Genetic consequences of population expansions and contractions in the common hippopotamus (Hippopotamus amphibius) since the Late Pleistocene.

Over the past two decades, an increasing amount of phylogeographic work has substantially improved our understanding of African biogeography, in particular the role played by Pleistocene pluvial-drought cycles on terrestrial vertebrates. However, still little is known on the evolutionary history of semi-aquatic animals, which faced tremendous challenges imposed by unpredictable availability of water resources. In this study, we investigate the Late Pleistocene history of the common hippopotamus (Hippopotamus amphibius), using mitochondrial and nuclear DNA sequence variation and range-wide sampling. We documented a global demographic and spatial expansion approximately 0.1-0.3 Myr ago, most likely associated with an episode of massive drainage overflow. These events presumably enabled a historical continent-wide gene flow among hippopotamus populations, and hence, no clear continental-scale genetic structuring remains. Nevertheless, present-day hippopotamus populations are genetically disconnected, probably as a result of the mid-Holocene aridification and contemporary anthropogenic pressures. This unique pattern contrasts with the biogeographic paradigms established for savannah-adapted ungulate mammals and should be further investigated in other water-associated taxa. Our study has important consequences for the conservation of the hippo, an emblematic but threatened species that requires specific protection to curtail its long-term decline.

Planarian (Platyhelminthes, Tricladida) Diversity and Molecular Markers: A New View of an Old Group

Planarians are a group of free-living platyhelminths (triclads) best-known largely due to long-standing regeneration and pattern formation research. However, the group"s diversity and evolutionary history has been mostly overlooked. A few taxonomists have focused on certain groups, resulting in the description of many species and the establishment of higher-level groups within the Tricladida. However, the scarcity of morphological features precludes inference of phylogenetic relationships among these taxa. The incorporation of molecular markers to study their diversity and phylogenetic relationships has facilitated disentangling many conundrums related to planarians and even allowed their use as phylogeographic model organisms. Here, we present some case examples ranging from delimiting species in an integrative style, and barcoding them, to analysing their evolutionary history on a lower scale to infer processes affecting biodiversity origin, or on a higher scale to understand the genus level or even higher relationships. In many cases, these studies have allowed proposing better classifications and resulted in taxonomical changes. We also explain shortcomings resulting in a lack of resolution or power to apply the most up-to-date data analyses. Next-generation sequencing methodologies may help improve this situation and accelerate their use as model organisms.

Evolution of reduced post-copulatory molecular interactions in Drosophila populations lacking sperm competition.

In many species with internal fertilization, molecules transferred in the male ejaculate trigger and interact with physiological changes in females. It is controversial to what extent these interactions between the sexes act synergistically to mediate the female switch to a reproductive state or instead reflect sexual antagonism evolved as a by product of sexual selection on males. To address this question, we eliminated sexual selection by enforcing monogamy in populations of Drosophila melanogaster for 65 generations and then measured the expression of male seminal fluid protein genes and genes involved in the female response to mating. In the absence of sperm competition, male and female reproductive interests are perfectly aligned and any antagonism should be reduced by natural selection. Consistent with this idea, males from monogamous populations showed reduced expression of seminal fluid protein genes, 16% less on average than in polygamous males. Further, we identified 428 genes that responded to mating in females. After mating, females with an evolutionary history of monogamy exhibited lower relative expression of genes that were up regulated in response to mating and higher expression of genes that were down-regulated - in other words, their post-mating transcriptome appeared more virgin-like. Surprisingly, these genes showed a similar pattern even before mating, suggesting that monogamous females evolved to be less poised for mating and the accompanying receipt of male seminal fluid proteins. This reduced investment by both monogamous males and females in molecules involved in post-copulatory interactions points to a pervasive role of sexual conflict in shaping these interactions.

The Genomic Signature of Population Reconnection Following Isolation: From Theory to HIV.

Ease of worldwide travel provides increased opportunities for organisms not only to colonize new environments but also to encounter related but diverged populations. Such events of reconnection and secondary contact of previously isolated populations are widely observed at different time scales. For example, during the quaternary glaciation, sea water level fluctuations caused temporal isolation of populations, often to be followed by secondary contact. At shorter time scales, population isolation and reconnection of viruses are commonly observed, and such events are often associated with epidemics and pandemics. Here, using coalescent theory and simulations, we describe the temporal impact of population reconnection after isolation on nucleotide differences and the site frequency spectrum, as well as common summary statistics of DNA variation. We identify robust genomic signatures of population reconnection after isolation. We utilize our development to infer the recent evolutionary history of human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) in Asia and South America, successfully retrieving the successive HIV subtype colonization events in these regions. Our analysis reveals that divergent HIV-1 subtype populations are currently admixing in these regions, suggesting that HIV-1 may be undergoing a process of homogenization, contrary to popular belief.

Why evolution matters for species conservation: perspectives from three case studies of plant metapopulations

We advocate the advantage of an evolutionary approach to conservation biology that considers evolutionary history at various levels of biological organization. We review work on three separate plant taxa, spanning from one to multiple decades, illustrating extremes in metapopulation functioning. We show how the rare endemics Centaurea corymbosa (Clape Massif, France) and Brassica insularis in Corsica (France) may be caught in an evolutionary trap: disruption of metapopulation functioning due to lack of colonization of new sites may have counterselected traits such as dispersal ability or self-compatibility, making these species particularly vulnerable to any disturbance. The third case study concerns the evolution of life history strategies in the highly diverse genus Leucadendron of the South African fynbos. There, fire disturbance and the recolonization phase after fires are so integral to the functioning of populations that recruitment of new individuals is conditioned by fire. We show how past adaptation to different fire regimes and climatic constraints make species with different life history syndromes more or less vulnerable to global changes. These different case studies suggest that management strategies should promote evolutionary potential and evolutionary processes to better protect extant biodiversity and biodiversification.

The genetic basis of color-related local adaptation in a ring-like colonization around the Mediterranean.

Uncovering the genetic basis of phenotypic variation and the population history under which it established is key to understand the trajectories along which local adaptation evolves. Here, we investigated the genetic basis and evolutionary history of a clinal plumage color polymorphism in European barn owls (Tyto alba). Our results suggest that barn owls colonized the Western Palearctic in a ring-like manner around the Mediterranean and meet in secondary contact in Greece. Rufous coloration appears to be linked to a recently evolved nonsynonymous-derived variant of the melanocortin 1 receptor (MC1R) gene, which according to quantitative genetic analyses evolved under local adaptation during or following the colonization of Central Europe. Admixture patterns and linkage disequilibrium between the neutral genetic background and color found exclusively within the secondary contact zone suggest limited introgression at secondary contact. These results from a system reminiscent of ring species provide a striking example of how local adaptation can evolve from derived genetic variation.

Linking brain structure and activation in the temporoparietal junction to explain the neurobiology of human altruism

Human altruism shaped our evolutionary history and pervades social and political life. There are, however, enormous individual differences in altruism. Some people are almost completely selfish, while others display strong altruism, and the factors behind this heterogeneity are only poorly understood. We examine the neuroanatomical basis of these differences with voxel-based morphometry and show that gray matter (GM) volume in the right temporoparietal junction (TPJ) is strongly associated with both individuals' altruism and the individual-specific conditions under which this brain region is recruited during altruistic decision making. Thus, individual differences in GM volume in TPJ not only translate into individual differences in the general propensity to behave altruistically, but they also create a link between brain structure and brain function by indicating the conditions under which individuals are likely to recruit this region when they face a conflict between altruistic and selfish acts.

Spiders on a Hot Volcanic Roof: Colonisation Pathways and Phylogeography of the Canary Islands Endemic Trap-Door Spider Titanidiops canariensis (Araneae, Idiopidae)

Studies conducted on volcanic islands have greatly contributed to our current understanding of how organisms diversify. The Canary Islands archipelago, located northwest of the coast of northern Africa, harbours a large number of endemic taxa. Because of their low vagility, mygalomorph spiders are usually absent from oceanic islands. The spider Titanidiops canariensis, which inhabits the easternmost islands of the archipelago, constitutes an exception to this rule. Here, we use a multi-locus approach that combines three mitochondrial and four nuclear genes to investigate the origins and phylogeography of this remarkable trap-door spider. We provide a timeframe for the colonisation of the Canary Islands using two alternative approaches: concatenation and species tree inference in a Bayesian relaxed clock framework. Additionally, we investigate the existence of cryptic species on the islands by means of a Bayesian multi-locus species delimitation method. Our results indicate that T. canariensis colonised the Canary Islands once, most likely during the Miocene, although discrepancies between the timeframes from different approaches make the exact timing uncertain. A complex evolutionary history for the species in the archipelago is revealed, which involves two independent colonisations of Fuerteventura from the ancestral range of T. canariensis in northern Lanzarote and a possible back colonisation of southern Lanzarote. The data further corroborate a previously proposed volcanic refugium, highlighting the impact of the dynamic volcanic history of the island on the phylogeographic patterns of the endemic taxa. T. canariensis includes at least two different species, one inhabiting the Jandia peninsula and central Fuerteventura and one spanning from central Fuerteventura to Lanzarote. Our data suggest that the extant northern African Titanidiops lineages may have expanded to the region after the islands were colonised and, hence, are not the source of colonisation. In addition, T. maroccanus may harbour several cryptic species.

The identification and characterization of inter- and intra-species genetic diversity derived from retrotransposons in humans

Retrotransposons, which used to be considered as “junk DNA”, have begun to reveal their immense value to genome evolution and human biology due to recent studies. They consist of at least ~45% of the human genome and are more or less the same in other mammalian genomes. Retrotransposon elements (REs) are known to affect the human genome through many different mechanisms, such as generating insertion mutations, genomic instability, and alteration in gene expression. Previous studies have suggested several RE subfamilies, such as Alu, L1, SVA and LTR, are currently active in the human genome, and they are an important source of genetic diversity between human and other primates, as well as among humans. Although several groups had used Retrotransposon Insertion Polymorphisms (RIPs) as markers in studying primate evolutionary history, no study specifically focused on identifying Human-Specific Retrotransposon Element (HS-RE) and their roles in human genome evolution. In this study, by computationally comparing the human genome to 4 primate genomes, we identified a total of 18,860 HS-REs, among which are 11,664 Alus, 4,887 L1s, 1,526 SVAs and 783 LTRs (222 full length entries), representing the largest and most comprehensive list of HS-REs generated to date. Together, these HS-REs contributed a total of 14.2Mb sequence increase from the inserted REs and Target Site Duplications (TSDs), 71.6Kb increase from transductions, and 268.2 Kb sequence deletion of from insertion-mediated deletion, leading to a net increase of ~14 Mb sequences to the human genome. Furthermore, we observed for the first time that Y chromosome might be a hot target for new retrotransposon insertions in general and particularly for LTRs. The data also allowed for the first time the survey of frequency of TE insertions inside other TEs in comparison with TE insertion into none-TE regions. In summary, our data suggest that retrotransposon elements have played a significant role in the evolution of Homo sapiens.

La phylogénie moléculaire du genre nord-américain Eurybia (Asteraceae : Astereae) et ses proches parents (Oreostemma, Herrickia, Triniteurybia)

Eurybia et ses proches parents Oreostemma, Herrickia et Triniteurybia sont appelés le grade des eurybioïdes. Comprenant 31 espèces vivaces, ce grade appartient au clade Nord-américain de la tribu des Astereae. Les analyses moléculaires antérieures ont montré que ce groupe est à la fois paraphylétique aux Machaerantherinae et un groupe frère aux Symphyotrichinae. Les relations infragénériques partiellement résolues et faiblement supportées empêchent d’approfondir l'histoire évolutive des groupes et ce, particulièrement dans le genre principal Eurybia. Le but de cette étude est de reconstruire les relations phylogénétiques au sein des eurybioïdes autant par l'inclusion de toutes les espèces du grade que par l’utilisation de différents types de régions et de méthodes d'inférence phylogénétique. Cette étude présente des phylogénies basées sur l'ADN ribosomal nucléaire (ITS, ETS), de l'ADN chloroplastique (trnL-F, trnS-G, trnC-ycf6) et d’un locus du génome nucléaire à faible nombre de copie (CNGC4). Les données sont analysées séparément et combinées à l’aide des approches de parcimonie, bayesienne et de maximum de vraisemblance. Les données ADNnr n’ont pas permis de résoudre les relations entre les espèces polyploïdes des Eurybia. Les analyses combinées avec des loci d’ADNnr et d’ADNnr+cp ont donc été limitées à des diploïdes. Les analyses combinées ont montré une meilleure résolution et un meilleur support que les analyses séparées. La topologie de l’ADNnr+cp était la mieux résolue et supportée. La relation phylogénétique de genres appartenant au grade des eurybioïdes est comme suit : Oreostemma (Herrickia s.str. (Herrickia kingii (Eurybia (Triniteurybia - Machaerantherinae)))). Basé sur la topologie combinée de l’ADNnr+cp, nous avons effectué des analyses de biogéographie à l’aide des logiciels DIVA et LaGrange. Ces analyses ont révélé une première radiation des eurybioïdes dans l’Ouest de l’Amérique du Nord, suivi de deux migrations indépendantes dans l’Est de l’Amérique du Nord chez les Eurybia. Due au relatif manque de variabilité de l’ADNnr, l’ADNcp et CNGC4, où le triage de lignés incomplet était dominant, l'origine du grade est interprétée comme récente, possiblement du Pliocène. La diversification du groupe a été probablement favorisée par les glaciations Pléistocènes.

Approches algorithmiques pour l’inférence d’histoires de duplication en tandem avec inversions et délétions pour des familles multigéniques

[Français] Une fraction importante des génomes eucaryotes est constituée de Gènes Répétés en Tandem (GRT). Un mécanisme fondamental dans l’évolution des GRT est la recombinaison inégale durant la méiose, entrainant la duplication locale (en tandem) de segments chromosomiques contenant un ou plusieurs gènes adjacents. Différents algorithmes ont été proposés pour inférer une histoire de duplication en tandem pour un cluster de GRT. Cependant, leur utilisation est limitée dans la pratique, car ils ne tiennent pas compte d’autres événements évolutifs pourtant fréquents, comme les inversions, les duplications inversées et les délétions. Cette thèse propose différentes approches algorithmiques permettant d’intégrer ces événements dans le modèle de duplication en tandem classique. Nos contributions sont les suivantes: • Intégrer les inversions dans un modèle de duplication en tandem simple (duplication d’un gène à la fois) et proposer un algorithme exact permettant de calculer le nombre minimal d’inversions s’étant produites dans l’évolution d’un cluster de GRT. • Généraliser ce modèle pour l’étude d’un ensemble de clusters orthologues dans plusieurs espèces. • Proposer un algorithme permettant d’inférer l’histoire évolutive d’un cluster de GRT en tenant compte des duplications en tandem, duplications inversées, inversions et délétions de segments chromosomiques contenant un ou plusieurs gènes adjacents.

Phylogéographie comparée d’un système multitrophique : les parasitoïdes du genre Horismenus spp. ont-ils échappé au processus de domestication du haricot au Mexique?

Cette étude vise à comparer l’histoire évolutive des parasitoïdes du genre Horismenus (Hymenoptera: Eulophidae) à celle de leurs hôtes bruches (Coleoptera: Bruchidae) et plante hôte (Phaseolus vulgaris L.) cultivée dans le contexte d’agriculture traditionnelle, au sein de son centre de domestication Mésoaméricain. Nous avons analysé la structure génétique de 23 populations de quatre espèces de parasitoïdes au Mexique, en utilisant un fragment du gène mitochondrial COI afin de les comparer aux structures précédemment publiées des hôtes bruches et du haricot commun. Nous avons prédit que les structures génétiques des populations d’hôtes (bruches et plante) et de parasitoïdes seraient similaires puisque également influencées par la migration entremise par l’humain (HMM) étant donnée que les parasitoïdes se développent telles que les bruches à l’intérieur des haricots. Compte tenu des stratégies de manipulation reproductive utilisées par l’alpha-protéobactérie endosymbionte Wolbachia spp. pour assurer sa transmission, la structure génétique des populations de parasitoïdes inférée à partir du génome mitochondrial devrait être altérée conséquemment à la transmission conjointe des mitochondries et des bactéries lors de la propagation de l’infection dans les populations de parasitoïdes. Les populations du parasitoïde H. missouriensis sont infectées par Wolbachia spp. Tel que prédit, ces populations ne sont pas différenciées (FST = 0,06), ce qui nous empêche d’inférer sur une histoire évolutive parallèle. Contrairement aux bruches, Acanthoscelides obtectus et A. ovelatus, la HMM n'est pas un processus contemporain qui influence la structure génétique des populations du parasitoïde H. depressus, étant donné la forte différenciation (FST = 0,34) qui existe entre ses populations. La structure génétique observée chez H. depressus est similaire à celle de sa plante hôte (i.e. dispersion aléatoire historique à partir d'un pool génique ancestral très diversifié) et est probablement le résultat d’un flux génique important en provenance des populations de parasitoïdes associées aux haricots spontanées à proximité des champs cultivés. L’étude de l’histoire évolutive intégrant plusieurs niveaux trophiques s’est avérée fructueuse dans la détection des différentes réponses évolutives entre les membres du module trophique face aux interactions humaines et parasitaires, et montre la pertinence d’analyser les systèmes écologiques dans leur ensemble.

Analyse de la corrélation conditionnelle dérivée de la coévolution d’un système de trois gènes par un modèle du maximum de vraisemblance

Les gènes codant pour des protéines peuvent souvent être regroupés et intégrés en modules fonctionnels par rapport à un organelle. Ces modules peuvent avoir des composantes qui suivent une évolution corrélée pouvant être conditionnelle à un phénotype donné. Les gènes liés à la motilité possèdent cette caractéristique, car ils se suivent en cascade en réponse à des stimuli extérieurs. L’hyperthermophilie, d’autre part, est interreliée à la reverse gyrase, cependant aucun autre élément qui pourrait y être associé avec certitude n’est connu. Ceci peut être dû à un déplacement de gènes non orthologues encore non résolu. En utilisant une approche bio-informatique, une modélisation mathématique d’évolution conditionnelle corrélée pour trois gènes a été développée et appliquée sur des profils phylétiques d’archaea. Ceci a permis d’établir des théories quant à la fonction potentielle du gène du flagelle FlaD/E ainsi que l’histoire évolutive des gènes lui étant liés et ayant contribué à sa formation. De plus, une histoire évolutive théorique a été établie pour une ligase liée à l’hyperthermophilie.

Étude de l’évolution des génomes par duplications, pertes et réarrangements

La duplication est un des évènements évolutifs les plus importants, car elle peut mener à la création de nouvelles fonctions géniques. Durant leur évolution, les génomes sont aussi affectés par des inversions, des translocations (incluant des fusions et fissions de chromosomes), des transpositions et des délétions. L'étude de l'évolution des génomes est importante, notamment pour mieux comprendre les mécanismes biologiques impliqués, les types d'évènements qui sont les plus fréquents et quels étaient les contenus en gènes des espèces ancestrales. Afin d'analyser ces différents aspects de l'évolution des génomes, des algorithmes efficaces doivent être créés pour inférer des génomes ancestraux, des histoires évolutives, des relations d'homologies et pour calculer les distances entre les génomes. Dans cette thèse, quatre projets reliés à l'étude et à l'analyse de l'évolution des génomes sont présentés : 1) Nous proposons deux algorithmes pour résoudre des problèmes reliés à la duplication de génome entier : un qui généralise le problème du genome halving aux pertes de gènes et un qui permet de calculer la double distance avec pertes. 2) Nous présentons une nouvelle méthode pour l'inférence d'histoires évolutives de groupes de gènes orthologues répétés en tandem. 3) Nous proposons une nouvelle approche basée sur la théorie des graphes pour inférer des gènes in-paralogues qui considère simultanément l'information provenant de différentes espèces afin de faire de meilleures prédictions. 4) Nous présentons une étude de l'histoire évolutive des gènes d'ARN de transfert chez 50 souches de Bacillus.

Évolution moléculaire : un modèle Markov-modulé pour les processus de substitution

Les processus Markoviens continus en temps sont largement utilisés pour tenter d’expliquer l’évolution des séquences protéiques et nucléotidiques le long des phylogénies. Des modèles probabilistes reposant sur de telles hypothèses sont conçus pour satisfaire la non-homogénéité spatiale des contraintes fonctionnelles et environnementales agissant sur celles-ci. Récemment, des modèles Markov-modulés ont été introduits pour décrire les changements temporels dans les taux d’évolution site-spécifiques (hétérotachie). Des études ont d’autre part démontré que non seulement la force mais également la nature de la contrainte sélective agissant sur un site peut varier à travers le temps. Ici nous proposons de prendre en charge cette réalité évolutive avec un modèle Markov-modulé pour les protéines sous lequel les sites sont autorisés à modifier leurs préférences en acides aminés au cours du temps. L’estimation a posteriori des différents paramètres modulants du noyau stochastique avec les méthodes de Monte Carlo est un défi de taille que nous avons su relever partiellement grâce à la programmation parallèle. Des réglages computationnels sont par ailleurs envisagés pour accélérer la convergence vers l’optimum global de ce paysage multidimensionnel relativement complexe. Qualitativement, notre modèle semble être capable de saisir des signaux d’hétérogénéité temporelle à partir d’un jeu de données dont l’histoire évolutive est reconnue pour être riche en changements de régimes substitutionnels. Des tests de performance suggèrent de plus qu’il serait mieux ajusté aux données qu’un modèle équivalent homogène en temps. Néanmoins, les histoires substitutionnelles tirées de la distribution postérieure sont bruitées et restent difficilement interprétables du point de vue biologique.