Exploring Sensory Function and Evolution in the Crustacean Visual System

par Ana Patricia Parracho Filipe Ramos

Thèse de doctorat en Sciences de la Vie

Sous la direction de Michalis Averof.

Soutenue le 18-12-2017

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale de Biologie Moléculaire Intégrative et Cellulaire (Lyon) , en partenariat avec École normale supérieure de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Institut de Génomique Fonctionnelle de Lyon (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Étude des fonctions sensorielles et de l'évolution du système visuel des crustacés


  • Résumé

    La grande variété de morphologie de l’appareil visuel chez les arthropodes en fait un groupe unique pour l’étude de la diversité et l'évolution du système visuel. Cependant, la plupart de nos connaissances sur le développement et l'architecture neurale du système visuel provient de quelques organismes modèles. Mon projet vise à contribuer à l'étude de la diversité et de l'évolution du système visuel des arthropodes en étudiant l'œil du crustacé Parhyale hawaiensis; axé sur son développement, sa neuro-architecture et sa fonction. En particulier, mon travail vise à caractériser la structure du système visuel, à cartographier les connexions entre les photorécepteurs (PR) et le lobe optique (LO) et à comprendre les adaptations fonctionnelles de l'œil, par rapport aux yeux des autres arthropodes.Une description de l'anatomie de base du système visuel a été réalisée au moyen de la microscopie électronique, par immunomarquage et par la production de lignées de transgénique. J'ai trouvé que Parhyale possède un œil composé de type apposition avec 8 (chez les nouveau-nés) à 50 (chez les adultes) ommatidies, chacun formée par 5 PR (R1-R5). Nous avons trouvé deux opsines, nommés Ph-Opsin1 et Ph-Opsin2, exclusivement exprimés dans la rétine. En utilisant la séquence génomique comme guide, j'ai cloné des séquences régulatrices en amont de chaque gène d’opsine et généré des rapporteurs transgéniques qui récapitulent les patterns d'expression de Ph-Opsin1 et de Ph-Opsin2. Ces rapporteurs ont révélé que R1-R4 exprime Ph-Opsin1 tandis que R5 exprime le Ph-Opsin2.Immunomarquage ainsi que l'imagerie des deux lignées transgéniques, ont montré que les PR envoient de longues projections depuis la rétine au LO. Trois neuropiles optiques ont été identifiés: la lamina, la medulla et un neuropile plus profond qui est probablement la lobula plate ou la lobula. En suivant les projections axonales des PR dans le cerveau, révélant que tous les PR se projettent dans la lamina. Ceci diffère de ce qui a été montré chez les diptères et les crustacés, où au moins un PR par ommatidie projette ses axones dans la medulla.La microscopie électronique a montré que les rhabdomères des deux paires de PR, R1 + R3 et R2 + R4, sont orthogonalement alignés les uns aux autres dans chaque ommatidie, et que le rhabdome ne tourne pas. Ces caractéristiques rendent les PR intrinsèquement sensibles aux directions spécifiques de la lumière polarisée. Par conséquent, j'ai essayé de comprendre si Parhyale réagît à la lumière polarisée, au moyen d'expériences comportementales. Les données que j'ai recueillies suggèrent que Parhyale sont phototactiques pour la lumière blanche mais ne montrent aucune réponse à la lumière polarisée dans ces essais expérimentaux. Les problèmes potentiels liés à ces tests de comportement sont discutés.Enfin, je montre que l'œil de Parhyale s'adapte rapidement à différentes conditions d'intensité lumineuse. Ceci est obtenu par le mouvement des granules de pigments, situés à l'intérieur des PR, et par des changements morphologiques de la membrane basale du PR.Ce projet est pionnier dans l'étude du système visuel chez Parhyale. C'est la première fois que des outils génétiques ont été introduits pour étudier le système visuel de crustacés. Il établit Parhyale comme un puissant système expérimental pour des études in vivo de développement des yeux composé et de ciblage axonal du système visuel, un champ actuellement dominé par des études sur une seule espèce de mouche.


  • Résumé

    The wide diversity of eye designs present in arthropods makes them a unique group for studying the diversity and evolution of the visual system. However, most of our knowledge on the development and the neural architecture of the visual system comes from few model organisms. My project aims to contribute to the study of the diversity and evolution of the arthropod visual system by studying the eye of the crustacean Parhyale hawaiensis; focusing on its development, neuroarchitecture and function. In particular, my work aims to characterize the structure of the visual system, to map the connections between photoreceptors (PR) and optic lobe (OL) and to understand the functional adaptations of the eye, in relation to the eyes of other arthropods.A description of the basic anatomy of the visual system was performed by means of electron microscopy, immunostainings and by generating transgenic reporter lines. I found that Parhyale has an apposition-type compound eye with 8 (in hatchlings) to 50 (in adults) ommatidia, each one formed by 5 PR cells (R1-R5).Two opsins were found in Parhyale, named Ph-Opsin1 and Ph-Opsin2, which are exclusively expressed in the retina. Using the genome sequence as a guide, I cloned upstream regulatory sequences from each opsin genes and generated transgenic reporters that recapitulate the expression patterns of Ph-Opsin1 and Ph-Opsin2. These reporters revealed that R1-R4 express Ph-Opsin1 while R5 expresses Ph-Opsin2.Immunostainings and live imaging of the two transgenic lines showed that PR cells send long projections from the retina to the OL, via an optic nerve. Three optic neuropils were identified: lamina, medulla and a deeper neuropil, possibly the lobula or lobula plate. Following the axonal projections of the PR into the brain, revealed that all PR project to the lamina. This differs from what has been shown in dipterans and crustaceans, where at least one PR per ommatidium projects to the medulla. Electron microscopy showed that the rhabdomeres of two pairs of PR, R1+R3 and R2+R4, are orthogonally aligned to each other in each ommatidium, and that the rhabdom does not rotate. These features render the PR intrinsically sensitive to specific directions of light polarisation. Therefore, I tried to understand whether and how Parhyale respond to polarised light. I developed two experimental setups to address whether Parhyale shows behavioural responses triggered by light polarisation. The data I have collected suggest that Parhyale are phototactic to dim white light but show no response to polarised light in these specific experimental assays. Potential problems with these behavioural assays are discussed.Finally I show that the eye of Parhyale quickly adapts to different conditions of light intensity. This is achieved by movement of the shielding pigment granules, located inside the PR cells and by morphological changes of the PR basal membrane.This project is pioneering the study of the visual system in Parhyale. It is the first time that genetic tools have been introduced to study the crustacean visual system. It establishes Parhyale as a powerful experimental system for in vivo studies of compound eye development and axonal targeting, a field currently dominated by studies in a single species of fruitfly.


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