Evolution of thermophily in the family of polychaete annelids Alvinellidae
Évolution de la thermophilie au sein de la lignée des annélides polychètes Alvinellidae
Résumé
The Alvinellidae (Annelida : Terebelliformia) are a species family endemic to deep hydrothermal vents from the Pacific and Indian Oceans. Since the discovery of the emblematic species Alvinella pompejana, the Pompeii worm, these animals have aroused the interest of the scientific community. Although hydrothermal vents are extreme environments (strong temperature gradients, absence of photosynthesis, anoxy, presence of various metals and sulphides due to the percolation of hydrothermal fluid into the basaltic crust, acid pH), the Alvinellidae have managed to colonise a variety of ecological niches and show great morphological, physiological and genetic diversity, both between and within species. In this thesis, we were notably interested in the adaptations that enable these worms to cope with contrasting thermal regimes. A. pompejana, for example, is thermophilic, surviving at temperatures close to 50°C. Other species, however, such as Paralvinella grasslei, are psychrophilic, living further from hydrothermal chimneys at temperatures between 10 and 25°C. More specifically, we studied the acquisition of thermophilia/psychrophilia during the evolution of the lineage, in an attempt to characterize the thermal phenotype of the ancestor of the Alvinellidae. To this end, we have established the molecular phylogeny of the Alvinellidae, based on molecular transcriptomic data recovered for eleven of the fourteen species in the family during several scientific campaigns. This initial result points to an ancestor dating from the end of the Cretaceous (between 60 and 90 million years ago), already present in the hydrothermal vents of the eastern Pacific. The radiation of the Alvinellidae was a quick event, within a few million years, resulting in several species with high rates of incomplete lineage sorting and showing traces of high interspecific introgression. The results of this phylogeny enabled us to establish a model to construct statistical proposals of proteins belonging to the ancestors of the lineage. Three proteins were chosen, namley the cytosolic malate dehydrogenase, the Cu/Zn superoxide dismutase and an intracellular hemoglobin, for reconstruction, expression and experimental characterisation. For ectothermic organisms such as the Alvinellidae, proteins from thermophilic species are expected to be on average more stable at high temperatures compared to their counterparts from psychrophilic species. These ancestral reconstructions allowed us to conclude that the ancestor of the lineage was a worm that was already adapted to warm environments, and that psychrophily of modern-day alvinellid species is a derived character acquired more recently. Finally, I looked at the optimisation of models for reconstructing ancestral protein sequences. These models are based on the diversity of contemporary sequences and their phylogenetic relationships. I tried to implement these approaches using two types of additional information : those linked to sequence insertion/deletion events, and those regarding the evolution of secondary structures of proteins and temporal variability of the expected frequencies of residues at different protein positions. I show that the introduction of these last two types of parameters into ASR methods is beneficial and leads to models with better likelihoods. However, the optimisation of these models, which are necessarily probabilistic, does not guarantee a better result for the experimenter, and the limits of these models to estimate the uncertainty of the inferred ancestral sequences are discussed.
Les Alvinellidae (annélides polychètes terebellides) constituent une famille d'espèces endémiques des sources hydrothermales profondes, dispersées entre l'océan Pacifique et Indien. Depuis leur découverte avec l'espèce emblématique Alvinella pompejana, le vers de Pompéi, ces animaux ont suscité l'intérêt de la communauté scientifique. En effet, si les sources hydrothermales constituent des environnements réputés extrêmes (gradients de température, absence de photosynthèse, anoxie du milieu, présence de divers métaux et sulfides issus de la percolation du fluide hydrothermale dans la croûte basaltique, pH acide), les Alvinellidae sont parvenus à coloniser des niches écologiques variées et montrent une grande diversité morphologique, physiologique et génétique, inter et intra-espèces. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux adaptations permettant à ces vers de faire face à des régimes thermiques contrastés. A. pompejana, par exemple, est thermophile, survivant à des températures proches de 50°C. D'autres espèces en revanche, comme Paralvinella grasslei, sont considérées psychrophiles, vivant à distance des cheminées hydrothermales à des températures entre 10 et 25°C. Plus spécifiquement, nous avons étudié l'acquisition de la thermophilie/psychrophilie au cours de l'évolution de la lignée, en essayant de répondre à la question du phénotype thermique de l'ancêtre des Alvinellidae. Pour cela, nous avons établi la phylogénie moléculaire des Alvinellidae, sur la base des données moléculaires transcriptomiques récupérées pour onze des quatorze espèces de la famille au cours de plusieurs campagnes scientifiques. Ce premier résultat amène à conclure à un ancêtre datant de la fin du Crétacée (entre 60 et 90 millions d'années), déjà présent dans les sources hydrothermales du Pacifique Est. La radiation des Alvinellidae à cette époque a été rapide, en quelques millions d'années, aboutissant à l'apparition de plusieurs espèces présentant de forts taux de tri incomplet de lignée et d'introgression interspécifique. Les résultats de cette phylogénie nous ont permis d'établir le modèle permettant de construire des propositions statistiques de protéines appartenant aux ancêtres de la lignée. Trois protéines ont été choisies, à savoir la malate déshydrogénase cytosolique, la superoxyde dismutase Cu/Zn et une hémoglobine intracellulaire, pour être reconstruites, exprimées et expérimentalement caractérisées. En effet, pour des organismes ectothermes comme les Alvinellidae, il est attendu que les protéines des espèces thermophiles soient en moyenne plus stables thermiquement que les protéines issues des espèces psychrophiles. Ces reconstructions ancestrales nous ont permis de conclure que l'ancêtre de la lignée était un vers déjà adapté aux environnements chauds, et que la psychrophilie de certaines espèces de la lignée est un caractère dérivé acquis plus récemment. Enfin, dans une dernière partie, je me suis intéressé à l'optimisation des modèles de reconstruction des séquences protéiques ancestrales. Ces modèles sont basés sur la diversité des séquences contemporaines et leurs relations phylogénétiques. J'ai essayé d'implémenter ces approches en utilisant deux types d'informations supplémentaires : celles liées aux événements d'insertions/délétions de séquence, et celles concernant l'évolution de la structure secondaire des protéines et la variabilité temporelle des fréquences attendues des résidus aux différentes positions des protéines. Je montre que l'introduction de ces deux derniers types de paramètres dans les méthodes ASR est bénéfique et aboutit à des modèles ayant de meilleures vraisemblances. Toutefois, l'optimisation de ces modèles, nécessairement probabilistes, ne garantit pas un meilleur résultat pour l'expérimentateur, et les limites de ces modèles à estimer l'incertitude des séquences ancestrales inférées sont discutées.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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