague, ou en plusieurs vagues distinctes ?
Carte de distribution des différentes espèces de Ornebius dans les iles de l'Océan Indien (REU : Réunion - MAU : Maurice - ROD : Rodrigues - GRA : Grande Comore - MOH : Moheli - ANJ : Anjouan - MAY : Mayotte) (Source : Warren et al., 2016)

Carte de distribution des différentes espèces de Ornebius dans les iles de l’Océan Indien (REU : Réunion – MAU : Maurice – ROD : Rodrigues – GRA : Grande Comore – MOH : Moheli – ANJ : Anjouan – MAY : Mayotte) (Source : Warren et al., 2016)

Aucun Ornebius n’est connu d’Afrique continentale ni de Madagascar qui sont pourtant proches des archipels du sud-ouest de l’Océan Indien. Il est donc peu vraisemblable que l’Afrique continentale ou Madagascar en été le point de départ de la dispersion des Ornebius.

Pour proposer une réponse à cette interrogation, une approche est d’étudier les liens de parenté entre les Ornebius, par exemple en étudiant leur séquence ADN. Cette approche phylogénétique permet de déterminer les espèces les plus proches de celles du sud-ouest de l’Océan Indien, et de voir si les espèces de ces archipels forment un groupe monoplylétique (regroupant tous les descendants de l’espèce ancestrale colonisatrice).

  • Avant le travail de laboratoire, vingt années sur le terrain ! 
Arbre phylogénétique du genre Ornebius réalisé à partir de l'analyse d'ADN mitochondriaux (Source : Warren et al, 2016)

Arbre phylogénétique du genre Ornebius réalisé à partir de l’analyse d’ADN mitochondrial (Source : Warren et al, 2016)

Pour réaliser une étude de phylogénie, il faut disposer d’échantillons d’ADN d’un maximum d’espèces d’Ornebius du sud-ouest de l’Océan Indien, mais aussi d’échantillons d’ADN des Ornebius du reste du monde.

Il a fallu une vingtaine d’années pour récolter les spécimens nécessaires à ce travail, en visitant les Comores, Seychelles, Mascareignes à de très nombreuses reprises.

Ces iles sont relativement pauvres sur le plan acoustique : l’ambiance sonore nocturne des zones préservées y est dominée par les stridulations d’un petit nombre de grillons et de sauterelles. Il est donc facile de repérer « à l’oreille » des chants inconnus. C’est en utilisant cette méthode qu’il a été possible de collecter efficacement des Ornebius sur les iles visitées. Comme chaque espèce d’Ornebius a un chant distinct, cette approche a permis de découvrir de nombreuses espèces nouvelles, mais aussi de mesurer les densités de population et d’évaluer l’impact de différentes méthodes de gestion de réserves naturelles.

  • Une seule colonisation des Mascareignes (Rodrigues, Maurice, Réunion)

Les résultats de la phylogénie moléculaire suggèrent qu’hormis une (suite…)

Les blattes, les termites et les mantes-religieuses, malgré des différences morphologiques et comportementales évidentes, possèdent un même ancêtre commun et appartiennent à l’ordre des Dictyoptères. La faible quantité de fossiles disponibles et leur état peu exploitable, rendent la compréhension de leur histoire évolutive difficile et complexe. De nombreuses incertitudes et controverses demeurent quant à la phylogénie des différentes familles et de leur place dans la classification.

C’est pourquoi une équipe de scientifiques, menée par Frédéric Legendre du Muséum National d’Histoire Naturelle de Paris (MNHN), a entrepris des études basées à la fois sur des analyses moléculaires et fossiles de façon à préciser l’histoire de ces événements évolutifs pour apporter de nouvelles données. Leur résultats montrent que les premiers Dictyoptères seraient apparus au Paléozoïque, durant la période Carbonifère/Permien, il y a -310 millions d’années. Le taxon des blattes, longtemps considéré comme le plus ancien des trois, est en réalité plus récent (-275 millions d’années), apparu secondairement de celui des mantes-religieuses (-300 millions d’années). Enfin, l’apparition des termites remonteraient à la limite Jurassique/Crétacé (-150 millions d’années), réfutant l’hypothèse d’une apparition au Trias (-250 millions d’années).

La phylogénie est la science  des liens de parenté entre les espèces actuelles et fossiles : elle permet de retracer l’histoire des événements évolutifs du monde vivant. La compréhension de l’origine et de la diversification des organismes au cours de l’évolution requiert la possession d’archives fossiles très riches.

Photo 1 : blatte fossile du Crétacé (-125 millions d'années) (Source : Chine -  Province de Liaoning - Fossilmuseum.net)

Photo 1 : blatte fossile du Crétacé (-125 millions d’années) (Source : Chine – Province de Liaoning – Fossilmuseum.net)

Chez les insectes, les études phylogénétiques sont particulièrement difficiles en raison d’archives fossiles rares, limités et, la plupart du temps, peu exploitables (Photo 1). Pour pallier à ce manque, les scientifiques ont recours aux analyses moléculaires et génétiques d’espèces actuelles qui, combinées aux données fossiles, morphologiques et environnementales, permettent de déterminer leurs liens de parenté.

L’équipe de Frédéric Legendre s’est intéressée à l’ordre des Dictyoptères, qui regroupe les blattes (sous-ordre des Blattodea), les termites (sous-ordre des Isoptera) et les mantes-religieuses (sous-ordre des Mantodea) dont l’histoire évolutive demeure encore controversée.

Leur étude a consisté à analyser et à comparer des échantillons d’ADN provenant de 800 taxons, représentant une large gamme de la diversité actuelle, calibrée avec les données fossiles aux synapomorphies claires (caractère présent chez deux espèces et hérité d’un ancêtre commun).

Les résultats de leur étude, publiée le 22 juillet 2015, apportent un regard nouveau sur (suite…)

Des régions du monde, isolées géographiquement des autres continents depuis des millions d’années, ont permis l’apparition d’espèces, tant animales que végétales, uniques, rares et incroyables.

La Nouvelle-Zélande est sans doute l’une de ces contrées les plus intéressantes. Plusieurs espèces emblématiques ont vécu et vivent toujours sur ce territoire. Par exemple, le moa, disparu il y a à peine 1500 ans avec l’arrivée des humains, était le plus grand oiseau connu (famille des Dinornithidae). Des squelettes ont permis d’estimer que ces animaux pouvaient mesurer plus de 3,6m de haut et peser près de 240kg. Un autre oiseau, le kiwi (Apteryx mantelli), le plus petit représentant de la famille des ratites (autruches, émeus, nandous et casoars), est en voie de disparition.

Mais connaissez-vous les weta?

Je vous invite ici à partir à la rencontre de ces incroyables insectes.

I) Généralités

Les weta sont des Orthoptères, ordre regroupant les grillons, les sauterelles et les criquets, appelés ainsi en langage Maori. Ils appartiennent à la famille des Anostostomatidae, caractérisée notamment par son dimorphisme sexuel : les mâles possèdent des mandibules de grande taille, mais aussi, les adultes n’ont pas d’ailes et possèdent sur leurs tibias postérieurs des éperons (épines) défensifs (voir illustration 1).

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Illustration 1 : Vue latérale d’un mâle de l’espèce Hemideina maori de Nouvelle-Zélande (Source : d’après Smith, 1979 – The Biology of Weta, king crickets and their allies – Ed. Laurence H. Field – 2001 – p129)

Les Anostostomatidae, apparus au Crétacé (80-65 millions d’années) sur le Gondwana*, sont aujourd’hui principalement présents sur l’hémisphère sud : Australie, Afrique du sud, Amérique du sud et Inde, continents résultant de la fragmentation du Gondwana par la tectonique des plaques.

* il y a 300 millions d’années, tous les continents étaient rassemblés en un continent unique : la Pangée. Puis, ce continent a commencé à se dissocier (200 millions d’années), au nord par l’Eurasie (Amérique du nord, Europe et Asie) et au sud par le Gondwana (Afrique, Amérique du Sud, Inde et Australie).  

L’isolement de la Nouvelle-Zélande de l’Australie et des autres continents depuis le Crétacé, la transgression marine de l’Eocène (24 millions d’années) et l’apparition de chaines montagneuses au cours des 5 derniers millions d’années (Pliocène) ont permis l’émergence d’une grande diversité d’espèces endémiques de ces insectes. (suite…)

La découverte d’une nouvelle famille de lépidoptère, inédite depuis les années 1970, a été faite avec la capture d’un petit papillon sur « Kangaroo Island » (Australie). Une équipe australienne, menée par N.P. Kristensen, vient de décrire la famille des Aenigmatineidae. Des études morphologiques et génétiques sur ces spécimens permettent de reconsidérer une grande partie de l’histoire évolutive et de la classification des lépidoptères. L’évolution de ces insectes semble plus complexe que les scientifiques pouvaient le penser auparavant.

Les papillons (Lepidoptera) actuels appartiennent quasi-uniquement (99%) au phylum (groupe) des Hétéroneures : nervation des ailes antérieures et postérieures différentes et associées durant le vol. A l’opposé, les Homoneures possèdent des ailes antérieures et postérieures aux nervures identiques : un caractère primitif considéré comme ancestral.

Les papillons sont regroupés en deux catégories :

  • Les Glossata dont les pièces buccales sont modifiées en « trompe » (proboscis) ayant la faculté de s’enrouler sur elle-même chez les imagos (lire cet article), qui intègrent l’ensemble des hétéroneures, la famille des Neopseustidae et ainsi que le groupe Exoporia ;
  • Les Aglossata qui gardent des mandibules et des mâchoires fonctionnelles non spécialisées à l’état adulte : un trait anatomique ancestral, qui se retrouve chez les Agathiphagidae, les Micropterigidae et les Heterobathmiidae.
Espèce Aenigmatinae glatzella : (a) mâle, (b) femelle sur sa plante hôte, (c) chenille sur plante hôte

Photo 1 : Espèce Aenigmatinea glatzella : (a) mâle, (b) femelle sur sa plante hôte, (c) chenille sur plante hôte (Source : Kristensen et al. (2015) – Opus cité, p.8)

L’intérêt de cette nouvelle espèce, Aenigmatinea glatzella (voir photo ci-contre), est qu’elle présente à la fois des caractères anatomiques ancestraux comme des ailes homoneures, et « modernes » (qui se retrouvent chez les papillons actuels). Les scientifiques ont entrepris des analyses morphologiques et génétiques pour déterminer la place de sa famille au sein de l’arbre phylogénétique et de la classification des lépidoptères.

Ces résultats montrent que Aegnimatinea glatzella est proche phylogénétiquement des Hétéroneures et des familles Acanthopteroctetidae et Neopseustidae (voir illustration 1 en bas de page). 

Morphologiquement, cette espèce, malgré des pièces buccales atrophiées à l’état adulte, présente des caractéristiques propres aux Glossata comme une absence de commissure tritocérébrale libre (zone de liaison entre le proto-cérébron et le deutéro-cérébron, partie antérieure du cerveau de l’insecte), une cuticule des lentilles des ocelles (oeil simple) épaissie et la structure du premier spirale thoracique.

De plus, les chenilles de A. glatzella ont la particularité de (suite…)

Une équipe internationale de chercheurs vient d’établir une nouvelle phylogénie* des insectes qui permet de retracer l’histoire évolutive des différentes familles à l’aide d’outils moléculaires et génétiques, et d’analyses comparatives entre de milliers de gènes et de séquences nucléotidiques* (* définition en fin de page).

Photo et illustration du plus vieux fossile d'insecte (Strudiella devonica)

Photo et illustration du plus vieux fossile d’insecte (Strudiella devonica)

Le plus ancien fossile d’insectes connu est âgé de 412 millions d’années (début de l’ère géologique du Dévonien), ce qui indique que les insectes prennent leur origine bien avant, durant l’Ordovicien (485-440 millions d’années), voir durant le Cambrien (540-485 millions d’années). Le manque de fossiles durant ces deux périodes empêche de concevoir l’histoire de leur apparition de manière certaine.

Les insectes sont les premiers organismes à s’être adaptés à la vie terrestre et à l’eau douce, ils se sont dès lors diversifiés en de très nombreuses familles comme les papillons (Lépidoptères), les mouches (Diptères), les libellules (Odonates), les Coléoptères, les termites (Isoptères), les criquets (Orthoptères), et bien d’autres. Les insectes ont évolué et se sont adaptés durant ces millions d’années à toute une gamme d’environnement et de modifications climatiques, et ont aussi développé le vol et la vie en société.

Pour ceux qui se posent la question : « Qu’est ce qu’un insecte? », suivre ce lien.

C’est pourquoi, il est très intéressant de déterminer les

(suite…)