Understand how the re-use of pre-existing genetic pathways control the wonderful diversity in nature is a major challenge in evolutionary biology field. The diversity of colours present in Gerromorpha (semi-aquatic bugs) during the embryonic development is an excellent model to achieve this objective. In order to explore this question, I present a review on the different functions of colouration in nature and on the mechanisms known to produce colours. I also introduce the concept of genetic co-option and how pigmentation traits have been used to understand the evolutionary recruitment of pre-existing genes or pathways to produce variability.
The principal aim of this doctoral thesis was to understand the genetic basis for the diversification of the extra-ocular pigmentation in Gerromorpha embryos. Most of the semi-aquatic bugs develop a variability of yellow or red colours patterns in legs and antennas during the embryonic stage. Since the red colour in appendages was similar to the one present in eyes, we hypothesized that the extra-ocular colours could be produced by the co-option of the eye pigments biosynthesis pathway. First we inferred the evolutionary history of this trait based on its presence or absence in embryos of 34 species. We found that the ancestral state of the trait in Gerromorpha was yellow and that six independent lineages evolved bright red colour, while two lineages lost the colour. Using RNAi and in situ hybridisation on homologous genes from the pteridine and ommochrome biosynthesis pathways, we described the genetic pathway involved in the production of pigments in eyes and extra-ocular tissues in Limnogonus franciscanus embryos. After that, we performed a screening of three genes from this pathway in five other species with different extra-ocular colours and patterns. We discovered that the same pathway was recruited once to produce the diversity of patterns in Gerromorpha. Furthermore, we identified by UPLC-HRMS that xanthopterin and erythropterin pigments produce the variability of colours and patterns in different species. Our next step aimed to understand how the recruitment of a conserved pathway could produce this striking diversity of colour patterns. Using RNA-Seq technology and bioinformatics tools, we identified 167 transcription factors that are co-expressed in eyes, antennas and legs of embryos in Limnogonus franciscanus. These proteins might be involved in the regulation of genes responsible for the different colour patterns. We have started an RNAi screen of these transcription factors. This project is still ongoing but in this thesis I will present the preliminary results and conclusions.
Finally, I had the opportunity to participate in two important collaborative projects led by the team. I annotated genes in the first genome sequence for a Gerromorpha (Gerris buenoi). The manual annotation of this genome uncovered a number of local gene duplications and expansions of gene families known for their importance in a variety of processes associated with morphological and physiological adaptations to a water surface lifestyle. I also worked on the most actualized phylogeny from Gerromorpha prepared with transcriptomic data from 100 species. This new phylogeny enabled us to reconstruct ancestral traits that were important for the adaptation of Gerromorpha to water surface.
In conclusion, the pigmentation of semi-aquatic bugs during the embryonic stage is a good model to understand the co-option of pre-existing genetic pathways and underlying the question of how a conserved pathway could be regulated to produce diverse morphological phenotypes.
Keywords: co-option, diversification, pigments, pteridine network, phylogenomic.
Résumé
Comprendre comment la réutilisation de voies génétiques préexistantes contrôle la biodiversité est un défi majeur de la biologie évolutive. La diversité de couleur embryonnaire des Gerromorphes (punaises semi-aquatiques) est un excellent modèle pour atteindre cet objectif. Afin d’explorer cette question, je présente une synthèse sur les différentes fonctions de la coloration dans la nature, ainsi que sur les mécanismes de synthèse de ces couleurs. J’introduis également le concept de co-option et comment les traits de pigmentation ont été utilisés pour comprendre le recrutement évolutif de gènes ou de voies préexistantes dans la production de la variabilité.
Le but de ce doctorat était de comprendre les bases génétiques de la diversification de la pigmentation extra-oculaire chez les embryons des Gerromorphes. La plupart des punaises semi-aquatiques présentent une variabilité de pattern de couleur jaune ou/et rouge dans les pattes et les antennes au stade embryonnaire. La couleur rouge observée dans les appendices étant similaire à celle présente dans les yeux, nous avons émis l'hypothèse que les couleurs extra-oculaires pouvaient être produite par la co-option des voies de synthèse des pigments des yeux. Nous avons d'abord déterminé l'histoire évolutive de ce trait à partir de sa présence ou de son absence dans les embryons de 34 espèces. Nous avons découvert que l'état ancestral du trait chez les Gerromorphes était le jaune, que six lignées indépendantes ont acquis la couleur rouge, alors que deux autres lignées ont totalement perdu toute pigmentation extra-oculaire. Grâce à l'analyse génétique par interférence ARN et hybridation in situ, nous avons identifié les voies impliquées dans la pigmentation des yeux et des organes extra-oculaires dans l'espèce Limnogonus franciscanus. Nous avons ensuite testé par interférence ARN et hybridation in situ trois gènes de la voie ptéridine dans cinq autres espèces de Gerromorphes présentant des colorations extra-oculaires différentes. Les résultats suggèrent que la même voie a été recrutée une seule fois pour produire la diversité de pattern. De plus, grâce à une analyse chimique par ultra-chromatographie couplée à de la spectrométrie de masse, nous avons identifié que la xanthopterin et l’erythropterin sont les deux pigments responsables de la couleur chez différentes espèces. Nous nous sommes aussi demandé comment le recrutement d'une seule et même voie conservée pouvait produire une telle diversité de pattern.
En utilisant la technologie de transcriptomique du RNA-seq, nous avons identifié 167 facteurs de transcription co-exprimés dans les yeux, les antennes et les pattes des embryons de Limnogonus franciscanus. Ces protéines pourraient intervenir dans la régulation des gènes impliqués dans la formation des patterns de couleur embryonnaire. Nous avons initié un crible ARNi de ces facteurs de transcription. Ce projet est toujours en cours et nous présenterons dans cette thèse les résultats et conclusions préliminaires.
Enfin, j'ai eu l'opportunité de participer à deux importants projets collaboratifs de l’équipe. J’ai annoté plusieurs gènes sur le premier génome de Gerromorpha (Gerris buenoi). L’annotation manuelle de ce génome a permis de découvrir certain nombre de duplications de gènes locaux et d’expansions de familles de gènes connues pour leur importance dans une variété de processus associés à des adaptations morphologiques et physiologiques à vivre en la surface d’eau. J’ai également travaillé sur la phylogénie la plus actualisée des Gerromorpha préparée avec des données transcriptomiques de 100 espèces. Cette nouvelle phylogénie nous a permis de reconstituer des traits ancestraux importants pour l’adaptation de Gerromorpha à la surface de l’eau. .
En conclusion, la pigmentation des punaises semi-aquatiques au stade embryonnaire est un bon modèle pour comprendre la co-option des voies génétiques et la question sous-jacente de la façon dont une voie conservée pourrait être réglementée pour produire divers phénotypes.
Mots-clés: co-option, diversification, pigments, voie ptéridine, phylogénomique.
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