reproducteur
partiel entre
cytotypes
différenciation marquée entre populations éloignées,
globalement peu marquée entre cytotypes
A l'échelle locale :
différenciation marquée entre cytotypes,
peu marquée entre populations
populations diploïdes ('
^4^0 »■ 0 4^ 0
''Ai.
î
populations tétraploïdes Y
nombreuses populations intermédiaires
isolement par la distance
Figure 4.1.10. Schéma de l'impact combiné de barrières reproductives entre cytotypes et d'un isolement par la distance sur la différenciation de populations diploïdes et tétraploïdes en fonction de l'échelle géographique observée. L'axe horizontal correspond à un isolement reproducteur par la distance géographique, l'axe vertical à un isolement reproducteur partiel causé par la différence de niveau de ploïdie. Les flèches à deux pointes indiquent les flux géniques dont l'intensité correspond à l'épaisseur des traits.
Chap. 4.1. Discussion générale
de nature continue (isolement par la distance). La Figure 4.1.10 schématise ce mécanisme: à une échelle locale, dans une zone de contact entre cytotypes, les flux de gènes intra-cytotypes sont plus intenses que ceux entre cytotypes, de sorte que les cytotypes de cette zone peuvent se différencier, ou qu'une différenciation initiale peut se maintenir. A une échelle continentale, les flux géniques entre populations éloignées au sein d'un même cytotype sont faibles comparés aux flux géniques entre deux cytotypes en contact; les cytotypes d'une même région, même s'ils sont différenciés, sont alors moins différenciés entre eux qu'avec des cytotypes identiques mais de régions éloignées. L'isolement par la distance assurant un continuum de différenciation entre populations d'un même cytotype, il implique l'absence de solution de continuité de la variabilité au sein de chaque cytotype.
C'est ce schéma de différenciation génétique qui a été observé chez la centaurée jacée en utilisant des allozymes. C'est également ce schéma qui a été obtenu par un modèle de simulation combinant isolement par la distance et barrière reproductive partielle entre cytotypes (chapitre 3.3). Il faut remarquer que ce scénario est aussi valable lorsque les flux géniques inter-cytotypes sont asymétriques, par exemple pour un flux unidirectionnel des diploïdes vers les tétraploïdes (cff. encadré 1.2.1), ou lorsqu'il y a formation récurrente de tétraploïdes à partir des diploïdes sans autre forme de flux génique.
Le faible succès des hybridations entre cytotypes (chapitre 3.2; Gardou, 1972) montre qu'il existe une barrière reproductive entre cytotypes. Celle-ci peut être due à l'avortement des embryons triploïdes (phénomène de blocage triploïde) vu la forte réduction des taux de germination lors de croisements entre cytotypes comparé aux croisements intra-cytotypes. Quelques triploïdes ont toutefois été obtenus (chapitre 3.2), et Gardou (1972) avait même obtenu des tétraploïdes, suggérant la production de gamètes non réduits (l'absence de marqueurs génétiques ne permettait toutefois pas à Gardou de vérifier avec certitude que ces plantes étaient bien issues d'un croisement). Comme les tétraploïdes et certains des triploïdes obtenus par Gardou étaient fertiles, la barrière entre cytotypes est très probablement partielle. En conséquence, les conditions du scénario proposé (isolement par la distance au sein de chaque cytotype et isolement reproducteur partiel entre cytotypes) semblent être rencontrées chez la centaurée jacée.
-123-Orsanisation spatiale de la variation eénétique - considérations théoriques
La structure spatiale de la variation génétique est le reflet des forces évolutives, en particulier les flux de gènes et les pressions de sélection, et permet donc de caractériser ces dernières. Pour des modèles de populations subdivisées, la théorie et les méthodes d'inférence sont bien développées. Mais dans le cas de populations à distribution continue, les méthodes d'analyse de la structure génétique sont encore souvent limitées à une approche descriptive sans inférence quantitative des forces évolutives. L'étude de la variation génétique à une échelle micro-géographique est pourtant essentielle pour appréhender l'évolution des organismes en se focalisant sur l'individu.
Les travaux théoriques et les simulations par ordinateur présentés comblent partiellement cette lacune. Spécifiquement ce travail montre que:
1) Les méthodes d'analyse de la structure génétique par autocorrélation spatiale peuvent être mises en relation avec des paramètres de la génétique des populations, tels les coefficients de
parenté (kinship coefficients) ou de "relationship".
2) Sur base des développements théoriques de la génétique des populations, des méthodes d'inférence des distances de dispersion des gènes peuvent être proposées, notamment à partir d'une régression linéaire des coefficients de parenté en fonction de la distance spatiale.
3) Des approches par simulation numérique permettent également d'estimer des flux de gènes pour des modèles plus complexes, et permettent d'évaluer la précision de telles estimations.
4) Certaines mesures d'apparentement, telles les eoefficients de "relationship", permettent de
comparer la dispersion de gènes dans des populations continues pour des organismes présentant différents niveaux de ploïdie et/ou de régime de reproduction.
5) A petite échelle géographique, une structure génétique atteint généralement un état de quasi
équilibre entre dérive locale et flux génique sur une échelle de temps relativement courte, de
sorte que des inférences qui postulent cet équilibre peuvent être relativement fiables, ce qui n'est probablement pas le cas à grande échelle.
6) Une analyse de la structure génétique par autocorrélation spatiale permet d'estimer correctement le taux d'autogamie en présence de consanguinité biparentale.
7) Une approche par autocorrélation spatiale basée sur des rapports entre covariances inter familles sur covariances intra-familles permet de comparer les structures spatiales de caractères quantitatifs (mesurés en conditions contrôlées) et de marqueurs monogéniques. En
Chap. 4.2. Synthèse des résultats et conclusions
particulier, si les marqueurs monogéniques sont neutres, de telles comparaisons permettent de tester si la structure des caractères quantitatifs est également conforme à une hypothèse neutre. 8) Cette approche (cfr. 7) reste robuste en présence de phénomènes de dominance ou d'épistasie.
En conséquence, des marqueurs génétiques dominants (RAPD, AELE), qui procurent généralement de nombreux loci, peuvent également convenir.
9) La variance stochastique du degré de stmcturation sous un modèle neutre est généralement considérable, et ne dépend pas de la nature mono- ou polygénique du caractère ou marqueur. 10) L'impact de pressions de sélection sur la structure génétique dépend de la variance et de
l'organisation spatiale des valeurs de phénotype sélectionnées. En ne considérant qu'un seul caractère et une petite population, seul l'effet d'une sélection accompagnant un gradient environnemental pourrait être distinguée d'une hypothèse neutre en utilisant comme témoin une série de marqueurs neutres.
Organisation spatiale de la variation sénétiaue - application aux centaurées
Les approches proposées et testées par simulation ont pu être appliquées à des populations de centaurées jacées. En utilisant des allozymes comme marqueurs génétiques et en mesurant des
caractères quantitatifs in situ ou sur des familles maternelles élevées en conditions contrôlées, on a
pu mettre en évidence que:
1) Une structure spatiale des marqueurs enzymatiques existe au sein des populations étudiées; elle semble résulter de très faibles distances de dispersion des graines, et d'une dispersion de la majeure partie du pollen limitée à quelques mètres, causant une légère consanguinité biparentale.
2) Une structure spatiale des caractères quantitatifs mesurés in situ existe également au sein des
populations. Elle est partiellement due à la composante génétique des caractères quantitatifs dont le degré de structuration spatiale ne se distingue pas de celui des marqueurs allozymiques supposés neutres, ni de celui obtenu par simulation sous une hypothèse neutre.
3) La structuration in situ des caractères quantitatifs est également le résultat d'une forte
hétérogénéité spatiale de la composante environnementale de ces caractères.
Relations entre cytotvoes diploïde et tétraploïde chez la centaurée iacée
Les zones de contact entre différents cytotypes d'un même complexe polyploïde constituent des sites privilégiés pour aborder le problème des origines et conséquences évolutives de la polyploïdie. Les centaurées jacées di- et tétraploïdes d'une telle zone située en Haute Ardenne ont
-125-été étudiées du point de vue de leur distribution, leur écologie, leur morphologie, leur diversité génétique, et leur structure génétique. Le mode de ségrégation des allozymes, les barrières reproductives inter-cytotypes, et le système de reproduction ont également été étudiés à l'aide de croisements contrôlés. Les principaux résultats sont les suivants:
1) Les deux cytotypes présentent des aires de distribution parapatriques malgré une différenciation de niche écologique apparemment faible, pouvant suggérer un effet d'exclusion du cytotype minoritaire.
2) Dans la zone de contact, les deux cytotypes peuvent coexister dans des populations mixtes où
ils ne semblent pas montrer d'isolement reproducteur par augmentation d'autogamie, différenciation de micro-habitat ou décalage phénologique. Un isolement reproducteur partiel est cependant assuré par une certaine agrégation spatiale des cytotypes qui pourrait être due à la dispersion limitée des graines.
3) Les deux cytotypes se distinguent nettement des points de vue morphologique et génétique. D'un point de vue taxonomique (suivant Lambinon et al., 1992), les diploïdes correspondent bien au taxon Centaurea nigra L. Quant aux tétraploïdes, plus variables, ils peuvent être rattachés aux taxons C. jacea L.et C. thuillieri(DOSTÂL) J. DUVIGNEAUD & LAMBINON, avec tous les intermédiaires possibles.
4) Les tétraploïdes ont une hérédité tétrasomique et sont donc des autopolyploïdes, mais ils ne sont certainement pas issus des diploïdes locaux (zone de contact secondaire).
5) La diversité allozymique des tétraploïdes est supérieure et englobe celle des diploïdes.
6) En tenant compte de la différence de niveau de ploïdie, les deux cytotypes présentent des degrés de structuration génétique intra- et inter-populationnels similaires, suggérant des paramètres de flux génique et de dynamique de population équivalents.
7) Les deux cytotypes sont autoincompatibles et ne semblent pas pratiquer de reproduction apomictique.
8) L'absence de triploïdes, d'introgression de caractères, et de corrélation spatiale des fréquences alléliques entre cytotypes implique un flux génique inter-cytotype très faible ou inexistant dans la zone de contact étudiée.
9) Le faible taux de germination des graines issues de croisements inter-cytotypes par rapport aux
croisements intra-cytotypes suggère un blocage triploïde (avortement des embryons) important. Néanmoins quelques triploïdes peuvent survivre et pourraient contribuer à des flux de gènes entre cytotypes.
Chap. 4.2. Synthèse des résultats et conclusions
10) Contrairement à la situation observée en Haute Ardenne, à l'échelle européenne les populations diploïdes et tétraploïdes ne sont globalement pas différenciées génétiquement et montrent une forte corrélation spatiale de leurs fréquences alléliques.
11) Des simulations suggèrent que ce contraste entre petite et grande échelle géographique résulte de la combinaison d'un isolement par la distance et d'une barrière reproductive partielle entre cytotypes. Ce phénomène permet d'expliquer en partie la complexité du traitement taxonomique des centaurées jacées, et probablement des complexes polyploïdes en général. 12) Bien que les modalités des flux géniques inter-cytotypes (flux symétriques ou asymétriques,
passage par un pont triploïde, formation récurrente de tétraploïdes) ne puissent pas être précisées pour l'instant, nos résultats impliquent l'existence d'échanges génétiques réguliers entre compartiments diploïde et tétraploïde à l'échelle européenne.
En conclusion, nos résultats ajoutent la centaurée jacée à la liste grandissante des complexes autopolyploïdes et démontrent une fois de plus que l'hérédité polysomique n'est pas une entrave à l'évolution. Ils confirment également la nature complexe et dynamique des relations phylétiques entre cytotypes. En ce sens, ils appuient l'hypothèse formulée par Gardou: des taxons diploïdes relativement différenciés sont reliés génétiquement et géographiquement par un large complexe tétraploïde.
-127-Développements théoriques relatifs à la structure spatiale de la diversité eénétiaue
Cette thèse a ouvert quelques pistes pour mieux exploiter l'information contenue dans les analyses génétiques à une échelle micro-géographique. De nombreux progrès peuvent cependant encore être réalisés:
• Une méthode d'estimation par simulation numérique des paramètres de dispersion des gènes et
de leurs intervalles de confiance a été présentée dans la discussion générale. En l'état actuel, cette approche est complexe à appliquer et les résultats dépendent de classes de distance arbitraires. Elle pourrait être améliorée en la rendant indépendante de classes de distance et en simulant une population à distribution réellement continue (plutôt qu'un modèle où les individus sont positionnés sur une grille). A terme, un programme d'analyse de données pourrait être développé à cet effet.
• L'information exploitée dans ce travail se limite à des identités digéniques, c'est-à-dire ne
considérant que des paires de gènes homologues. Un gain d'information peut certainement être obtenu en considérant d'une part les identités de trois et quatre gènes homologues entre paires d'individus, d'autre part les identités multiples en plusieurs loci. Ceci permettrait des inférences de flux de gènes distinguant taux d'autogamie, dispersion des graines et dispersion du pollen. Dans ce domaine, de nombreux travaux théoriques doivent encore être accomplis.
• Les tests proposés pour comparer les degrés de structuration spatiale de marqueurs génétiques
et de caractères quantitatifs se basent sur la pente de corrélogrammes. Ceci se justifie pour un modèle neutre d'isolement par la distance car les corrélogrammes montrent alors une relation approximativement linéaire avec le logarithme de la distance spatiale, de sorte que l'essentiel de l'information est fourni par un seul paramètre: la pente. En présence de sélection, la forme du corrélogramme peut être affectée, généralement devenant plus convexe en cas de gradient environnemental, plus concave en cas de sélection uniforme. Une caractérisation des corrélogrammes à l'aide de deux ou plusieurs paramètres permettrait un gain de puissance des tests lors de comparaisons de structures génétiques.
• Les méthodes d'autocorrélation spatiale abordées dans cette thèse concernent des corrélations
d'une variable (une fréquence allélique ou un caractère quantitatif) avec elle-même. Des corrélations spatiales entre différentes variables sont également définissables; elles pourraient fournir des informations intéressantes, en particulier lorsqu'il s'agit de caractères soumis à un même patron de pressions de sélection. En effet, on s'attend dans ce cas à une corrélation spatiale entre caractères, alors qu'elle devrait être faible ou inexistante entre des caractères dont les structures spatiales dépendent uniquement de la dérive génique. Des statistiques décrivant
Chap. 4.3. Voies de recherche
des corrélations spatiales entre caractères permettraient donc d'augmenter le pouvoir de détection d'effets de la sélection naturelle.
Interactions entre cvtotvpes de centaurées iacées
Les rôles relatifs d'un effet d'exclusion du cytotype minoritaire et d'une différenciation d'habitat des cytotypes sur la distribution (micro-)géographique de ces derniers dans la zone de contact de Haute Ardenne n'est pas établie. Quelques voies de recherche permettraient d'approfondir cette question:
• L'existence d'adaptations des cytotypes à des habitats différents (différenciation écotypique)
peut être étudiée à l'aide d'observations in situ sur plusieurs années, de transplantations
réciproques, ou encore de cultures expérimentales en milieu commun. Chacune de ces approches apporte des informations complémentaires. Dans chacune il est également intéressant de considérer des situations de coexistence entre cytotypes.
Des expérimentations de croissance et de compétition en conditions contrôlées sur différents types de substrats sont actuellement en cours.
• Le phénomène d'exclusion du cytotype minoritaire ne peut se produire que s'il existe une
corrélation négative entre le succès reproducteur des individus d'un cytotype et la proximité d'individus de l'autre cytotype. Une telle corrélation pourrait être recherchée dans des populations mixtes naturelles, ou dans une population artificielle. Si elle s'avérait faible, il faudrait vérifier s'il existe une forme de compétition des tubes polliniques sur les stigmates en fonction des cytotypes en présence.
• Une différenciation de niche entre cytotypes peut être sélectionnée par le phénomène
d'exclusion du cytotype minoritaire afin d'éviter les hybridations entre cytotypes. Cette hypothèse pourrait être testée en comparant le niveau de différenciation de niche entre des situations de sym- ou parapatrie des cytotypes avec des situations d'allopatrie. En effet, si la différenciation est sélectionnée par le phénomène d'exclusion du cytotype minoritaire, elle devrait être plus marquée là où les cytotypes coexistent. Au contraire, si la différenciation est sélectionnée par adaptation aux conditions environnementales locales, elle devrait être plus marquée en situation d'allopatrie, car des différences de conditions du milieu devraient a priori y être plus marquées qu'en condition de sym- ou parapatrie. La différenciation de earactères contribuant à un isolement reproducteur, tels la phénologie, pourrait être étudiée de la même manière.
• En Haute Ardenne, les capitules des centaurées tétraploïdes possèdent une couronne de
fleurons rayonnants contrairement à eeux des centaurées diploïdes. Ces différences morphologiques sont susceptibles d'influencer le comportement des pollinisateurs qui
-129-pourraient donc se spécialiser vis à vis d'un des deux morphotypes, réduisant ainsi les pollinisations intercytotypes. Le comportement des pollinisateurs est donc un facteur à prendre en considération pour aborder le phénomène d'exclusion du cytotype minoritaire ainsi que les flux de gènes entre cytotypes.
Un projet de collaboration entre les laboratoires des Professeurs Pierre Rasmont (Université de Mons - Hainaut), Jacques Lambinon (Université de Liège) et Claude Lefèbvre (Université Libre de Bruxelles) et relatif aux pollinisateurs de la centaurée jacée est actuellement en cours (convention FRFC n° 2.4574.00).
Evolution des centaurées lacées
Cette thèse contribue à la compréhension des origines et des conséquences de la polyploïdie chez la centaurée jacée. De nombreuses questions restent cependant ouvertes:
• On ignore si des gamètes non réduits ou des individus triploïdes contribuent à des flux de gènes
entre cytotypes. La production de gamètes non réduits pourrait être détectée en vérifiant le cytotype de la descendance de croisements, notamment entre cytotypes, ou en déterminant celui des grains de pollen par cytométrie de flux. Un screening préalable basé sur la distribution de taille des grains de pollen permettrait de détecter rapidement des individus soupçonnés de produire des gamètes non réduits à fréquence élevée. La fertilité des individus triploïdes devrait également être étudiée.
Les individus triploïdes obtenus jusqu'à présent (huit au total) seront suivis durant la période de floraison.
• Le contraste de différenciation génétique entre échelles géographiques extrêmes s'explique
suivant un modèle de flux de gènes combinant isolement par la distance et isolement reproducteur partiel entre cytotypes. Ce modèle devrait être testé en considérant des échelles géographiques intermédiaires entre l'échelle régionale (Haute Ardenne) et l'échelle continentale (Europe). Il devrait également être analysé pour des marqueurs génétiques à hérédité maternelle.
Une étude de la structure de la variation génétique des cytotypes à l'échelle de la Belgique et des régions voisines est actuellement en cours, notamment dans une perspective taxonomique. Cette étude comprend la mise au point de marqueurs génétiques (PCR-RFLP) sur l'ADN chloroplastique (hérédité maternelle).
• Le groupe des centaurées à feuilles étroites et floraison tardive croissant dans des prairies
xérothermophiles (C. timbalii, C. serotina, C. decipiens) n'a pas été étudié dans cette thèse. Il
Chap. 4.3. Voies de recherche
précoces des prairies mésophiles. L'importance du décalage phénologique, susceptible d'entraver fortement les flux de gènes, devrait être étudiée sur le terrain et en conditions contrôlées afin de vérifier s'il présente bien une composante génétique. En outre, il serait particulièrement intéressant de vérifier si ce groupe des prairies xérothermophiles est monophylétique par rapport aux centaurées des prairies mésophiles, ou bien s'il s'agit plutôt d'écotypes de terrains secs. Cette seconde hypothèse expliquerait par une convergence adaptative la ressemblance entre centaurées des prairies xérothermophiles pour les traits relatifs à la largeur du limbe foliaire, la pilosité et le décalage phénologique.
-131-(relatives à l'introduction et la discussion générales)
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