Projekt

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Coalescence and adaptation processes in plant-insect interactions: Bridging the gap between genomics and phylogeography

Gesuchsteller/in Alvarez Nadir
Nummer 126624
Förderungsinstrument Ambizione
Forschungseinrichtung Département d'Ecologie et d'Evolution Faculté de Biologie et de Médecine Université de Lausanne
Hochschule Universität Lausanne - LA
Hauptdisziplin Zoologie
Beginn/Ende 01.03.2010 - 28.02.2013
Bewilligter Betrag 580'727.00
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Alle Disziplinen (5)

Disziplin
Zoologie
Oekologie
Genetik
Botanik
Molekularbiologie

Keywords (10)

comparative phylogeography; multiple-gene approach; mutualisms; ultra-high-throughput-sequencing technologies; reduction of genomic complexity; restriction-site associated tags genotyping; phylogeography; multi-loci; orthology/paralogy; gene phasing

Lay Summary (Französisch)

Lead
L’objectif scientifique de ce projet Ambizione était de développer une nouvelle manière d’appréhender la phylogéographie, en considérant une espèce telle que comprenant une mosaïque de gènes, et non pas comme une unité spécifique simple. En effet, depuis la naissance de cette discipline, la finalité a été de décrire l’histoire des espèces dans l’espace et dans le temps, en représentant le scénario moyen sur l’ensemble des gènes.
Lay summary

Les différents loci composant le génome d'une espèce ne subissent pas les mêmes contraintes démographiques, de sélection, et de recombinaison. Ainsi, l’image d’une histoire unique, bien que séduisante, n’est qu’une approximation de la multitude des histoires associées à chaque région du génome. Jusqu’à récemment, l'étude phylogéographique se basait sur un nombre limité de loci, en raison des limitations technologiques. Par conséquent, les travaux se limitaient la plupart du temps à une analyse de quelques gènes, si possible provenant de génomes différents (par ex. nucléaire et mitochondrial). Or, l’émergence d’une nouvelle génération de séquenceurs a permis d’ouvrir de vastes horizons, en multipliant la puissance de séquençage d’un million de fois. Cependant, l’utilisation de ces méthodes hors du contexte des espèces modèle, n’est guère aisé, d’autant plus dans un contexte où l’idée est de comparer la même information génétique chez un grand nombre de spécimens. Un premier pan d’étude du présent projet a été de développer une méthode de réduction de la complexité génomique, pour aboutir a des génomes similairement réduits chez tous les spécimens analysés, en utilisant comme notamment comme espèce-cible, le troll d’Europe. Après avoir exploré les possibilités offertes par le pyroséquençage (Roche 454), nous nous sommes tournés vers une technologie plus puissante, à savoir le séquençage HiSeq (Illumina). Nous avons opté pour une modification du protocole de Etter et al. (2011), utilisant une combinaison d’opérations de restriction, d’amplification, et de sélection de taille des fragments (voir Figure 1).  Cette méthode, dite de «  Restriction site Associated (RAD) tags genotyping technique » utilise une seule enzyme de restriction (single digest) et un séquençage d’environ 100 bp sur chaque extrémité des fragments (paired-end). Une fois les millions de séquences obtenues, il s’agit de les grouper par loci en éliminant les paralogues (à savoir les loci virtuels qui comprendraient des alleles issus de duplication génique), et de déterminer le phasing des copies maternelles et paternelles. Ce challenge bioinformatique, qui a été le plus demandeur en temps et en énergie, permet aujourd’hui d’obtenir des alignements propre et conservateurs à chaque locus, et le pipeline réalisé s’accommode aussi bien de données obtenues avec une ou deux enzymes de restriction (double digest). Le pipeline complet est encore en cours de développement et sera publié dans les prochains mois. Il assemble près d’une douzaine de librairies indépendantes, et combine l’état de l’art de différentes disciplines. En utilisant le jeu de données de l’espèce modèle, nous avons constaté que l’histoire de chaque locus, bien qu’indépendante, présente certains patterns majeurs, obtenus en réalisant des clusters d’arbres phylogénétiques. La prochaine étape est donc de décrypter les processus démographiques associés à ces différents groupes de gènes. Dans un 2ème temps, nous pourrons comparer les résultats obtenus avec ceux d’autres espèces dans un contexte de phylogéographie comparée de nouvelle génération.


Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 15.07.2013

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Publikationen

Publikation
A deep dig - hindsight on Holocene plant composition from ancient environmental DNA.
Gugerli F Alvarez N Tinner W (2013), A deep dig - hindsight on Holocene plant composition from ancient environmental DNA., in Molecular Ecology, 22, 3433-3436.
Evolutionary history of almond trees domestication in the Mediterranean basin
Delplancke M* Alvarez N* Benoit L Espíndola A Joly HI Neuenschwander S Arrigo N (2013), Evolutionary history of almond trees domestication in the Mediterranean basin, in Molecular Ecology, 22, 1092-1104.
Identifying genetic signatures of selection in a non-model species, alpine gentian (Gentiana nivalis L.), using a landscape genetic approach
. Bothwell H Bisbing S Crawford L Therkildsen NO Alvarez N Holderegger R Manel S (2013), Identifying genetic signatures of selection in a non-model species, alpine gentian (Gentiana nivalis L.), using a landscape genetic approach, in Conservation Genetics, 14, 467-481.
Molecular substitution rate increases in myrmecophilous lycaenid butterflies (Lepidoptera).
Pellissier L Litsios G Guisan A Alvarez N (2013), Molecular substitution rate increases in myrmecophilous lycaenid butterflies (Lepidoptera)., in Zoologica Scripta, 41, 651-658.
Morphological, ecological and genetic aspects associated with endemism in the Fly Orchid group
Triponez Yann, Triponez Yann, Arrigo Nils, Arrigo Nils, Pellissier Loïc, Schatz Bertrand, Alvarez Nadir (2013), Morphological, ecological and genetic aspects associated with endemism in the Fly Orchid group, in Molecular Ecology, 22(5), 1431-1446.
Morphological, ecological and genetic aspects associated with endemism in the Fly Orchid group.
Triponez Y Arrigo N Schatz B Pellissier L Alvarez N (2013), Morphological, ecological and genetic aspects associated with endemism in the Fly Orchid group., in Molecular Ecology, 22, 1431-1446.
Phylogenetic alpha and beta diversities of butterfly communities correlate with climate in the western Swiss Alps.
Pellissier L Alvarez N Espíndola A Pottier J Dubuis A Pradervand J-N Guisan A (2013), Phylogenetic alpha and beta diversities of butterfly communities correlate with climate in the western Swiss Alps., in Ecography, 36, 541-550.
The abrupt climate change at the Eocene-Oligocene boundary and the emergence of South-East Asia triggered the spread of sapindaceous lineages.
Buerki S Forest F Stadler T Alvarez N (2013), The abrupt climate change at the Eocene-Oligocene boundary and the emergence of South-East Asia triggered the spread of sapindaceous lineages., in Annals of Botany, 112, 151-160.
Contrasting diffusion of Quaternary gene pools across Europe: The case of the arctic-alpine Gentiana nivalis L. (Gentianaceae).
Alvarez N Manel S Schmitt T IntraBioDiv Consortium (2012), Contrasting diffusion of Quaternary gene pools across Europe: The case of the arctic-alpine Gentiana nivalis L. (Gentianaceae)., in Flora, 207, 408-413.
Ecological and historical drivers of diversification in the fly genus Chiastocheta Pokorny.
Espindola Anahi, Buerki Sven, Alvarez Nadir (2012), Ecological and historical drivers of diversification in the fly genus Chiastocheta Pokorny., in Molecular Phylogenetics and Evolution, 63(2), 466-474.
From raw AFLP chromatograms to ready-to-use binary matrices using RawGeno 2.0, an user-friendly interface for automatized and semi-automatized bining and scoring of genotypes in the R environment
Arrigo N Holderegger R Alvarez N (2012), From raw AFLP chromatograms to ready-to-use binary matrices using RawGeno 2.0, an user-friendly interface for automatized and semi-automatized bining and scoring of genotypes in the R environment, in Bonin A & Pompanon F (ed.), Humana Press, New York, 155-175.
Investigating the relationship between pollination strategies and the size-advantage model in zoophilous plants using the reproductive biology of Arum cylindraceum and other European Arum species as case studies
Revel N., Alvarez N., Gibernau M., Espíndola A. (2012), Investigating the relationship between pollination strategies and the size-advantage model in zoophilous plants using the reproductive biology of Arum cylindraceum and other European Arum species as case studies, in Arthropod Plant Interactions, 6, 35-44.
Pollinators as drivers of plant distribution and assemblage into communities
Pellissier L., Alvarez N., Guisan A. (2012), Pollinators as drivers of plant distribution and assemblage into communities, in Patiny S. (ed.), Cambridge University Press, Cambridge, UK, 81, 392-413.
Discordances between phylogenetic and morphological patterns in alpine leaf beetles attest to an intricate biogeographic history of lineages in postglacial Europe.
Triponez Y., Buerki S., Borer M., Naisbit R.E., Rahier M., Alvarez N. (2011), Discordances between phylogenetic and morphological patterns in alpine leaf beetles attest to an intricate biogeographic history of lineages in postglacial Europe., in Molecular Ecology, 20(11), 2442-2463.
Does a shift in host plants trigger speciation in the Alpine leaf beetle Oreina speciosissima (Coleoptera, Chrysomelidae)?
Borer M., van Noort T., Arrigo N., Buerki S., Alvarez N. (2011), Does a shift in host plants trigger speciation in the Alpine leaf beetle Oreina speciosissima (Coleoptera, Chrysomelidae)?, in BMC Evolutionary Biology, 11(310), 1-11.
Broad-scale adaptive genetic variation in alpine plants is driven by temperature and precipitation
Manel Stéphanie, Gugerli Felix, Thuiller Wilfried, Alvarez Nadir, Legendre Pierre, Holderegger Rolf, Gielly Ludovic, Taberlet Pierre, IntraBioDiv consortium, Broad-scale adaptive genetic variation in alpine plants is driven by temperature and precipitation, in Molecular Ecology.
Climate oscillations and species interactions: large scale congruence but regional differences in the phylogeographic structures of an alpine plant and its monophagous insect
Borer M., Arrigo N., Buerki S., Naisbit R.E., Alvarez N., Climate oscillations and species interactions: large scale congruence but regional differences in the phylogeographic structures of an alpine plant and its monophagous insect, in Journal of Biogeography.
Forecasting changes in population genetic structure of Alpine plants in response to global warming
Jay F., Manel S., Alvarez N., Durand E., Thuiller W., Holderegger R., Taberlet P., Francois O., Forecasting changes in population genetic structure of Alpine plants in response to global warming, in Molecular Ecology.
Gene flow among wild and domesticated almond species: insights from chloroplast and nuclear markers
Delplancke M., Alvarez N., Espíndola A., Joly H., Benoit L., Brouck E., Arrigo N., Gene flow among wild and domesticated almond species: insights from chloroplast and nuclear markers, in Evolutionary Applications.
Predicting present and future intra-specific genetic structure through niche hindcasting across 24 millennia
Espindola Anahi, Pellissier Loïc, Hordijk Wim, Maiorano Luigi, Guisan Antoine, Alvarez Nadir, Predicting present and future intra-specific genetic structure through niche hindcasting across 24 millennia, in Ecology Letters.
Reconstructing the origin of high-alpine niches and cushion life form in the genus Androsace s.l. (Primulaceae)
Boucher F., Thuiller W., Roquet C., Douzet R., Aubert S., Alvarez N., Lavergne S., Reconstructing the origin of high-alpine niches and cushion life form in the genus Androsace s.l. (Primulaceae), in Evolution.

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
Molecular Population Genetics Course. Thematic Doctoral Programmes in Life Sciences. 18.01.2012 Geneva
ESEB meeting 21.08.2011 Tubingen, Germany
Swiss Plant Science Web Summer school on "Terrestrial ecosystem dynamics in a changing world". 21.06.2011 Mürren
Formacion doctoral de la escuela Politécnica Superior de Huesca 31.05.2011 Huesca, Spain


Auszeichnungen

Titel Jahr
Article nominated at the Cooper award, Ecological Society of America

Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
172899 Genes along the Anthropocene: a two-scale study of the impacts of human-mediated perturbations on genetic variation in temperate species 01.03.2017 SNF-Förderungsprofessuren
144870 Consequences of species range contraction on the genetic diversity of cold-adapted organisms 01.03.2013 SNF-Förderungsprofessuren
116778 Phylogeography of mutualistic versus antagonistic plant-insect interactions 01.04.2007 Projektförderung (Abt. I-III)
125145 Assessing the importance of biotic interactions for predicting the impact of climate change on the future distribution of plant assemblages (BIOASSEMBLE) 01.04.2009 Projektförderung (Abt. I-III)

Abstract

Evolutionary processes usually take place in a dynamic geographical context. As a consequence, patterns of genetic variation are typically strongly structured in space and time. Thanks to the recent development of multiple types of molecular markers, genetic information has been analyzed in numerous organisms in order to unravel phylogeographic patterns and to disentangle processes occurring at small evolutionary scales. In the last two decades, the spatial relationships of lineage genealogies have been widely analyzed to deduce the evolutionary history of populations and species. However, the field of phylogeography is now facing another major change with the advent of next-generation sequencing technology, which allows combining the advantages of gene-sequencing and DNA fingerprinting in order to obtain reproducible sequences in thousands of anonymous nuclear markers. In this project, we use this new technology in a phylogeographic framework and build a pipeline to use the millions of output sequences to explore the spatial structuring of the mosaic genome in non-model species. One of the keystones of the current proposal is genome complexity reduction, which allows to obtain an accurate sub-sampling of the genome, proportional to the genome size specific to each species. This reduction serves as a basis for further large-scale sequencing, which requires the development of new bioinformatic tools to facilitate the management of large datasets and to construct a database in which all orthologous fragments are categorized and aligned. Phasing of paternally- and maternally-inherited alleles is performed using a parcimonious approach. Application of the coalescence theory will further permit to accurately determine the processes that mould the genomes of our studied species (in particular, the European globeflower, Trollius europaeus) and more specifically, to distinguish patterns resulting from incomplete lineage sorting of ancestral polymorphisms and patterns resulting from gene flow and further recombination.
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