Integrating experimental and molecular evolution approaches into speciation genotics, to identify the mechanisms involved in the divergence between naturally hybridizing Atlantic and Mediterranean sea bass lineages
Intégrer des approches expérimentales et d’évolution moléculaire en génomique de la spéciation afin d’identifier les mécanismes impliqués dans la divergence entre bar atlantique et loup méditerranéen
Résumé
Speciation is the evolutionary process of species formation through the progressive establishment of reproductive isolation barriers between diverging populations. Understanding what kind of loci constitute these barriers, which evolutionary forces underlie their formation and how they impact the fitness of hybrids are fundamental questions in evolutionary biology. However, studying true biological species that do not interact through genetic exchanges do not help answering these questions as many reproductive isolation barriers potentially exist, making the identification of the initial barriers a difficult task. This is why we here focus our study of speciation on the European sea bass (Dicentrarchus labrax), a marine fish species subdivided into two incipient species, which are represented by the Atlantic and Mediterranean evolutionary lineages. In order to understand how divergence built up and maintained between these two lineages, we combined several complementary approaches. First, a population genomic study of wild individuals allowed us to specify the demographic context in which divergence took place and to identify the evolutionary mechanisms that allowed genetic differentiation to unfold at the genome level. We found that chromosomal variations in recombination rate have influenced the establishment of reproductive isolation. Furthermore, genomic regions involved in reproductive isolation showed particularly high levels of sequence divergence, that we related to the presence of anciently introgressed alleles. Our findings indicate that past genetic exchanges between D. labrax Atlantic lineage and a closely related species, the spotted sea bass (Dicentrarchus punctatus), have facilitated the establishment of reproductive isolation between the two extent D. labrax lineages. Secondly, we studied molecular evolution patterns of genes involved in reproductive isolation. We showed that these genes mainly display strong evolutionary constraints and thus undergo strong purifying selection. Thirdly, we used experimental crossings to determine if backcrossed individuals have a reduced fitness, which could be expected if there is hybrid depression. We observed that backcrossed individuals had the same fitness than non-backcross Mediterranean relatives. On the contrary, Atlantic alleles are even favored for these hybrids, and this occurs at the same loci where negative selection operates against Atlantic alleles over the long-term. These results thus reveal a complex temporal dynamic of selection on foreign Atlantic haplotypes. Overall, this work challenges the classical view of allopatric speciation which is generally thought as the progressive accumulation of barriers as the by-product of divergence between two populations, facilitated by the absence of gene flow. Here, we showed that on the contrary, genetic exchanges between D. labrax Atlantic population and a third lineage have probably accelerated the emergence of reproductive isolation between the two European sea bass lineages. Furthermore, reproductive isolation is generally assumed to rely on strong selection against first-generations hybrids. However, we showed that this is probably not the case for the European sea bass in which the dynamics of selection on foreign genetic material could be more complex, involving an inversion of selective effect over generations. This thesis shows that linked selection, in interaction with local recombination rate, plays a fundamental role in the establishment and maintenance of reproductive isolation.
La spéciation est un processus évolutif conduisant à la formation de nouvelles espèces grâce à l’établissement progressif de barrières d’isolement reproductif entre populations en cours de divergence. Comprendre de quoi sont constituées ces barrières, quelles sont les forces évolutives ayant permis leur mise en place et comment elles impactent la valeur sélective des individus hybrides sont des questions fondamentales en biologie évolutive. Cependant, répondre à ces questions en étudiant de vraies espèces qui n’interagissent plus au travers d’échanges génétiques peut s’avérer difficile, tant les barrières d’isolement reproductif sont nombreuses. C’est pourquoi nous avons choisi d’étudier dans cette thèse le bar européen (Dicentrarchus labrax), une espèce de poisson marin subdivisée en deux lignées évolutives en cours de spéciation, et représentées par les populations atlantique (bar) et méditerranéenne (loup). Afin de comprendre comment la divergence s’est établie et maintenue entre ces deux lignées au cours du temps, nous avons combiné plusieurs approches. Dans un premier temps, une étude de génomique des populations réalisée sur des individus sauvages nous a permis de préciser le contexte démographique dans lequel la divergence a eu lieu et d’identifier les mécanismes évolutifs ayant permis à la différenciation génétique de s’établir. Nous avons ainsi confirmé que les variations chromosomiques du taux de recombinaison influencent le maintien dans le génome d’allèles impliqués dans l’isolement reproductif. Les locus d’isolement occupent des régions où les niveaux de divergence nucléotidique sont particulièrement élevés. Nous avons pu relier ces excès de divergence à la présence d’allèles anciennement introgressés. En effet, des échanges génétiques semblent avoir eu lieu il y a près de 80000 ans entre la population de bar atlantique et une espèce proche, le bar moucheté (Dicentrarchus punctatus). Nos inférences montrent que ces échanges ont très probablement facilité la mise en place de l’isolement reproductif entre les deux lignées actuelles de bar européen. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les signatures d’évolution moléculaire des gènes qui participent à l’isolement reproductif. Nous avons montré que ce sont principalement des gènes sous fortes contraintes évolutives subissant de fortes pressions de sélection purificatrice. Dans un troisième temps, nous avons utilisé des croisements expérimentaux afin de déterminer s’il existe une dépression d’hybridation chez les premières générations hybrides rencontrées en nature. Nous avons ainsi pu constater que la valeur sélective d’individus issus d’une première génération de rétrocroisement n’était pas inférieure à celle de leurs parents méditerranéens. Nos résultats montrent au contraire que les allèles d’origine atlantique sont favorisés chez ces hybrides au niveau des locus d’isolement, c’est-à-dire là même où ils sont contre-sélectionnée sur le long terme. La sélection agissant sur les haplotypes atlantiques introgressés suit donc une dynamique temporelle complexe. Ainsi, cette thèse aura influencé la vision classique du processus de spéciation allopatrique, généralement assimilé à une accumulation progressive d’une divergence génétique facilitée par l’absence de flux génique. Ici, nous avons montré que des échanges génétiques anciens avec une troisième lignée ont probablement accéléré l’émergence de l’isolement reproductif entre les deux lignées de bar. De plus, nous avons montré que l’isolement reproductif ne résulte pas d’une forte contre-sélection des hybrides de premières générations, mais d’une dynamique de sélection plus complexe des fragments introgressés, dont le sens s’inverse au fil des générations. Cette thèse montre que la sélection en liaison, en interaction avec les variations locales du taux de recombinaison, joue un rôle fondamental dans la mise en place et le maintien de l’isolement reproductif.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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