LES CODES- BARRES D ADN

LES CODES- BARRES D ADN Céline Poux celine.poux@univ- lille1.fr Bât. SN2 porte 107bis

LES CODES- BARRES D ADN

LES CODES- BARRES D ADN

INTRODUCTION Il existe 1,7 millions d espèces décrites et environ 10 à 20 millions inconnues DiagnosNc morphologique difficile car: - - - - Il demande un niveau d expernse important Certaines clefs morphologiques ne sont unlisables que pour certains stades de développement ou dépend du genre. Il existe des espèces crypnques morphologiquement différennables L idennficanon des espèces peut- être incorrecte du à la plasncité phénotypique des caractères unlisés. => LimitaNon de l idennficanon des espèces sur des critères morphologiques.

INTRODUCTION COMPLEXES D ESPECES Il existe, actuellement, sept espèces au sein du complexe d'espèces crypnques : Anopheles gambiae s.str. (Giles 1902) Anopheles merus (DonNz 1902) Anopheles melas (Theobald 1903) Anopheles arabiensis (Pabon 1905) Anopheles quadriannulatus (Theobald 1911) Anopheles bwambae (White 1985) Anopheles comorensis (Brunhes le Goff & Geoffroy 1997) S'ajouterait une «nouvelle» espèce en voie d'étude : Anopheles goundry (2011) Vecteurs du paludisme: - - Anopheles gambiae s.str. et Anopheles arabiensis sont des vecteurs principaux. Anopheles merus et Anopheles melas sont des vecteurs d'importance locale.

INTRODUCTION Aire de réparnnon des espèces d Anopheles

INTRODUCTION DISMORPHISME SEXUEL

INTRODUCTION ESPECES CRIPTIQUES Astraptes fulgerator (Hebert et al. 2004)

Tout a commencé en 2003 INTRODUCTION

INTRODUCTION ProposiNon d une nouvelle approche d idennficanon des taxons basée sur l ADN Génome mitochondrial Humain 16 000 pb Génome mito Arabidopsis thaliana 367 000 pb 37 gènes codant pour: - 13 protéines, - 22 ARN de transfert - 2 ARN ribosomiques.

INTRODUCTION ProposiNon d une nouvelle approche d idennficanon des taxons basée sur l ADN Genes mitochondriaux car: - Sans introns - Peu de recombinaison - Transmission haploïde Protéines mitochondriales car: - InserNons/déléNons rares COX1 car: - Amorces universelles robustes - Vitesse d évolunon qui permet une bonne discriminanon entre espèces (Hebert et al. 2003)

INTRODUCTION ProposiNon d une nouvelle approche d idennficanon des taxons basée sur l ADN EchanNllonnage de 200 espèces de lépidoptères 3 super familles représentant 5 familles ArcNidae 18 espèces Geometridae 61 espèces Geometroidea Noctuidae 90 espèces NotodonNdae 20 espèces (Hebert et al. 2003) Sphingidae 11 espèces Sphingoidea Noctuoidea COI data profile

INTRODUCTION Analyses phénénques: Méthodes basées sur la comparaison de paires de séquences et sur le calcul de distances A B C D

INTRODUCTION ProposiNon d une nouvelle approche d idennficanon des taxons basée sur l ADN Geometroidea Distances entre séquences calculées avec le modèle K2P Arbre NJ Noctuoidea Sphingoidea (Hebert et al. 2003)

INTRODUCTION ProposiNon d une nouvelle approche d idennficanon des taxons basée sur l ADN 18 espèces d ArcNidae 20 espèces de NotodonNdae COI data test 150 specimens 11 espèces de Sphingidae o Espèces profile + Espèces test (Hebert et al. 2003)

INTRODUCTION ProposiNon d une nouvelle approche d idennficanon des taxons basée sur l ADN En général, pourcentage de divergence nucléondique entre espèces < 3% («cut- off») (Hebert et al. 2003)

INTRODUCTION Problèmes: Possible persistance d un polymorphisme ancestral pour des espèces ayant divergées récemment. (Klein et al. 1998)

Problèmes: HybridizaNon et introgression INTRODUCTION (Twyford & Ennos 2012)

INTRODUCTION Réponse de Hebert et al. (Hebert et al. 2003)

INTRODUCTION Réponse de Hebert et al. (Hebert et al. 2003)

INTRODUCTION Conclusions Hebert et al. 2003: - Environ 1,9% des paires d espèces congénériques montrent une divergence < 2% => problème isolanon reproducnve entre espèces récente => mauvaise idennficanon => introgression mitochondriale => possibilité d unliser un autre marqueur nucléaire (ex. ITS). - Horizontal transfert rare. - Problème d idennficanon seulement pour les cnidaires qui ont un taux d évolunon moléculaire faible. (Hebert et al. 2003)

LES INSTITUTIONS AUTOUR DU BARCODE Consor4um for the Barcode of Life (CBOL): hbp://www.barcodeoflife.org Established in 2004, CBOL promotes DNA barcoding through over 200 Member OrganizaNons from 50 countries. (Taylor & Harris 2012)

LES INSTITUTIONS AUTOUR DU BARCODE

LES INSTITUTIONS AUTOUR DU BARCODE Consor4um for the Barcode of Life (CBOL): hbp://www.barcodeoflife.org Established in 2004, CBOL promotes DNA barcoding through over 200 Member OrganizaNons from 50 countries. Interna4onal Barcode of Life (ibol): hbp://ibol.org Launched in October 2010, ibol represents a not- for- profit effort to involve both developing and developed countries in the global barcoding effort, establishing commitments and working groups in 25 countries. (Taylor & Harris 2012)

LES INSTITUTIONS AUTOUR DU BARCODE 2005-2010: Séquençage de 5 000 000 de spécimens représentant 500 000 espèces

LES INSTITUTIONS AUTOUR DU BARCODE

LES INSTITUTIONS AUTOUR DU BARCODE Campagnes de Barcoding

LES INSTITUTIONS AUTOUR DU BARCODE Campagnes de Barcoding Barcoding projects have four components: The Specimens: Natural history museums, herbaria, zoos, aquaria, frozen Nssue collecnons, seed banks, type culture collecnons and other repositories of biological materials are treasure troves of idennfied specimens. The Laboratory Analysis: Laboratory protocols can be followed to obtain DNA barcode sequences from these specimens. The best equipped molecular biology labs can produce a DNA barcode sequence in a few hours. The data are then placed in a database for subsequent analysis. The Database: One of the most important components of the Barcode IniNaNve is the construcnon of a public reference library of species idennfiers which could be used to assign unknown specimens to known species. There are currently two main barcode databases that fill this role: The InternaNonal NucleoNde Sequence Database CollaboraNve is a partnership among GenBank in the U.S., the NucleoNde Sequence Database of the European Molecular Biology Lab in Europe, and the DNA Data Bank of Japan. They have agreed to CBOL's data standards for barcode records. Barcode of Life Database (BOLD) was created and is maintained by University of Guelph in Ontario. It offers researchers a way to collect, manage, and analyze DNA barcode data. The Data Analysis: Specimens are idennfied by finding the closest matching reference record in the database. CBOL's Data Analysis Working Group has created the Barcode of Life Data Portal which offers researchers new and more flexible ways to store, manage, analyze and display their barcode data.

LES INSTITUTIONS AUTOUR DU BARCODE Consor4um for the Barcode of Life (CBOL): hbp://www.barcodeoflife.org Established in 2004, CBOL promotes DNA barcoding through over 200 Member OrganizaNons from 50 countries. Interna4onal Barcode of Life (ibol): hbp://ibol.org Launched in October 2010, ibol represents a not- for- profit effort to involve both developing and developed countries in the global barcoding effort, establishing commitments and working groups in 25 countries. The Barcode of Life Datasystems (BOLD): hbp://www.boldsystems.org The Barcode of Life Datasystems is an online workbench for DNA barcoders. Combines a barcode repository, analyncal tools, interface for submission of sequences to GenBank, a species idennficanon tool and connecnvity for external web developers and bioinformancians. Established in 2005. (Taylor & Harris 2012)

LES INSTITUTIONS AUTOUR DU BARCODE

LES INSTITUTIONS AUTOUR DU BARCODE

LES INSTITUTIONS AUTOUR DU BARCODE

LES BASES DE DONNEES (Taylor & Harris 2012)

LES BASES DE DONNEES Biais taxonomique dans l unlisanon du barcoding (Taylor & Harris 2012)

LES BASES DE DONNEES Peu d espèces séquencées par des projets de barcoding 60 000 species in Genbank et 150 000 in BOLD CBOL a aré 80 000 000 $ de fonds Barcoding projects General SystemaNcs projects Species overlap ibol Lepidoptera ABBI (Birds) FISH- BOL (Fishes) (Kwong et al. 2012)

LES BASES DE DONNEES De nombreuses séquences non- idennfiées dans les bases de données (Kwong et al. 2012)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? COI un code- barres universel pour les animaux? 648 pb dans la région 5 du gène

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? (Meyer & Pauley 2005)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? Pourquoi d (inter) < d (intra)? (Meyer & Pauley 2005)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? Le barcoding gap n existe pas => Plus l échannllonnage est exhausnf plus le chevauchement sera grand (Moritz & Cicero 2004) Concerne très peu de paires d espèces => Groupes pour lesquels la taxonomie est peu connue (crypnc species) (Meyer & Pauley 2005)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? Meyer & Pauley (2005): Groupes très étudiés morphologiquement et moléculairement Espèces bien définies. Dataset: - - - Cauries: 2000 ind. pour 263 ESUs Turbinids: 30 ESUs Limpets: 12 ESUs ESU: EvoluNonary significant unit (monophylénque)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? La distance intraspécifique augmente avec la taille de l échannllonnage. (Meyer & Pauley 2005)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? Il existe un chevauchement des distances intraspécifiques et interspécifiques. Faux posinfs: DétecNon erronée de nouvelles espèces. Faux néganfs: Rassemblement de plusieurs espèces dans une seule. (Meyer & Pauley 2005)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? Faux posi4fs: DétecNon erronée de nouvelles espèces. Faux néga4fs: Rassemblement de plusieurs espèces dans une seule. (Meyer & Pauley 2005)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? Weimers & Fiedler 2007: (Weimers & Fiedler 2007)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? Weimers & Fiedler 2007: (Weimers & Fiedler 2007)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? UNlisaNon d autres séquences en combinaison avec CO1 comme barcode. (Taylor & Harris 2012)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? ITS: internal transcribed spacers (Sonnenberg et al. 2007)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? (Taylor & Harris 2012)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? (Schoch et al. 2012)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? (Schoch et al. 2012)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? Un code- barres pour les plantes? (Hollingsworth et al. 2011)

UN CODE- BARRES UNIVERSEL? Un code- barres pour les plantes? Plant working group => MatK + Rbcl ITS? (Fazekas et al. 2009)

L ANALYSE DES DONNEES Monophylie réciproque des espèces Existence d un barcoding gap - threshold approach- MulNdimensional scaling Existence de sites diagnosncs Goldstein & DeSalle (2011)

L ANALYSE DES DONNEES Méthodes phéné4ques basées sur le calcul des distances génénques: - En systémanques phylogénénques les méthodes ne distance ne sont plus largement unlisées. - Inférer des relanons phylogénénques avec un seul marqueur est problémanque. - Quand il existe un polymorphisme ancestral aucune méthode ne peut résoudre ce problème en unlisant un seul marqueur moléculaire. (Meyer & Pauley 2005)

L ANALYSE DES DONNEES Méthodes cladis4ques basées sur des caractères diagnosncs : Permet un diagnosnc clair sans faire appel à des niveaux de seuil subjecnfs. (DeSalle et al. 2005, Taylor & Harris 2012)

L ANALYSE DES DONNEES (Taylor & Harris 2012)

L ANALYSE DES DONNEES (Taylor & Harris 2012)

L ANALYSE DES DONNEES 2009

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN Le développement du «barcoding» pose un cadre pour l étude de la biodiversité DéterminaNon taxonomique d un échannllon inconnu. Les nématodes sont unlisés comme bioindicateur pour évaluer la bonne santé des sols. - - Importance de connaitre la composinon spécifique de la communauté de Nématodes. Taxonomie et déterminanon complexe Développement d un code- barres: 18s / 28s gènes ribosomaux (Neher 2001, Badhury et al. 2006)

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN DétecNon de nouvelles espèces Révision taxonomique Astraptes fulgerator Néotropical lépidoptères Complexe comprenant 10 espèces (Hebert et al. 2004) RéparNNon géographique du sud des EU au nord de l argennne Très grandes varianons dans les préférences alimentaires

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN 10 espèces en 1? - Les clusters terminaux sont idennfiés comme taxons indépendants - Pas d esnmanon du support des nœuds - Pas de groupe externe - Pas d unlisanon d autres caractères pour supporter leurs conclusions et tester leurs hypothèses NJ K2P (Hebert et al. 2004)

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN (Brower 2006)

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN 17 6 2 UNlisaNon de sites nucléondiques diagnosnques pour différencier des groupes putanfs au sein du complexe d espèces PAA: populanon agregganon analysis 41 sites polymorphiques Présence d homoplasie 4 3 3 (Brower 2006)

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN 17 6 2 UNlisaNon de sites nucléondiques diagnosnques pour différencier des groupes putanfs au sein du complexe d espèces PAA: populanon agregganon analysis 41 sites polymorphiques Présence d homoplasie 4 Une analyse cladisnque permet de définir 3 clades principaux. 3 3 CONCLUSION: => Au moins trois espèces différentes mais pas plus de 6/7. (Brower 2006)

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN Il est important de souligner que lorsque l'adn barcoding suggère l'existence de nouvelles espèces, il n'est pas une preuve défininve et doit être unlisé conjointement avec d'autres données qui vont permebre de confirmer ou d infirmer l existance de cebe nouvelle espèce. En effet, le gène COI peut être affectée par plusieurs biais et doit être combiné avec: - l'analyse d'autres gènes indépendants, - des données morphologiques, - Des données géographiques ou écologiques => integranve framework

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN Analyses alimentaires: Wikipedia

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN UNlisaNon de 89 séquences de COX1 représentant les 8 espèces de Thunnus pour créer une base de données de référence. Clé de reconnaissance basée sur les caractères Lowenstein et al. 2009

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN IdenNficaNon de 68 échannllons de sushi de thon achetés auprès de 31 restaurants à Manhaban (New York) et à Denver, au Colorado. La clé basée sur des caractères et BLAST GenBank réussi à idennfier 100% des échannllons de thon. Un morceau de sushi de thon a le potennel d'être une espèce en voie de disparinon, une fraude ou un danger pour la santé. Ces trois cas ont été découverts dans cebe étude: - - - 19 établissements de restauranon ont été incapables de préciser les espèces vendues. 5 des 9 échannllons vendus comme une variante de thon blanc n etait pas de l albacore (T. alalunga), mais de l'escolar (Lepidocybium flavorunneum) interdit à la vente en Italie et au Japon en raison de problèmes de santé. 19 échannllons étaient du thon rouge du nord (T. thynnus) ou le thon rouge du sud en danger crinque d'exnncnon (T. maccoyii). 9 de ces restaurants ne précisaient pas le nom des espèces sur leurs menus. Lowenstein et al. 2009

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN Lowenstein et al. 2009

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN Lowenstein et al. 2009

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN UNlisaNon en Ecologie, Biogéographie et Biologie de la conservanon: - - - - DétecNon par les fèces ou les poils de la présence d espèces rares ou en danger DétecNon d espèces invasive ( par exemple au stade larvaire) Dans l industrie alimentaire, idennficanon du contenu de produits dérivés lorsque l idennficanon morphologique n est plus possible IdenNficaNon de l espèces dont proviennent les poils sur les blaireaux de rasage Meles meles Le bléreau européen est une espèce protégée

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN IdenNficaNon d espèces uniques => EvaluaNon de la biodiversité Biodiversité actuelle: IdenNficaNon de traces d ADN présentes dans des échannllons environnementaux Etablir la composinon des écosystèmes très riches en espèces => Biodiversité microbienne dans les grandes profondeurs. (ValenNni et al. 2009)

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN Paléoécologie => reconstrucnon de paléo- flore et - faune. Corres de glace ancienne de 800 000 à 450 000 ans au Groenland (Willerslev et al. 2007)

APPLICATIONS DES CODES- BARRES D ADN Paléoécologie => reconstrucnon de paléo- flore et - faune. Le sud du groenland ressemblait aux forets de conifères présentes aujourd hui en Scandinavie (Willerslev et al. 2007)