Rôles des contraintes génomiques et des traits d'histoire de vie dans la spéciation : une approche de génomique comparative

Understanding the roles of genomic constraints and life-history traits in speciation using a comparative genomics approach

• Auteur / Autrice : Pierre Barry
• Direction : Pierre-Alexandre Gagnaire, Thomas Broquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique et génomique
• Date : Soutenance le 29/04/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de l'évolution (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Evanno
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Alexandre Gagnaire, Thomas Broquet, Guillaume Evanno, Kerstin Johannesson, Christelle Fraïsse, Oscar Puebla, Bert Van Bocxlaer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Evanno, Kerstin Johannesson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génomique comparative

Spéciation

Variabilité génétique

Mots clés libres

Diversité et divergence génétique

Spéciation

Poissons marins

Zone de suture atlantico-Méditerranéenne

Traits d'histoire de vie

Speciation

Genetic diversity and divergence

Life history traits

Marine fishes

Recombination

Atlantic - Mediterranean suture zone

Résumé

La spéciation est le processus évolutif au cours duquel une espèce se scinde en deux lignées qui divergent en accumulant des barrières reproductives, jusqu'à l’acquisition d’un isolement reproductif total. Durant ce processus, les lignées divergentes peuvent toujours s’échanger des gènes par hybridation, mais le flux génique est progressivement limité par l’accumulation des barrières. Il en résulte une semi-perméabilité des génomes, où certains locus s’échangent librement entre lignées et restent indifférenciés tandis que d’autres n’introgressent pas, contribuant ainsi à l’établissement de régions génomiques divergentes, appelées îlots génomiques de spéciation. L'étude de l’établissement, l’accumulation, l’érosion et la maintenance de ces barrières et de leurs effets sur la semiperméabilité des génomes de lignées en cours de spéciation permet de comprendre comment de nouvelles espèces se forment. L'avènement des techniques de séquençage à haut débit a permis de caractériser le paysage génomique de divergence chez de multiples lignées en cours de spéciation à travers l’arbre du vivant. Ces études ont permis de mesurer l’influence de l’histoire démographique et de l’architecture génomique comme déterminants majeurs du paysage génomique de divergence. Toutefois, d'autres facteurs pourraient intervenir et expliquer la diversité des trajectoires évolutives pouvant conduire ou non à la spéciation. Le principal objectif de cette thèse est d'évaluer l'impact des traits d'histoire de vie des espèces sur la spéciation. Nous avons choisi d’étudier 20 espèces de poissons marins subdivisées en deux lignées (Atlantique et Méditerranéenne), et présentant une large diversité de niveaux de divergence et de traits d’histoire de vie. Dans le premier chapitre, nous avons étudié les déterminants de la diversité génétique, substrat sur lequel s’établit la divergence lors de la séparation initiale des lignées. Nous avons observé que la longévité adulte des po issons marins est corrélée négativement à la diversité génétique, et nous avons démontré que cette relation pouvait s’expliquer par une plus grande variance du succès reproducteur chez les espèces longévives à cause de stratégies reproductives particulières aux poissons marins (forte mortalité juvénile, faible mortalité adulte et augmentation de la fécondité avec l’âge). Puis, dans un second chapitre, nous avons détecté une grande diversité d’histoires évolutives entre espèces, caractérisée par un fort gradient de divergence génétique entre lignées atlantiques et méditerranéennes. Ce gradient reflète en partie le niveau de semi-perméabilité des génomes. Les espèces à faible différentiation présentent un isolement reproductif faible, alors que les espèces les plus fortement différenciées montrent un isolement reproductif quasi-complet. Les traits d’histoire de vie des espèces expliquent en partie cette diversité de niveaux d’isolement via différents mécanismes. La durée de vie larvai re influence négativement la différenciation génétique en modulant les capacités de dispersion, l’effet de la taille du corps indique un effet négatif de l’abondance long-terme sur la divergence, et la longévité semble impacter le nombre de générations écoulées depuis la séparation ancestrale. En conclusion, les 20 espèces étudiées présentent une variabilité surprenante d’histoires évolutives au regard des similitudes de leur histoire biogéographique et leur architecture génomique. Les relations entre traits d’histoire de vie et histoire évolutive des espèces sont complexes, mais nous avons pu éclairer certaines d’entre elles en décomposant l’implication des traits dans les différentes étapes de la spéciation. L’application de l’approche de génomique comparative développée au cours de cette thèse dans d’autres zones de suture permettra d’étendre nos connaissances des déterminants du tempo et du mode de la spéciation.

Speciation is the evolutionary process through which a species splits into two lineages that diverge and accumulate reproductive barriers, until complete reproductive isolation is achieved. During this process, the diverging lineages can still exchange genes by hybridisation, but gene flow is progressively restricted by the accumulation of barriers. This results in semi-permeable genomes, whereby some loci exchange freely between lineages and remain undifferentiated while others do not introgress, thus contributing to the establishment of divergent genomic regions, called genomic islands of speciation. The study of the establishment, accumulation, erosion and maintenance of these barriers and their effects on the semipermeability of the genomes of lineages undergoing speciation helps to understand how new species are formed. The advent of high-throughput sequencing techniques has made it possible to characterise the genomic landscape of divergence in multiple lineages undergoing speciation across the tree of life. These studies have shown the influence of the demographic history and genomic architecture as major determinants of the genomic landscape of divergence. However, other factors could intervene and explain the diversity of evolutionary trajectories that may or may not lead to speciation. The main objective of this thesis is to assess the impact of species' life history traits on speciation. We have chosen to study 20 marine fish species subdivided into two lineages (Atlantic and Mediterranean), and presenting a wide diversity of degrees of divergence and life history traits. These traits are thought to impact on the intensity of genetic drift, dispersal abilities and generation time of the species. In the first chapter, we studied the determinants of genetic diversity, the substrate on which divergence is built during the initial separation of lineages. We observed that adult longevity of marine fishes is negatively correlated w ith genetic diversity, and we demonstrated that this relationship could be explained by a greater variance in reproductive success in long-lived species due to reproductive strategies specific to marine fishes (high juvenile mortality, low adult mortality and increased fecundity with age). Then, in a second chapter, we discovered a great diversity of evolutionary histories between species, characterised by a strong gradient of genetic divergence between Atlantic and Mediterranean lineages. This gradient partly reflects the level of semi-permeability of the genomes. Species with low differentiation show low reproductive isolation, whereas the most highly differentiated species show almost complete reproductive isolation. Species' life history traits partly explain this diversity in isolation levels via different mechanisms. Larval duration negatively influences genetic differentiation by modulating dispersal capacities, the effect of body size indicates a negative effect of long-term abundance on divergence, while longevity seems to impact the number of generations elapsed since ancestral separation. In conclusion, the 20 species studied show a surprising variability of evolutionary histories considering the similarities of their biogeographic history and genomic architecture. The relationships between life-history traits and the evolutionary history of the species proved to be complex, but we were nevertheless able to shed light on some of them by decomposing the involvement of traits in the different stages of speciation. The application of the comparative genomics approach developed in this thesis to other suture zones will further extend our knowledge of the determinants of the tempo and mode of speciation.