Caractères ancestraux ou convergence
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Aix-Marseille Université Mediterranean Institute Of Oceanography Département de Biologie Année Universitaire 2012-2013 RAPPORT DE STAGE « La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux» Effectué dans le cadre d’une deuxième année de Master en Biologie et Ecologie Marine. Présenté et soutenu par Amandine LEBRE Préparé au sein de l’équipe d’Evolution Biologique et Modélisation au CNRS, Sous la direction du Docteur Pierre Antoine Pontarotti, responsable de l’équipe d’Evolution Biologique et Modélisation. SOMMAIRE INTRODUCTION…………………………………………………………………………..1 MATERIELS ET METHODES.……………………………………………………….…..4 Approche phénotypique…………………………………………………………………………….4 Organismes modèles.………….……………………………………………………………………….4 Recherche bibliographique ……………………………...…………………………………………...5 Tri des caractères à tester et expertise des caractères sélectionnée…………………………… 7 Reconstruction ancestrale………………………………………………………………………....… 8 Discriminer les mutations de novo de l’hybridation et du tri de lignée incomplet...…..……… 9 L’utilisation des arbres de gènes.…………………………………………………………………. 10 RESULTATS …………………………………………………………………………… 10 L’évolution convergente au niveau phénotypique...…………………………………………..…10 Sélection des caractères…..……………………………………………………………………… 10 Expertise des caractères selectionnés...………………………………………………………… 12 Reconstruction de l’histoire évolutive des caractères………………………………………… 14 La reconstruction ancestrale : Le maximum de vraisemblance………………………………. 14 Discriminer les mutations de novo, de l’hybridation et du tri de lignée incomplet…..………..16 L’utilisation de 19 loci….……………………………………………………………………………17 L’utilisation de 1 541 loci …………………………………………………………………………..19 DISCUSSION………………………………………………………………………………21 CONCLUSION…………………………………………………………………………….22 BIBLIOGRAPHIE………………………………………………………………………...25 Résumé Remerciement : Avant tout développement sur cette expérience dans le monde de la recherche, il apparaît opportun de commencer ce rapport par saluer tous ceux qui m’ont beaucoup apportés durant ce stage. Pour cela, je souhaite remercier le docteur Pierre Antoine Pontarotti, responsable de l’équipe d’Evolution Biologique et Modélisation, qui m’a formé et accompagné tout au long de ce stage avec beaucoup de patience et de pédagogie. J’adresse également mes remerciements à Philippe Gouret ainsi qu’à Olivier Chabrol, pour leur aide plus que précieuse, dans la mise en place des outils bio-informatiques. Je remercie également, Laurent Abi-Rached et Antonio Hernandez, pour leurs nombreux conseils et toute l’aide qu’ils ont pu m’apporter durant cette étude. Enfin, je remercie chaleureusement l’ensemble de l’équipe de recherche, pour leur accueil et leur aide apportée durant ces six mois de stage. La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 INTRODUCTION : Comprendre l’évolution et plus particulièrement les règles qui peuvent la régir constitue actuellement un enjeu phare. En effet, face à un environnement changeant suite à des variations naturelles ou anthropiques, l’une des nécessités qui se pose est de comprendre les mécanismes sousjacents à ce vaste concept. Cependant, cette compréhension globale de l’évolution se trouve limitée par la multitude des évènements conduisant à celle-ci et à la contingence de chacun d’entre eux (Gompel et Prud’homme, 2009 ; Lobkovsky et Koonin, 2012). Dans le but de palier à ce problème, de nombreuses études se sont focalisées sur l’évolution convergente. L’idée étant, de rechercher si suite à des pressions environnementales similaires, les mêmes phénotypes apparaissent parmi des lignées éloignées phylogénétiquement (Losos, 2011). Par cette approche, une des questions qui se pose, à savoir si l’évolution peut être prédictible, pourra être en partie résolue (Lobkovsky et Koonin, 2012). L’évolution convergente se définit globalement par l’apparition pour un caractère donné, d’un état dérivé qui est retrouvé au moins deux fois parmi des espèces éloignées phylogénétiquement. Derrière cette définition, il peut exister deux notions distinctes qui sont l’évolution convergente au sens strict et l’évolution parallèle (Pearce, 2012). La première notion se traduit par l’apparition du même état dérivé parmi des espèces ne partageant pas d’ancêtres communs récents et pour lesquelles l’état ancestral est différent. Tandis que l’évolution parallèle consiste au partage du même état dérivée, mais dérivant cette fois, du même état ancestral (Scotland, 2011 ; Conte et al., 2012). Page 1 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 Figure 1 : Représentation schématique de l'évolution convergente (schéma du haut) et de l'évolution parallèle (schéma du bas). Lorsque deux espèces (S2 et S5) ont le même caractère dérivé (A), mais que les caractères ancestraux sont différents (B et C), il s’agit de l’évolution convergente. Dans le cas de l’évolution parallèle, le même caractère dérivé (A) pour les espèces S2 et S5 est issus du même caractère ancestral (B). La figure 1 présente de façon schématique la différence au niveau phénotypique de l’évolution convergente et de l’évolution parallèle. Dans la présente étude, le terme d’évolution convergente sera employé dans son sens le plus global par soucis de simplicité pour désigner l’apparition répétée du même caractère dérivé. Ainsi, dans la littérature scientifique, de nombreux exemples d’évolution convergente ont été décrits (Niemi, 1985 ; Landmann et Winding, 1995 ; Mcghee, 2011) et recensés (Fain et Houde, 2004 ; Map of life, 2007). Cependant, ces cas n’ont pas été clairement démontrés et étaient très souvent mal définit, voir assez confus. Dans d’autres cas, l’évolution convergente était relativement bien testé mais seulement pour de petits groupes monophylétiques, sans que soit pris en compte l’histoire évolutive de l’ensemble du clade (Dumbacher et Fleischer, 2001; Fleischer et al., 2008 ;Hara et al., 2010 ; Buckley et al., 2009). Pour tester les cas d’évolution convergente au niveau phénotypique, la reconstruction ancestrale est la technique utilisée. Cette reconstruction de l’histoire évolutive des caractères nécessite des algorithmes mathématiques dont la performance sera fonction du jeu de données (Royer-Carenzi et al., 2012). Plusieurs approches modélisatrices peuvent être employées telle que la Parcimonie (Ree et al., 1998 ; Didier, 2011), le Maximum de vraisemblance (Lewis, 2001) ou l’approche bayésienne (Pagel et al., 2004 ; Delsuc et Douzery, 2004 ; Ronquist, 2004). Ce n’est qu’une fois l’état des nœuds révélé, qu’il sera possible de mettre clairement en évidence l’évolution convergente au niveau phénotypique en recherchant les cas d’apomorphie répétée. Cependant, au niveau génétique, il existe plusieurs phénomènes qui peuvent conduire à l’apparition répétée du même état dérivé pour un caractère donné. Les phénomènes en cause peuvent être des mutations de novo, de l’hybridations et du tri de lignée incomplet (Yu et al., 2012 ; Hernandez-Lopez et al., 2013 ; Martin et Orgozozo, 2013). Page 2 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 Figure 2 : Représentation schématique des phénomènes de mutations de novo (A), de tri de lignée incomplet (B) ainsi que de l’hybridation (C) sur un arbre d’espèce avec représenté un cas d’évolution convergente sur la disposition des doigts. L’évolution convergente au niveau phénotypique est la résultante de deux mutations de novo (rond vert et bleu) produites sur la version allélique ancestral (rouge) après l’apparition des nouvelles espèces (S1 et S6). A l’inverse, dans le cas du tri de lignée incomplet, ancestralement les deux versions alléliques responsables du caractère sont présentes mais s’expriment différemment. La version allélique verte responsable du l’état supposé dérivé s’exprime lorsque la version rouge est perdue ou n’est plus exprimée. Enfin l’hybridation résulte d’un croisement entre espèces différentes, conduisant au mélange du matériel génétique ce qui peut conduire à l’introgréssion de la version allélique verte au sein de la nouvelle espèce formée (S6). Des méthodes et des outils existent afin de détecter ces évènements particuliers (Ané, 2011 ; Yu et al., 2011 ; Hernadez-Lopez et al., 2013). L’absence d’études robustes pour tester l’évolution convergente au niveau phénotypique ainsi qu’au niveau génétique a posé la nécessité de mettre en place une stratégie qui permettrait de montrer de façon irréfutable les vrais cas d’évolution convergente. Dans le but de mettre en place cette stratégie, le choix d’un groupe modèle s’est imposé. Ce groupe devait réunir les conditions suivantes : avoir radié récemment, posséder de nombreux exemples d’évolution convergente dans des niches environnementales variées, et posséder une phylogénie relativement bien résolue. Par ces aspects, le clade des oiseaux s’est trouvé être un groupe modèle pertinent. En effet, ce groupe monophylétique présente une explosion de sa diversité il y a moins de 65 millions d’années, donnant naissance à la très grande majorité des groupes visibles actuellement Page 3 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 (Matzke et al., 2012). Cette explosion de diversité soulève un grand nombre d’interrogations et de nombreuses études ont été menées dans le but d’établir une phylogénie claire des oiseaux (Livezey et Zusi, 2007; Hacket et al., 2008; Livezey, 2010; Suh et al., 2011; Matzke et al., 2012; Haddrath et Baker, 2012; Jetz et al., 2012 ; McCormack et al., 2013). D’autres part, il existe de nombreux exemples d’évolutions convergentes, seulement cités mais qui n’ont pas été testés au niveau phénotypique et au niveau génomique (Fain et Houde, 2004; Price et al, 2004; Map of life 2007 ; Wikipedia, the Free Encyclopedia, 2009; Seki et al., 2010). De ce fait, ces exemples d’évolutions convergentes parmi les oiseaux seront testés par reconstruction ancestrale, puis seront analysés par une nouvelle approche innovatrice qui tentera de discriminer les mutations de novo, des mutations préexistantes (hybridation et tri de lignée incomplet) à partir de l’histoire des gènes. L’évolution convergente sera validée à partir du moment où les données génétiques corroboreront les données phénotypiques. MATERIEL ET METHODES : Approche phénotypique : Organisme modèle : Le groupe modèle choisit pour étudier l’évolution convergente est le phylum des oiseaux. L’intérêt de ce modèle est qu’il s’agit d’un groupe emblématique pour lequel de nombreuses études ont été menées et pour lequel un certain nombre d’arbres phylogénétiques ont été obtenus. D’autre part, de nombreux cas d’évolution convergente semblent exister au sein de ce clade et sont énoncés au travers de longue description sur le partage de caractéristiques communes (Cody, 1973 ; Landmann et Winding, 1995 ; Dumbacher et Fleischer, 2001 ; Price et Lanyon, 2002 ; Prum et Torres, 2003 ; Fleischer et al., 2008; Aliabadian et al., 2012 ; Henry et al., 2012 ). Cependant, ces exemples étant nombreux, seulement une partie aura été sélectionnée. L’article de Fain et Houde (Fain et Houde, 2004) recensant le plus grand nombre d’entre eux, constitua le point de départ de l’analyse. Page 4 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 Recherche bibliographiques : Le point de départ pour cette analyse est l’article des auteurs Fain et Houde (Fain et Houde, 2004) qui donne à l’issue de leur étude une liste d’oiseaux pour lesquels il y aurait des cas d’évolution convergente. En tout 11 couples d’oiseaux sont présentés comme convergents, à partir d’une description visuelle. Les figures 3 et 4 permettent de visualiser les espèces avec les caractéristiques qui leurs sont associés. Figure 3 : Photo des espèces convergentes selon Fain et Houde, (2004) avec la description des caractères associée. Opisthocomus hoazin (A) et Corythaixoides personata (B) ; Phoenicopterus roseus (C) et Platalea ajaja (D) ; Monias benschi (E) et Margarops fuscatus (F) ; Phaethon lepturus (I) et Morus bassanus (J) ; Aechmophorus clarkii (K) et Gavia immer (L). Page 5 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 Figure 4 : Photo des espèces convergentes selon Fain et Houde, (2004) avec la description de l’évolution convergente associée. Lampornis calolaemus (A) et Cinnyris afer (B) ; Apus apus (C) et Hirundo rustica (D) ; Podargus strigoides (E) et Strix occidentalis (F) ; Pterocles decoratus (G) et Attagis malouinus (H) ; Rhynochetos jubatus (I) et Scopus umbretta (J). En vue de rechercher d’autres cas d’évolution convergente, plusieurs bases de données ont été exploitées. Dans un premier temps la base de données Pubmed du NCBI, en saisissant les termes « convergent evolution in birds », puis en essayant d’autres termes tels que « Bird convergence » ainsi que « convergent and parallel evolution in avian », ont permis d’obtenir des articles traitant de cas d’évolution convergente chez les oiseaux. La base de données Web of knowledge fut également consultée en effectuant une recherche à partir du critère de recherche « Bird » associé au « topic », avec « And » « convergent » contenu dans « Title », « And » « Parallel » contenue aussi dans « Title ». Une recherche finale fut directement lancée à partir de Google scholar puis Google en recherchant naïvement le terme « Evolution convergente ». L’exploitation de ces bases de données ont permis de compléter cette liste à 15 cas d’évolution convergente au totale. La figure 5 montre les quatre autres cas d’évolution convergente obtenus à partir de l’exploitation des bases de données (Price et al, 2004 ; Wikipedia, the Free Encyclopedia, 2009; Seki et al., 2010). Page 6 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 Figure 5 : Photos d’autres couples d’oiseaux supposés convergent décris dans d’autres articles. Vultur gryphus/Gyps fulvus ; Steatornis caripensis/Aerodramus sawtelli ; Alle alle/Pelecanoides garnotii ; Buceros bicornis/Ramphastos toco. Tri des caractères à tester et expertise des caractères sélectionnés : Un tri fut effectué afin de sélectionner parmi les quinze cas, les caractères à tester. Du fait du nombre important d’espèces parmi le clade des oiseaux (plus de 10 000), l’arbre phylogénétique des oiseaux de l’étude de Hackett (Hackett et al., 2008) fut choisi comme arbre de référence et point de départ pour cette analyse. Cet arbre étant le plus récent et le plus complet puisque présentant tous les groupes d’oiseaux avec la majorité des familles et des genres pour chacun d’entre eux. A partir de cet arbre, pour les quinze cas trouvés, les genres furent observés grâce à des bases de données (NCBI Taxonomy), grâce à l’observation de plus de 6 111 photos d’espèces différentes (oiseau.net, 1996) et à l’aide de livres (Minelli, 1993 ; Del Hoyo et al., 1992-2011). Afin d’affiner la recherche, d’autres genres ont été analysés. Le nom des familles et des genres non représentés dans l’arbre choisi, ont été obtenus à partir de la phylogénie des oiseaux, sur le site The Tree of Life Web Project (Maddison et Schulz, 2007). En saisissant dans la barre de recherche « Aves - Tree of Life Web Project », la totalité de la phylogénie des oiseaux a donc été accessible. Cette première observation permit d’établir des critères de sélections. Page 7 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 Les phénotypes labiles tels que la coloration du plumage, le régime alimentaire et le comportement sont écartés directement de l’étude. Ces caractéristiques sont trop variables d’une espèce à une autre. Les caractères continus, tel que le bec ou la taille des ailes, ont été également mis de côté, puisqu’ils auraient nécessité d’être au préalable discrétisés (il existe une grande variété de forme et de taille pour le bec et les ailes), ce qui aurait augmenté la quantité de données. Les critères de sélection finaux ont donc été des traits binaires et informatifs (suffisamment documentés). A l’issu de ce tri et à partir des critères énoncés précédemment, Les cas d’évolution convergente supposés dans la disposition zygodactyle des doigts, du niveau d’implantation des pattes en arrière, de l’écholocation et des lamelles filtrantes dans le bec ont été gardés pour la poursuite de l’étude. Enfin, l’expertise des caractères sélectionnés a consisté à annoter manuellement les états des caractères dans l’arbre de référence à partir de toutes les informations recueillies durant l’étape de tri, dans le but d’avoir une première impression de la validité de l’évolution convergente. Reconstruction ancestrale : En l’absence de données fossiles, la reconstruction ancestrale permet de connaître les probabilités de présence ou d’absence d’un caractère ou d’un état. Elle nécessite trois composantes, un ou plusieurs arbres phylogénétiques, une matrice contenant exactement les mêmes noms d’espèces avec pour chacun, les états du caractère et enfin un modèle mathématique d’évolution. Pour chacun des états seront associés des valeurs numériques (1 ou 0). Dans cette étude, 1 correspond à l’état supposé dérivé et 0 à l’état opposé. La reconstruction consiste à inférer les états actuels des espèces puis à remonter les nœuds de l’arbre à l’aide d’algorithmes mathématiques en y associant les probabilités pour chacun des états. Le principal intérêt est donc d’avoir un moyen de transférer ce qui est connu des organismes actuels, et d’obtenir ainsi l’histoire évolutive du caractère. Cette étape est primordiale dans le test de l’évolution convergente. En effet, celle-ci est définit comme un état dérivé apparus plusieurs fois de façons indépendantes. Grâce à la reconstruction, les états pourront être connus. Les états pour l’ensemble des nœuds ont été inférés grâce à l’utilisation du logiciel Mesquite (Maddison et Maddison, 2011), sur la base d’une approche stochastique : le maximum de vraisemblance. Le maximum de vraisemblance consiste à rechercher l’état ancestral qui maximise la probabilité de trouver celui-ci selon un modèle d’évolution stochastique. Cette approche mathématique tient compte des longueurs de branches. Page 8 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 Le modèle d’évolution utilisé pour cette approche est le Mk1 model, ou modèle Mk du scientifique Paul Lewis (Lewis, 2001). Le seul paramètre pris en compte dans ce modèle est le taux de transitions qui est symétrique et pose comme condition, que chaque changement à une probabilité équiprobable de se produire. Dans tous les cas, le maximum de vraisemblance va tenir compte du temps d’évolution des espèces et de ce fait nécessite un arbre phylogénétique des espèces avec les longueurs de branches. La reconstruction ancestrale a permis d’inférer à chacun des nœuds les états les plus probables du caractère. Une fois ces états inférés il est alors possible de constater la forme de l’état dérivé et si celui-ci est apparu plusieurs fois parmi des lignées éloignées phylogénétiquement. Lorsqu’un état dérivé apparait plusieurs fois de façon indépendante au niveau phénotypique, l’évolution convergente est démontrée et cela, à partir de d’histoire évolutive des espèces. Discriminer les mutations de novo de l’hybridation et du tri de lignées incomplet : Plusieurs phénomènes génétiques peuvent donner les mêmes états phénotypiques. Les mutations de novo, le tri de lignée incomplet et l’hybridation sont les phénomènes en cause. En effet, entre ce qui est observable au niveau phénotypique et ce qui est observable au niveau génétique, il existe un biais qui peut conduire à des erreurs d’interprétation. Lorsque deux espèces ont récemment divergé, la barrière reproductive peut être franchie conduisant à un mélange inter-espèces. Le résultat de cette reproduction donne naissance à des hybrides qui possèdent une partie du matériel génétique parental. Ce partage, conduit à ce qu’on appelle l’introgression d’allèles, faisant, que la nouvelle espèce ainsi formée pourra posséder la version allélique responsable du phénotype dérivé. Ce phénomène est l’hybridation. Dans le second cas, le tri de lignée incomplet, est la résultante de versions alléliques présente ancestralement dans une population avec des fréquences variables. Dans tous les cas, les versions codant pour le phénotype dérivé, sont présentes ancestralement. Les cas de mutations de novo constituent par contre des évènements génétiques indépendants qui ont pour résultante de donner le même phénotype dérivé. Dans ce cas précis, il sera possible de valider l’évolution convergente. Ces trois phénomènes ont donc posé la nécessité de développer des approches dans le but de les discriminer. La stratégie employée en ce sens, consiste à étudier les arbres générés pour chacun des gènes dans le but de trouver un arbre pour lequel les espèces, possédant l’état dérivé, partagent le même ancêtre commun récent. Pour cela, les loci de deux études phylogénétiques (Hackett et al.,2008 ; Page 9 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 McCormack et al., 2013) ont été récupéré. L’utilisation des arbres de gènes : La génération d’arbre de gènes a nécessité une première étape de récupération des séquences. Dans le cas des 19 loci utilisés pour créer l’arbre phylogénétique de l’étude de Hackett (Hackett et al.,2008), ces loci ont pu être directement récupérés dans la base de données TReeBase (Sanderson et al., 1994) en recherchant « study 2108 ». Les séquences pour chacun des loci pour l’ensemble des 171 espèces, y sont présentes sous un format nexus. Ces séquences ont été converties en format fasta avec le logiciel de conversion EMBOSS Seqret (Rice, 1999). Par la suite, pour chacun des loci, les séquences des 171 espèces ont été alignées avec le logiciel MUSCLE (MUltiple Sequence Comparison by Log- Expectation) (Edgar, 2004). Enfin, à partir des alignements obtenus, les arbres furent générés en utilisant FastTree (Price et al., 2010). La recherche d’arbre monophylétique pour l’état dérivé, fut faite à partir du logiciel PhyloPattern (Gouret et al., 2009) qui permet d’analyser plusieurs arbres de façon automatisé afin de trouver des patterns particuliers. Dans un second temps, les alignements des 1 541 loci issus de la seconde étude phylogénétique sur les oiseaux (McCormack et al., 2013) ont été récupéré sur la base de données Dryad (Whitlock et al, 2010) en saisissant dans la barre de recherche « 10.5061/dryad.sd080 ». Ces alignement étant aussi sous un format nexus, furent convertit en format fasta grâce à EMBOSS Seqret (Rice, 1999), avant utilisation de FastTree (Price et al., 2010) et de PhyloPattern (Gouret et al., 2009). Les 19 loci ainsi que les 1 541 loci de la seconde étude sont distribués aléatoirement au niveau génomique et chromosomique, ce qui en font de bons marqueurs pour appliquer cette approche. RESULTATS : L’évolution convergente au niveau phénotypique : Sélection des caractères : Parmi les 15 cas d’évolution convergente, un grand nombre reposait sur des similarités de comportement, de régime alimentaire, de milieu de vie, ainsi que de coloration du plumage. Ces caractères sont très variables d’une espèce à une autre et sont la résultante de nombreux phénomènes pour la Page 10 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 plupart méconnus. Les caractères binaires définis par la présence ou l’absence de certaines particularités morphologiques ou physiologiques, constituent par contre des données robustes qui peuvent être testées. Au final, quatre caractères ont été trouvés ou définis à partir des descriptions qui ont été donnés, tel que la disposition des doigts, le niveau d’implantation des pattes, la présence d’une structure dans le bec permettant la filtration ainsi que la possibilité de se déplacer grâce à l’écholocation. La figure 6 présente les cas possibles d’évolution convergente qui ont été retenues. L’état zygodactyle, lamelles filtrantes dans le bec et implantation des pattes très en arrière sont des caractéristiques morphologiques, pour lesquels il est facile d’obtenir l’information de leur présence ou absence. Dans le cas de l’écholocation, cette caractéristique particulière a été récemment étudiée, ce qui permet de l’incorporer dans l’étude. Les quatre caractères sont donc à la fois binaires ainsi qu’informatifs. Figure 6 : Photos des espèces supposées convergentes. Opisthocomus hoazin (A) possède une disposition de doigts de type zygodactyle tout comme Corythaixoides personata (B). Phoenicopterus roseus et Platalea ajaja sont capables de filtrer l’eau grâce à la présence de lamelles dans le bec. Aechmophorus clarkii (K) et Gavia immer (L) sont d’excellents plongeurs de par la disposition en arrière des pattes et enfin Steatornis caripensis et Aerodramus maximus peuvent se déplacer dans les milieux obscures grâce à l’écholocation. Page 11 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 Expertise des caractères sélectionnés : L’expertise du caractère disposition des doigts ainsi que du niveau d’implantation des pattes a consisté à observer les photos de plus de 6 111 espèces d’oiseaux. La recherche des espèces ayant un bec filtrant et l’écholocation s’est faite grâce aux fiches descriptives rassemblées sur le site NCBI onglet taxonomy. Les informations concernant les états de chacun des caractères ont été inférées sur l’arbre phylogénétique de l’étude de Hackett et de ses collaborateurs (2008), en vue d’une part de valider ou de rejeter les espèces qui sont supposées partager un cas d’évolution convergente et d’autre part de rechercher d’autres espèces. Les figures suivantes présentes les résultats de cette première analyse. Figure 7 : Représentation de l’arbre phylogénétique des oiseaux (gauche) avec inféré, les deux états pour le caractère disposition des doigts. En vert se trouve l’état zygodactyle et en rouge l’état anisodactyle. Les flèches repères l’apparition du phénotype. Les groupes ayant l’état zygodactyle sont les Musagiphormes (A), les Cuculiformes (B), les Trogoniformes (C), les Piciformes (D), les Psittaciformes (E), les Strigiformes (F) ainsi que le genre Leptosomus (G). Les photos des espèces représentatives pour chacun des groupes sont présentées à droite de la figure. La présence de la zygodactylie, se retrouve parmi 7 groupes d’oiseaux : Les Musagiphormes, les Cuculiformes, les Trogoniformes, les Piciformes, les Psittaciformes, les Strigiformes et enfin parmi le genre Leptosomus. L’ensemble des espèces constituant ces groupes possèdent l’état zygodactyle. Cet état semble être apparu de façon indépendante au moins sept fois. De ce fait ce caractère constitue un bon candidat pour tester l’évolution convergente. Par contre l’expertise du caractère disposition des doigts a révélé que l’évolution convergente supposée dans le cas d’Opisthocomus Page 12 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 hoazin était infondée, puisque celui-ci présente un état anisodactyle. La même approche aura été employée pour les trois autres caractères, la figure 8 présente les résultats obtenus. b a Figure 8: Arbres phylogénétiques des oiseaux. La figure a, présente la présence (vert) ou absence (rouge) du caractère « lamelles filtrantes dans le bec ». L’état présent de ce caractère se retrouve parmi l’ensemble des Ansériformes (A) et parmi les Phoenicoptériformes (B). Mais absent chez Platalea ajaja. La figure b, présente la présence ou l’absence de l’état « Pattes très en arrières ». L’état présent se retrouve parmi les genres Anhinga (A) et Podicipediformes (C), Phalacrocorax les (B), Gaviiformes (D), les les Procellariformes (E) et les Sphenisciformes (F). La figure c, présente la présence (vert) ou absence (rouge) de l’état « écholocation ». Cette particularité se c retrouve parmi les genres Steatornis (A) et Aerodramus (B). L’expertise des trois autres caractères semble aussi donner de solides hypothèses d’évolution convergente, même si une rectification doit être faite concernant Platalea ajaja. En effet cette espèce partage avec Phoenicopterus roseus une adaptation comportementale dans la recherche de nourriture et non pas, comme cela fut supposé dans un premier temps, une structure permettant la filtration de l’eau, et que possède le groupe des Phoenicoptériformes. Malgré ces rectifications, les quatre états sont retrouvés parmi au moins deux groupes d’oiseaux, permettant la poursuite de l’analyse. Page 13 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 Reconstruction de l’histoire évolutive des caractères : L’expertise a permis de valider et de connaître les états des caractères sélectionnés pour l’ensemble des taxons cités dans l’arbre de référence. Cependant cette première étape n’est pas suffisante pour donner un début de conclusion. La seconde étape consiste à connaître l’état ancestral et l’état dérivé pour chacun des caractères. Cette connaissance de l’état ancestral et dérivé peut s’obtenir soit à partir de données fossile soit en effectuant une reconstruction ancestrale. La reconstruction ancestrale nécessite d’utiliser des approches mathématiques. Dans cette étude le maximum de vraisemblance a été utilisé à partir de la plateforme Mesquite. Du fait de la taille importante des arbres et du nombre de caractères, les résultats obtenus pour un seul caractère seront montrés de façon approfondie. Le caractère choisi est celui de la disposition des doigts qui possèdent au moins deux états, le premier état est dit anisodactyle et le second zygodactyle. Figure 9 : Représentation schématique de la disposition des doigts. La forme anisodactyle (gauche) consiste à trouver les doigts 2, 3, 4 en avant et le doigt 1 en arrière. Tandis que la disposition zygodactyle consiste à trouver les doigts 2 et 3 en avant et le doigt 1 et 4 en arrière. La disposition anisodactyle est citée comme étant la disposition la plus fréquemment retrouvé au sein du phylum des oiseaux. Tandis que la disposition zygodactyle est plus rarement retrouvée, parmi des groupes éloignés. La reconstruction ancestrale : Le maximum de vraisemblance Le maximum de vraisemblance présente l’avantage d’ajouter un degré de précision en prenant en compte le temps d’évolution des espèces, c’est-à-dire la longueur des branches. Page 14 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 Figure 10 : Représentation de l’arbre phylogénétique de référence à partir duquel l’histoire évolutive du caractère « disposition des doigts » a été reconstruit. La reconstruction a été effectuée à partir de la plateforme Mesquite, en appliquant le maximum de vraisemblance. L’état 1 (rond noir) symbolise l’état zygodactyle, tandis que l’état 0 (rond blanc) symbolise l’état anisodactyle. L’état zygodactyl est retrouvé présent parmi les Psittaciformes (A), Leptosomus (B), Trogoniformes (C), les Piciformes (D), les Strigiformes (E), les Musagiformes (F) et enfin chez les Cuculiformes (G). La figure 10 présente les résultats obtenus. Les nœuds ancestraux présentent des pourcentages (symbolisé par le degré de coloration du rond) très faible dans le cas d’un état zygodactyle. Vraisemblablement, l’état ancestral devait être anizodactyle. Cette approche est particulièrement efficace dans le cas des oiseaux qui ont subi d’importants évènements évolutifs mais à des vitesses différentes. Ainsi avec cette approche, il semblerait que l’état zygodactyle soit apparu au moins sept fois de façon indépendante. Ce résultat confirme l’évolution convergente au niveau phénotypique pour les sept groupes d’oiseaux énoncés précédemment. La même méthodologie est utilisée dans la reconstruction des histoires évolutives des trois autres caractères, en reconstruisant l’histoire évolutive à partir du maximum de vraisemblance. Ainsi, l’absence de lamelles filtrantes dans le bec, la disposition en avant des pattes et l’absence de l’écholocation sont les états retrouvés avec de très forte probabilité (environs 0,99) pour l’ensemble des nœuds ancestraux. Les états supposés convergents tels que la présence de lamelles filtrantes, les pattes situées très en arrière ainsi que la présence de l’écholocation sont des états dérivés apparus Page 15 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 secondairement au sein de plusieurs groupes au moins deux fois. D’un point de vue phénotypique l’évolution convergente semble avérée pour les quatre cas étudiés. Cependant, le point critique lorsqu’il s’agit d’étudier ce phénomène, est que dans de nombreux cas, les scientifiques omettent le fait qu’ils n’ont pas affaire à une espèce mais au représentant d’une population. De ce fait il n’existe pas une histoire évolutive mais plusieurs. L’arbre des espèces donnent l’histoire globale la plus probable en concaténant les histoires obtenues à partir des gènes. Cette concaténation présente l’avantage d’avoir une histoire de l’évolution d’un clade mais a le désavantage de faire disparaître les variations qui existent naturellement au sein d’une même population. Au niveau génétique il existe trois types d’évènements pouvant expliquer l’apparition répétée de caractère similaire parmi des espèces différentes : les mutations de novo, l’hybridation ainsi que le tri de lignées incomplet. De ce fait, une étude complémentaire nécessite d’être mise en place en vue de rechercher les caractères pour lesquels les états dérivés sont la résultante d’une réelle évolution convergente (apparition du même phénotype dérivé suite à des mutations de novo). Pour cela, une approche a été mise en place dans le cadre de cette étude et consiste à travailler sur les arbres de gènes afin de discriminer les mutations de novo du tri de lignée incomplet et de l’hybridation. Discriminer les mutations de novo, de l’hybridation et du tri de lignée incomplet : Jusqu’à présent, la reconstruction ancestrale, s’est faite à partir de l’arbre des espèces. Pour chacun des caractères, les états trouvés sont inférés puis à l’aide d’algorithmes mathématiques, l’histoire évolutive du caractère est retracée. Cependant, l’objectif poursuivi dans le cas présent, est de savoir si les caractères observés sont la résultante d’évènements génétiques de novo, ou bien au contraire la réexpression d’un allèle ancestral. En d’autres termes, cela consisterait à rechercher les arbres de gènes pour lesquels, les espèces possédant l’état dérivés forment un groupe monophylétique (même ancêtre commun récent). Par exemple, dans le cas de la disposition des doigts, si les espèces avec le phénotype dérivé (zygodactyle) partagent le même ancêtre commun récent cela signifierait que l’état zygodactyl, était très probablement présent au sein de cet ancêtre, ce qui va à l’encontre d’une apparition de novo pour chacun des groupes. Ainsi l’évolution convergente serait réfutée. Pour cela, les séquences des loci utilisés dans deux études différentes qui ont permis l’établissement de la phylogénie des oiseaux, ont été récupérés. Pour chacun de ces loci, un arbre phylogénétique fut généré. Page 16 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 L’utilisation de 19 loci : Dans un premier temps, les arbres pour chacun des 19 loci utilisés dans la réalisation de l’arbre phylogénétique des oiseaux de l’étude de Hackett, ont été générés à l’aide de Fastree. A partir des 19 arbres obtenus, l’histoire évolutive des quatre caractères a été reconstruite. L’objectif étant de retrouver un arbre de gènes ayant la même forme que celle de la figure 11 (exemple donné dans le cadre de la zygodactylie). Figure 11 : Représentation fictive d’un arbre de gène fictif, pour lequel les espèces ayant le trait dérivé (zygodactyle) forment un groupe monophylétique (M). Si un arbre présentant ce pattern est retrouvé, cela signifierait que probablement le phénotype dérivé est la résultante d’un phénomène de tri de lignée incomplet et d’hybridation. La figure 11 est une représentation fictive de ce qui est recherché dans le cas de la zygodactylie. Si ce type de monophylie est obtenu, cela constituerait la preuve d’une ancienne hybridation ou d’un tri de lignée incomplet. La recherche de ce type de motif a été faite à partir de PhyloPattern. Page 17 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 Figure 12 : Reconstruction ancestral de la disposition des doigts à partir de l’arbre du gène M3898. Cet arbre de gène montre que l’histoire évolutive du caractère disposition des doigts semble être convergente pour l’état zygodactyl (rond noir) puisqu’il ne présente pas le schéma monophylétique recherché dans le cadre de recherche des cas de tri de lignée incomplet et d’hybridation. Les Psittaciformes (A), le Leptosomus (B), les Trogoniformes (C), les Strigiformes (E), les Musagiformes (F) et les Cuculiformes (G) forment toujours des groupes monophylétiques convergents. Dans le cas des Piciformes (D), celui possède un membre qui s’écarte du groupe. Malgré tout, l’évolution convergente est retrouvée. Cependant, aucun motif de ce type n’a été retrouvé pour les 19 arbres de gènes. La figure 12 présente un des arbres de gènes obtenus en appliquant cette approche. La reconstruction de l’histoire de la disposition des doigts sur les 19 arbres de gènes, n’a donné aucun résultat dans la recherche des cas d’hybridation et de tri de lignée incomplet. Aucun arbre ne présente de monophylie pour l’état zygodactyle. Tous tendent à montrer au contraire l’évolution convergente. La même approche utilisée pour les trois autres caractères donne les mêmes résultats. Les espèces appartenant au même groupe sont regroupées ensemble dans la majorité des cas. Par contre aucun arbre de gène ne réunit tous les groupes avec l’état dérivé sur un même nœud. Il existe deux hypothèses pouvant expliquer ce résultat. La première est que les quatre cas sont bel et bien des cas d’évolution convergente. La seconde possibilité, la plus probable, et qu’utiliser 19 loci ne constituent pas un nombre de marqueurs suffisamment représentatif. Une autre étude que celle de Hackett (2008), utilisant un plus grand nombres de loci (1 541 loci), mais sur un plus petit nombres d’espèces (33 espèces) fut effectué plus récemment, dans le but d’obtenir un arbre des oiseaux (McCormack et al., 2013). Les 1 541 loci furent récupérés pour appliquer la même approche. Page 18 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 L’utilisation de 1 541 loci : Pour chacun des 1 541 loci un arbre phylogénétique fut établit, puis l’histoire de chacun des caractères fut reconstruite avec le même objectif. C’est à dire rechercher si un ou plusieurs gènes seraient les témoins d’une ancienne hybridation ou d’un tri de lignée incomplet. La figure 13 permet d’avoir une idée du motif recherché dans le cas du caractère disposition des doigts. Figure 13 : Arbre d’un gène fictif, pour lequel les espèces ayant le trait dérivé (zygodactyl) forment un groupe monophylétique (M). Cependant les résultats obtenues sont les mêmes pour l’ensemble des arbres de gènes, qu’il s’agisse des 19 loci de la première étude ou les 1 541 loci de l’étude plus récente de 2013 (McCormack et al., 2013). Page 19 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 Figure 14 : Arbre du gène 2828 situé sur le chromosome 10. Sur l’arbre du gène 2828 a était reconstruit l’histoire évolutive de la disposition des doigts. Les espèces appartenant au groupes des Psittaciformes (A), les Trogoniformes (C), les Piciformes (D), les Strigiformes (E), les Musagiformes (F) et les Cuculiformes (G) sont séparés et forme un schéma d’évolution convergente pour l’état zygodactyle. Le même schéma d’évolution convergente, tel que celui représenté sur la figure 14, est retrouvé pour chacun des 1 541 arbres de gène. Au total 1 560 loci ont été utilisés afin de rechercher si l’évolution convergente obtenue au niveau phénotypique est due à des mutations de novo, apparues plusieurs fois, indépendamment du linéage et non pas due à des évènements de tri de lignées incomplet ou d’hybridation. Pour les 1 560 arbres de gènes, aucun ne présentent de motifs monophylétiques et ce résultat est le même pour l’ensemble des quatre caractères. Pour conclure, la reconstruction ancestrale a permis de montrer l’évolution convergente au niveau phénotypique pour la disposition zygodactyle des doigts, pour les lamelles filtrantes, l’écholocation ainsi que pour la position très en arrière des pattes. Ce résultat n’a pas été infirmé lors de l’utilisation des arbres de gènes. Plusieurs hypothèses sont envisageables suite au résultat obtenu lors de cette approche. Dans un premier cas, il s’agit d’un cas de mutation de novo pour les quatre caractères. Dans un second cas, il est possible que le nombre de loci utilisés pour cette étude ne soit pas suffisant, malgré leur distribution aléatoire, et qu’il faudrait donc, augmenter le nombre de marqueurs. Par la suite, l’approche au niveau génomique sera déterminante pour discriminer les évènements en cause. Page 20 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 DISCUSSION : Parmi les gènes étudiés, l’absence de gènes qui suivent l’histoire évolutive du caractère, peut-être due au fait qu’il s’agit soit d’une vrai évolution convergente, soit que les gènes recherchés ne font pas parti de l’échantillonnage. Ainsi, il serait intéressant de localiser les loci précédemment utilisés et de poursuivre en augmentant leur nombre. Cette possibilité sera facilitée grâce au consortium oiseau, par l’acquisition prochainement de plus de 47 génomes dont le séquençage est piloté par le laboratoire de Génétique et Génomique de l’université d’Edimbourg. Parmi ces génomes se trouvent les organismes d’intérêt (avec l’évolution convergente au niveau phénotypique) ainsi que d’autres génomes proches des organismes d’intérêts. Grâce à cela, il sera possible de récupérer un plus grand nombre de marqueurs ainsi que de mettre en place l’approche génomique, déterminante dans la validation de l’évolution convergente, puisque permettant de voir directement sur l’ADN les évènements génétiques en cause (Losos, 2011). Cette étape sera d’autant plus facilitée par le fait que plusieurs études ont montré que l’évolution répétée de traits similaires dans des lignées distinctes implique très souvent les mêmes gènes (notion de gènes réutilisés) (Gompel et Prud’homme, 2009 ; Stern et Orgozozo 2009 ; Losos, 2011 ; Bierne et al, 2013 ; Martin et Orgozozo ; 2013). De même qu’un nombre limité de gènes sont concernés par de tels changements évolutifs (Conte et al., 2012). Cette limitation peut en parti s’expliquer par l’architecture du réseau génique dans lequel les gènes se trouvent impliqué. C’est-à-dire, s’il s’agit d’un gène pléïotropique (ayant plusieurs fonctions) ou, s’il s’agit d’un gène en interaction avec d’autres gènes (Gompel et Prud’homme, 2009). Au niveau génomique plusieurs stratégies d’analyses seront possibles. La première pourra porter sur la recherche des pertes de gènes à partir de séquences protéiques (Dainat et al., 2012). La seconde approche possible pourra être la génomique reverse (Hiller et al., 2012), qui permettra de rechercher dans tout le génome les évènements génétique en corrélation avec le phénotype dérivé. Pour résumé, Les deux approches précédemment citées, constituent les perspectives d’analyse génomique ayant pour objectif de valider ou d’invalider des cas d’évolutions convergentes. Une fois les cas d’évolution convergente clairement établit, l’idée serait d’augmenter le nombre de cas à étudier grâce à la base de données MorphoBank (The MorphoBank Project, 2012). Cette base de données rassemble un grand nombre de caractères phénotypiques ainsi que physiologiques sur les oiseaux ainsi que sur d’autres clades, qui pourront être mappé dans un arbre en vue d’effectuer le même travail que durant cette étude. Il serait notamment intéressant de trouver des cas d’évolution convergente au niveau physiologique, tels que, par exemple ceux étudiés dans le cadre de l’étude de la perte de la vitamine C (Hiller et al., 2012). Page 21 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 CONCLUSION : Parmi les mécanismes répétés de l’évolution, l’évolution convergente est très largement étudiée ainsi que citée. Cependant, ces cas nombreux sont rarement prouvés statistiquement mais juste de façon implicite, en observant rapidement si les espèces avec le même phénotype ne partage pas le même ancêtre commun récent. Ce constat a posé la nécessité de mettre en place une méthodologie permettant de tester la robustesse de ces exemples d’évolution convergente. Ainsi cette étude, à partir du clade des oiseaux, a permis la mise en place d’une stratégie d’étude ainsi que de soulever de nombreux points critiques. La première limite rencontrée, est l’importance des données trouvées sur l’évolution convergente au sein du phylum des oiseaux. Cette importante quantité de données a établi la première étape, qui aura été de faire un tri précis et pertinent des cas semblant les plus robustes. Les critères importants étant, que les caractères sélectionnés soient précis et informatifs avec la possibilité d’être analysable au niveau génomique. Une fois les caractères sélectionnés, leur expertise permet de valider les espèces avec le phénotype recherché mais aussi d’en rechercher d’autre. Cette étape, est rarement retrouvée dans les études sur l’évolution convergente. Les études se contentent simplement d’observer dans des petits groupes d’espèces les familles voir même les genres proches des espèces concernées. Alors que, tester l’évolution convergente nécessite de s’appuyer sur l’arbre phylogénétique de l’ensemble du clade. Démontrer l’évolution convergente pose la seconde nécessité de connaître par reconstruction ancestrale, l’état ancestral ainsi que dérivé. La reconstruction ancestrale à partir du maximum de vraisemblance a permis de montrer que pour l’ensemble des caractères étudiés, l’évolution convergente semblait très probable au niveau phénotypique. Il s’agirait même au vue des morphologies analysées d’une évolution parallèle. L’intérêt d’avoir utilisé cette approche stochastique qui prend en compte le temps d’évolution des espèces, est qu’elle offre un résultat plus solide avec des probabilités fortes. Cependant, la reconstruction ancestrale à partir d’arbres phylogénétiques des espèces, ne donnent qu’une partie de l’histoire évolutive du caractère, or il n’existe pas une histoire, mais plusieurs. D’autres phénomènes peuvent être en cause tel que l’hybridation et le tri de lignée incomplet qui donneront les mêmes résultats phénotypiques mais issus d’évènements génétiques différents. Utiliser plusieurs arbres de gènes et reconstruire l’histoire des caractères sur chacun d’entre eux, est une approche innovatrice qui permettrait de discriminer les mutations de novo, de l’hybridation et du tri de lignée incomplet. Cependant, durant la recherche effectuée en ce sens sur 1 560 loci, aucun arbre ne fut trouvé. Par contre, la seconde approche qui consiste à analyser les génomes, offre des perspectives Page 22 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 déterminantes dans la mise en évidence des causes génétiques et évolutives. Pour résumé, l’évolution convergente ne peut être établie qu’à partir du moment où celle-ci est présente au niveau phénotypique et qu’elle est issue de mutations de novo. Ce n’est qu’une fois ces deux niveaux clairement établis, qu’il sera possible de savoir si une même pression environnementale peut conduire à l’apparition de phénotype similaire, en touchant des gènes précis. De ce fait, si l’évolution peut suivre une trajectoire qu’il sera possible de prédire. Or face à la pression anthropique en constante augmentation que subit l’ensemble de la biodiversité, connaître de telles phénomènes serait un plus qui permettrait une meilleure protection. Page 23 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 BIBLIOGRAPHIE : - Aliabadian M, Kaboli M, Förschler MI, Nijman V, Chamani A, Tillier A, Prodon R, Pasquet E, Ericson PGP, Zuccon D (2012) Convergent evolution of morphological and ecological traits in the open-habitat chat complex (Aves, Muscicapidae: Saxicolinae). Mol. Phylogenet. Evol. (2012): 1-11 - Ané C (2011) Detecting Phylogenetic Breakpoints and Discordance from Genome-Wide Alignments for Species Tree Reconstruction. Genome Biol. Evol 3: 246–258. - Bierne N, Gagnaire P.A et David P (2013). The geography of introgression in a patchy environment and the thorn in the side of ecological speciation. Current Zoology 59 (1): 72–86. - Bolisetty M, Blomberg J, Benachenhou F, Sperber G, and Beemon K (2012) Unexpected diversity and expression of avian endogenous retroviruses. mBio 3(5): e00344-12. - Buckley T.R, Attanayake D et Bradler S (2009). Extreme convergence in stick insect evolution: phylogenetic placement of the Lord Howe Island tree lobster. Proc. R. Soc. B 276:1055–1062. - Cody M.L (1973). Coexistence, coevolution and convergent evolution in seabird communities. Ecology, Vol. 54 (1): 31-44. - Conte G.L, Arnegard M.E, Peichel C.L et Schluter D (2012). The probability of genetic parallelism and convergence in natural populations. Proc. R. Soc. B 279 : 5039–5047. - Dainat J, Paganini J, Pontarotti P et Gouret P (2012) GLADX: An automated approach to analyze the lineagespecific loss and pseudogenization of genes. PLoS ONE 7(6): e38792. - Del Hoyo J, Elliott A, Sargatal J, Chritie D.A (1992-2011). Handbook of the Birds of the World. Lynx Edicion, Espagne. - Didier G (2011) Parametric Maximum Parsimonious Reconstruction on tree. Bull Math Biol, 73: 1477-1502. - Dumbacher J.P et Fleischer R.C (2001). Phylogenetic evidence for colour pattern convergence in toxic pitohuis: Müllerian mimicry in birds? Proc. R. Soc. Lond. B 268: 1971-1976. - Edgar RC (2004). "MUSCLE: a multiple sequence alignment method with reduced time and space complexity". BMC Bioinformatics 5 (1): 113. - Fain MG et Houde P (2004) Parallel radiation in the primary clads of birds. Evolution 58 (11): 2558-2573. - Fleischer R.C, James H.F et Olson S.L (2008). Convergent Evolution of Hawaiian and Australo-Pacific Honeyeaters from Distant Songbird Ancestors. Current Biology 18 : 1927–1931. - Gompel N, Prud'homme B (2009). The causes of repeated genetic evolution. Developmental Biology 332 : 36– 47. - Gouret P, Thompson J.D et Pontarotti P (2009). PhyloPattern: regular expressions to identify complex patterns in phylogenetic trees. BMC Bioinformatics 10 (298). Page 24 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux - 2013 Hackett S. J, Kimball R.T, Reddy S, Bowie R.C. K, Braun E.L, Braun M.J, Chojnowski J.L, Cox W.A, Han K.L, Harshman J, Huddleston C.J, Marks B.D, Miglia K.J, Moore W.S, Sheldon F.H, Steadman D.W,. Witt C.C, Yuri T (2008). A phylogenomic study of birds reveals their evolutionary history. Science 320: 1763-1767. - Haddrath O et Baker A.J (2012). Multiple nuclear genes and retroposons support vicariance and dispersal of the palaeognaths, and an Early Cretaceous origin of modern birds. Proc. R. Soc. B 279 : 4617–4625. - Hara E, Rivas MV, Ward JM, Okanoya K, Jarvis ED (2012) Convergent Differential Regulation of Parvalbulmin in the Brains of Vocal learners. PloS ONE 7(1): e29457 - Henry C.S, Brook S.J, Duelli P, Johnson J.B, Wells M.M et Mochizuki A (2012). Parallel evolution in courtship songs of North American and European green lacewings (Neuroptera: Chrysopidae). Biological Journal of the Linnean Society 105: 776–796. - Hernandez-Lopez A, Raoult D et Pontarotti P (2013). Birds perching on bushes: Networks to visualize conflicting phylogenetic signals during early avian radiation. C. R. Palevol. doi:10.1016/j.crpv.2013.02.003. - Hiller M, Schaar B.T, Indjeian V.B, Kingsley D.M, Hagey L.R et Bejerano G (2012) A ‘‘Forward Genomics’’ Approach Links Genotype to Phenotype using Independent Phenotypic Losses among Related Species. Cell Reports 2: 817–823. - Holland B. R, Spencer H.G, Worthy T.H et Kennedy M, 2010. Identifying Cliques of convergent characters: Concerted Evolution in the Cormorants and Chags. Syst. Biol. 59(4): 433-445 - Jetz W, Thomas G.H, Joy J.B, Hartmann. K et Mooers A.O (2012). The global diversity of birds in space and time. Nature, Vol 491, 444- 448. - Joly S, McLenachan P, Lockhart PJ (2009) A statistical approach for distinguishing Hybridization and incomplete Lineage Sorting. The American naturalist 174 (2): E54-E70 - Landmann A et Winding N (1995). Guild organisation and morphology of high altitude granivorous and insectivorous birds: convergent evolution in an extreme environment. OIKOS 73: 237-250. - Lewis P.O (2001). A Likelihood Approach to Estimating Phylogeny from Discrete Morphological Character Data. Syst. Biol. 50(6):913–925. - Li L, Stoeckert CJ, Roos D (2003) OrthoMCL: Identification of ortholog groups for Eukaryotic Genomes. Genome Res. 13: 2178-2189 - Livezey, BC, Zusi RL (2007) Higher-order phylogeny of modern birds (Theropoda, Aves: Neornithes) based on comparative anatomy. II. Analysis and discussion. Zoological Journal of the Linnean Society 149: 1–95. - Lobkovsky AE, Koonin EV (2013) Replaying the tape of life: quantification of the predictability of evolution. Front Genet.3 (246): 1-8 - Losos J.B (2011). Convergence, adaptation, and constraint. Evolution 65 (7): 1827-1840. - Maddison, WP, Maddison DR (2011). Mesquite: a modular system for evolutionary analysis. Version 2.75 http://mesquiteproject.org. - Maddison D.R et Schulz K.S (2007). The Tree of Life Web Project. Htt://tolweb.org. Consulté 10 janvier 2013. Page 25 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux - 2013 Map of Life (2007) Birds: insights into convergence. http://www.mapoflife.org/topics/topic_213_Birdsinsights-into-convergence/. Consulté le 8 janvier 2013. - Martin A et Orgogozo V (2013). The loci of repeated evolution: a catalog of genetic hotspots of phenotypic variation. Evolution. doi:10.1111/evo.12081 - Matzke A, Churakov G, Berkes P, Arms EM, Kelsey D, Brosius J, Kriegs JO et Schimtz J (2012) Retroposon insertion patterns Neoavian Birds: Strong evidence for an extensive incomplete lineage sorting era. Mol. Biol. Evol. 29(6): 1497-1501 - McCormack JE, Harvey MG, Faircloth BC, Crawford NG, Glenn TC, Brumfield RT (2013) A Phylogeny of Birds Based on Over 1,500 Loci Collected by Target Enrichment and High-Throughput Sequencing. PLoS ONE 8(1): e54848. - McGhee G (2011). Convergent Evolution: Limited Forms Most Beautiful. The MIT Press, Cambridge : 322 pp. - Minelli A (1993). Encyclopédie Des Oiseaux Du Monde. Reader's Digest, Pleasantville. - Morphobank homology of phenotypes over the web (2012). http://www.morphobank.org/. Consulté le 21 mars 2013. - National Center for Biotechnology Information, U.S. National Library of Medicine. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/taxonomy. Consulté le 14 janvier 2013. - Niemi G.J (1985). Patterns of Morphological Evolution in Bird Genera of New World and Old World Peatlands. Ecology 66 (4): 1215-1228. - Oiseaux.net (1996). Photos d’oiseaux du monde. http://www.oiseaux.net/photos/index.html. Consulté le 18 janvier 2013. - Omland KE, Lanyon SM (2000) Reconstructing plumage Evolution in Orioles (Icterus): Repeated convergence and reversal in Pattern. Evolution, 54 (6): 2119-2133. - Pagel M, Meade A, Barker D (2004). Bayesian estimation of ancestral character states on phylogenies. Syst Biol 53 (5): 673-84. - Pearce T (2012). Convergence and Parallelism in Evolution: A Neo-Gouldian Account. Br J Philos Sci 63(2): 429-448. - Pérez F, Arroyo MTK, Medel R, Hershkovitz MA (2006) Ancestral reconstruction of flower morphology and pollination systems in Schizantus (Solanaceae). American journal of Botany 93(7): 1029-1038 - Price J.J et Lanyon S.M (2002). Reconstructing the Evolution of Complex Bird Song in the Oropendolas. Evolution 56 (7):1514-1529. - Price, J.J., Johnson, K. P. and Clayton, D. H (2004) The evolution of echolocation in swiftlets. J. Avian Biol 35: 135-143. - Price, M.N., Dehal, P.S., et Arkin, A.P. (2010) FastTree 2 -- Approximately Maximum-Likelihood Trees for Large Alignments. PLoS ONE, 5(3):e9490. doi:10.1371/journal.pone.0009490. Page 26 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux - 2013 Prum R.O et Torres R (2003). Structural colouration of avian skin: convergent evolution of coherently scattering dermal collagen arrays. The Journal of Experimental Biology 206 : 2409-2429. - Ree RH, Donoghue MJ (1998). Step matrices and the interpretation of homoplasy. Syst Biol 47 (4):582-588 - Royer-Carenzi M, Pontarotti P, Didier G (2012) Choosing the best ancestral character state reconstruction method. Mathematical Biosciences 242 (2013): 95-109 - Sanderson M. J, Donoghue M. J, Piel W et Eriksson T (1994). TreeBASE: a prototype database of phylogenetic analyses and an interactive tool for browsing the phylogeny of life. American Journal of Botany, 81(6): 183. - Scotland R.W (2011). What is parallelism? Evolution & Development 13 (2): 214-227. - Seki Y, Bodde S.G et Meyers M.A (2010). Toucan and hornbill beaks: A comparative study. Acta Biomaterialia 6: 331-343. - Stern D and Orgogozo V (2009). Is Genetic Evolution Predictable? Science 323(5915):746-51. - Suh, A, Paus M, Kiefmann M, Churakov G, Franke AF, Brosius J, Kriegs JO, Schmitz J (2011) Mesozoic retroposons reveal parrots as the closest living relatives of passerine birds. Nat. Commun, p 2-443 - Wikipedia, the Free Encyclopedia(2009). List of examples of convergent evolution. http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_examples_of_convergent_evolution#Avian. Consulté le 8 janvier 2013. - Whitlock M.C, McPeek M.A, Rausher M.D, Rieseberg L et Moore A.J (2010). Data Archiving. The American Naturalist 175 (2): 145-146. - Yu Y, Degnan JH, Nakhleh L (2012) The Probability of a Gene Tree Topology within a Phylogenetic Network with Applications to Hybridization Detection. PLoS Genet 8(4): e1002660. Page 27 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 Abstract: Many examples of convergent evolution among metazoans were cited. However, although most of them can be proved, a number could be the result of other evolutionary phenomena such as hybridization and incomplete lineage sorting. These genotypic ancestral phenomena are unnoticed at the phenotypic level. In order to seek true case of convergent evolution, a strategy was put in place. In the same time, this study raise many critical issues encountered in this type of research. From the many examples within the clade of birds, 15 cases were selected. Subsequently, an intense sorting was done and only four characters were kept by their robustness and potential genomic analyzes. The ancestral reconstruction about states "zygodactyle", "filter strips in the beak", "very back legs" and "echolocation", thanks to the maximum likelihood and phylogenetic tree of the Hackett study, helped to establish that convergent evolution at the phenotypic level was proven. The direct use of 1560 trees of genes is one of the innovative approaches of this study which may help to discriminate de novo mutations causing a convergent evolution from the phenomena of hybridization or incomplete lineage sorting. This approach has confirmed the convergent evolution at the phenotypic level for the four cases studied. The perspectives are use a larger number of loci and conduct analyses at genotypic level. Page 28 La participation du tri de lignée incomplet, de l’hybridation et des mutations de novo dans l’évolution convergente : Etude appliquée au clade des oiseaux 2013 Résumé : De nombreux exemples d’évolution convergente, parmi les métazoaires, ont été cités. Cependant, bien que la plupart d’entre eux puisse être avéré, un certain nombre pourrait être le résultat d’autres phénomènes évolutifs, tel que l’hybridation et le tri de lignée incomplet. Ces phénomènes ancestraux, visibles génétiquement, passent inaperçus au niveau phénotypique. En vue de rechercher de vrai cas d’évolution convergente, une stratégie fut mise en place permettant par la même occasion de soulever les nombreux points critiques rencontrés dans ce type de recherche. A partir des nombreux exemples au sein du clade des oiseaux, 15 cas furent choisis. Par la suite, un tri intense fut effectué et seulement quatre caractères furent conservés de par leur robustesse et leur potentiel d’analyses génomiques. La reconstruction ancestrale des états « zygodactyle », « lamelles filtrantes dans le bec », « Pattes très en arrière » et « écholocation » à partir du maximum de vraisemblance et de l’arbre phylogénétique de l’étude de Hackett, a permis d’établir que l’évolution convergente au niveau phénotypique était avérée. L’utilisation directe des 1 560 arbres de gènes est l’une des approches innovantes de cette étude, pouvant permettre de discriminer les mutations de novo à l’origine d’une évolution convergente, des phénomènes d’hybridation ou de tri de lignée incomplet. Cette approche a ainsi permis de confirmer l’évolution convergente au niveau phénotypique pour les quatre cas étudiés. Cette étude offre comme perspectives, d’utiliser un plus grand nombre de loci ainsi que des analyses génomiques, qui devront être faites afin de valider réellement l’évolution convergente. Page 29
