Différenciation génomique et structure de la population intercontinentale des moustiques vecteurs Culex pipiens. pipiens et Culex pipiens molestus

Origine monophylétique indépendante de Culex pipiens pipiens et Culex pipiens molestus

Deux hypothèses alternatives ont été proposées pour expliquer les différences de stratégies écologiques et physiologiques de Cx. p. pipiens et Cx. p. molestus19. Une première hypothèse explique cette différenciation par un changement rapide des traits physiologiques et comportementaux en tant qu’adaptation à un environnement souterrain associé aux activités humaines22. Dans ce scénario, les populations locales de Cx. p. molestus doivent être étroitement liées aux populations locales de Cx. p. pipiens30. Ce scénario considère Cx. p. molestus comme une variante éco-physiologique de Cx. p. pipiens. Une autre hypothèse suggère que la différence entre Cx. p. pipiens et Cx. p. molestus est le résultat de la distinction de leur histoire évolutive. Les stratégies écologiques et physiologiques de Cx. p. molestus pourraient être apparues d’abord sous un climat chaud19. Plus tard, une telle stratégie est apparue pertinente en raison des activités humaines qui ont créé un environnement souterrain et, par conséquent, propagé Cx. p. molestus dans le monde entier. Ce scénario considère Cx. p. molestus et Cx. p. pipiens comme des entités évolutives distinctes.

Dans notre étude, nous avons testé ces hypothèses en utilisant l’analyse du génome entier de 40 échantillons de Cx. p. molestus et Cx. p. pipiens collectés dans quatre endroits en Eurasie et en Amérique du Nord. Nos résultats ont rejeté l’hypothèse d’une réémergence de Cx. p. molestus à partir des populations locales de Cx. p. pipiens et ont fortement soutenu l’idée d’une origine monophylétique indépendante de Cx. p. pipiens et Cx. p. molestus provenant de différents continents. Les analyses NJ et ML regroupent séparément les Cx. p. pipiens et les Cx. p. molestus de la République du Bélarus, de la République kirghize et de Chicago, IL, USA (Fig. 2, Fig. supplémentaires 1-3). La présence d’un cluster hybride supplémentaire formé par des spécimens autogènes et anautogènes collectés sur le terrain à Washington, D.C., USA reflète plus probablement l’existence d’une zone hybride Cx. pipiens – Cx. quinquefasciatus dans cette région16. Cependant, sur la base des distances génétiques, ce groupe est beaucoup plus proche du Cx. p. pipiens eurasien plutôt que du Cx. p. molestus d’Eurasie et des États-Unis (Chicago, IL). De plus, les analyses PCA (Fig. 3) et ADMIXTURE (Fig. 4) ont identifié deux clusters génétiques distincts qui correspondent à Cx. p. pipiens et Cx. p. molestus. Dans les deux cas, tous les spécimens de Washington, D.C. se sont regroupés avec les Cx. p. pipiens provenant d’autres endroits. Les valeurs Fst par paire à l’échelle du génome étaient hautement significatives pour toutes les comparaisons (Fig. 5). Nous n’avons pas identifié de région spécifique de haute divergence dans le génome (Fig. 6). Dans l’ensemble, les valeurs Fst étaient beaucoup plus élevées entre Cx. p. molestus et Cx. p. pipiens qu’entre les échantillons autogènes et anautogènes de Cx. p. pipiens de Washington, D.C. Le groupe le plus divergent, sur la base de toutes les analyses effectuées, était la souche de Cx. p. molestus de Chicago, IL, ce qui peut s’expliquer par la très faible diversité génétique de cette souche causée par sa longue colonisation et un possible goulot d’étranglement, qui a accéléré la dérive génétique (Fig. 7).

Des observations similaires sur l’origine monophylétique indépendante de Cx. p. molestus et Cx. p. pipiens ont été obtenues en utilisant l’analyse microsatellite dans ~600 échantillons de moustiques Cx. pipiens provenant de différents endroits dans le monde19. La procédure d’arbre de distance sans racine a permis de regrouper séparément les populations aériennes de Cx. p. pipiens et les populations souterraines de Cx. p. molestus du nord et du sud de l’Europe. Comme dans notre étude, les populations aériennes de Cx. p. pipiens des États-Unis ont formé un groupe supplémentaire, suggérant une hybridation plus intense entre les membres du complexe Cx. pipiens en Amérique du Nord. L’analyse des mélanges a indiqué la présence de trois clusters majeurs correspondant à Cx. p. molestus, Cx. p. pipiens et Cx. quinquefasciatus. Ce dernier groupe a été trouvé dans cette étude uniquement dans les échantillons des États-Unis. Un autre travail basé sur des analyses de polymorphisme de longueur de fragment amplifié (AFLP) a comparé des échantillons du sud et du nord de l’Europe et des souches de Chicago, IL, USA24. Les populations nord-américaines et européennes utilisées dans cette étude ont montré un schéma ADMIXTURE similaire dans l’analyse AFLP du génome. L’analyse des gènes COI a également indiqué une origine monophylétique de Cx. p. pipiens et Cx. p. molestus en Europe, en Asie et en Afrique26.

Donc, l’origine monophylétique indépendante et le niveau élevé de divergence génétique entre Cx. p. molestus et Cx. p. pipiens suggèrent que ces deux membres du complexe Cx. pipiens représentent des entités phylogénétiques distinctes avec des histoires évolutives indépendantes avant la translocation médiée par l’homme.

Concepts de spéciation et évolution du complexe Culex pipiens

Les modèles théoriques de spéciation chez les animaux pourraient être subdivisés en deux grands groupes : la spéciation allopatrique ou géographique et la spéciation sympatrique ou écologique. Le premier concept de spéciation, qui a été intensivement promu par E. Mayr3, suggère que les taxons naissants deviennent d’abord isolés géographiquement. Cette situation réduit le flux génétique entre les populations et peut conduire à l’accumulation de mutations qui provoquent une incompatibilité génétique entre les hybrides. Un autre concept de spéciation met l’accent sur les barrières écologiques entre les taxons émergents comme principaux moteurs de l’évolution31. Ce scénario considère le développement d’un isolement reproductif entre les populations suite à l’adaptation à des environnements différents sans isolement géographique, ce qui se produit généralement face au flux de gènes. Dans cette situation, les hybrides entre les taxons naissants deviennent moins adaptés à l’environnement, ce qui favorise la sélection naturelle de tous les traits qui réduisent l’accouplement entre eux. Nous pensons que la diversification globale des sous-espèces Cx. p. pipiens et Cx. p. molestus représente un exemple frappant de spéciation par des mécanismes d’isolement par l’écologie. Dans notre étude, l’analyse Fst a déterminé des niveaux significatifs de divergence génomique entre Cx. p. pipiens et Cx. p. molestus (Figs. 5 et 6) sur l’ensemble du génome sans îlots clairs de spéciation. De manière surprenante, les niveaux de différenciation étaient plus faibles autour des centromères, probablement en raison du faible nombre de SNV fiables dans ces régions hautement répétitives. La différenciation était extrêmement élevée entre les souches de Cx. p. pipiens et Cx. p. molestus de Chicago, IL, USA, mais était plus faible entre les sous-espèces dans les collections de moustiques d’Eurasie. Globalement, ces observations suggèrent une restriction significative du flux génétique entre les sous-espèces.

Plusieurs mécanismes d’isolement reproductif entre Cx. p. pipiens et Cx. p. molestus ont été décrits17. Deux d’entre eux agissent de manière prézygotique, avant la fécondation, et réduisent les possibilités d’accouplement des moustiques. Le premier mécanisme est lié à la spécialisation de l’habitat des larves : Cx. p. molestus occupe les sous-sols ou d’autres environnements souterrains, mais Cx. p. pipiens préfère les plans d’eau ouverts en surface comme sites de reproduction. Cela réduit les chances pour les deux sous-espèces de se rencontrer et de s’accoupler au stade adulte. Le deuxième mécanisme d’isolement repose sur les différences de comportement d’accouplement entre Cx. p. molestus et Cx. p. pipiens. Les mâles de Cx. p. molestus forment généralement des essaims homogènes près du sol et nécessitent un espace limité pour s’accoupler17. En revanche, les mâles de Cx. p. pipiens forment des essaims près du feuillage, à environ 2-3 m du sol. Des études expérimentales du comportement d’accouplement dans de petites cages ont indiqué que dans les croisements de femelles et de mâles de Cx. p. molestus, le succès de la copulation était de 90 %, alors qu’il n’était que de 3,3 % chez Cx. p. pipiens32. Dans les croisements inter-sous-espèces entre Cx. p. molestus et Cx. p. pipiens, le succès de copulation était également faible et variait entre 6,6 % et 10 % selon les sexes de la sous-espèce. Cette étude a démontré que les femelles des deux sous-espèces évitent activement la copulation avec les mâles d’une autre sous-espèce. De plus, les femelles de Cx. p. pipiens n’ont pas réussi à recevoir le sperme de Cx. p. molestus et, par conséquent, n’ont produit aucun œuf.

Deux autres mécanismes d’isolement reproductif décrits pour Cx. p. pipiens et Cx. p. molestus sont postzygotiques, ils agissent après l’accouplement et entraînent une diminution de la fitness des hybrides. L’un des mécanismes est lié à l’héritage de la diapause chez les hybrides de Cx. p. molestus et Cx. p. pipiens en tant que trait récessif8. Les hybrides F1 et une partie importante des hybrides F2 sont incapables de développer la diapause et ne peuvent pas survivre dans des conditions hivernales. Ce mécanisme pourrait peut-être expliquer les niveaux d’introgression plus élevés chez Cx. p. pipiens dans les endroits du sud19,23,24. Enfin, les membres du complexe Cx. pipiens sont exposés à l’incompatibilité cytoplasmique des hybrides infectés par différentes souches du parasite rickettsien Wolbachia pipientis. Malgré l’introgression cytoplasmique de ce parasite par hybridation entre les membres du complexe Cx. pipiens33, l’incompatibilité cytoplasmique pourrait limiter considérablement les taux de survie des hybrides. Par exemple, l’infection par W. pipientis a considérablement réduit l’hybridation entre Cx. pipiens et Cx. quinquefasciatus en Afrique du Sud34. Une autre étude a démontré que dans les populations eurasiennes, Cx. p. molestus n’était infecté que par une seule souche de W. pipientis mais Cx. p. pipiens par deux souches différentes35. De plus, les spécimens de Cx. p. molestus et de Cx. p. pipiens, que nous avons utilisés dans notre étude, étaient infectés par les mêmes souches de W. pipientis dans le sud de la République kirghize mais par des souches différentes dans le nord de la République du Bélarus. Cela peut donc expliquer les différences dans l’introgression de Cx. p. molestus à Cx. p. pipiens qui était plus prononcée dans la République de Belarus que dans la République kirghize. En fait, un exemple intéressant de spéciation infectieuse a été décrit dans le complexe sud-américain Drosophila paulistorum. Dans ce complexe, six semi-espèces dont la répartition géographique se chevauchait sont devenues isolées du point de vue de la reproduction à la suite d’un isolement prénuptial et postnuptial déclenché par l’infection par Wolbachiae36.

Des études génomiques récentes menées sur différents organismes, notamment Drosophila simulans37, les mouches des fruits Rhagoletis38,39 et les papillons Heliconius40,41, apportent des preuves supplémentaires que la spéciation écologique se produit dans la nature. Les modèles génomiques de spéciation peuvent être très différents2, allant de petits îlots génomiques de spéciation40 à des niveaux significatifs de divergence sur l’ensemble du génome. Une divergence génomique étendue a été identifiée entre les espèces naissantes Anopheles gambiae et An. coluzzii dans le complexe An. gambiae42. Ces espèces ont été identifiées à l’origine par des différences dans la structure de leur ADN ribosomal comme des formes S et M43, mais plus tard leur statut taxonomique a été élevé au niveau d’espèce44. On pense que An. gambiae et An. coluzzii développent des barrières reproductives en sympatrie en raison des différences dans leurs préférences écologiques45. Le stade larvaire d’An. gambiae est associé à de petits bassins de pluie. En revanche, An. coluzzi exploite les réservoirs d’eau persistants associés à la culture du riz. Bien que les barrières pré-accouplement entre les espèces soient incomplètes46, elles ont développé des différences dans leur comportement d’essaimage47,48 et des types de chant divergents49.

Donc, un niveau élevé de divergence à l’échelle du génome, une différence frappante dans l’adaptation à des environnements écologiques distincts et des preuves de barrières pré- et postzygotiques pour l’accouplement suggèrent que Cx. p. pipiens et Cx. p. molestus représentent des unités écologiques distinctes qui subissent une spéciation écologique naissante.

Hybridation dans le complexe Culex pipiens

L’observation la plus intrigante des membres du complexe Cx. pipiens est que, malgré les différences d’écologie, de physiologie, de comportement et de distribution géographique, ils peuvent encore s’hybrider et produire une progéniture viable dans la nature, ce qui indique que l’isolement reproductif entre eux n’est pas complet. Notre étude a également démontré des événements d’hybridation significatifs entre les sous-espèces Cx. p. molestus et Cx. p. pipiens. La comparaison du génome entier a indiqué que la plupart des échantillons de Cx. p. pipiens représentent des individus avec un certain niveau d’introgression à partir de Cx. p. molestus (Fig. 4). Nous avons observé une grande divergence entre les phylogénies nucléaires et mitochondriales (Figs. 2, 8), ce qui indique que, historiquement, la transmission des génomes mitochondriaux peut se produire entre les sous-espèces. En même temps, nous n’avons pas observé d’haplogroupes partagés entre les populations locales des sous-espèces. Sur les continents, toutes les phylogénies mitochondriales étaient fortement monophylétiques, ce qui indique une dispersion et une hybridation à médiation masculine. Le mélange avec Cx. p. molestus était plus élevé dans les populations méridionales de Cx. p. pipiens en République kirghize et à Washington, D.C., USA, mais plus faible dans les populations septentrionales en République de Biélorussie et à Chicago, IL, USA. Cela pourrait être lié à une incapacité des hybrides à développer une diapause dans les climats froids. A titre de comparaison, l’analyse microsatellite a révélé un niveau modeste d’hybridation entre Cx. p. pipiens et Cx. p. molestus de ~8% dans les villes du nord des USA (Chicago, IL et New York, NY)30,50. Dans le sud de l’Europe, où Cx. p. pipiens et Cx. p. molestus pouvaient tous deux être trouvés en surface, les niveaux d’hybridation entre eux étaient similaires et ont été estimés à 8-10%51. Des niveaux d’hybridation beaucoup plus élevés ont été trouvés dans les populations du sud de l’est des Etats-Unis, où ~40% de tous les échantillons ont été identifiés comme des hybrides entre Cx. p. molestus et Cx. p. pipiens19. Ainsi, les taux d’hybridation globaux entre les membres de Cx. pipiens étaient plus élevés en Amérique du Nord que dans l’Ancien Monde. Pour comparaison, l’hybridation entre les espèces cryptiques du complexe An. gambiae (An. gambiae et An. coluzzi) a varié de manière significative entre 1% au Mali46 et >20% en Guinée Bissau52, ce qui est comparable aux niveaux d’hybridation globaux entre Cx. p. molestus et Cx. p. pipiens.

Intriguant, dans notre étude, nous n’avons pas déterminé de signature de mélange de Cx. p. pipiens dans aucun échantillon de Cx. p. molestus provenant de la République du Bélarus, de la République kirghize et de Chicago, IL, USA (Fig. 4). Ces résultats démontrent un flux génétique très limité ou nul de Cx. p. pipiens à Cx. p. molestus. Des études antérieures ont montré des résultats similaires d’introgression asymétrique de Cx. p. molestus vers Cx. p. pipiens20,51. Le mécanisme de l’introgression asymétrique est actuellement inconnu. Une hypothèse suggère que les mâles de Cx. p. molestus, qui peuvent s’accoupler dans des espaces confinés, peuvent s’hybrider avec les femelles de Cx. p. molestus et de Cx. p. pipiens. En revanche, les Cx. p. Les mâles pipiens, qui ont besoin d’espace pour l’essaimage, ont une plus grande disposition à s’accoupler avec les femelles Cx. p. pipiens51. Cependant, d’autres études génétiques des populations et expérimentales sont nécessaires pour expliquer ce phénomène.

Enfin, notre étude a démontré que Cx. p. pipiens peut développer une autogénèse suite à une introgression adaptative du matériel génétique de Cx. p. molestus. Nous avons sélectionné des moustiques pour l’autogénèse dans des échantillons collectés sur le terrain dans des environnements aériens et souterrains à Washington, D.C., USA. Les moustiques souterrains étaient autogènes mais les moustiques de surface étaient anautogènes. Cependant, les moustiques des colonies autogènes et anautogènes ont formé un seul groupe lorsque l’analyse de jonction des voisins a été appliquée (Fig. 2). De plus, les approches PCA (Fig. 3) et ADMIXTURE (Fig. 4) regroupent ces échantillons avec les Cx. p. pipiens d’autres endroits. Des populations aux caractéristiques mixtes ont été trouvées en Europe51 et aux Etats-Unis53. Au Portugal, un modèle inhabituel de comportement d’alimentation sanguine sur les oiseaux a également été trouvé chez Cx. p. molestus54.

Donc, la présence d’une hybridation continue entre les membres du complexe Cx. pipiens suggère que le processus de spéciation entre eux n’est pas terminé et que les barrières postzygotiques d’isolement reproductif ne sont pas complètement formées. Dans l’ensemble, nous pensons que les membres du complexe Cx. pipiens représentent un modèle remarquable pour étudier les différents aspects de la spéciation géographique et écologique face à un flux génétique continu entre eux et à des adaptations locales à divers environnements.