Genetic exploration of polyploidy in the genus Juniperus (Cupressaceae)
Exploration génétique de la polyploïdie du genre Juniperus (Cupressaceae)
Résumé
Polyploidy is considered as an important phenomenon and a key driving force for plant diversification and evolution. Few natural polyploid species have been described in Juniperus, a coniferous genus represented by 75 species of evergreen trees or shrubs widely distributed in the North Hemisphere. The occurrence of polyploidy in the evolution of this genus as well as a more comprehensive view of pathways that were involved in these polyploidization events are explored in this research work. Genome size (GS) and ploidy level assessments were conducted on 111/115 taxa using flow-cytometry and chromosome counts. Juniperus holds an exceptionally high rate of polyploidy, 15 taxa being tetraploids and just one (J. foetidissima) being hexaploid. It represents the only hexaploid conifer discovered to date after Sequoia sempervirens. We also used phylogenetically-informed trait evolution modelling approaches to determine ancestral GS in the three clades of Juniperus and to reconstruct the evolutionary process of polyploidization in Juniperus. At least 10 polyploidization events have occurred during Juniperus evolution and diversification. We then explored the origin of polyploidy in selected Mediterranean species. The GS variation and the ploidy level of two J. sabina varieties were estimated: J. sabina var. sabina sampled populations were shown to be diploid, while J. sabina var. balkanensis populations were all tetraploid. The latter has been postulated to have arisen from an ancient hybridization between the tetraploid J. thurifera and the diploid J. sabina. In the French Alps, where J. sabina var. sabina and J. thurifera occur in sympatry, individuals with intermediate morphologies between these two species are observed. Evidences based on GS assessments, ITS and chloroplastic sequences demonstrated these individuals as triploid hybrids. Finally, the use of AFLP markers to decipher phylogenetic relationships between Mediterranean and Eastern Mediterranean species showed that multiple lineages contributes to Juniperus diversity and shed light on some polyploid taxa origins. While the Lebanese populations of the hexaploid J. foetidissima are issued from a unique ancestral lineage, the Greek population seems to be the result of an unequal admixture of two ancient lineages. These two lineages contribute also to the tetraploid J. thurifera. This analysis showed also that the Mediteranean J. excelsa and the African taxa J. procera shares the same ancestral lineage. However, further analyses are needed for a more complete interpretation of the data. The importance of interspecific hybridization and of polyploidization in the evolution of Juniperus species argues in favor of the development of researches aiming at understanding the link between these mechanisms and the adaptation of those species to a wide range of extreme habitats. Such future researches should contribute to predict how conifer species may adapt to dramatic changes in the Earth’s climate.
La polyploïdie est un processus important et un moteur de la diversification et de l'évolution des plantes. Peu de polyploïdes naturels ont été décrits chez Juniperus, un genre de conifère représenté par 75 espèces d'arbres ou arbustes à feuilles persistantes, largement réparties dans l'hémisphère nord. Dans ce travail de recherche, l’implication de la polyploïdie dans l'évolution de Juniperus et l’élucidation des mécanismes sous-jacents à ces événements de polyploïdisation sont explorées. La taille du génome (TG) et le niveau de ploïdie ont été évalués chez 111/115 taxons en utilisant la cytométrie en flux et les comptages chromosomiques. Le taux de polyploïdie chez les genévriers s’est avéré être exceptionnellement élevé : 15 taxons sont des tétraploïdes et un seul taxon (J. foetidissima) est hexaploïde. Juniperus foetidissima représente le seul conifère hexaploïde découvert à ce jour à part Sequoia sempervirens. Nous avons également utilisé des approches de modélisation phylogénétique pour déterminer la TG ancestrale dans les trois clades de Juniperus et pour reconstruire le processus évolutif de la polyploïdisation chez ce genre. Au moins 10 événements de polyploïdisation ont eu lieu au cours de l'évolution et de la diversification de Juniperus. Nous avons ensuite exploré l’origine de la polyploïdie chez certaines espèces méditerranéennes. La variation de la TG et le niveau de ploïdie de deux variétés de J. sabina ont été estimés : Les populations échantillonnées de J. sabina var. sabina se sont avérées être diploïdes, tandis que les populations de J. sabina var. balkanensis étaient toutes tétraploïdes. Ces derniers auraient été issus d'une ancienne hybridation entre le tétraploïde J. thurifera et le diploïde J. sabina. Dans les Alpes françaises, où J. sabina var. sabina et J. thurifera sont en sympatrie, des individus présentant des morphologies intermédiaires entre ces deux espèces sont observés. Suite à des estimations des TG, de séquençage des ITS et de régions chloroplastiques, ces individus sont considérés comme des hybrides triploïdes. Enfin, l’utilisation des marqueurs AFLP pour déchiffrer les relations phylogénétiques entre des espèces méditerranéenne a montré que plusieurs pools génétiques contribuent à la diversité de Juniperus. Aussi ces marqueurs ont contribué à la découverte des contributions de ces pools génétiques aux taxons polyploïdes. Alors que les populations libanaises de l'hexaploïde J. foetidissima sont issues d'une lignée ancestrale unique, la population grecque semble résulter d'un mélange inégal de deux lignées anciennes. Ces deux lignées contribuent également au tétraploïde J. thurifera. Cette analyse a également montré que l’espèce méditerranéenne J. excelsa et l’espèce africaine J. procera partagent la même lignée ancestrale. Cependant, des analyses supplémentaires sont nécessaires pour une interprétation plus complète des données. L'importance de l'hybridation interspécifique et de la polyploïdie dans l'évolution des espèces de Juniperus nécessite d’amples recherches visant à comprendre le lien entre ces mécanismes et l'adaptation de ces espèces à un large spectre d'habitats extrêmes. Ces recherches futures devraient aussi contribuer à découvrir comment les espèces de conifères peuvent s’adapter aux changements climatiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)