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
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»
Innovation évolutive
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
Pédondule Calice
(=sépales)
Réceptacle Corolle
(=pétales) Androcée (=étamines)
Gynécée (=carpelles)
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).
Périanthe
Coen 2001
Plan d’organisation général conservé
SEPALES / PETALES / ETAMINES / PISTIL
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
The Plant Archetype (1837). Illustration de la
métamorphose demandée par Goethe à PJ Turpin
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 expérimentalement qu’à la fin des années 90 !
Bases génétiques du développement floral : Le modèle ABC chez Arabidopsis thaliana et
Antirrhinum majus
MONOCOTYLEDONES EUDICOTYLEDONES
ASTERIDEES (119-110 My) ROSIDEES (123-115 My)
EUDICOTYLEDONES CENTRALES (126-121 My)
Arabidopsis Arabidopsis
Antirrhinum Antirrhinum
Phylogénie simplifiée des angiospermes
MAGNOLIIDEES
APGIII-2009
Magallon et al 2015
Les mutants floraux homéotiques chez Arabidopsis
(A) Wild-type
sépales + pétales + étamines + carpelles (B) agamous
sépales + pétales + pétales + (sépales+pétales..) (C) apetala2
carpelles + étamines + étamines + carpelles (D) apetala3
sépales + sépales + carpelles + carpelles (E) pistillata
sépales + sépales + carpelles + carpelles
Bowman et al 1989, Krizek & Fletcher 2005
= 4S+4P+6P+S/P/intermédiaires
= 4carpelles+4E+6E+1C
= 4S+4S+6C+1C
= 4S+4S+2-3C
= 4S+4P+6E+1C
C
The war of the whorls Coen & Meyerowitz 1991
WT
Classe A
Classe B
Classe C
Mutants homéotiques
Antirrhinum Arabidopsis
ovulata ap2
deficiens (def), globosa (glo) ap3, pi
plena (ple) ag
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
Bowman et al 1991
A: ap2 ap3 ag B: ap2 pi ag les triples mutants
L’expression ectopique des gènes B (C) ne suffit pas à transformer des feuilles en organes floraux
Krizek & Meyerowitz 1996
D: 35S::PI
E: 35S::PI p35S::AP3
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
Les gènes SEP sont nécessaires à la manifestation de l’identité florale
Pelaz et al 2001
Transformation de feuilles en « pétales »
Comment interagissent les protéines SEP et celles des fonctions ABC ?
Theissen & Saedler 2001
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
Melzer et al 2009
Melzer & Theissen 2009
Quartet model Validation expé
Le modèle ABCE
Chanderbali et al 2010
Quels gènes derrière ces fonctions ? Tous codent pour des facteurs de transcription
Becker & Theissen 2003
Tous, sauf Apetala2 appartiennent à la famille des MADS-box
A
B C(D)
La duplication (AP3-PI)
précède la diversification des angiospermes
E
Les gènes de classe E (A ?) sont spécifiques des
Angiospermes
D’après Soltis et al 2006
Histoire évolutive simplifiée des gènes MIKCc: les gènes assurant les fonctions A, B, C, E appartiennent à des clades différents (A, B, C, E)
Seq. gymnosperme
Duplications à la base des core eudicots
(Kramer & Zimmer 2006)
B A
C E
Conservation et variation du modèle
à l’échelle des angiospermes
Homologie vs homoplasie
• Étienne Geoffroy Saint-Hilaire (1818)
“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.”
Principe des connexions
“ 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”
• Richard Owen (1843)
Homologie primaire (structurale, de position)
• Charles Darwin (1859, 1872)
“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”
Homologie secondaire (de filiation)
“Homology: That relation between parts which
results from their development from corresponding embryonic parts”
Descendance avec modification
Homoplasie = opposé de l’homologie
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
Les différents organes floraux sont-ils homologues à l’échelle des angiospermes ?
Reconstruction de la fleur ancestrale (Endress & Doyle 2009)
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
Keck et al. 2003 double mutant lip1 lip2
S et P modifiés
Pas d’extension de la fonction C
apetala1-1
Irish & Sussex 1990
S->’feuille’ axillant fleur secondaire, etc.
0 P; E, C
Huijser et al1992
remplacement des fleurs par des inflorescences fleurs anormales, mais présence de pétales
• Deuxième gène de ‘fonction A’ chez Arabidopsis, Apetala1 (Ap1):
squamosa
Chez Antirrhinum, Squamosa (Squa)
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
CAL
Expression différenciée, sous-fonctionalisation
Comparaison des régions génomiques d’AP1 et CAL:
6 sites de liaison communs
Beaucoup plus de sites sur AP1 que sur CAL
Analyse fonctionnelle du promoteur (B-G, gène rapporteur GUS)
Boucle d’auto-régulation
Reconstruction de l’évolution des boîtes de liaison dans un cadre phylogénétique
+ 7, 0 perte + 2, -4
Ye et al. 2016
A. thaliana A. lyrata C. rubella T. parvula A. arabicum T. hassleryana C. papaya
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
Kim et al 2005 PI/GLO
AP3/DEF C: AG
B A
Chez les angiospermes basales: les patrons d’expression des gènes sont moins spécifiques que chez les core eudicots
État ancestral A
B/B C
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
Theissen and Melzer 2007
modèle sliding border (shifting boundary)
van Tunen,1993 Bowman, 1997 Kramer et al. 2003
organes d’identité mal définie
modèle « fading borders » : état ancestral
(Buzgo et al. 2004)
Les variations du modèle ABC : une origine de la diversité florale
Agapanthe, Tulipe, Palmier à huile..
mais pas Lys ni Asparagus
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
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
Définition d’un « pétale »
non différencié (« tépale ») différencié
(sépales + pétales)
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
Au niveau évolutif, plusieurs origines indépendantes : les pétales sont des structures homoplasiques
Endress 2011
Rasmussen et al. 2009
Chez les Ranunculales
Cycle 1 Cycle 2
Les gènes de la fonction B chez les Ranunculales:
Trois clades de gènes AP3 Un clade de PI (duplication spécifiques d’espèces)
• 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)
Sous-fonctionalisation des paralogues AP3
Rasmussen et al. 2009
Le paralogue AP3-III joue un rôle dans l’identité « pétale »
chez les Ranunculaceae
AP3-I et –II plutôt dans les étamines et sépales
Ra: rachis Ge: glumes Le: lemma Pa: palea Lo: lodicules St: étamines
WT Mutant spw1-1
Transformation homéotique des lodicules en
lemma/palea, des étamines en
carpelles
Mutant de fonction B Riz : le gène Superwoman-1 (AP3-like)
Riz: Nagasawa et al 2003; Maïs: Ambrose et al. 2000
Épillet=fleur modifiée lodicule: cycle 2, non pétaloïde, gonflement à l’anthèse
Chez les Poaceae: les lodicules sont-ils homologues de pétales ?
Les lodicules des graminées dérivées sont-ils homologues de pétales ?
Grasses
lodicules
Whipple et al 2007 Yoshida 2012
Développement précoce homologue
AP3-like PI-like
Streptochaeta
Elegia
Joinvillea
AP3
AP3
AP3a AP3b
PI2
PI Whipple et al 2007 Zea
Silky1
Ambrose et al 2000
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
EUDICOTS
MONOCOTS
CORE EUDICOTS
A l’échelle des angiospermes:
état ancestral = radiale/actinomorphie état dérivé = bilatérale/zygomorphie
Nombreuses évolutions indépendantes de la zygomorphie
APG 2009
Apparition de la s. bilatérale (zygomorphie) au cours de l’évolution
premiers fossiles angiospermes
La zygomorphie est probablement apparue
~60 MY après l’émergence des angiospermes
Maastrichtian Campanian
Santonian Coniacian Turonian Cennomanian
Albian Aptian Barremian Hauterivian Valanginian Berriasian
Jurassic Millions years
72
93 99
112
130 140 120 89 84
65 Paleocene Eocene 56
34
Oligocene
Paleogene
Crétacé
fossiles de fleur zygomorphe
fossile de fleur d’eudicot cyclique
* * * *
*
La symétrie bilatérale: un caractère adaptatif
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
Fleurs zygomorphes : pollinisation biotique très souvent des abeilles/bourdons (nectar, pollen)
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
WT Pétales
Dorsal Latéral Ventral Latéral Dorsal
ventral dorsal
Mutants semi-péloriques
Dorsal Latéral Ventral Latéral Dorsal
cycloidea
dichotoma
X 6
x
= Mutant pélorique
cycloidea-dichotoma
L’interaction de quatre facteurs de transcription détermine le patron bilatéral
DIV DIV
DIV DIV
RAD
CYC+DICH
DIV
Luo et al 1996, 1999 Galego & Almeida 2002 Corley et al. 2005
Raimundo etal 2013
CYCLOIDEA,
DICHOTOMA = TCP
RADIALIS,
DIVARICATA = MYB
gène majeur = CYCLOIDEA
Les gènes homologues de CYC : une histoire de duplications multiples
Citerne et al. 2013
Au moins une duplication chez les Monocots
Deux duplications chez les Core Eudicots
duplications chez différents ordres d’Eudicots basales
Hileman 2014
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
Heliconia, Costus (Zingiberaceae)
Expression asymétrique d’homologues de CYC chez les Monocots
Oryza (Poaceae)
Les Magnoliids: la symétrie bilatérale (zygomorphie) chez les Aristolochiaceae
Horn et al. 2015 Saruma henryi, actinomorphe
Aristolochia arborea, zygomorphe
Expression homogène chez S. henryi Expression asymétrique (abaxiale), tardive chez A. arborea
Piperales
CYC1 CYC2
Les Eudicots basales : les Papaveraceae, Ranunculaceae et Proteaceae
Core Eudicots > 46 Monocots > 23
Proteales x16
Ranunculales x 3
Eudicots basales Sabiaceae x 1
ACTINOMORPHIE
ZYGOMORPHIE 1 éperon BISYMETRIE
2 éperons
Capnoides Lamprocapnos
Chez les Papaveraceae
Expression asymétrique, transversale, tardive
Damerval et al. 2007, 2013
Hybridation in situ, PapCYC2 Différents types de symétrie
et scenario évolutif:
Mise en place
tardive au cours du développement
AcCyL1a AcCyL1b AcCyL2a AcActin
1 2 3 DS LS VS St
Jabbour et al. 2014
Chez les Ranunculaceae
Le clade des espèces zygomorphes (Delphinieae) possède une duplication supplémentaire
Expression asymétrique, dorso-ventrale, tardive
G
Ve Ve
Do Do
Chez les Proteaceae
>15 transitions actinomorphie -> zygomorphie
Grevillea juniperina
ProtCYC1 ProtCYC2
Do Ve G
2 6
RelativeProtCYC expression
Expression asymétrique, dorso-ventrale, tardive
Citerne et al. 2015
Evolution récurrente de la zygomorphie
Gènes CYC:
duplication à la base des Proteaceae
=> deux paralogues
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
Dorsalisation (hétérotopie)
État ancestral
Ventralisation (expression transitoire)
Ventralisation (inactivation/perte)
CYC expression
s1 s2 s3
Gesneriaceae: Bournea Linaria
Plantago lanceolata
Malpighiaceae: Sphedamnocarpus) Cadia, Plantago major
sp. Malpighiaceae : Microsteria, Lasiocarpus et Psychopterys )
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
B+C Axe mâle
C B+C Axe bisexué Out of Male
L’expression des gènes de classe B agit comme « sélecteur » du sexe.
Axe femelle
C C
B+C Axe bisexué Out of Female
Expression ectopique de B Restriction
d’expression de B
Mécanismes proposés :
- modification des régulateurs trans de B
- modification des régions cis-régulatrices de B B C
éta carp
C B
microsporophylles
