Evolution du degré d'activité de la maladie à l'introduction et après 1 an de traitement biologique chez les patients souffrant de polyarthrite rhumatoïde en Suisse

Introduction. - En Suisse, la prescription de produits biologiqueschez les patients souffrant de polyarthrite rhumatoïde (PR) n'est nilimitée à des centres hospitaliers de rhumatologie, ni soumise à desdirectives strictes éditées par les autorités sanitaires sur le type oule nombre de traitements de fond préalables. La notion d'échec auxtraitements de fond n'est pas non plus précisément définie, et enparticulier l'activité de la maladie ne doit pas répondre à des critèresstricts, notamment en terme de valeurs de DAS, et ce contrairementà de nombreux autres pays où l'impact de ces restrictions aété publié récemment (1, 2).Le registre SCQM peut être considéré comme un bon reflet de lapopulation suisse avec PR, aussi bien pour la population suivie pardes centres hospitaliers que par les practiciens en cabinet privé, eton estime qu'environ 30 % des patients avec PR recevant des traitementsbiologiques en Suisse sont inclus dans ce registre.L'objectif primaire de cette étude est de comparer les caractéristiquesdes patients de notre registre à l'initiation et après un an de traitementbiologique avec celles de registres du même type dans des pays avecun accès plus restreint aux traitements biologiques. Les objectifssecondaires sont de comparer les patients traités en milieu hospitalieret ceux pris en charge en cabinet privé, et aussi d'examiner s'il existedes tendances temporelles (avant et après 2005).Patients et Méthodes. - Les données sont extraites du registre suissede PR (SCQM) qui comprend 4 500 patients inclus entre 1997 et2011. 2 715 patients bénéficient d'un traitement biologique, dont2 427 avec des données à l'introduction du traitement : DAS28/VS,DAS28/CRP, HAQ, durée de la maladie, nbre de tttt préalables, comorbidités,etc. Les principales données démographiques sont : âgemoyen 55 ans, 77 % de femmes 72 % FR+, médecins prescripteurs :62 % en cabinet, 21 % en centre hospitaliers et 16 % en centres universitaires.Nous avons calculés les moyennes (+/- écart type) pourdifférents paramètres de l'activité de la maladie.Résultats. - La moyenne du DAS28/VS à l'introduction du traitement(4,4 +/- 1,3) est nettement inférieur aux valeurs publiées pard'autres registres européens ou canadien (5,3 < > 6,6 ; 1,2). Il en ende même pour le HAQ (1 versus 1,4). Les biologiques sont introduitsaprès en moyenne 1,1 +/- 1 DMARD préalable contre > 3 en Suède,au Danemark ou au Canada.Les caractéristiques démographiques, le degré d'activité et les traitementsprodigués sont similaires entre les patients traités encabinet privé ou en milieu hospitalier, hormis pour une proportionmoindre de traitements iv en cabinet (20 % versus 40 %). Après2005, les traitements biologiques sont introduits beaucoup plusprécocemment, avec une durée médiane de maladie avant l'introductionde thérapies biologiques diminuant de 96 à 51 mois. Onnote également une répartition entre les divers produits biologiquesqui se diversifie. Même si les traitements sont introduits à undegré d'activité similaire (DAS28/VS moyen à 4,4 +/- 1,3) onobserve de meilleurs résultats à 1 an avec un DAS moyen à 1 an :3,5 +/- 1,4 avant 2005 contre 3,1 +/- 1,3 après 2005 (p = 0.0001).Conclusion. - Les données du registre suisse des PR (SCQM) suggèrentque, en l'absence de critères restrictifs d'accès aux traitements biologiques,ceux-ci sont prescrits à des scores d'activité de la maladie(DAS et HAQ) inférieurs, et plus précocemement en terme de nombrede DMARD préalables. Cette tendance se confirme dans le temps, etse retrouve aussi bien en milieu hospitalier qu'en cabinet.En terme de résultats, après 2005, plus de 50 % des patients atteignentun bas degré d'activité de la maladie en terme de DAS aprèsun an de traitement, chiffre qui semble justifier ce type de systèmepeu restrictif favorisant certainement une approche thérapeutiqueplus proche des nouveaux paragidmes de traitement avec une stratégiede type « treat to target ».Références[1] Curtis J R et al. Semin Arthritis Rheum. 40:2-14,2009.[2] Pease C, Pope JE, Truong D et al. Semin Arthritis Rheum, December2010.

Trophic specialization influences the rate of environmental niche evolution in damselfishes (Pomacentridae).

The rate of environmental niche evolution describes the capability of species to explore the available environmental space and is known to vary among species owing to lineage-specific factors. Trophic specialization is a main force driving species evolution and is responsible for classical examples of adaptive radiations in fishes. We investigate the effect of trophic specialization on the rate of environmental niche evolution in the damselfish, Pomacentridae, which is an important family of tropical reef fishes. First, phylogenetic niche conservatism is not detected in the family using a standard test of phylogenetic signal, and we demonstrate that the environmental niches of damselfishes that differ in trophic specialization are not equivalent while they still overlap at their mean values. Second, we estimate the relative rates of niche evolution on the phylogenetic tree and show the heterogeneity among rates of environmental niche evolution of the three trophic groups. We suggest that behavioural characteristics related to trophic specialization can constrain the evolution of the environmental niche and lead to conserved niches in specialist lineages. Our results show the extent of influence of several traits on the evolution of the environmental niche and shed new light on the evolution of damselfishes, which is a key lineage in current efforts to conserve biodiversity in coral reefs.

High elevation Plantago lanceolata plants are less resistant to herbivory than their low elevation conspecifics: is it just temperature?

Traits that mediate species interactions are evolutionarily shaped by biotic and abiotic drivers, yet we know relatively little about the relative importance of these factors. Herbivore pressure, along with resource availability and third-party' mutualists, are hypothesized to play a major role in the evolution of plant defence traits. Here, we used the model system Plantago lanceolata, which grows along steep elevation gradients in the Swiss Alps, to investigate the effect of elevation, herbivore pressure, mycorrhizal inoculation and temperature on plant resistance. Over a 1200 m elevation gradient, the levels of herbivory and iridoid glycosides (IGs) declined with increasing elevation. By planting seedlings at three different elevations, we further showed that both low-elevation growing conditions and mycorrhizal inoculation resulted in increased plant resistance to herbivores. Finally, using a temperature-controlled experiment comparing high- and low-elevation ecotypes, we showed that high-elevation ecotypes are less resistant to herbivory, and that lower temperatures impair IGs deployment after herbivore attack. We thus propose that both lower herbivore pressure, and colder temperatures relax the defense syndrome of high elevation plants.

Movement, impacts and management of plant distributions in response to climate change: insights from invasions

A major challenge in this era of rapid climate change is to predict changes in species distributions and their impacts on ecosystems, and, if necessary, to recommend management strategies for maintenance of biodiversity or ecosystem services. Biological invasions, studied in most biomes of the world, can provide useful analogs for some of the ecological consequences of species distribution shifts in response to climate change. Invasions illustrate the adaptive and interactive responses that can occur when species are confronted with new environmental conditions. Invasion ecology complements climate change research and provides insights into the following questions: i) how will species distributions respond to climate change? ii) how will species movement affect recipient ecosystems? and iii) should we, and if so how can we, manage species and ecosystems in the face of climate change? Invasion ecology demonstrates that a trait-based approach can help to predict spread speeds and impacts on ecosystems, and has the potential to predict climate change impacts on species ranges and recipient ecosystems. However, there is a need to analyse traits in the context of life-history and demography, the stage in the colonisation process (e.g., spread, establishment or impact), the distribution of suitable habitats in the landscape, and the novel abiotic and biotic conditions under which those traits are expressed. As is the case with climate change, invasion ecology is embedded within complex societal goals. Both disciplines converge on similar questions of "when to intervene?" and "what to do?" which call for a better understanding of the ecological processes and social values associated with changing ecosystems.

Pharmaceutical and Industrial Traits in Genetically Modified Crops: Co-existence with Conventional Agriculture, August 2006

This paper discusses the implications of using genetically modified crops to biomanufacture pharmaceuticals and industrial compounds from the perspective of their co-existence with conventional agriculture. Such plant-made pharmaceuticals and plantmade industrial products rely on exciting scientific and technological breakthroughs and promise new opportunities for the agricultural sector, but they also entail novel risks. The management of the externalities and of the possible unintended economic effects that arise in this context is critical and poses difficult questions for regulators.

On the number of independent cultural traits carried by individuals and populations.

In species subject to individual and social learning, each individual is likely to express a certain number of different cultural traits acquired during its lifetime. If the process of trait innovation and transmission reaches a steady state in the population, the number of different cultural traits carried by an individual converges to some stationary distribution. We call this the trait-number distribution. In this paper, we derive the trait-number distributions for both individuals and populations when cultural traits are independent of each other. Our results suggest that as the number of cultural traits becomes large, the trait-number distributions approach Poisson distributions so that their means characterize cultural diversity in the population. We then analyse how the mean trait number varies at both the individual and population levels as a function of various demographic features, such as population size and subdivision, and social learning rules, such as conformism and anti-conformism. Diversity at the individual and population levels, as well as at the level of cultural homogeneity within groups, depends critically on the details of population demography and the individual and social learning rules.

Plant and arbuscular mycorrhizal fungal diversity - are we looking at the relevant levels of diversity and are we using the right techniques?

Fungal symbionts commonly occur in plants influencing host growth, physiology, and ecology (Carlile et al., 2001). However, while whole-plant growth responses to biotrophic fungi are readily demonstrated, it has been much more difficult to identify and detect the physiological mechanisms responsible. Previous work on the clonal grass Glyceria striata has revealed that the systemic fungal endophyte Epichloë glyceriae has a positive effect on clonal growth of its host (Pan & Clay, 2002; 2003). The latest study from these authors, in this issue (pp. 467- 475), now suggests that increased carbon movement in hosts infected by E. glyceriae may function as one mechanism by which endophytic fungi could increase plant growth. Given the widespread distribution of both clonal plants and symbiotic fungi, this research will have implications for our understanding of the ecology and evolution of fungus-plant associations in natural communities.

The role of gene duplication in the origin and evolution of new biological functions

Abstract : Gene duplication is an essential source of material for the origin of genetic novelty and the evolution of lineage- or species-specific phenotypic traits. The reverse transcription of source gene mRNA followed by the genomic insertion of the resulting cDNA - retroposition - has provided the human genome with a significant number of gene copies during the last ~63 million years (MYA) of primate evolution. We estimated that at least 1 new functional gene (retrogene) per MYA emerged by retroposition in the primate lineage leading to humans. Using a combination of comparative sequencing and evolutionary simulations, we obtained strong evidence of functionality for 7 primate specific retrogenes. Most of these genes are specifically expressed in testis suggesting that retroposition has contributed with genetic raw material necessary for the evolution ofmale-specific functions in primates. We characterized CDC14Bretro (identified in the previous survey) that originated from the retroposition of a cell cycle gene - CDC14B - in the common ancestor of humans and apes. We demonstrate that CDC14Bretro experienced a period of intense positive selection in the African ape ancestor. By virtue of the amino acid substitutions that occurred during this period CDC 14Bretro adapted to a new subcellular compartment in African apes. Further analyses indicate that this subcellular shift reflects the evolution of anew functional role of CDC 14Bretro. Prompted by this result, we used yeast (Saccharomyces cerevisiae) to investigate on a global scale the extent of functional diversification of duplicate genes through the subcellular adaptation of their encoded proteins. We found that duplicate proteins frequently evolved new cellular localization patterns, either by partitioning of ancestral localizations ("sublocalization"), or more frequently by relocalization to previously unoccupied compartments ("neolocalization"). Interestingly, proteins involved in processes with a wider subcellular distribution more frequently evolved new localization patterns suggesting that subcellular localization changes are dependent on progenitor gene functions. Relocated proteins adapted to their new subcellular environments and evolved new functional roles through changes of their physio-chemical properties, expression levels, and interaction partners. Our work suggests an important role of subcellular adaptation for the emergence of new gene functions.

RsmY, a small regulatory RNA, is required in concert with RsmZ for GacA-dependent expression of biocontrol traits in Pseudomonas fluorescens CHA0.

In the plant-beneficial soil bacterium and biocontrol model organism Pseudomonas fluorescens CHA0, the GacS/GacA two-component system upregulates the production of biocontrol factors, i.e. antifungal secondary metabolites and extracellular enzymes, under conditions of slow, non-exponential growth. When activated, the GacS/GacA system promotes the transcription of a small regulatory RNA (RsmZ), which sequesters the small RNA-binding protein RsmA, a translational regulator of genes involved in biocontrol. The gene for a second GacA-regulated small RNA (RsmY) was detected in silico in various pseudomonads, and was cloned from strain CHA0. RsmY, like RsmZ, contains several characteristic GGA motifs. The rsmY gene was expressed in strain CHA0 as a 118 nt transcript which was most abundant in stationary phase, as revealed by Northern blot and transcriptional fusion analysis. Transcription of rsmY was enhanced by the addition of the strain's own supernatant extract containing a quorum-sensing signal and was abolished in gacS or gacA mutants. An rsmA mutation led to reduced rsmY expression, via a gacA-independent mechanism. Overexpression of rsmY restored the expression of target genes (hcnA, aprA) to gacS or gacA mutants. Whereas mutants deleted for either the rsmY or the rsmZ structural gene were not significantly altered in the synthesis of extracellular products (hydrogen cyanide, 2,4-diacetylphloroglucinol, exoprotease), an rsmY rsmZ double mutant was strongly impaired in this production and in its biocontrol properties in a cucumber-Pythium ultimum microcosm. Mobility shift assays demonstrated that multiple molecules of RsmA bound specifically to RsmY and RsmZ RNAs. In conclusion, two small, untranslated RNAs, RsmY and RsmZ, are key factors that relieve RsmA-mediated regulation of secondary metabolism and biocontrol traits in the GacS/GacA cascade of strain CHA0.

Evolution of Y chromosomes : lessons from mammals and amphibians

RÉSUMÉ : Le sexe des individus peut être déterminé par l'environnement ou la génétique. Lorsque la détermination du sexe est génétique, il y a dans le génome, la présence de chromosomes spécifiques qui détermineront le sexe. Dans cette thèse, j'ai étudié l'évolution des chromosomes sexuels et dans quel contexte des marqueurs sur ces chromosomes peuvent être utilisés. Pour explorer la formation du chromosome Y, nous avons étudié les caractéristiques des chromosomes sexuels chez la rainette verte, Hyla arborea. Dans un premier temps, nous avons utilisé un marqueur situé sur les chromosomes sexuels X et Y chez plusieurs espèces appartenant au groupe de la rainette verte. Cela nous a permis de révéler chez toutes ces espèces une hétérogamétie mâle. Dans un deuxième temps, nous avons tiré profit de deux autres marqueurs situés sur les chromosomes sexuels pour montrer que la recombinaison est supprimée chez les mâles mais pas chez les femelles. Pour expliquer la réduction de la variabilité sur le chromosome Y, il n'est pas nécessaire d'invoquer le balayage sélectif ou la sélection d'arrière-plan : le nombre de copies plus petit du chromosome Y dans le génome et l'absence de recombinaison suffisent à l'expliquer. Nous avons également analysé plus en détail la suppression de la recombinaison chez les mâles de H. arborea. Les modèles classiques de l'évolution des chromosomes sexuels supposent que la taille de la région non-recombinante augmente progressivement pendant l'évolution du chromosome Y, due à l'accumulation de changements structuraux. Dans cette étude, nous montrons un modèle différent, à savoir que la recombinaison est supprimée ou diminuée non seulement sur les chromosomes sexuels mais aussi sur les autosomes chez les mâles, dû à l'action de modificateurs généraux. En utilisant des marqueurs localisés sur le chromosome Y, ainsi que sur l'ADN mitochondrial et le chromosome X, nous avons étudié l'histoire évolutive de la musaraigne musette, Crocidura russula. Cette étude illustre que les analyses génétiques avec plusieurs types de marqueurs génétiques peuvent faciliter l'interprétation de l'histoire évolutive des espèces, mais que l'utilisation des marqueurs sur les chromosomes X et Y pour des études phylogéographiques est limitée par le peu de polymorphisme observé sur ces deux types de marqueurs. Le même jeu de données combiné avec des simulations a été employé pour comprendre les facteurs responsables de la faible variabilité sur le chromosome Y qui peut être expliqué, dans notre étude, par la démographie et les traits d'histoire de vie de C. russula. SUMMARY The sex of an individual is determined either by its environment or its genetics. Genetic sex determination relies on the presence of specific chromosomes that will determine the sex of their bearer. In this thesis, I studied the evolution of the sex chromosomes and the context in which markers on this type of chromosomes can be used. To explore the evolution of a Y chromosome, we studied the nascent sex chromosomes in the European tree frog Hyla arborea. First; we amplified a sex specific marker in several related species of European tree frog and found a homogeneous pattern of male heterogamety. Secondly, we used two additional sex-specific markers to show that recombination is suppressed in males but not in females. There is, therefore, no need to invoke background selection or selective sweeps to explain the reduced genetic variability on the Y chromosome, because the lower number of copies of the Y chromosomes per breeding pair and the absence of recombination are sufficient. To further analyze the suppression of recombination in male European. tree frogs, we constructed a microsatellite linkage map for this species. Classical models of sex-chromosome evolution assume that the non-recombining region expands progressively during the long-term evolution of the Y chromosome, owing to the accumulation of structural changes. Here we show a strikingly different pattern: recombination is suppressed or depressed both on sex chromosomes and autosomes in the heterogametic sex, presumably due to the action of general modifiers. We investigated the evolutionary history of the greater white-toothed shrew, Crocidura russula, using markers on both sex chromosomes and mtDNA. This study illustrates that multilocus genetic analyses facilitates the interpretation of a species' evolutionary history. It also demonstrates that phylogeographic inferences from X and Y chromosomal markers are restricted by the low levels of observed polymorphism. Combining this genetic study with simulations, we determined that the demography and the life-history traits of this species can alone be responsible for the low Y diversity. In conclusion, this thesis shows that sex chromosomes, in combination with autosomes or mtDNA, are necessary to understand the evolution of sex chromosomes and to precisely infer the population history of a species.

The evolution of personality in patients with mild cognitive impairment.

Aims: To describe personality traits and their changes in mild cognitive impairment (MCI) and control subjects. Methods: Sixty-three MCI and 90 control subjects were asked to describe their current personality traits by the Structured Interview for the Five-Factor Model (SIFFM). For each subject, a close relative retrospectively assessed these descriptions both as to the previous and current personality traits, using the Revised NEO Personality Inventory, Form R (NEO-PI-R). Results: Self-assessed MCI subjects reported significantly lower scores in the openness dimension than control subjects [F(1, 150) = 9.84, p = 0.002, ηp(2) = 0.06]. In current observer ratings, MCI subjects had higher scores on neuroticism [F(1, 137) = 7.55, p = 0.007, ηp(2) = 0.05] and lower ones on extraversion [F(1, 137) = 6.40, p = 0.013, ηp(2) = 0.04], openness [F(1, 137) = 9.93, p = 0.002, ηp(2) = 0.07], agreeableness [F(1, 137) = 10.18, p = 0.002, ηp(2) = 0.07] and conscientiousness [F(1, 137) = 25.96, p < 0.001, ηp(2) = 0.16]. Previous personality traits discriminated the groups as previous openness [odds ratio (OR) = 0.97, 95% confidence interval (CI) = 0.95-0.99, p = 0.014] and conscientiousness (OR = 0.96, 95% CI 0.94-0.98, p = 0.001) were negatively related to MCI group membership. In MCI subjects, conscientiousness [F(1, 137) = 19.20, p < 0.001, ηp(2) = 0.12] and extraversion [F(1, 137) = 22.27, p < 0.001, ηp(2) = 0.14] decreased between previous and current evaluations and neuroticism increased [F(1, 137) = 22.23, p < 0.001, ηp(2) = 0.14], whereas no significant change was found in control subjects. Conclusions: MCI subjects undergo significant personality changes. Thus, personality assessment may aid the early detection of dementia. © 2013 S. Karger AG, Basel.

Evolution of intraspecific variation : a comparative phylogenetic approach

Understanding the evolution of intraspecific variance is a major research question in evolutionary biology. While its importance to processes operating at individual and population levels is well-documented, much less is known about its role in macroevolutionary patterns. Nevertheless, both experimental and theoretical evidence suggest that the intraspecific variance is susceptible to selection, can transform into interspecific variation and, therefore, is crucial for macroevolutionary processes. The main objectives of this thesis were: (l) to investigate which factors impact evolution of intraspecific variation in Polygonaceae and determine if evolution of intraspecific variation influences species diversification; and (2) to develop a novel comparative phylogenetic method to model evolution of intraspecific variation. Using the buckwheat family, Polygonaceae, as a study system, I demonstrated which life-history and ecological traits are relevant to the evolution of intraspecific variation. I analyzed how differential intraspecific variation drives species diversification patterns. I showed with computer simulations the shortcomings of existing comparative methods with respect to intraspecific variation. I developed a novel comparative model that readily incorporates the intraspecific variance into phylogenetic comparative methods. The obtained results are complimentary, because they affect both empirical and methodological aspects of comparative analysis. Overall, I highlight that intraspecific variation is an important contributor to the macroevolutionary patterns and it should be explicitly considered in the comparative phylogenetic analysis. - En biologie évolutive comprendre l'évolution de la variance intraspécifique est un axe de recherche majeur. Bien que l'importance de cette variation soit bien documentée au niveau individuel et populationnel, on en sait beaucoup moins sur son rôle au niveau macroévolutif. Néanmoins, des preuves expérimentales et théoriques suggèrent que la variance intraspécifique est sensible à la sélection et peut se transformer en variation interspécifique. Par conséquent, elle est cruciale pour mieux comprendre les processus macroévolutifs. Les principaux objectifs de ma thèse étaient : (i) d'enquêter sur les facteurs qui affectent l'évolution de la variation intraspécifique chez les Polygonaceae et de déterminer si l'évolution de cette dernière influence la diversification des espèces, et (2) de développer une nouvelle méthode comparative permettant de modéliser l'évolution de la variation intraspécifique dans un cadre phylogénétique. En utilisant comme système d'étude la famille du sarrasin, les Polygonacées, je démontre que les traits d'histoire de vie sont pertinents pour comprendre l'évolution de la variation intraspécifique. J'ai également analysé l'influence de la variation intraspécifique au niveau de la diversification des espèces. J'ai ensuite démontré avec des données simulées les limites des méthodes comparatives existantes vis à vis de la variation intraspécifique. Finalement, j'ai développé un modèle comparatif qui intègre facilement la variance intraspécifique dans les méthodes comparatives phylogénétiques existantes. Les résultats obtenus lors de ma thèse sont complémentaires car ils abordent aspects empiriques et méthodologiques de l'analyse comparative. En conclusion, je souligne que la variation intraspécifique est un facteur important en macroévolution et qu'elle doit être explicitement considérée lors d'analyses comparatives phylogénétiques.

A review of evolution of oviposition guilds in the Bruchidae (Coleoptera)

Three guilds of bruchid beetles oviposit on seeds at different times and in different ways, i. e., in these guilds some species only oviposit on fruits while on the plant (Guild A), other species only oviposit on seeds exposed in fruits while still on the plant (Guild B) and some only oviposit on seeds once they are exposed on the substrate (Guild C). It has been established that one plant species may be oviposited upon by all three guilds, some only by two guilds and some by only one guild. Before and after the inception of this concept many papers have been published that seem to establish that early oviposition behavior of bruchids was probably onto fruits where they burrowed through the fruit wall and fed on seeds (Guild A). Then, as evolution of the fruits developed for dispersal of seeds and possible escape from bruchid predation, bruchids developed to feed in seeds in various other ways (Guilds B and C). Our data show that about 78% of extant bruchids oviposit on fruits, and the other 22% with behavior of Guilds B and C. A review of these papers and new data on oviposition guilds and bruchid evolution are presented and discussed here.

Ecology and evolution of multigenomic arbuscular mycorrhizal fungi.

Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) form extremely important mutualistic symbioses with most plants. Their role in nutrient acquisition, plant community structure, plant diversity, and ecosystem productivity and function has been demonstrated in recent years. New findings on the genetics and biology of AMF also give us a new picture of how these fungi exist in ecosystems. In this article, I bring together some recent findings that indicate that AMF have evolved to contain multiple genomes, that they connect plants together by a hyphal network, and that these different genomes may potentially move around in this network. These findings show the need for more intensive studies on AMF population biology and genetics in order to understand how they have evolved with plants, to better understand their ecological role, and for applying AMF in environmental management programs and in agriculture. A number of key features of AMF population biology have been identified for future studies and most of these concern the need to understand drift, selection, and genetic exchange in multigenomic organisms, a task that has not previously presented itself to evolutionary biologists.

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.