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Evolution des phéromones de Drosophiles et rôle dans l’isolement reproducteur

Gwénaëlle Bontonou

To cite this version:

Gwénaëlle Bontonou. Evolution des phéromones de Drosophiles et rôle dans l’isolement reproducteur.

Sciences agricoles. Université Paris Sud - Paris XI, 2014. Français. �NNT : 2014PA112050�. �tel- 01423889�

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Université Paris-Sud 11

Ecole doctorale Gènes, Génomes, Cellules Laboratoire Evolution, Génomes et Spéciation

Discipline : Sciences de la vie

THÈSE DE DOCTORAT

soutenue le 25 03 2014 par

Gwénaëlle Bontonou

Evolution des phéromones de Drosophiles et rôle dans l’isolement reproducteur

Directrice de thèse :

Dr. Claude Wicker-Thomas

Composition du jury

Président Pr. Pierre CAPY LEGS, CNRS

Rapporteur Dr. Anne-Geneviève BAGNERES IRBI, CNRS

Rapporteur Dr. Patrizia D’ETTORRE LEEC, Université paris XIII

Examinateur Dr. Mathieu JORON OSEB, CNRS/MNHN

Examinateur Dr. Jacques MONTAGNE CGM, CNRS

Directrice Dr. Claude WICKER-THOMAS LEGS, CNRS

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Reste l’odeur. Dans le domaine de nos sens, des émanations odorantes, mieux que tout autre chose, expliqueraient à peu près les papillons accourus [. . . ]. Y aurait-il, en effet, des effluves analogues à ce que nous appelons odeur, effluves de subtilité extrême, absolument insensibles pour nous, et néanmoins capables d’impressionner un odorat mieux doué que le nôtre ?

Jean-Henri Fabre,Souvenirs entomologiques, 1870

Thus it is, as I believe, that when the males and females of any animal have the same general habits of life, but differ in structure, colour, or ornament, such differences have been mainly caused by sexual selection.

Darwin,On the Origin of Species, 1859

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Remerciements

La vie est faite de cercles et me voilà maintenant en train de boucler celui qui aura débuté il y a un peu plus de 4 ans, quand j’ai commencé mon stage de M2 au LEGS avec Claude et que je me suis dit que, vraiment, les phéromones c’était cool.

Tout d’abord merci à tous les membres de mon jury : mes rapportrices Anne- Geneviève Bagnères et Patrizia d’Ettorre pour avoir accepté ce rôle malgré des emplois du temps très chargés, mes examinateurs Mathieu Joron et Jacques Mon- tagne et enfin mon président du jury et également directeur de mon labo d’accueil, Pierre Capy.

Je remercie ensuite Claude Wicker-Thomas, ma directrice de thèse, pour avoir rapidement décidé de me faire confiance et de me confier ce qui allait devenir mon sujet de thèse. Merci d’avoir partagé avec moi tes connaissances et ton intérêt pour le monde des phéromones ainsi que ton bureau (même si je me parle à moi-même à voix haute), pour avoir toujours été disponible au cours de ces quatres années pour répondre à mes questions, partager mes réflexions sur ce mystère elo46 et divers autres sujets.

Un très grand merci également à Béatrice Denis. Pour ton aide précieuse pour les manips, pour les "euh tu pourrais faire un truc pour moi ?" impromptus que tu as toujours accepté, pour t’être inquiétée pour moi quand je passais mes nuits au labo à regarder des drosos mourir, pour avoir tenu le bureau des plaintes quand les manips ne donnaient rien, bref pour ta disponibilité et ton écoute !

Merci aussi à Jacques Montagne, Jean-Philippe Parvy et Damien Garrido pour les lab meeting quasi hebdomadaires, riches en discussions scientifiques. Pour m’avoir écouté vous présenter mon sujet et les difficultés que je pouvais rencon- trer et m’avoir donné plein de conseils !

Je remercie le CNRS qui a financé cette thèse, l’école doctorale GGC qui m’a jugée apte à mener ce projet à bien, l’IDEEV et l’ANR (via les projets "ADAPTAN-

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THROP" et "SEXDRO") pour leur soutien financier, l’Université Paris Sud XI pour m’avoir donné l’opportunité de faire du monitorat pendant 3 ans et toute l’équipe du service de Biologie Animale qui m’a accueillie et briefée, toujours dans la bonne humeur !

Je rends également hommage à toutes ces pauvres drosos auxquelles j’ai fait subir diverses tortures pour réaliser ces travaux.

Cette thèse n’aurait pas été ce qu’elle a été sans tout ceux que j’ai rencontré ici.

J’adresse un merci particulier à mes grands copains de thèse, Quentin et Bastien pour les grandes discussions en Flyroom et ailleurs, pour les week-ends au labo, pour votre aide en info, pour m’avoir écouté râler pendant des heures, pour les pauses café et, bien sûr, tous les à côtés de cette aventure qu’est la thèse.

Merci également aux désormais docteurs Héloïse, Fabrice, Jessy, Julie, Béné- dicte pour leurs conseils de "vieux" thésards et aussi maintenant Floriane, aux abeilles Antoine (pour tout le plaisir que tu m’as procuré), Pierre et Florian, aux Méry : Marine (ma co-thésarde !) et Anne-So, au poisson Julien et à Axelle, Alice, Estelle, Céline et Irène.

Merci à tous "mes petits jeunes" qui ont fait un bout de chemin avec moi pendant mon M2 puis pendant ma thèse sur ce mystérieux polymorphisme mâle : Yann, Samantha, Jérémy (toujours de bonne humeur !), Marie, Alice, Sabiha et (mon "petit") Arthur et Geoffrey (2 années de suite !). Merci aussi aux M2 dont la présence a rythmé cette thèse : Stéphanie, Kaouthar, Romain et Nicolas, le petit nouveau.

Merci Gaëlle pour les discussions, l’initiation au Mah-jong et au qi-gong et merci Déborah !

Merci à tous ceux qui constituent le LEGS, les membres de l’équipe GERAD pour leurs conseils, ceux de l’IRD tout là haut, l’équipe de choc du secrétariat, le club des mamans, le groupe de 11h45 tapantes, les organisateurs de "il fait beau"

et de barbecues et tous ceux qui y participent (David, Emilie, Fred, Céline, Pierre, Aurélie, Arnaud, Isa, et tous les autres déjà cités ou que j’oublie !).

Je remercie également tous ceux plus ou moins éloignés du monde de la recherche qui se sont ces dernières années gentiment moqué de mon amour pour les drosos, qui parfois avaient un peu de mal à comprendre ce que je pouvais bien faire de mes journées à mon labo et qui souvent m’ont rappelé que ça faisait du bien de

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prendre du recul :

Merci à celles qui ont découvert et aimé le monde de la bio avec moi à Orsay, grâce à qui ma vie estudiantine a été aussi fun, Gabielle et Marie. En souvenirs des mares (et surtout de la menthe aquatique qui s’y trouve), du chocolat/café vien- nois, du banana et du nimp. Merci aussi à mon écologiste préféré, Antoine. Merci à Marianne, ma binôme de TP avec qui je me suis bien amusée à martyriser des petits étudiants ces dernières années et merci à Alban, le plus biologiste des infor- maticiens !

Merci à mes ami(e)s de longue date, Victor mon squatteur préféré, Aurore, Pierre, Clotilde, ma future médecin préférée, JP, mon chevalier préféré, Elma, la calédonienne, Laura, la voyageuse et Soizic, ma future mariée préférée.

Merci à toute la team dentaire : Nico, le meilleur MC du monde, Baptou l’(at)tachant maladroit (c’est pas grave, on a du paic citron !), Camille, ma deuxième chérie, Ca- rine, Martin le gentil râleur, Ros le nounours, Jérémy, Laurent et Anhko, les se- crets, Ricou, Elisabeth, Ella, Manue et Léna.

Aux chéris et chéries de tout ce petit monde, Michal et Ziro qui me font travailler mon anglais dans de passionnantes discussions, Marie-Claire la future super ma- man, Anna, Max et Rémi, mes copains du club des non-dentistes.

Je remercie ma famille et plus particulièrement mes parents et mon frère. Merci pour votre soutien, merci Loïc d’être toujours là pour moi.

Enfin, merci à toi, mon chéri doux, mon mari tout neuf, de me supporter et de m’encourager chaque jour, depuis si longtemps. Je t’aime.

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Résumé

Il existe chezD. melanogaster etD. simulans un polymorphisme des hydrocarbures mâles qui pourrait jouer un rôle dans la mise en place d’un isolement sexuel.

Le 7-tricosène (7-T ; C23 :1) et le 7-pentacosène (7-P ; C25 :1) sont les phéromones principales des mâles. Elles interviennent dans le comportement de cour et varient en fonction des paramètres géoclimatiques. Cette thèse a pour objectif d’étudier le rôle des phéromones mâles sur l’isolement sexuel ainsi que les changements géné- tiques à l’origine de leur variation et de leur évolution.

Un des volets de cette thèse porte sur des aspects physiologiques et comportementaux. Nous avons étudié l’impact de la température sur la synthèse des hydrocarbures mâles et l’influence du rapport 7-T/7-P sur la résistance à la dessiccation et sur la réceptivité des femelles de différentes populations de D. melanogaster et D. simulans. Nous avons observé un isolement sexuel significatif entre des souches 7-T et 7-P de ces deux espèces présentes au laboratoire depuis des décennies, ainsi qu’entre des lignées issues d’une même population soumises à une sélection artifi- cielle. Il apparaît également que les souches synthétisant de grandes quantités de 7-P s’adaptent plus rapidement aux modifications importantes de température.

La seconde partie de cette thèse consiste en la détermination et l’étude des gènes d’élongase pouvant être impliqués dans la synthèse du 7-T et du 7-P chez les mâles de D. melanogaster et dans une moindre mesure chez ceux de D. simulans. Les travaux réalisés nous ont permis de mettre en évidence qu’un gène, situé sur le chromosome II, joue un rôle majoritaire dans la synthèse du 7-P.

Mots clés : Drosophile, phéromones, accouplement, sélection, adaptation, isolement sexuel, élongase

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Abstract

InD. melanogasterandD. simulansthere is a male hydrocarbon polymorphism that may play a role in sexual isolation. The main male pheromones are the 7- tricosene (7-T C23 : 1) and the 7-pentacosene (7-P, C25 : 1). They are involved in courtship behavior and depend on geo-climatic parameters. The aim of this thesis is to study the role of male pheromones on sexual isolation and to better unders- tand the genetic changes responsible for the variation and the evolution of male pheromones.

The first part investigates the plasticity of CHCs in response to temperature and focuses on the role of 7-T and 7-P in resistance to desiccation and in sexual selection in D. melanogaster and D. simulans. In both species there was partial sexual isolation between 7-T and 7-P flies from wild-type laboratory strains and also from lines that have been artificially selected. Males with high levels of 7- P seemed to modify their CHCs profiles more quickly in response to temperature changes.

The second part is the identification of elongase genes that might be involved in the synthesis of 7-T and 7-P in D. melanogasterandD. simulans males. A gene, located on chromosome II, could play a major role in the synthesis of 7-P in D.

melanogaster.

Keywords :Drosophila, pheromones, mating, selection, adaptation, sexual isolation, elongase

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Table des matières

Remerciements i

Résumé iv

Abstract v

Table des matières vi

Table des figures xi

Liste des tableaux xiii

Liste des abréviations xiii

Une histoire de phéromones 1

I Introduction 5

1 Communication sexuelle et isolement reproducteur : généralités 7

1.1 Prérequis . . . 7

1.2 Signaux intervenant dans l’isolement reproducteur . . . 9

2 La communication sexuelle des drosophiles 13 2.1 Le comportement de cour des Drosophiles . . . 13

2.2 Les stimuli non chimiques . . . 15

2.2.1 Stimuli acoustiques . . . 15

2.2.2 Stimuli visuels . . . 17

2.3 Les signaux sexuels phéromonaux . . . 18

2.3.1 Les hydrocarbures cuticulaires . . . 18

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TABLE DES MATIÈRES

2.3.2 Les phéromones non cuticulaires . . . 26

3 Synthèse des acides gras et des phéromones 29 3.1 Lieux de synthèse et d’émission des phéromones . . . 31

3.2 Caractéristiques des enzymes . . . 32

3.2.1 Synthèse d’acides gras à longue chaîne . . . 32

3.2.2 Désaturation . . . 33

3.2.3 Elongation . . . 34

3.3 La voie de biosynthèse des hydrocarbures de drosophiles . . . 37

3.3.1 Désaturases . . . 38

3.3.2 Elongases . . . 42

3.3.3 Décarboxylation . . . 44

3.4 Synthèse du cVA . . . 45

4 Contexte et objectif du travail 47

II Rôle d’un polymorphisme phéromonal mâle dans la mise en place d’un isolement sexuel 51

1 Chez Drosophila simulans: Bontonou et al., 2012 53 1.1 Résumé en français . . . 53

1.2 Introduction . . . 54

1.3 Materials and methods . . . 56

1.3.1 Strains . . . 56

1.3.2 Hydrocarbon analyses . . . 56

1.3.3 Cuticular hydrocarbons and multivariate analyses . . . 56

1.3.4 Desiccation resistance . . . 57

1.3.5 Mating experiments . . . 58

1.4 Results . . . 59

1.4.1 Comparison of the hydrocarbons between strains . . . 59

1.4.2 Resistance to desiccation . . . 63

1.4.3 Influence of temperature on CHC profiles . . . 63

1.5 Discussion . . . 66

1.6 Supporting information . . . 69

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TABLE DES MATIÈRES

2 Chez Drosophila melanogaster: Bontonou et al., 2013 75

2.1 Résumé en français . . . 75

2.2 Introduction . . . 76

2.3 Materials and methods . . . 78

2.3.1 Drosophila strains . . . 78

2.3.2 Drosophila selection lines . . . 79

2.3.3 Shift of temperature at emergence . . . 80

2.3.4 Cuticular hydrocarbon extraction and analyses . . . 82

2.3.5 Desiccation resistance . . . 84

2.4 Results . . . 85

2.4.1 Male CHC evolution after pheromone or temperature selection 85 2.4.2 Male CHC plasticity . . . 87

2.4.3 Role of CHCs in desiccation resistance . . . 90

2.4.4 Mate-choice experiments . . . 91

2.5 Discussion . . . 94

2.6 Supporting information . . . 96

III Origine génétique du polymorphisme mâle 101

1 Introduction 103 2 Matériel et méthodes 105 2.1 Matériel biologique . . . 105

2.1.1 Conditions d’élevage et de tri . . . 105

2.1.2 Souches de laboratoire et souches sauvages . . . 105

2.1.3 Lignées transgéniques pour les gènes de biosynthèse . . . 106

2.1.4 Croisements . . . 107

2.2 Analyse des hydrocarbures cuticulaires des Drosophiles . . . 109

2.2.1 Extraction et analyse des hydrocarbures cuticulaires . . . 109

2.2.2 Caractérisation et quantification des hydrocarbures . . . 110

2.2.3 Analyse statistiques . . . 110

2.3 Techniques de biologie moléculaire . . . 110

2.3.1 Extraction de l’ARN présent dans la carcasse . . . 110

2.3.2 Transcription réverse . . . 111

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TABLE DES MATIÈRES

2.3.3 Protocole de la PCR quantitative en temps réel (RT-qPCR) . . 111

2.3.4 Séquençage . . . 114

2.3.5 Construction des lignées UAS-elo46 . . . 114

3 Résultats et discussion 115 3.1 Localisation chromosomique . . . 115

3.2 Inhibition de l’expression des gènes d’élongase . . . 118

3.2.1 En génotype CS . . . 118

3.2.2 En génotype africain . . . 120

3.3 Détermination de l’origine génétique du polymorphisme hydrocarboné 122 3.3.1 Caractéristiques génétiques et protéiques d’elo46 . . . 122

3.3.2 Tests des hypothèses préliminaires . . . 124

3.3.3 Relation entre la séquence du promoteur et l’expression d’elo46: apport des lignées Com . . . 126

3.4 Synthèse du 7-P et régulation d’elo46 : un mystère à élucider . . . . 129

4 Perspectives 131

IV Conclusion générale 135

Annexes 139

A Valorisation des travaux de recherche 141

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Table des figures

.0.1 Un mâle deBombyx morisur son cocon. . . 2

I.2.1 La parade sexuelle des drosophiles. . . 14

I.2.2 Chant de cour de mâlesD. melanogasteretD.simulans . . . 15

I.2.3 Phylogénie de différentes espèces de drosophiles . . . 19

I.2.4 Hydrocarbures cuticulaires d’un mâle et d’une femelle. . . 21

I.2.5 Structure du cis-vaccényl acétate . . . 26

I.2.6 Structure de l’ACP70A. . . 27

I.3.1 Voies de biosynthèse des phéromones . . . 30

I.3.2 Marquage à la GFP des oenocytes deD. melanogaster.Photo de G. Bon- tonou et de B. Denis. . . . 31

I.3.3 Synthèse du malony-CoA et des acides gras à longue chaîne . . . 32

I.3.4 Etapes enzymatiques de la réaction d’élongation . . . 35

I.3.5 Voie de biosynthèse des hydrocarbures cuticulaires deD.melanogaster. 38 I.3.6 Evolution du locusdesatF. . . 41

I.3.7 Synthèse du cVa . . . 45

II.1.1 Hydrocarbons in males and females of the three strains . . . 62

II.1.2 Survival percentages of male and female flies from different strains . . 63

II.1.3 Effect of a temperature on the absolute quantities of hydrocarbons in Eg, ST and Cam flies . . . 64

II.1.4 No-choice mating tests inD. simulans . . . 65

II.2.1 Selection for hydrocarbons in the Com strain . . . 79

II.2.2 Experimental design for pheromone and temperature selections. . . 81

II.2.3 Typical GC profiles of CS (up) and Tai (down) males . . . 83

II.2.4 Selection for hydrocarbons in the Com strain . . . 86

II.2.5 Impact of a temperature shift on the CHCs . . . 88

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TABLE DES FIGURES

II.2.6 Effect of temperature in Cot, CS and Tai strains . . . 88

II.2.7 Effect of temperature in Com7T, Com7P, Com21 and Com25 lines . . . . 89

II.2.8 Survival proportions of male flies from different strains . . . 90

II.2.9 Laboratory strains, CS, Cot and Tai, show sexual isolation . . . 91

III.3.1 Localisation chromosomique des gènes du rapport 7-T/7-P . . . .116

III.3.2 Permutations des chromosomes II et III de CS et de Cot. . . .117

III.3.3 Impact de l’inhibition de l’expression d’elo46et de sa délétion . . . .120

III.3.4 Inhibition de l’expression d’elo46en contexte génétique Cot . . . .121

III.3.5 Données d’expression d’elo46disponibles sur Flybase . . . .122

III.3.6 Phylogénie des élongases de plusieures espèces . . . .123

III.3.7 Expression relative des transcrits d’élongase chezD. melanogaster . . .125

III.3.8 Expression relative des transcrits d’élongase chezD. simulans. . . .125

III.3.9 Polymorphisme de la séquence promotrice d’elo46 . . . .127

III.3.10 Expression relative d’elo46dans les différentes lignées testées . . . .128

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Liste des tableaux

I.3.1 Gènes d’élongase deD.melanogaster . . . 43

II.1.1 Analysis of differences between the CHC profiles of males . . . 60

II.1.2 Analysis of differences between the CHC profiles of females . . . 60

II.1.3 Numbers of observed pair matings and estimates of sexual isolation . . 65

II.2.1 Identification of 15 CHCs inD. melanogastermales . . . 82

II.2.2 Analysis of differences between the CHC profiles of males from Com21 and Com25 at two temperatures. . . 87

II.2.3 Female-choice . . . 93

II.2.4 Multiple-choice . . . 93

III.2.1 Efficacité des amorces de RT-qPCR utilisées . . . .113

III.3.1 Impact de l’inhibition de l’expression de chaque gène d’élongase sur la synthèse du 7-T et du 7-P . . . .118

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Liste des abréviations

CS : Canton-S Cot : Cotonou Or : Oregon

CHCs : hydrocarbures cuticulaires 7-T : 7-tricosène

7-P : 7-pentacosène

7,11-HD : 7,11-heptacosadiène 5,9 -HD : 5,9-heptacosadiène 7,11-ND : 7,11-nonacosadiène cVA : cis-vaccényl acétate ACP : Acyl Carrier Protein JH : hormone juvénile

ACC : acétyl-CoA carboxylase FAS : Fatty acid synthetase IPI : Intervalle InterPulses

CPG : chromatographie en phase gaseuse ADNc : ADN complémentaire

PCR : Réaction en chaîne par polymérase RT-qPCR : PCR quantitative en temps réel RNAi : ARN interférant

UAS : Upstream Activating Sequence GFP : Green fluorescent protein

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Une histoire de phéromones

La forme de communication la plus ancienne et la plus répandue est la communication chimique (Bradbury et Vehrencamp, 1998; Wyatt, 2003) qui dérive de la perception de signaux chimiques sous forme de molécules. Elle peut s’établir entre des organismes d’une même espèce ou d’espèces différentes et intervient dans de multiples situations. Elle permet par exemple de déterminer la présence d’un partenaire sexuel potentiel ou d’un rival, d’un prédateur ou d’un individu appartenant à la même colonie, d’un lieu de rencontre ou d’un hôte potentiel.

Bien que l’idée d’une transmission de signaux chimiques entre les animaux re- monte à l’antiquité grecque, la première description détaillée de l’importance de ces signaux, notamment pour l’attraction sexuelle, date de 1870 : dans ses Souvenirs entomologiques Jean-Henri Fabre constate que les mâles Grand-Paon (Saturnia pavonia) réussissent à localiser une femelle située sous une cloche en toile métal- lique ou dans un contenant opaque entrebâillé mais l’ignorent lorsqu’elle se trouve dans un contenant hermétiquement clos pouvant être transparent. Il suppose alors que la femelle émet une odeur responsable de son attrait, perceptible à longue distance par les mâles. Il faudra attendre 1959 pour que le terme de phéromone soit créé par le biochimiste allemand Peter Karlson et l’entomologiste suisse Martin Lü- scher. Le mot phéromone vient du grec pherein, qui signifie transférer et hormon, exciter ou stimuler. Les phéromones sont définies comme «des substances sécré- tées par un individu et qui, reçues par un individu de la même espèce, provoquent une réaction spécifique, tels qu’un comportement défini ou une modification biologique» (Karlson et Luscher, 1959). Whittaker proposa quelques années plus tard le terme de médiateurs allélochimiques pour désigner les signaux impliqués dans la communication interspécifique (Whittaker et Feeny, 1971).

La première phéromone animale fut isolée et décrite chimiquement en 1959, après 20 ans de travaux, par une équipe allemande sous la direction d’Adolf Bu- tenandt (Butenandt et al., 1959). Cette molécule, le bombykol, est un alcool dérivé

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Une histoire de phéromones

Bombykol

FIGURE .0.1 – Un mâle de Bombyx mori sur son cocon dominant la structure du bombykol.Photo reproduite et modifiée avec la permission de Pascale Ménétrier Delalandre.

d’un acide gras (le (E,Z)-10,12-hexadécadiénol) sécrété par les femelles du ver à soie Bombyx mori et perceptible à grande distance par les mâles, grâce à leur système antennaire (Figure .0.1).

Quelques années plus tard, trois composés terpéniques furent identifiés comme étant les phéromones d’un coléoptère, indiquant que le signal phéromonal d’un animal pouvait être composé de plusieurs molécules, ce qui se confirma largement par la suite (Silverstein et al., 1966). Les progrès réalisés en chimie et dans différents domaines de la biologie permirent, dès la fin des années 60, une expansion rapide des travaux sur les phéromones. Si en 1959 un demi-million de femelles Bombyx morifurent nécessaires pour obtenir 6mg de bombykol, les techniques modernes de chromatographie et de spectrométrie de masse permettent aujourd’hui de détecter simultanément les différentes phéromones d’un seul insecte.

Des phéromones ont ainsi été déterminées chez un grand nombre de taxons, des bactéries aux mammifères (Dunny et Léonard, 1997; Lewis et al., 2002; Cum- mins et Bowie, 2012. Pour les mammifères voir la revue de Tirindelli et al., 2009).

Les phéromones de plus de 7000 espèces d’insectes ont notamment été décrites, la majorité d’entre elles étant des phéromones de Lépidoptères. Une base de données accessible et modifiable par tous, Pherobase, se propose de les référencer (El-Sayed, 2013).

Les phéromones sexuelles, impliquées dans la reproduction, ont été particuliè- rement étudiées. Elles constituent un signal de reconnaissance spécifique à chaque individu qui va permettre aux individus de son espèce de l’identifier comme un partenaire sexuel potentiel, de le choisir ou non parmi tous les partenaires disponibles,

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Une histoire de phéromones

et, le cas échéant, de débuter et de mener à son terme une parade amoureuse (Jal- lon et David, 1987; Krupp et al., 2008; Etges et al., 2009; Everaerts et al., 2010).

Ces phéromones peuvent dans certains cas défavoriser les accouplements entre des individus de populations différentes, conduisant à la mise en place d’un isolement reproducteur entre différentes populations d’une même espèce, ce qui, à long terme, peut entraîner un évènement de spéciation.

Des recherches sont en cours pour décrypter les mécanismes génétiques et molé- culaires impliqués dans leur synthèse, comprendre comment ces mécanismes évo- luent et déterminer si leur évolution peut être impliquée dans la mise en place d’un isolement comportemental. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse en font partie.

(25)

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Première partie

Introduction

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Chapitre 1

Communication sexuelle et isolement reproducteur : généralités

1.1 Prérequis

Les espèces sont biologiquement définies comme des groupes de populations naturelles interféconds, dont la descendance est viable et fertile, et qui sont re- productivement isolés d’autres groupes semblables (Mayr, 1942b). La spéciation nécessite la mise en place de barrières reproductrices qui vont conduire à une di- minution puis à une interruption des flux de gènes entre différentes populations.

Ces barrières peuvent apparaître à un niveau pré-reproducteur, post-reproducteur mais pré-zygotique et/ou post-zygotique (Dobzhansky, 1937, 1951; Coyne et Orr, 2004). L’isolement pré-reproducteur peut être d’origine écologique, mécanique ou sexuelle : les individus ne s’accouplent pas parce qu’ils vivent dans des aires de ré- partition différentes, parce que leurs organes reproducteurs sont anatomiquement incompatibles ou parce qu’ils ne sont pas attirés les uns par les autres et ne se courtisent pas. Si l’accouplement advient mais ne donne pas lieu à la fertilisation, l’isolement est gamétique (post-reproducteur mais pré-zygotique) et si la féconda- tion a bien lieu mais que la descendance est non viable ou stérile, l’isolement est post-zygotique. L’isolement sexuel, parfois appelé isolement comportemental, est une source importante d’isolement reproducteur chez les animaux (Mayr, 1942a;

Coyne et Orr, 2004). Des études réalisées chez un grand nombre d’espèces, dans

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1.1. PRÉREQUIS

des conditions naturelles ou expérimentales ont en effet démontré l’existence d’un isolement sexuel lié à des divergences du comportement reproducteur d’espèces proches (voir les exemples ci-dessous). Déterminer les signaux qui interviennent dans le comportement reproducteur, connaître leurs bases génétiques ainsi que celles liées aux préférences qui leur sont associées apparait donc comme l’une des premières étapes nécessaire à la compréhension de l’évolution de l’isolement reproducteur entre certaines espèces.

La communication sexuelle se met en place au cours de la parade précopulatoire des animaux et va permettre la reconnaissance et le choix d’un partenaire sexuel ainsi que la stimulation sexuelle de ce partenaire. Elle se fait via la transmission de signaux visuels, acoustiques, tactiles et/ou chimiques qui interviennent seuls ou de façon combinée et dont l’importance dans le succès reproducteur varie selon les espèces. La mise en place d’un isolement sexuel est complexe à décrypter car elle nécessite des divergences de l’un ou de plusieurs de ces signaux chez un sexe et des préférences pour ces signaux chez l’autre sexe. Le cas le plus classique est celui où les signaux émis par les mâles diffèrent et où les femelles choisissent leur partenaire. Cette situation peut notamment entraîner une sélection sexuelle sur les caractères mâles (Fisher, 1930). La divergence des préférences sexuelles des femelles au sein de populations vivant dans différents environnements peut ainsi conduire à une sélection sexuelle divergente sur les signaux sexuels des mâles et à l’apparition d’un isolement reproducteur entre ces populations (Kirkpatrick et Ryan, 1991; Andersson, 1994). L’adaptation de populations à des environnements différents peut également entraîner, par sélection naturelle divergente, une modification des signaux sexuels (Schluter et Price, 1993). Les préférences pour un partenaire sexuel évoluent du fait de la pléiotropie des gènes impliqués dans cette adaptation, d’interactions épistatiques ou du déséquilibre de liaison entre ces gènes et les gènes impliqués dans les préférences sexuelles (Rundle et Nosil, 2005). La sélection sexuelle et la sélection naturelle peuvent donc agir sur les caractères sexuels et il est difficile de déterminer précisément laquelle de ces forces évolu- tives a pu induire la mise en place d’un isolement reproducteur.

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CHAPITRE 1. COMMUNICATION ET ISOLEMENT REPRODUCTEUR

1.2 Signaux intervenant dans l’isolement reproduc- teur

Des signaux intervenant dans l’isolement reproducteur ont été décrits avec pré- cision chez certaines espèces. La liste présentée ci-dessous en présente une courte illustration.

Signaux acoustiques

Des exemples d’isolements liés au chant existent pour de nombreux taxons comme les criquets (Hoy et Paul, 1973; Shaw et Parsons, 2002) ou les grenouilles (Ryan et Rand, 1993). Les forces évolutives responsables de la divergence sont parfois connues : une étude a montré que chez des grenouilles amazoniennesPhysalae- mus petersila sélection sexuelle avait favorisé la divergence des chants sexuels des mâles de populations proches ainsi que les préférences des femelles pour les chants des mâles de leurs populations, conduisant à un isolement reproducteur fort (Boul et al., 2007).

Signaux visuels

Les signaux visuels employés pendant la parade varient d’une espèce à l’autre : ce peuvent être des couleurs d’une partie du corps, des formes spécifiques ou une fa- çon de se mouvoir. Ils sont généralement émis par le mâle. Chez des populations de cichlidés du lac Victoria la sélection naturelle divergente puis la sélection sexuelle ont permis la mise en place d’un isolement reproducteur : l’évolution divergente du système visuel de populations vivant dans des eaux de turbidités différentes a entraîné des divergences de préférences des femelles pour la couleur des mâles (Seehausen et al., 2008).

Signaux chimiques

Les signaux chimiques et en particulier les phéromones sexuelles interviennent également dans la reconnaissance entre espèces et le comportement sexuel et peuvent donc intervenir dans la spéciation. L’importance de ces signaux dans l’isolement reproducteur a principalement été étudiée chez les insectes mais serait importante chez tous les animaux ainsi que chez les plantes. Il existe une très

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1.2. SIGNAUX INTERVENANT DANS L’ISOLEMENT REPRODUCTEUR

grande diversité de signaux impliqués dans la communication chimique. Ces signaux peuvent être des lipopeptides chez des levures, des glycopeptides chez les salamandres et les amphibiens, des peptides ou des protéines chez les vertébrés, des dérivés terpéniques chez certains coléoptères mais également des acides gras insaturés portant des fonctions alcool, aldéhyde ou cétone chez certains Lépido- ptères, ou des hydrocarbures à longue-chaîne dérivés d’acides gras.

Chez les Vertébrés les gènes de classe II du Complexe Majeur d’Histocompatibi- lité (CMH) détermineraient les odeurs des organismes, influenceraient le choix du partenaire sexuel sur la base de cette odeur (reptiles : Barbosaet al., 2006) pouvant conduire à un isolement reproducteur (cichlidés : Blaiset al., 2007).

Les hydrocarbures à longue-chaîne sont synthétisés par l’ensemble des insectes.

Ils seraient apparus au Silurien lors de la colonisation du milieu terrestre par les hexapodes, et leur rôle premier aurait été de protéger les organismes des pertes en eau en imperméabilisant la cuticule (Wigglesworth, 1964; Gibbs, 1998). Leurs rôles se sont ensuite diversifiés et sont désormais multiples : ils servent de bar- rière à l’invasion de micro-organismes (Revue : Ortiz-Urquiza et Keyhani, 2013), agissent comme signaux de reconnaissance et interviennent dans la communication d’un très grand nombre d’insectes, des Coléoptères (Ginzel et al., 2003) aux Diptères (Carlson et al., 1971; Antony et Jallon, 1982; Blomquist et al., 1987) en passant par les Lépidoptères (Roelofs et Carde, 1971; Millar, 2000) et les Hyméno- ptères (Howard, 1993). Chaque individu produit un mélange d’hydrocarbures qui fournit aux autres individus de très nombreuses informations sur l’espèce et la population auxquelles il appartient (Noor et Coyne, 1996; Higgie et al., 2000; Blows et Higgie, 2002a,b; Ferveur, 2005; Gleason et al., 2005), sur son genre mais égale- ment sur son âge et son environnement social et géographique (Kent et al., 2007, 2008; Kruppet al., 2008; Liebig, 2010). Chez les insectes sociaux, les hydrocarbures interviennent dans la formation et le maintien des groupes (Greene, 2010), dans la discrimination de la colonie et de la caste (Greene et Gordon, 2003; Guerrieriet al., 2009; Van Zweden et d’Ettorre, 2010). Leurs rôles dans la communication chimique sont également très variés et vont conduire à la mise en place d’une importante pa- lette de comportements : certains hydrocarbures agissent comme des phéromones sexuelles, d’agrégation, d’alarme, de piste ou de marquage.

Le rôle des hydrocarbures dans l’isolement sexuel a été particulièrement étu- dié chez les Lépidoptères et les Drosophiles. Chez les Lépidoptères les phéromones sont émises par les femelles et sont perçues à très longue distance par les mâles.

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CHAPITRE 1. COMMUNICATION ET ISOLEMENT REPRODUCTEUR

Ces phéromones présentent une grande diversité d’une espèce à l’autre et dans la plupart des cas une divergence interspécifique des phéromones femelles conduit à une attraction plus forte des mâles pour les femelles de leur espèce. L’exemple le plus documenté où l’isolement sexuel semble être lié à une divergence de phéro- mones entre deux populations sympatriques est celui de la pyrale du MaïsOstrinia nubilalis (Carde et al., 1978; Roelofset al., 1987; Löfstedt et al., 1989). Ces populations émettent un bouquet phéromonal constitué d’un mélange de deux confor- mations de la même molécule (Z et E) en proportions différentes. Les mâles ne détectent et ne répondent qu’au bouquet correspondant à leur phérotype. Cette dif- férence de profils phéromonaux est due à une mutation d’une des enzymes de la voie de biosynthèse des phéromones (Geiler et Harrison, 2010).

La drosophile est également un modèle qui a largement été utilisé dans l’étude de la spéciation comme nous le verrons dans la suite de cette thèse. Les nombreux outils génétiques et moléculaires disponibles chezDrosophila melanogaster, la possibilité de créer des hybrides en laboratoire ainsi que l’accès au génome de plusieurs espèces de drosophiles via l’amélioration des techniques de séquençage ont permis de déterminer une partie des mécanismes impliqués dans l’émission, la perception et l’intégration des signaux sexuels, de les analyser à des niveaux neuronaux, moléculaires et génétiques, et, dans certains cas, de comprendre leur évolution et leur rôle dans l’isolement reproducteur.

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Chapitre 2

La communication sexuelle des drosophiles

2.1 Le comportement de cour des Drosophiles

Le genre Drosophila est composé d’un grand nombre d’espèces, certaines très proches, vivant dans des environnements différents, en allopatrie ou en sympatrie et, pour un grand nombre d’entre elles, pouvant survivre en conditions de laboratoire. Leur comportement reproducteur présente une grande diversité que ce soit dans les ressources utilisées, l’utilisation du sperme, leur capacité à se réaccou- pler et la mise en place de la parade (pour revue : Markow et O’Grady, 2005). Le comportement de cour des drosophiles a été décrit en 1915 par Sturtevant chez D.

melanogasteravant d’être observé chez les autres espèces du genre Drosophila. La parade sexuelle est constituée d’étapes stéréotypées mais non linéaires qui constituent un véritable dialogue entre les partenaires (Spieth, 1952; Hall, 1994; Greens- pan et Ferveur, 2000). La chorégraphie classique de la cour se décrit ainsi (Figure I.2.1) : lorsqu’un mâle rencontre une partenaire potentielle, il s’oriente face à elle et touche son abdomen avec l’une de ses pattes avant pour percevoir son identité phéromonale. Si la femelle lui convient, il la suit pendant qu’elle se déplace tout en faisant vibrer ses ailes, produisant ainsi un signal acoustique appelé chant d’amour ("love song" : Bennet-Clark et Ewing, 1970; Von Schilcher, 1976). Il va également faire trembler son abdomen, créant des vibrations qui vont être transmises à la femelle via le substrat (Fabreet al., 2012). Si la femelle est réceptive, le mâle lèche ses genitalia avec son probocis et tente une copulation en recourbant son abdomen

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2.1. LE COMPORTEMENT DE COUR DES DROSOPHILES

pour accoler son appareil génital à celui de la femelle.

Orientation Tapotement Chant alaire Léchage Tentative

d’accouplement

♂

♀

FIGURE I.2.1 – La parade sexuelle des drosophiles.Modifié d’après Sokolowski, 2001.

En fonction de la réceptivité de la femelle, ce comportement peut être répété plusieurs fois avant d’aboutir à une copulation effective. La femelle transmet au mâle des signaux d’acceptation ou de rejet (Sturtevant, 1915; Connolly et Cook, 1973) tout au long de la parade. Une femelle réceptive ralentit ses déplacements, augmente la fréquence de nettoyage de son abdomen et extrude partiellement son ovipositeur tout en émettant une gouttelette qui va exciter le mâle (Lasbleizet al., 2006). A l’inverse, une femelle non réceptive donne des coups de pattes au mâle, lève et descend son abdomen, fuit ou extrude totalement son ovipositeur (Spieth, 1952; Lasbleiz et al., 2006) et n’écarte pas ses ailes, empêchant le mâle de se posi- tionner correctement pour l’accouplement.

L’accouplement entraîne des modifications physiologiques et comportementales chez chacun des deux partenaires qui vont, entre autre, altérer temporairement leur attractivité. Ces modifications ont été particulièrement étudiées chez la femelle (Wolfner, 1997, 2002; Mehrenet al., 2004; Rezavalet al., 2012. Pour les mâles voir Everaertset al., 2010).

Chaque signal émis au cours de la parade aura des caractéristiques propres à une espèce voire à une population donnée ainsi qu’une importance plus ou moins grande dans la reconnaissance intra-spécifique et le succès reproducteur.

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CHAPITRE 2. LA COMMUNICATION SEXUELLE DES DROSOPHILES

2.2 Les stimuli non chimiques

2.2.1 Stimuli acoustiques

Au cours de la parade, la plupart des mâles du genreDrosophilaproduisent des sons (les chants) destinés aux femelles en faisant vibrer une de leurs ailes ou leurs deux ailes dans une chorégraphie spécifique à l’espèce. Les chants alaires sont de deux types : l’un est composé de courtes impulsions rapides, les pulses (pulse song), produites de façon rythmiques, et l’autre de sons sinusoïdaux (sine song) (Kyriacou et Hall, 1980, 1986). Le chant par pulses est présent chez l’ensemble des espèces qui produisent des sons. Chez les espèces qui émettent deux ou trois chants, il peut être associé au chant sinusoïdal. Le temps séparant chaque période de chant par pulses est appelé Intervalle InterPulses (IPI) (Figure I.2.2). La durée de l’IPI et sa fréquence sont des signaux spécifiques à chaque espèce et à chaque mâle d’une même espèce (Kyriacou et Hall, 1990; Ritchie et al., 1999. Voir la revue de Tomaru et Yamada, 2011 qui présente les caractéristiques des chants d’un très grand nombre d’espèces). Le chant des mâlesD. simulansest par exemple composé d’une fréquence de pulses plus élevée (480 Hz contre 280 Hz) et un IPI plus long que celui des mâlesD. melanogaster(55 ms contre 30 ms) (Cowling et Burnet, 1981;

Ritchieet al., 1999).

D. melanogaster D. simulans

Sine song Sine song

Pulses IPI IPI Pulses

FIGUREI.2.2 – Chant de cour de mâles D. melanogasteretD.simulansenregistrés pendant 10 secondes.D’après Tootoonianet al., 2012.

Chez de nombreuses espèces de drosophiles le chant alaire a une influence sur la propension des femelles à s’accoupler (Bennet-Clark et Ewing, 1967; Von Schilcher, 1976; Crossley et al., 1995) et sur la rapidité de mise en place de l’accouplement

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2.2. LES STIMULI NON CHIMIQUES

(Cook, 1973). Le chant par pulses et en particulier l’IPI interviennent également de façon critique dans la reconnaissance inter-espèces (Bennet-Clark et Ewing, 1969;

Kyriacou et Hall, 1982; Tomaru et al., 1995; Saarikettu et al., 2005). Le rôle de l’IPI dans la mise en place d’un isolement sexuel entre des espèces proches vivant généralement en sympatrie a ainsi largement été démontré. Certaines espèces ne s’accouplent que lorsqu’elles entendent les chants qui leur sont spécifiques (Bixler et al., 1992; Liimatainen et al., 1992; Doi et al., D. sechellia: Tomaruet al., 2000, 2004) tandis que d’autres espèces nécessitent la présence de chants hétérospéci- fiques pour discriminer leurs partenaires et s’accoupler (Tomaruet al., 1995, 1998;

Yamada et al., 2002). Il existe cependant également des espèces chez lesquelles le chant ne jouerait qu’un rôle secondaire dans la spécificité de la cour (Hoikkala et Crossley, 2000).

Le rôle du chant dans le choix intra-spécifique d’un partenaire est assez peu connu dans la mesure où peu de variations ont été observées entre les chants de différents mâles d’une même espèce (Ritchieet al., 1994). Il a cependant été montré que les femellesD. melanogasteravaient tendance à favoriser les mâles présentant des temps de pulses plus longs et que les femelles de D. montana préféraient les pulses courts mais très fréquents (Ritchieet al., 1998). Les pulses, très énergivores, pourraient ainsi fournir aux femelles une indication sur l’état de santé du mâle (Talyn et Dowse, 2004).

Les femelles peuvent également produire des sons avant la parade qui vont permettre aux mâles de les localiser (Ejima et Griffith, 2008). Pendant la parade, les femelles n’émettent généralement pas de chants spécifiques (Ewing et Bennet- Clark, 1968). A l’exception des femelles du groupevirilis: (Donegan et Ewing, 1980;

Hoikkala, 1985). Elles peuvent cependant faire vibrer leurs ailes en signe de rejet, notamment lorsqu’elles entendent un chant hétérospécifique. Chez D. ananassae et D. pallidosa, deux espèces génétiquement très proches, les vibrations alaires des femelles en réponse à un chant hétérospécifique entraîne un arrêt de la cour responsable de l’isolement sexuel entre les deux espèces (Yamadaet al., 2008).

Il est à noter que les vibrations alaires jouent un rôle dans différentes étapes de la cour en transmettant des informations auditives et visuelles au partenaire mais également en favorisant la volatilité des phéromones perceptibles uniquement à faible distance.

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2.2.2 Stimuli visuels

Les signaux visuels peuvent être à la fois dynamiques (mouvements, déplace- ments) et statiques (pigmentation, couleur, forme). Ils varient quantitativement et qualitativement au sein du genre Drosophila. Les signaux dynamiques interviennent dans les différentes étapes de la parade. Dans un premier temps ils permettent au mâle de détecter la présence d’un autre individu en train de se déplacer.

Le mâle va s’approcher de cet individu, va s’orienter en face de lui et, si cet individu semble de la taille d’une femelle, le toucher avec sa patte antérieure (Tompkins et al., 1993). L’activité locomotrice et les mouvements de la femelle vont ensuite renseigner le mâle sur sa réceptivité. Le mâle doit ainsi faire appel à sa vision (Gailey et al., 1986) et plus particulièrement à sa capacité à détecter les mouvements (Cook, 1973, 1979) pour rester près de la femelle au cours des premières étapes de la cour lorsque celle-ci a tendance à le fuir. Chez certaines espèces de drosophiles les signaux statiques peuvent intervenir dans le choix des femelles.

Chez les drosophiles hawaïennes celui-ci est par exemple influencé par les motifs présents sur les ailes des mâles, ce qui explique la grande diversité de motifs ob- servable chez ces espèces (Edwards et al., 2007). Chez D. suzukii les fréquences d’accouplements des mâles ayant ou non des motifs sur leurs ailes sont identiques dans l’obscurité tandis qu’à la lumière les femelles préfèrent les mâles ayant des ailes tachetées (Fuyama, 1979).

L’importance des stimuli visuels dans la mise en place et le succès de la parade varie également d’une espèce à l’autre (Grossfield, 1966, 1971). La plupart d’entre elles comme D. aurariane peuvent s’accoupler ou s’accouplent très peu dans l’obs- curité. Quelques espèces comme D. melanogaster s’accouplent indifféremment de la présence ou de l’absence de lumière. Chez ces espèces les autres stimuli sexuels ou des facteurs liés à l’environnement (comme la nourriture) doivent jouer un rôle majeur dans la mise en place de la cour. La comparaison de l’expression de gènes de D. melanogaster et D. simulans par micro-array a ainsi montré que les mâles de D. simulansprésentent une surexpression des gènes impliqués dans la cascade de phototransduction, par rapport aux mâlesD. melanogaster, confirmant une plus grande importance des signaux visuels dans la cour deD. simulans que dans celle de D. melanogaster (Ranz et al., 2003). Les mâles D. melanogaster surexpriment deux gènes impliqués dans l’olfaction indiquant l’importance, chez cette espèce, des phéromones sexuelles.

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2.3. LES SIGNAUX SEXUELS PHÉROMONAUX

2.3 Les signaux sexuels phéromonaux

2.3.1 Les hydrocarbures cuticulaires

généralités

Au sein du genreDrosophila, les hydrocarbures cuticulaires (CHCs) interviennent comme signaux de reconnaissance et comme phéromones sexuelles. Ils sont peu vo- latiles et vont être perçus à faible distance par les organes olfactifs de la tête (an- tennes et palpes maxillaires) et/ou par contact par les organes gustatifs des tarses et du proboscis (Stocker, 1994; Boll et Noll, 2002; Bray et Amrein, 2003). Ils sont peu nombreux comparativement à ceux d’autres espèces d’insectes (Howard, 1993) mais présentent une importante diversité qui se caractérise par des variations de la longueur de chaîne, du nombre et de la position des insaturations, de la présence de composés supplémentaires et par l’existence, chez certaines espèces, d’un dimorphisme sexuel et de variations intra-spécifiques. La longueur de chaîne des CHCs varie de 20 à 40 atomes de carbones, certaines espèces ayant un spectre de synthèse plus large que d’autres et donc une signature cuticulaire plus dense.D. birchii, par exemple, synthétise des hydrocarbures de 20 à 33 atomes de carbones tandis que ceux des mâles d’une espèce hawaïenne, D. peniculipedis, sont constitués de 25 et de 27 atomes de carbones (Tompkins et al., 1982). La longueur de chaîne est assez bien conservée au sein des groupes : les drosophiles hawaïennes et du sous-groupe Sophophora synthétisent les CHCs les plus courts (entre 23 et 29 carbones pour la plupart des espèces, jusqu’à 33 carbones chez D. ananassaeet D. erecta), les es- pèces du groupe virilis des CHCs un peu plus longs (entre 22 et 31 carbones) et les espèces du grouperepletales CHCs les plus longs (entre 28 et 40 carbones). Les composés qui constituent les profils hydrocarbonés des drosophiles appartiennent à un nombre restreint de classes. Ce sont généralement desn-alcanes, des insaturés à une ou plusieurs double liaisons (monoènes, alcadiènes, alcatriènes) et des alcanes portant un groupement méthyle. Certaines espèces comme D. melanogaster synthétisent l’ensemble de ces composés tandis que d’autres commeD. willistoniet D. elegans n’en synthétisent qu’une petite partie. Les différences interspécifiques sont qualitatives mais également quantitatives.

Les variations les plus grandes, notamment au niveau du dimorphisme sexuel sont observables au sein du sous-groupe melanogaster. Les profils hydrocarbonés

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des mâles y sont extrêmement semblables : plus de la moitié des hydrocarbures qu’ils synthétisent sont du 7-tricosène (7-T) et, à l’exception des mâles D. erecta, du 7-pentacosène (7-P), des alcènes respectivement à 23 et 25 carbones avec une insaturation en position 7 (Jallon, 1984; Antonyet al., 1985; Jallon et David, 1987) (Figure I.2.4). Les profils hydrocarbonés des femelles, en revanche, apparaissent comme étant spécifiques à une espèce donnée. D. melanogaster, D. sechellia et D.

erecta sont des espèces dimorphiques pour les hydrocarbures, les femelles synthé- tisent des composés plus longs, peu de monoènes et beaucoup de diènes qui agissent comme des phéromones. Les autres espèces du sous-groupe sont des espèces dites monomorphiques, à savoir que les mâles et les femelles présentent des profils hy- drocarbonés qualitativement semblables mais dont les hydrocarbures varient en abondance (Jallon et David, 1987; Ferveur, 1991; Sharmaet al., 2012). Les femelles deD. simulansproduisent par exemple 10 à 15% plus de CHCs que les mâles (Fer- veur et Jallon, 1993a).

* *

*

FIGURE I.2.3 – Relations phylogénétiques des différentes espèces de drosophiles citées dans le paragraphe. Les astérisques rouges indiquent les espèces dimorphiques pour les phéromones sexuelles. Modifié à partir de Flybase.

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Plusieurs hydrocarbures de faible abondance (des n-alcanes et des alcanes ra- mifiés) sont également présents en quantités semblables chez les mâles et les femelles de chacune de ces espèces (Jallon et Wicker-Thomas, 2003), et pourraient correspondre à des hydrocarbures présents ancestralement.

Rôle phéromonal des CHCs

Chez la drosophile, certains hydrocarbures, en général les plus abondants, agissent comme des phéromones sexuelles durant la parade amoureuse et l’accouplement (Jallon, 1984). Le bouquet phéromonal peut être composé de plusieurs phéromones ayant des effets de stimulation ou de répulsion qui se contrebalancent et dont la perception peut varier d’une espèce ou d’une population à l’autre. Chez D. melanogaster par exemple, le 7-T des mâles va à la fois inhiber les parades ho- mosexuelles mâles (son ajout à des mâles sans hydrocarbures est suffisant pour supprimer ces parades) et stimuler les femelles de certaines populations (Sureau et Ferveur, 1999; Grillet et al., 2006). A l’inverse, chezD. simulans, le 7-T est plus abondamment présent chez les femelles que chez les mâles et stimule les mâles.

La très grande variabilité des CHCs et de leur abondance permettraient d’amélio- rer l’attractivité des partenaires d’une même espèce ou d’une même population et seraient donc directement impliqués dans la mise en place d’accouplements intra- spécifiques et dans l’isolement reproducteur entre espèces (Cobb et Jallon, 1990;

Coyne et al., 1994; Coyne, 1996b; Coyne et Charlesworth, 1997; Blows et Allan, 1998). Ils pourraient également favoriser ou renforcer la sélection sexuelle entre espèces proches, notamment lorsque celles-ci vivent en sympatrie (Higgie et Blows, 2008).

Le rôle des phéromones sexuelles femelles en tant que barrière pré-reproductrice est clairement établi au sein du sous-groupe melanogaster. Les mâles des espèces dont les hydrocarbures sont sexuellement monomorphiques ne courtisent généra- lement pas les femelles des espèces dimorphiques, tandis que les mâles des es- pèces dimorphiques courtisent très peu les femelles monomorphiques. Le 7,11- heptacosadiène (7,11-HD, Figure I.2.4), la phéromone principale des femelles D.

melanogaster et D. sechellia, est en grande partie responsable de ces comportements. Les mâles de D. simulans et de D. yakuba ne courtisent pas les femelles sauvages de D. melanogastermais courtisent des femelles qui ne synthétisent pas d’hydrocarbures. L’ajout de 7,11-HD synthétique aux femelles sans hydrocarbures

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7-T

7-P

7,11-HD

7,11-ND

FIGURE I.2.4 – Chromatogrammes en phase gazeuse des hydrocarbures cuticulaires d’un mâle et d’une femelle d’une souche cosmopolite de D.melanogaster.

Structures chimiques de phéromones majoritaires. L’analyse en chromatographie en phase gazeuse (CPG) permet d’identifier les molécules portées sur la cuticule des drosophiles. Les hydrocarbures sont séparés en fonction de leur longueur de chaîne (nombre de carbones), de leur de- gré d’insaturation (n-alcane, monoinsaturé, diinsaturé) et de la fonction chimique portée (un groupement méthyle ici). Ainsi, les mâles possèdent majoritairement des composés à 23 et 25 carbones avec une double liaison, et les femelles des molécules à 27 et 29 carbones avec deux doubles liaisons. Les phéromones majoritaires sont indiquées sur les chromatogrammes et leurs structures chimiques sont représentées à droite. La structure moléculaire du 5,9-HD, non présent sur le chro- matogramme, est également indiquée.

est suffisant pour supprimer totalement leur cour. De même, l’ajout de 7,11-HD aux femelles sauvages deD. simulanset deD.yakuba suffit à inhiber la cour intra- spécifique mais va, au contraire, stimuler les mâles de D. melanogaster (Coyne et al., 1994; Coyne et Oyama, 1995; Savarit et al., 1999; Legendre et al., 2008;

Billeteret al., 2009).

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Un cas où les phéromones mâles pourraient être impliquées dans l’isolement sexuel inter-espèces a également été décrit au sein du sous-groupe melanogaster.

D. santomea et D. yakuba sont des espèces vivant en sympatrie sur l’île de Sao- Tome dans le golf de Guinée (Coyne et al., 2002). Le n-heneicosane (C21 :0), un hydrocarbure sept fois plus présent chez les mâles de D. santomea que chez les mâles deD. yakubaattirerait les femellesD. santomeaet repousserait les femelles D. yakuba (Mas et Jallon, 2005).

Comme nous l’avons vu précédemment les profils hydrocarbonés peuvent éga- lement varier intra-spécifiquement et de plus en plus d’études font état d’accouplements non aléatoires entre des populations divergentes. Si quelques études ont été faites chez D. elegans (Ishii et al., 2002) et D. montana (Veltsos et al., 2012), le cas le plus documenté d’isolement sexuel intra-spécifique a été décrit chez D.

melanogaster. Chez cette espèce, il existe un polymorphisme des hydrocarbures cuticulaires lié à l’origine géographique des populations qui se traduit notamment par la synthèse de phéromones sexuelles femelles différentes. Les femelles des populations dites cosmopolites produisent de grandes quantités de 7,11-HD tandis que les femelles provenant d’Afrique de l’Ouest, du Zimbabwe et des Caraïbes produisent majoritairement un isomère du 7,11-HD, le 5,9-heptacosadiène (5,9-HD, Figure I.2.4, Jallon et Péchiné, 1989). Les femelles du Zimbabwe s’accouplent très rarement avec les mâles cosmopolites, cette absence d’accouplements étant décrite comme le début d’un évènement de spéciation (Wu et al., 1995; Hollocher et al., 1997; Dalleracet al., 2000). De façon semblable les femelles des Caraïbes rejettent les mâles des populations cosmopolites américaines (Yukilevich et True, 2008b). Le gène impliqué dans ce polymorphisme phéromonal, desat 2, a été caractérisé mais son rôle exact dans l’isolement reproducteur reste à éclaircir (Dalleracet al., 2000;

Takahashiet al., 2001; Yukilevich et True, 2008a; Coyne et Elwyn, 2006). Les populations des Caraïbes et d’Afrique de l’Ouest s’accouplent aléatoirement entre elles mais sont également sexuellement isolées des populations du Zimbabwe malgré des profils phéromonaux semblables, indiquant que d’autres paramètres comme la morphologie des mâles, leur comportement de cour ou leurs phéromones pourraient également intervenir dans l’isolement. Une étude a récemment montré que les femelles Zimbabwe étaient capables de discriminer les mâles en fonction de leurs profils phéromonaux, les mâles Zimbabwe synthétisant beaucoup de 5-T (Grillet et al., 2012). Un polymorphisme des hydrocarbures est également présent chez les mâles de D. melanogaster et chez D. simulans. Les mâles cosmopolites de D. me-

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lanogaster synthétisent de grandes quantités de 7-T tandis que les mâles de la plupart des régions chaudes synthétisent majoritairement du 7-P (Rouault et al., 2001). Chez D. simulans la majorité des populations synthétisent principalement du 7-T mais certaines populations d’Afrique occidentale et centrale synthétisent davantage de 7-P. Cependant, au début de cette thèse, peu d’études avaient été réalisées sur le rôle du 7-P dans la reconnaissance et le choix inter-populations des partenaires sexuels chezD. melanogaster et chezD. simulans.

Plasticité des CHCs

Plusieurs facteurs peuvent modifier les profils hydrocarbonés, en particulier la température, la nourriture et le contexte social (Stennett et Etges, 1997; Havens et Etges, 2013; Kentet al., 2008; Liuet al., 2011). Seul l’impact de la température est ici abordé. ChezD. melanogaster,D. mojavensis,D. pseudoobscuraetD.serrata une sélection sur la résistance à la dessiccation entraîne une modification des profils d’hydrocarbures des lignées qui se traduit généralement par une augmentation de leur longueur de chaîne (Kwan et Rundle, 2010; Foley et Telonis-Scott, 2011;

Frentiu et Chenoweth, 2010). Ce phénomène s’expliquerait par la capacité des hydrocarbures à longue chaîne à limiter les pertes en eaux plus efficacement que les CHCs à courte chaîne, du fait de leur température de fusion plus élevée (Gibbs, 1998). Les phéromones principales des mâles de D. melanogaster, le 7-T et le 7-P, seraient notamment impliquées dans cette résistance à la chaleur et à la dessica- tion. Une étude sur 85 populations de D. melanogaster a en effet montré que le rapport 7-T/7-P varie significativement en fonction de la latitude, la température moyenne et la pression de vapeur d’eau des pays dans lesquels vivent ces populations (Rouault et al., 2001). Les mouches élevées à 29˚C synthétisent également davantage de 7-P et moins de 7-T que celles élevées à 18˚C (Rouaultet al., 2004).

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Evolution des profils hydrocarbonés

La sélection naturelle et la sélection sexuelle peuvent jouer un rôle dans l’évo- lution des CHCs. Les principales études réalisées pour déterminer l’impact de chacune de ces forces évolutives sur les CHCs et les conséquences de cette évolution sur la mise en place d’isolements sexuels ont été effectuées chezD. serrata.

D. serrataet D. birchii sont des espèces australiennes dont les zones de répar- titions se recoupent. Il a été observé que les populations de D. serrata vivant en sympatrie avec des populations de D. birchii présentent des profils hydrocarbo- nés différents de ceux des populations vivant en allopatrie. Lorsque des populations naturellement allopatriques de D. serrata sont mises en sympatrie pendant neuf générations avec des populations de D. birchii, leurs profils hydrocarbonés se modifient progressivement pour ressembler aux profils sympatriques (Higgie et al., 2000). Des études complémentaires ont également montré chez D. serrata que les deux sexes effectuent des choix de partenaires sexuels à partir des CHCs mais que ces choix se font de façons opposées : les mâles préfèrent des profils femelles intermédiaires, entraînant une sélection sexuelle stabilisante sur les CHCs femelles (Chenoweth et Blows, 2005) tandis que les femelles exercent une sélec- tion sexuelle forte et unidirectionnelle sur les profils des mâles, responsable de leur évolution (Hineet al., 2002; Higgie et Blows, 2008). Les femelles allopatriques préfèrent ainsi les mâles arborant un profil hydrocarboné allopatrique (Higgie et Blows, 2007), ce qui entraîne une sélection contre les profils sympatriques dans les zones où les différentes populations se rencontrent et donc une absence de flux gé- nique entre ces populations (Higgie et Blows, 2008). Lorsque ces espèces vivent en sympatrie, l’évolution des caractères reproducteurs par renforcement compromet la sélection sexuelle. Le renforcement et la sélection sexuelle conduisent à des populations ayant des CHCs et des préférences pour ces CHCs différents et peuvent conduire à la mise en place d’un isolement reproducteur entre ces populations.

La sélection naturelle aurait aussi un impact important dans l’évolution des CHCs de populations différentes. Comme nous l’avons vu précédemment, les populations vivant dans des environnements plus chauds vont synthétiser des hydrocarbures à plus longue chaîne. Des populations expérimentalement soumises à des conditions environnementales différentes peuvent présenter des hydrocarbures différents et une modification des préférences des femelles en faveur de ces CHCs (Rundleet al., 2005). Les divergences de préférences pour des CHCs résultant d’une

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adaptation à l’environnement seraient une source importante d’isolement reproducteur. Plusieurs études ont également montré que la sélection naturelle et la sélection sexuelle influencent l’évolution des CHCs et le succès reproducteur des mâles mais que la sélection sexuelle entraîne de la divergence chez les populations naturelles seulement si un changement dans la sélection naturelle apparaît au même moment (Hineet al., 2011).

Chez les autres espèces l’évolution des CHCs est moins comprise. ChezD. mela- nogasterle polymorphisme hydrocarboné femelle aurait été induit par la tempéra- ture : la perte de fonction d’une désaturase aurait permis une meilleure résistance au froid (Greenberg et al., 2003). Ces résultats n’ont cependant pas été répliqués (Coyne et Elwyn, 2006). Le lien entre l’évolution des CHCs en réponse à des conditions environnementales et l’évolution des préférences sexuelles n’est également pas clairement établi (Rundle, 2003; Rundleet al., 2005; Kwan et Rundle, 2010).

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2.3.2 Les phéromones non cuticulaires

Les Drosophiles mâles produisent des phéromones de nature peptidique ou lipidique qui vont être transmises aux femelles via le fluide séminal durant la copulation. Ces phéromones interviennent dans la communication sexuelle et peuvent empêcher tout nouveau réaccouplement soit parce qu’elles sont perçues comme anti-aphrodisiaque par le mâle (cVA) soit parce qu’elles modifient la régulation des phéromones cuticulaires (peptides sexuels : expériences non publiées).

Le cVA

Le cis-vaccényl-acétate (cVA), ou (Z)-11-octadécenyl acétate, est une phéromone lipidique synthétisée dans le bulbe éjaculateur des mâles sexuellement matures (Figure I.2.5, Butterworth, 1969).

O O

CH₃

FIGURE I.2.5 – Structure moléculaire du cis-vaccényl acétate. Le cis-vaccényl acétate est une phéromone synthétisée dans le bulbe éjaculateur des mâles et transmise aux femelles lors de l’accouplement.

Les fonctions du cVA sont multiples et dépendent du contexte social et physique des drosophiles. Le cVA dissuade les mâles de courtiser une femelle déjà accouplée.

Cet effet apparaît dès le lendemain de la copulation et peut persister durant trois jours (Jallon et al., 1981) mais peut être modéré par des hydrocarbures femelles qui vont stimuler les mâles et favoriser la polyandrie. Par exemple, chez D. melanogaster, une espèce majoritairement polyandre, le 7,11-HD contrecarre l’effet du cVA et pourrait illustrer l’existence chez cette espèce d’un conflit sexuel post- copulatoire. Le cVA régulerait également le nombre d’individus présents sur une même ressource en ayant des effets antagonistes. Lors de la ponte, les femelles dé- posent du cVA sur la nourriture qui agit en synergie avec les odeurs de nourriture (cétones, aldéhydes) pour attirer d’autres individus (Bartelt et al., 1985; Schaner et al., 1987). Lorsque la densité de population est faible, le cVA est présent en faible concentration et agit comme une phéromone d’agrégation avec pour conséquence l’augmentation du nombre d’individus sur une même ressource. Le cVA étant vo-

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latile, sa concentration dans un environnement donné augmente avec le nombre de mâles présents. Si ce nombre dépasse un certain seuil, les concentrations en cVA déclenchent des comportements d’agression entre les mâles qui vont entraîner la dispersion d’une partie des mâles présents. Le cVA ramènerait donc la densité de population à un niveau où alimentation, reproduction et compétition se font de façon optimale.

Les peptides sexuels

Le mâle transmet également des peptides sexuels et des enzymes qui sont syn- thétisés dans les glandes accessoires (ACcessory gland Proteins ou ACP). Ces phé- romones peptidiques entraînent chez la femelle l’augmentation de la vitellogenèse et de la production d’hormone juvénile (JH) ainsi qu’un comportement d’oviposi- tion et de rejet des mâles (Wolfner, 1997; Kalb et al., 1993; Ottiger et al., 2000).

Le principal responsable de ces changements physiologiques et comportementaux est l’ACP70A, un peptide de 36 acides aminés composé de trois parties ayant des récepteurs différents chez la femelle (Figure I.2.6, Chen et Buhler, 1970).

Actions chez la femelle : Liaison aux CAs Action immunitaire Liaison au SPR Structure

de l’ACP70A

FIGUREI.2.6 – Tractus génital mâle de D.melanogasteret structure de l’ACP70A.

D’après Moehleet al., 2011.

La partie C-terminale se fixe sur des récepteurs (les SPRs) présents dans le sys- tème nerveux et les oviductes (Yapici et al., 2008) tandis que la partie N-terminale agit sur les corpora allata(Moshitzky et al., 1996). Enfin la partie centrale, riche en hydroxyprolines, entraîne une réponse immunitaire innée chez la femelle (Do-

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manitskaya et al., 2007). L’action à long terme de l’ACP70A est due à sa liaison au sperme via sa partie N-terminale et à son relargage progressif dans le tractus génital femelle (Penget al., 2005).

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Chapitre 3

Synthèse des acides gras et des phéromones

En utilisant de l’acétate radioactif, Jones et Berger montrèrent en 1978 chez un Lépidoptère que la biosynthèse des phéromones était entièrement réalisée de novo et qu’elle dérivait du métabolisme des acides gras. La biosynthèse de novosemble prévaloir chez la plupart des espèces d’insectes étudiées, même s’il existe de nombreux cas où des composés de plantes sont utilisés comme précurseurs (revues : Tillmanet al., 1999; Eisner et Meinwald, 2003). Elle concerne les phéromones déri- vées d’acides gras mais également les phéromones dérivées de terpènes, présentes chez les Coléoptères (Tillman et al., 1998). Les phéromones dérivées d’acides gras peuvent être des acides gras linéaires ou branchés, saturés ou insaturés, portant des fonctions alcool, aldéhyde ou cétone chez certaines espèces de Lépidoptères ou des hydrocarbures chez plusieurs ordres d‘insectes (voir hydrocarbures, générali- tés). Les phéromones des Diptères sont issues d’une modification du métabolisme général des lipides cuticulaires (Blomquistet al., 1987; Nelson et Blomquist, 1995).

La biosynthèse des acides gras nécessite un faible nombre de réactions métabo- liques capables de générer une grande diversité de molécules. Le nombre de classes enzymatiques impliquées dans le métabolisme des acides gras et des phéromones est donc faible. L’acétyl-CoA carboxylase (ACC) ainsi que le complexe enzymatique formant la synthétase d’acide gras (FAS) interviennent dans les premières étapes de la synthèse. Les principales enzymes de synthèse sont ensuite des élongases qui ajoutent deux unités carbonées dans la chaîne aliphatique, des désaturases qui introduisent des doubles liaisons à des positions spécifiques de la chaîne, des oxydases et des réductases. D’autres enzymes interviennent pour former les diffé-