Phylogenetic analyses of C4 photosynthesis evolution in grasses: genetics of convergence and convergence of genes

Summary : During the evolutionary diversification of organisms, similar ecological constraints led to the recurrent appearances of the same traits (phenotypes) in distant lineages, a phenomenon called convergence. In most cases, the genetic origins of the convergent traits remain unknown, but recent studies traced the convergent phenotypes to recurrent alterations of the same gene or, in a few cases, to identical genetic changes. However, these cases remain anecdotal and there is a need for a study system that evolved several times independently and whose genetic determinism is well resolved and straightforward, such as C4 photosynthesis. This adaptation to warm environments, possibly driven by past atmospheric CO2 decreases, consists in a CO2-concentrating pump, created by numerous morphological and biochemical novelties. All genes encoding C4 enzymes already existed in C3 ancestors, and are supposed to have been recruited through gene duplication followed by neo-functionalization, to acquire the cell specific expression pattern and altered kinetic properties that characterize Ca-specific enzymes. These predictions have so far been tested only in species-poor and ecologically marginal C4 dicots. The monocots, and especially the grass family (Poaceae), the most important C4 family in terms of species number, ecological dominance and economical importance, have been largely under-considered as suitable study systems. This thesis aimed at understanding the evolution of the C4 trait in grasses at a molecular level and to use the genetics of C4 photosynthesis to infer the evolutionary history of the C4 phenotype and its driving selective pressures. A molecular phylogeny of grasses and affiliated monocots identified 17 to 18 independent acquisitions of the C4 pathway in the grass family. A relaxed molecular clock was used to date these events and the first C4 evolution was estimated in the Chloridoideae subfamily, between 32-25 million years ago, at a period when atmospheric CO2 abruptly declined. Likelihood models showed that after the COZ decline the probability of evolving the C4 pathway strongly increased, confirming low CO2 as a likely driver of C4 photosynthesis evolution. In order to depict the genetic changes linked to the numerous C4 origins, genes encoding phopshoenolpyruvate carboxylase (PEPC), the key-enzyme responsible for the initial fixation of atmospheric CO2 in the C4 pathway, were isolated from a large sample of C3 and C4 grasses. Phylogenetic analyses were used to reconstruct the evolutionary history of the PEPC multigene family and showed that the evolution of C4-specific PEPC had been driven by positive selection on 21 codons simultaneously in up to eight C4 lineages. These selective pressures led to numerous convergent genetic changes in many different C4 clades, highlighting the repeatability of some evolutionary processes, even at the molecular level. PEPC C4-adaptive changes were traced and used to show multiple appearances of the C, pathway in clades where species tree inferences were unable to differentiate multiple C4 appearances and a single appearance followed by C4 to C3 reversion. Further investigations of genes involved in some of the C4 subtypes only (genes encoding decarboxylating enzymes NADP-malic enzyme and phosphoenolpyruvate carboxykinase) showed that these C4-enzymes also evolved through strong positive selection and underwent parallel genetic changes during the different Ca origins. The adaptive changes on these subtype-specific C4 genes were used to retrace the history of the C4-subtypes phenotypes, which revealed that the evolution of C4-PEPC and C4-decarboxylating enzymes was in several cases disconnected, emphasizing the multiplicity of the C4 trait and the gradual acquisition of the features that create the CO2-pump. Finally, phylogenetic analyses of a gene encoding the Rubisco (the enzyme responsible for the fixation of CO2 into organic compounds in all photosynthetic organisms) showed that C4 evolution switched the selective pressures on this gene. Five codons were recurrently mutated to adapt the enzyme kinetics to the high CO2 concentrations of C4 photosynthetic cells. This knowledge could be used to introgress C4-like Rubisco in C3 crops, which could lead to an increased yield under predicted future high CO2 atmosphere. Globally, the phylogenetic framework adopted during this thesis demonstrated the widespread occurrence of genetic convergence on C4-related enzymes. The genetic traces of C4 photosynthesis evolution allowed reconstructing events that happened during the last 30 million years and proved the usefulness of studying genes directly responsible for phenotype variations when inferring evolutionary history of a given trait. Résumé Durant la diversification évolutive des organismes, des pressions écologiques similaires ont amené à l'apparition récurrente de certains traits (phénotypes) dans des lignées distantes, un phénomène appelé évolution convergente. Dans la plupart des cas, l'origine génétique des traits convergents reste inconnue mais des études récentes ont montré qu'ils étaient dus dans certains cas à des changements répétés du même gène ou, dans de rares cas, à des changements génétiques identiques. Malgré tout, ces cas restent anecdotiques et il y a un réel besoin d'un système d'étude qui ait évolué indépendamment de nombreuses fois et dont le déterminisme génétique soit clairement identifié. La photosynthèse dite en Ça répond à ces critères. Cette adaptation aux environnements chauds, dont l'évolution a pu être encouragé par des baisses passées de la concentration atmosphérique en CO2, est constituée de nombreuses nouveautés morphologiques et biochimiques qui créent une pompe à CO2. La totalité des gènes codant les enzymes Ç4 étaient déjà présents dans les ancêtres C3. Leur recrutement pour la photosynthèse Ç4 est supposé s'être fait par le biais de duplications géniques suivies par une néo-fonctionnalisation pour leur conférer l'expression cellule-spécifique et les propriétés cinétiques qui caractérisent les enzymes C4. Ces prédictions n'ont jusqu'à présent été testées que dans des familles C4 contenant peu d'espèces et ayant un rôle écologique marginal. Les graminées (Poaceae), qui sont la famille C4 la plus importante, tant en termes de nombre d'espèces que de dominance écologique et d'importance économique, ont toujours été considérés comme un système d'étude peu adapté et ont fait le sujet de peu d'investigations évolutives. Le but de cette thèse était de comprendre l'évolution de la photosynthèse en C4 chez les graminées au niveau génétique et d'utiliser les gènes pour inférer l'évolution du phénotype C4 ainsi que les pressions de sélection responsables de son évolution. Une phylogénie moléculaire de la famille des graminées et des monocotylédones apparentés a identifié 17 à 18 acquisitions indépendantes de la photosynthèse chez les graminées. Grâce à une méthode d'horloge moléculaire relâchée, ces évènements ont été datés et la première apparition C4 a été estimée dans la sous-famille des Chloridoideae, il y a 32 à 25 millions d'années, à une période où les concentrations atmosphériques de CO2 ont décliné abruptement. Des modèles de maximum de vraisemblance ont montré qu'à la suite du déclin de CO2, la probabilité d'évoluer la photosynthèse C4 a fortement augmenté, confirmant ainsi qu'une faible concentration de CO2 est une cause potentielle de l'évolution de la photosynthèse C4. Afin d'identifier les mécanismes génétiques responsables des évolutions répétées de la photosynthèse C4, un segment des gènes codant pour la phosphoénolpyruvate carboxylase (PEPC), l'enzyme responsable de la fixation initiale du CO2 atmosphérique chez les plantes C4, ont été séquencés dans une centaine de graminées C3 et C4. Des analyses phylogénétiques ont permis de reconstituer l'histoire évolutive de la famille multigénique des PEPC et ont montré que l'évolution de PEPC spécifiques à la photosynthèse Ça a été causée par de la sélection positive agissant sur 21 codons, et ce simultanément dans huit lignées C4 différentes. Cette sélection positive a conduit à un grand nombre de changements génétiques convergents dans de nombreux clades différents, ce qui illustre la répétabilité de certains phénomènes évolutifs, et ce même au niveau génétique. Les changements sur la PEPC liés au C4 ont été utilisés pour confirmer des évolutions indépendantes du phénotype C4 dans des clades où l'arbre des espèces était incapable de différencier des apparitions indépendantes d'une seule apparition suivie par une réversion de C4 en C3. En considérant des gènes codant des protéines impliquées uniquement dans certains sous-types C4 (deux décarboxylases, l'enzyme malique à NADP et la phosphoénolpyruvate carboxykinase), des études ultérieures ont montré que ces enzymes C4 avaient elles-aussi évolué sous forte sélection positive et subi des changements génétiques parallèles lors des différentes origines de la photosynthèse C4. Les changements adaptatifs sur ces gènes liés seulement à certains sous-types C4 ont été utilisés pour retracer l'histoire des phénotypes de sous-types C4, ce qui a révélé que les caractères formant le trait C4 ont, dans certains cas, évolué de manière déconnectée. Ceci souligne la multiplicité du trait C4 et l'acquisition graduelle de composants participant à la pompe à CO2 qu'est la photosynthèse C4. Finalement, des analyses phylogénétiques des gènes codant pour la Rubisco (l'enzyme responsable de la fixation du CO2 en carbones organiques dans tous les organismes photosynthétiques) ont montré que l'évolution de la photosynthèse Ça a changé les pressions de sélection sur ce gène. Cinq codons ont été mutés de façon répétée afin d'adapter les propriétés cinétiques de la Rubisco aux fortes concentrations de CO2 présentes dans les cellules photosynthétiques des plantes C4. Globalement, l'approche phylogénétique adoptée durant cette thèse de doctorat a permis de démontré des phénomène fréquents de convergence génétique sur les enzymes liées à la photosynthèse C4. Les traces génétiques de l'évolution de la photosynthèse C4 ont permis de reconstituer des évènements qui se sont produits durant les derniers 30 millions d'années et ont prouvé l'utilité d'étudier des gènes directement responsables des variations phénotypiques pour inférer l'histoire évolutive d'un trait donné.

L'orientation scolaire et professionnelle au Québec: Quels enseignements pour la Suisse?

Lucille Bédard a fait un exposé sur l'orientation scolaire et professionnelle et le conseil en carrière québécois à l'Université de Lausanne. Il s'avère que leurs structures leur permettent un champ d'activités nettement plus vaste que celui que nous connaissons en Suisse. La formation des conseillers et conseillères est en conséquence elle aussi plus étendue, et avec un cursus spécifique.

Exaggerated exercise-induced pulmonary hypertension causes lung water accumulation and right ventricular dysfunction in patients with chronic mountain sickness

Background: Chronic mountain sickness (CMS) is characterized by exaggerated exercise-induced pulmonary hypertension. Evidences suggests that exercise may cause lung fluid accumulation at high altitude. We hypothesized that, in patients with CMS, exercise causes lung fluid accumulation.Methods: In 21 male CMS patients and 20 matched healthy controls born and permanently living in La Paz (Bolivia, 3600m) we assessed with echocardiogram, pulmonary artery pressure (PASP), right and left ventricular function and ultrasoundlung comets (ULCs, a marker of lung fluid accumulation) at rest and during mild bicycle exercise (10 min at 50W).Results: CMS patients presented a more than 2-fold greater exercise-induced increase in pulmonary artery pressure than controls (17.1±8.3 vs 7.2±7.9 mmHg, P=0.003). This exaggerated PASP response to exercise was associated with a roughly 3-fold greater increase in UCLs in patients with CMS than in controls (6.3±5.1 vs. 2.1±5.3, p<0.05), and there existed a significant relationship between PASP and UCLs (r=0.44, p<0.001). Finally, TDI on lateral tricuspid annulus decreased during exercise in patients with CMS (from 13.2±3.2 to 11.5±2.1 cm s-1, p=0.03), but increased in controls (from 13.1±2.9 to 14.9±2.6 cm s-1 , p=0.04). Left ventricular function remained unaltered in the 2 groups.Conclusions: we provide the first direct evidence in CMS patients that exaggerated exercise-induced pulmonary hypertension causes rapid lung fluid accumulation and right ventricular dysfunction. We speculate that in patients with CMS these two phenomena contribute to reduced exercise performances and Figure 1 increased cardiovascular morbidity and mortality that characterise these subjects.

Auditory Neurons with Transitory Axons to Visual Areas Form Short Permanent Projections.

The kitten's auditory cortex (including the first and second auditory fields AI and AII) is known to send transient axons to either ipsi- or contralateral visual areas 17 and 18. By the end of the first postnatal month the transitory axons, but not their neurons of origin, are eliminated. Here we investigated where these neurons project after the elimination of the transitory axon. Eighteen kittens received early (postnatal day (pd) 2 - 5) injections of long lasting retrograde fluorescent traces in visual areas 17 and 18 and late (pd 35 - 64) injections of other retrograde fluorescent tracers in either hemisphere, mostly in areas known to receive projections from AI and AII in the adult cat. The middle ectosylvian gyrus was analysed for double-labelled neurons in the region corresponding approximately to AI and AII. Late injections in the contralateral (to the analysed AI, AII) hemisphere including all of the known auditory areas, as well as some visual and 'association' areas, did not relabel neurons which had had transient projections to either ipsi- or contralateral visual areas 17 - 18. Thus, AI and AII neurons after eliminating their transient juvenile projections to visual areas 17 and 18 do not project to the other hemisphere. In contrast, relabelling was obtained with late injections in several locations in the ipsilateral hemisphere; it was expressed as per cent of the population labelled by the early injections. Few neurons (0 - 2.5%) were relabelled by large injections in the caudal part of the posterior ectosylvian gyrus and the adjacent posterior suprasylvian sulcus (areas DP, P, VP). Multiple injections in the middle ectosylvian gyrus relabelled a considerably larger percentage of neurons (13%). Single small injections in the middle ectosylvian gyrus (areas AI, AII), the caudal part of the anterior ectosylvian gyrus and the rostral part of the posterior ectosylvian gyrus relabelled 3.1 - 7.0% of neurons. These neurons were generally near (&lt;2.0 mm) the outer border of the late injection sites. Neurons with transient projections to ipsi- or contralateral visual areas 17 and 18 were relabelled in similar proportions by late injections at any given location. Thus, AI or AII neurons which send a transitory axon to ipsi- or contralateral visual areas 17 and 18 are most likely to form short permanent cortical connections. In that respect, they are similar to medial area 17 neurons that form transitory callosal axons and short permanent axons to ipsilateral visual areas 17 and 18.

Appropriateness of therapy for active Crohn's disease: results of a multidisciplinary international expert panel (EPACT II)

Introduction: The development of novel therapies and the increasing number of trials testing management strategies for luminal Crohn's disease (CD) have not filled all the gaps in our knowledge. Thus, in clinical practice, many decisions for CD patients need to be taken without high quality evidence. For this reason, a multidisciplinary European expert panel followed the RAND method to develop explicit criteria for the management of individual patients with active, steroid-dependent (ST-D) and steroid-refractory (ST-R) CD. Methods: Twelve international experts convened in Geneva, Switzerland in December 2007, to rate explicit clinical scenarios, corresponding to real daily practice, on a 9-point scale according to the literature evidence and their own expertise. Median ratings were stratified into three categories: appropriate (7-9), uncertain (4-6) and inappropriate (1-3). Results: Overall, panelists rated 296 indications pertaining to mild-to-moderate, severe, ST-D, and ST-R CD. In anti-TNF naïve patients, budesonide and prednisone were found appropriate for mildmoderate CD, and infliximab (IFX) when those had previously failed or had not been tolerated. In patients with prior success with IFX, this drug with or without co-administration of a thiopurine analog was favored. Other anti-TNFs were appropriate in case of intolerance or resistance to IFX. High doses steroids, IFX or adalimumab were appropriate in severe active CD. Among 105 indications for ST-D or ST-R disease, the panel considered appropriate the thiopurine analogs, methotrexate, IFX, adalimumab and surgery for limited resection, depending on the outcome of prior therapies. Anti-TNFs were generally considered appropriate in ST-R. Conclusion: Steroids, including budesonide for mild-to-moderate CD, remain first-line therapies in active luminal CD. Anti-TNFs, in particular IFX with respect to the amount of available evidence, remain second-line for most indications. Thiopurine analogs are preferred to anti-TNFs when steroids are not appropriate, except when anti-TNFs were previously successful. These recommendations are available online (www.epact.ch). A prospective evaluation of these criteria in a large database in Switzerland in underway to validate these criteria.