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La séquence d'ADN d'un papillon correspond-elle à celle de la chenille qu'elle était ?


J'ai juste eu cette pensée à l'esprit.

Si l'on prélevait un échantillon d'ADN (ou est-ce de l'ARN ?) d'une chenille avant qu'elle ne devienne une chrysalide, et essayait de comparer l'échantillon à celui prélevé après que la chrysalide est devenue un papillon, les deux échantillons seraient-ils identiques ?


Le génome (séquence d'ADN entière) du papillon serait identique à celui de la chenille dans toutes les cellules somatiques. Une chenille a les gènes pour produire des ailes, par exemple, mais à ce stade de son développement, elles ne sont pas « activées » pour fabriquer les protéines nécessaires.

Si vous deviez échantillonner l'ARNm produit à partir de la transcription de l'ADN aux stades chenille et papillon, il y aurait probablement de nombreuses différences. Comme dans l'exemple que j'ai utilisé précédemment, les ARNm qui sont traduits en protéines formant des ailes sont plus susceptibles d'être apparents chez le papillon que chez la chenille. En disant cela, sachez que je suppose que la régulation de ces gènes est pré-transcriptionnelle - je ne suis pas un expert en physiologie des papillons !


@Rory M

Voici des preuves de réarrangements génomiques développementaux dans Hyménoptères. J'ai souligné la section pertinente du résumé. Il est probablement prématuré de supposer que des changements similaires pourraient ne pas se produire dans les cellules somatiques de certains Lépidoptères.

Bigot Y, Jegot G, Casteret S, Aupinel P, Tasei JN (2011) Modifications de l'ADN et réarrangements du génome au cours du développement et de la différenciation sexuelle du bourdon Bombus terrestris. Insecte Mol Biol. 20:165-75.

Résumé
Bombus terrestris est un bourdon qui, comme la plupart des espèces d'hyménoptères, présente une détermination du sexe spécifique à la ploïdie contrôlée par un seul gène sexuel. En fonction de leur ploïdie et de la répression des phéromones de la reine, les imagos se différencient en trois castes : les mâles, les ouvrières et les reines. Ici, nous nous concentrons sur les différences d'organisation du génome qui se produisent au cours du développement et de la différenciation sexuelle. Nous avons constaté que la méthylation de la cytosine est un facteur épigénétique important avec des profils qui peuvent être corrélés avec les deux processus. Nous avons également montré que deux types de réarrangements génomiques se produisent. Le premier consiste en d'importantes amplifications d'ADN qui ont des profils de séquence qui diffèrent selon les différents stades de développement et les sexes. Dans le second type, des pertes d'ADN se produisent également, impliquant au moins l'élément transposable en mosaïque B. terrestris mosaic repeat 1 (BTMR1).


Je voudrais développer la réponse de Rory.

Vous pouvez considérer l'ADN comme un livre très complexe de recettes (gènes) pour construire des machines cellulaires (par exemple des protéines). Chaque génome possède un vaste répertoire de machines qu'il peut construire. Pour un organisme donné, toutes ses cellules somatiques auront le même ADN (plus ou moins, mais laissons cela de côté) puisqu'il est au départ une seule cellule. Malgré cela, vous pouvez voir que les cellules peuvent avoir des formes et des fonctions complètement différentes. Par exemple, regardez à quel point un neurone est différent d'une cellule musculaire ou d'une cellule sanguine en termes de forme et de fonction. De plus, les cellules peuvent changer en réaction à leur environnement.

Alors comment le répertoire est-il le même mais les cellules complètement différentes ?

La solution est choisir les gènes à activer. C'est ce qu'on appelle la régulation des gènes et c'est un système extrêmement complexe comme vous pouvez le deviner. C'est en quelque sorte le "cerveau" de la cellule, avec lequel les cellules peuvent prendre des décisions et acquérir sa plasticité dans la fonction biologique. Ce système fonctionne à plusieurs niveaux, l'un d'eux étant en contrôlant la transcription, c'est-à-dire la régulation transcriptionnelle, qui contrôle la quantité d'ARN à fabriquer à partir de chaque gène, ce qui se traduira plus tard par un certain niveau d'activation (pas d'ARN signifie que le gène ne sera pas actif) . C'est pourquoi l'ARN sera probablement très variable selon le type et l'état cellulaire.

En général, chaque espèce a une séquence d'ADN similaire à quelques variations mineures près. La séquence des membres de la famille sera encore plus similaire et la séquence des clones (par exemple des jumeaux identiques) sera pratiquement identique. Ce type de variation est aléatoire et ne sera donc pas utilisé comme système de contrôle. À partir de là, vous pouvez déjà deviner que le passage de la chenille au papillon sera contrôlé par son programme de régulation génétique, car il s'agit d'un changement de développement, de la même manière qu'un humain se développe à partir d'une seule cellule embryonnaire.

Cela dit, il est toujours possible que des changements aléatoires se produisent quelque part en cours de route et causent des différences, car la biologie est stochastique. Cependant, pour que celles-ci soient cohérentes entre toutes les cellules de l'organisme, elles devraient se produire lorsque l'organisme est une seule cellule, ce qui n'est pas le cas lors du passage de la chenille au papillon.


Voici une histoire intéressante de npr.org, Les papillons sont-ils deux animaux différents en un ? La théorie de la mort et de la résurrection.

Apparemment, certaines personnes proposent une théorie qui dit (fortement paraphrasée) qu'un papillon est en fait deux espèces ancestrales différentes réunies en une seule. Voici la citation pertinente :

L'ancien point de vue était qu'au cours de millions d'années, les animaux ont développé cette habitude de passer d'un ensemble d'instructions à l'autre. Le nouveau point de vue est qu'il ne s'agit pas d'un animal changeant progressivement de forme, mais plutôt d'instructions pour deux animaux différents pris en sandwich et ce changement est si radical, dit Bernd, "sans continuité de l'un à l'autre, que les formes adultes de ces encarts sont en fait de nouveaux organismes."

Loin.


Une étude fait avancer la « révolution de l'ADN » et raconte l'histoire de l'évolution des papillons

En retraçant près de 3 000 gènes jusqu'au premier ancêtre commun des papillons et des papillons de nuit, les scientifiques de l'Université de Floride ont créé un vaste "arbre de lépidoptères" dans la première étude utilisant le séquençage de l'ADN de nouvelle génération à grande échelle.

Parmi les découvertes les plus surprenantes de l'étude : les papillons sont plus étroitement liés aux petits papillons de nuit qu'aux grands, ce qui change complètement la compréhension des scientifiques sur la façon dont les papillons ont évolué. L'étude a également révélé que certains insectes autrefois classés comme papillons de nuit sont en fait des papillons, ce qui augmente le nombre d'espèces de papillons plus qu'on ne le pensait auparavant.

"Ce projet fait avancer la recherche sur la biodiversité en fournissant une base évolutive pour un groupe d'insectes très diversifié, avec près de 160 000 espèces décrites", a déclaré Akito Kawahara, auteur principal et conservateur adjoint de Lépidoptères au Florida Museum of Natural History sur le campus UF. "Avec un arbre, nous pouvons maintenant comprendre comment la majorité des espèces de papillons et de papillons nocturnes ont évolué."

Disponible en ligne et à paraître dans l'édition imprimée d'août du Actes de la Royal Society B : Sciences biologiques, l'étude construit le cadre évolutif des futures recherches écologiques et génétiques sur les insectes, a déclaré Kawahara.

"Il y a une révolution de l'ADN en cours", a déclaré Kawahara. "C'est un moment important dans l'histoire de la science où nous pouvons utiliser le séquençage de l'ADN à très grande échelle."

Kawahara a déclaré que l'étude d'un an est l'une des premières à utiliser une quantité massive de données génétiques pour répondre aux questions sur l'histoire des papillons et des mites. L'analyse révèle des découvertes monumentales sur la lignée des lépidoptères, notamment contredisant fortement le placement traditionnel des papillons dans l'histoire de l'évolution, a déclaré Kawahara.

En utilisant le séquençage de nouvelle génération, une méthode utilisée pour traiter rapidement de grandes quantités d'ADN, les scientifiques ont développé un échantillon initial de 46 espèces qui représentent bon nombre des groupes de papillons et de papillons les plus biodiversifiés. Ils ont également combiné 33 nouveaux transcriptomes, un ensemble de molécules d'ARN, avec 13 génomes, qui contiennent tous deux du matériel génétique pour les organismes. Les chercheurs ont identifié 2 696 gènes en décomposant l'ADN et en le reconstituant, a déclaré Kawahara.

Daniel Rubinoff, entomologiste et directeur du musée des insectes de l'Université d'Hawaï, a déclaré que la nouvelle étude aidera les scientifiques à déterminer de manière concluante où les papillons appartiennent dans l'histoire de l'évolution – une question qui a longtemps troublé les chercheurs.

"Cette étude s'ajoute à un corpus croissant de connaissances en apportant de nouvelles techniques et en démontrant de manière concluante les relations évolutives des insectes les plus populaires de la planète", a déclaré Rubinoff. "Les méthodes sont nouvelles et s'appuient sur des travaux antérieurs. C'est clairement l'avenir de la recherche évolutive en profondeur."

La nature vaporeuse et délicate des papillons et des mites fait partie de leur charme, mais leurs stades larvaires au corps mou ont posé un problème aux scientifiques qui les étudient dans les archives fossiles. Dans la présente étude, les scientifiques visaient à mieux comprendre une histoire évolutive que l'analyse morphologique et les archives fossiles n'ont pas réussi à établir fermement, a déclaré Jesse Breinholt, co-auteur et chercheur postdoctoral au Florida Museum.

"Les quelques fossiles de lépidoptères dont nous disposons datent d'environ 15 millions d'années", a déclaré Breinholt. "La prochaine étape consiste à créer une histoire évolutive datée pour le groupe, des premiers ancêtres à nos jours."

Des recherches antérieures basées sur des caractéristiques anatomiques ont émis l'hypothèse que les papillons sont des parents proches des grands papillons de nuit, mais le nouvel arbre suggère que les papillons sont plus étroitement liés aux petits (micro) papillons de nuit, a déclaré Kawahara. L'étude suggère également que les papillons sont le groupe ancestral des dizaines de milliers d'espèces de papillons nocturnes sur la planète, et que la famille des Hedylidae, communément appelée papillons papillons américains, a été rejetée en tant que papillon de nuit et s'est avérée être de vrais papillons.

L'arbre fournit également une base de référence pour tester si l'activité diurne ou diurne, un trait commun des papillons, a évolué beaucoup plus tôt que les scientifiques ne le pensaient auparavant, peut-être à une époque où les chauves-souris se sont propagées à travers la planète, comme moyen d'échapper à celles-ci et à d'autres espèces nocturnes. prédateurs, a déclaré Kawahara.

Les recherches futures étudieront les causes des transitions évolutives, telles que l'activité diurne, chez les lépidoptères. Breinholt a déclaré que bien que le nouvel arbre clarifie notre compréhension des relations entre les papillons et les papillons de nuit, de nombreuses lignées doivent encore être examinées.

"J'espère que c'est un point de départ pour des études plus vastes qui tiennent compte de la grande diversité des lépidoptères", a déclaré Breinholt.


Comment les motifs d'ailes se développent-ils chez les papillons ?

Ce que nous voulions comprendre par nos expériences, c'est comment les différents motifs sur les deux surfaces des ailes sont créés. Mais, avant d'y aller, parlons de la façon dont les ailes et leurs motifs se développent chez les papillons et de ce que nous savons actuellement de ce processus. Les papillons, ainsi que les coléoptères, les mouches, les mites et les guêpes, entrent dans la catégorie des holométabole insectes. Cela signifie que les papillons subissent une métamorphose complète, qui est la transition d'un animal larvaire ressemblant à un ver à un animal adulte avec des ailes, de grandes pattes minces et de grands yeux. Les papillons ont quatre stades de vie différents au cours de leur développement. Il s'agit du stade embryonnaire (qui se déroule à l'intérieur de l'œuf), du stade larvaire (ou chenille), du stade nymphal et du stade adulte. Les œufs sont pondus sur les feuilles de plantes spécifiques et les chenilles qui éclosent des œufs mangent ces feuilles jusqu'à ce qu'elles entrent au stade nymphal. Le stade nymphal est celui où la plupart des tissus du corps larvaire sont dissous et reformés pour créer le papillon adulte qui émerge finalement. Les ailes des papillons sont formées d'un groupe de cellules qui sont mises de côté au stade embryonnaire, sous forme de disques imaginaux . Ces disques imaginaux se développent à l'intérieur du corps larvaire au fur et à mesure que les larves grandissent, mais au stade nymphal, les disques imaginaux se déplacent vers l'extérieur du corps et développent leur taille et leur forme finales. Vous pouvez facilement voir les ailes avant d'un futur papillon en examinant attentivement les deux côtés d'une nymphe.

Les motifs des ailes adultes se développent progressivement sur les disques imaginaux des ailes au fur et à mesure que ces disques se transforment en ailes adultes. À un moment donné au cours du stade de la chenille, l'aile est divisée en compartiments dorsaux et ventraux. Cette division se produit parce que certains gènes (des sections d'ADN qui contiennent des instructions spécifiques pour construire l'organisme) ne s'expriment que dans une surface de l'aile, disons la surface dorsale, mais pas dans l'autre. Après cette étape, pré-modèles sont disposés sur le disque, en raison de l'expression de différents gènes dans différentes positions de l'aile (figure 1B). À ce stade précoce, il est déjà clair que les pré-modèles sont différents sur les surfaces alaires dorsale et ventrale. Dans un stade ultérieur, les couleurs apparaissent dans les pré-modèles car les gènes de pigmentation (couleur) sont activés [ 1 ]. En utilisant à nouveau l'analogie d'un morceau de papier, nous pouvons créer des compartiments dans le papier en traçant des lignes et en créant des plis comme le montre la figure 1C. Ensuite, nous pouvons dessiner une image sur un côté du papier qui représente un pré-modèle, et enfin nous colorons l'image en utilisant différentes combinaisons de couleurs pour obtenir le modèle adulte final (Figure 1C).

Les scientifiques ont étudié le développement des ailes chez les mouches des fruits (nom scientifique : Drosophila melanogaster) depuis de nombreuses années et ont identifié de nombreux gènes importants pour créer des compartiments et des motifs. Étant donné que le développement des ailes chez les mouches des fruits et les papillons est très similaire, les étapes initiales du développement des ailes, telles que la création de compartiments dans les ailes de papillon, ont été assez bien comprises grâce à l'étude des mouches des fruits. Cependant, les papillons sont différents des mouches en ce sens que les papillons ont des motifs d'ailes complexes et colorés. Les chercheurs ont réussi à identifier de nombreux gènes qui créent ces modèles. Par exemple, de nombreux gènes impliqués dans le développement de motifs ressemblant à des yeux, appelés motifs oculaires, ont été identifiés. Chez les papillons Bicyclus anynana, des gènes appelés cracher et moins distal sont exprimés dans les centres des ocelles, et, cracher est également exprimé dans l'anneau noir. Un autre gène appelé engrêlé/invité est exprimé dans l'anneau d'or environnant (Figure 1B) [2].

Ainsi, sur la base de ces études et de la similitude de développement entre les ailes de mouche et de papillon, nous avons émis l'hypothèse qu'un gène appelé aptère A pourrait être responsable de la création de différents modèles d'ailes dorsales et ventrales chez les papillons. Nous avons sélectionné ce gène car, dans les ailes des mouches et des papillons, il n'est exprimé que sur la surface dorsale et est absent de la surface ventrale [ 3 , 4 ]. Nous avons utilisé le papillon B. anynana pour tester cette hypothèse. Pour montrer que ce gène est responsable de la création de différents motifs spécifiques à la surface des papillons, nous devions le supprimer et examiner les motifs des ailes des papillons qui n'avaient pas ce gène. Si l'aptère A est en effet responsable de la création d'un motif dorsal différent du motif ventral, alors lorsqu'il est supprimé, le motif dorsal devrait devenir similaire au motif ventral. Pour supprimer le gène aptère A, nous avons utilisé une nouvelle technique appelée CRISPR-Cas9 .


L'ADN déclenche le changement de forme dans les hydrogels, ouvrant une nouvelle façon de fabriquer des « robots mous »

Les ingénieurs biochimistes de l'Université Johns Hopkins ont utilisé des séquences de molécules d'ADN pour induire un changement de forme dans des gels à base d'eau, démontrant une nouvelle tactique pour produire des robots souples et des dispositifs médicaux «intelligents» qui ne reposent pas sur des fils, des batteries ou des attaches encombrants.

L'avancée de la recherche, supervisée par trois membres du corps professoral de la Whiting School of Engineering de l'université, est détaillée dans le numéro du 15 septembre 2017 de la revue. Science.

Les membres de l'équipe ont signalé que leur processus utilisait des séquences d'ADN spécifiques appelées « épingles à cheveux » pour faire gonfler un échantillon d'hydrogel de la taille d'un centimètre jusqu'à 100 fois son volume d'origine. La réaction a ensuite été interrompue par une séquence d'ADN différente, surnommée « épingle à cheveux terminateur ».

Cette approche pourrait permettre de tisser des pièces mobiles dans des matériaux souples. Les chercheurs ont suggéré que leur processus pourrait un jour jouer un rôle dans la création de matériaux intelligents, de dispositifs métamorphiques, d'actionneurs programmés complexes et de robots autonomes avec des applications marines et médicales potentielles.

Les membres de la faculté d'ingénierie de Johns Hopkins, de gauche à droite, David Gracias, Thao (Vicky) Nguyen et Rebecca Schulman, se sont associés à leurs étudiants et ont utilisé des séquences d'ADN pour déclencher un changement de forme significatif dans un échantillon d'hydrogel. Photo de Will Kirk/Université Johns Hopkins.

Pour contrôler la façon dont le changement de forme se produit dans différentes parties de l'hydrogel cible, les chercheurs se sont inspirés de l'industrie informatique. Ils ont utilisé une technique de photo-motif similaire à celle utilisée pour fabriquer des micropuces minuscules mais complexes. Divers modèles biochimiques intégrés dans différentes régions du gel ont été conçus pour répondre à des instructions spécifiques de l'ADN pour provoquer une flexion, un repliement ou d'autres réponses.

"Les séquences d'ADN peuvent être considérées comme un analogue du code informatique", a déclaré David H. Gracias, professeur au département de génie chimique et biomoléculaire de l'université, et l'un des deux auteurs principaux de la Science article. « Tout comme les logiciels informatiques peuvent diriger des tâches spécifiques, les séquences d'ADN peuvent provoquer une courbure ou une expansion d'un matériau d'une certaine manière sur un site spécifique. »

Il a ajouté qu'il ne s'agit pas d'un événement inhabituel dans la nature. "Le changement de forme est très important en biologie", a déclaré Gracias. « Pensez à la façon dont une chenille se transforme en papillon. »

L'autre auteur principal de l'étude, Rebecca Schulman, est professeure adjointe dans le même département. Son groupe de recherche conçoit des matériaux et des dispositifs intelligents à l'aide de techniques issues de la nanotechnologie de l'ADN. "Nous avons été fascinés par la façon dont les cellules vivantes peuvent utiliser des signaux chimiques pour décider comment se développer ou se déplacer et utiliser l'énergie chimique pour s'alimenter", a-t-elle déclaré. « Nous voulions construire des machines capables d'agir de la même manière. Notre technologie de fabrication permet de concevoir des dispositifs très compliqués dans une gamme de tailles. »

Thao (Vicky) Nguyen, un expert de Johns Hopkins en mécanique des polymères et des biomatériaux, a apporté des contributions clés à la recherche et a été co-auteur de l'article. « À l'aide de simulations informatiques, nous avons développé une règle de conception pour transformer le grand gonflement de l'hydrogel en la réponse de changement de forme souhaitée », a-t-elle déclaré. Nguyen est professeur agrégé et boursier de la faculté Marlin U. Zimmerman Jr. au Département de génie mécanique.

Les chercheurs de la faculté Johns Hopkins David Gracias et Rebecca Schulman, à gauche et à l'extrême droite, sont basés au Département de génie chimique et biomoléculaire. Thao (Vicky Nguyen) est du département de génie mécanique. Photos par Will Kirk/Université Johns Hopkins.

Pour confirmer leur capacité à contrôler les cibles d'hydrogel activées, les membres de l'équipe ont utilisé des hydrogels en forme de fleur sensibles à la séquence d'ADN. Dans chaque "fleur", deux ensembles de pétales ont été fabriqués, et chaque ensemble a été conçu pour répondre uniquement à l'une des deux séquences d'ADN différentes. Lorsqu'ils sont exposés aux deux séquences, tous les pétales se replient en réponse. Mais lorsqu'ils ont été exposés à une seule des séquences, seuls les pétales correspondant à cette séquence se sont pliés.

L'équipe a également fabriqué des dispositifs en forme de crabe d'hydrogel dans lesquels les antennes, les griffes et les pattes se sont chacune recroquevillées en réponse à leur séquence d'ADN correspondante. Les dispositifs de crabe sont restés dans leur état activé pendant au moins 60 jours. La forme du crabe a été choisie en l'honneur des fruits de mer populaires servis dans l'État d'origine de l'université, le Maryland.

La nouvelle technologie détaillée dans le Science Le papier est protégé par un brevet provisoire obtenu par l'intermédiaire du bureau Johns Hopkins Tech Ventures de l'université.

Les auteurs principaux de l'article étaient les doctorants Angelo Cangialosi et ChangKyu Yoon. Les co-auteurs comprenaient les étudiants diplômés Jiayu Liu, Qi Huang et Jingkai Guo. Le financement du projet provient du prix W911NF-15-1-0490 du bureau de recherche de l'armée américaine et du prix 221874 du département américain de l'Énergie.

Images en couleur et un bref clip vidéo disponible contact Phil Sneiderman.

Les communiqués de presse de l'Université Johns Hopkins sont disponibles en ligne, tout comme les informations destinées aux journalistes. Pour organiser une interview vidéo ou audio avec un expert de Johns Hopkins, contactez un représentant des médias répertorié ci-dessus ou visitez la page Web de notre studio. Trouvez plus d'histoires de Johns Hopkins sur le Hub.


Discussion

L'utilisation de courtes séquences d'ADNmt dans les études taxonomiques, y compris le « codage à barres de l'ADN » ( Hebert et al., 2003), a été appliquée principalement à des espèces connues, mais au-delà de nouveaux outils d'identification (et des preuves occasionnelles d'espèces cryptiques Hebert et al., 2004a, 2004b Meyer et Paulay, 2005), cela ne porte pas directement sur le statut taxonomique des groupes ( Moritz et Cicero, 2004). Ici, nous avons utilisé des analyses quantitatives des données de séquences pour délimiter les espèces putatives, les informations de séquence elles-mêmes fournissant un cadre pour la taxonomie alpha. La délimitation des espèces reposait sur deux approches principales, y compris des procédures établies basées sur des caractères diagnostiques ( Sites et Marshall, 2003) et une nouvelle procédure basée sur la détection du changement du taux de ramification des lignées. D'autres études ont observé des changements similaires dans les taux de ramification en tant que signatures de la limite de l'espèce (par exemple, Acinas et al., 2004 Barraclough et al., 2003 Cardoso et Vogler, 2005 Hebert et Gregory, 2005 Hugall et al., 2002 Monaghan et al. , 2005 Wiens et Penkrot, 2002). Cependant, à notre connaissance, il n'y a pas eu de tentatives antérieures pour utiliser ces informations dans une procédure quantitative de délimitation des espèces, malgré le développement de méthodes pour le regroupement des séquences ( Blaxter, 2004) et leur mise en correspondance avec des groupes taxonomiques prédéfinis ( Steinke et al., 2005 Matz et Nielsen, 2005).

L'analyse de la longueur des branches repose sur un modèle probabiliste séparant la diversification des espèces (phylogénie) des processus de coalescence (généalogie au sein des espèces). En ce sens, le changement de vitesse de branchement correspond à la frontière insaisissable entre les domaines phylogénétique et tokogénétique de Hennig (1966), indiquant des relations divergentes et réticulées. Notre objectif était de produire une méthode capable d'adapter les approches de la phylogénétique et de la génétique des populations, comme les deux disciplines principales opérant au-dessus et en dessous de cette frontière ( Brower et al., 1996). Dans sa mise en œuvre actuelle, l'approche est basée sur des hypothèses simples telles qu'un modèle à taux de spéciation constant ou une coalescence neutre, bien que celles-ci soient quelque peu assouplies en incorporant le paramètre d'échelle. La procédure a des taux de faux positifs acceptables lorsqu'elle est appliquée à des données simulées en supposant aucune transition dans les taux de branchement et une puissance raisonnable pour les données simulées en supposant des espèces distinctes (Barraclough, non publié). L'approche pourrait être modifiée pour spécifier des modèles détaillés de spéciation, d'extinction et de processus de population, puis pour choisir parmi des modèles concurrents, mais en raison de la gamme déconcertante de scénarios possibles ( Barraclough et Nee, 2001 Charlesworth et al., 2003), cette n'a pas été approfondi ici.

L'analyse de la longueur des branches surmonte deux problèmes principaux des méthodes existantes pour la délimitation quantitative des espèces. Premièrement, l'approche prend en compte l'incertitude des limites des espèces en permettant des intervalles de confiance lors de l'allocation des nœuds définissant les espèces, une propriété souhaitable lorsque les limites des espèces sont faiblement développées ( Hey et al., 2003). Les méthodes d'agrégation des populations ne tiennent pas compte de l'incertitude, mais optimisent plutôt les limites des espèces sur la base d'un critère fixe. D'autres approches récentes basées sur la population prennent en compte l'incertitude (par exemple, Matz et Nielsen, 2005) mais n'ont pas encore été appliquées à la délimitation des espèces en soi plutôt qu'à l'identification de séquences inconnues. Deuxièmement, les méthodes basées sur la longueur des branches n'exigent pas que les populations soient définies a priori avant d'être soumises à des tests d'agrégation ( Davis et Nixon, 1992 Mayden, 1997). Les définitions des unités de population restent problématiques, car elles manquent souvent de limites spatiales ou génétiques facilement discernables (Schaefer, 2006), par exemple lorsque les aires de répartition sont insuffisamment étudiées ou lorsque des formes morphologiquement cryptiques se trouvent dans la même localité géographique. Pour notre étude de Rivacindela nous avons supposé de manière simpliste que les individus collectés sur différents sites appartenaient à des populations distinctes, alors que tous les individus d'un même site étaient considérés comme une population uniforme, à moins que des différences morphologiques ne soient évidentes. Les analyses d'agrégation des populations étant basées sur les définitions a priori des populations, ce type de traitement informel pourrait introduire un facteur d'incertitude majeur dans la délimitation des espèces. L'approche basée sur les branchements est indépendante de la reconnaissance des limites de population. De plus, l'approche permet l'inclusion d'espèces rares représentées par un seul individu, ce qui est problématique dans les concepts d'espèces basés sur la population.

Le temps nécessaire pour atteindre les signatures utilisées pour la reconnaissance des espèces diffère entre ces méthodes. Par exemple, CHA et PAA reposent sur la prédiction selon laquelle des différences de nucléotides fixes sont peu probables entre des échantillons aléatoires d'une même population, mais devraient s'accumuler entre des populations isolées. Dans un modèle neutre de mutation et de dérive génétique, pour un marqueur mitochondrial, le temps attendu jusqu'à la première différence fixée, et donc la capacité de ces méthodes à détecter des espèces isolées, est inférieur à 0,5 Ne générations après l'isolement des populations ( Hey, 1991). La méthode WP repose sur l'hypothèse qu'une population isolée finira par devenir monophylétique par rapport à sa population ancestrale ou sœur. Selon les simulations de la probabilité d'observer une monophylie réciproque, cela devrait se produire à environ 0,7 Ne générations, c'est-à-dire qu'il y a 50 % de chances qu'un locus donné soit monophylétique à ce moment-là (tableau 1 dans Hudson et Coyne, 2002). L'analyse de la longueur des branches proposée ici nécessite en outre que les groupes monophylétiques soient reconnaissables sur les branches de tige plus longues, qui devraient se produire autour de Ne générations après la séparation des lignées ( Hudson et Coyne, 2002). Pour avoir 95 % d'un locus donné affichant une signature donnée, l'intervalle de temps nécessaire sera dans chaque cas plus élevé, par exemple, sur 2Ne générations, pour que des changements dans le taux de branchement se produisent. La méthode finale que nous avons utilisée, basée sur le coefficient de consanguinité, détecte une subdivision génétique significative entre les populations à partir de paires Fst estimations, ce qui n'implique pas de différences fixes ou de monophylie. Par conséquent, cette méthode pourrait détecter des ruptures de flux de gènes plus récentes que les autres, mais risque que les populations avec un flux de gènes partiel soient reconnues comme des entités distinctes : elle constitue une limite supérieure extrême pour le nombre d'espèces dans les analyses basées sur la population.

Le fait que ces méthodes produisent réellement des estimations différentes du nombre de groupes dépendra de la séparation relative des espèces par rapport aux temps de fusion au sein des espèces. Si de nombreuses espèces apparentées ont divergé plus récemment que les temps de fusion les plus anciens des allèles qu'elles contiennent, les méthodes sous-estimeront le nombre d'espèces, délimitant des complexes d'espèces plutôt que des espèces individuelles. Cela affectera plus fortement les méthodes reposant sur la longueur des branches que les méthodes basées sur des états de caractères fixes diagnostiques qui ont une plus grande chance d'identifier des espèces récemment divergentes ou autrement cryptiques, car elles devraient apparaître plus tôt après la divergence (Goldstein et Desalle, 2003). Cependant, dans le cas présent, des estimations très similaires du nombre d'espèces et des limites d'espèces ont été obtenues avec l'une ou l'autre méthode, démontrant la robustesse des données aux différentes approches quantitatives de la délimitation des espèces. Les différences qui se sont produites reflètent les effets opposés de la divergence cryptique au sein de la population détectée par l'analyse des taux de branchement d'une part, et la reconnaissance d'une divergence plus récente par des méthodes basées sur la population d'autre part. De plus, l'analyse des taux de ramification menée sur des lignées monophylétiques ne reconnaîtra pas les espèces paraphylétiques, tout en s'appuyant également sur la reconstruction correcte de l'arbre. On peut soutenir que la meilleure tâche finale serait d'intégrer les approches de longueur de branche et la méthode PAA (car elle n'est pas basée sur la topologie et donc un arbre « correct ») et de reconnaître 54 espèces putatives.

Aucune des deux approches ne reconnaîtrait des variantes écologiques récemment dérivées. Par exemple, R. eburneola est une espèce incapable de voler du lac Gilmore, qui n'a été séparée par aucune des méthodes d'ADN comme distincte de l'espèce coexistante, mais qui a volé et qui est morphologiquement et écologiquement distincte R. nr. blackburni. Ce formulaire doit clairement être ajouté au décompte des Rivacindela espèce. L'exemple a donc démontré que les méthodes basées sur l'ADNmt peuvent être conservatrices par rapport aux techniques morphologiques classiques de différenciation des espèces, contrairement aux préoccupations largement répandues (voir Agapow et al., 2004). De plus, les espèces délimitées par l'ADN étaient généralement congruentes par rapport à l'attribution d'espèces fondée sur la morphologie dans les cas où des noms avaient été attribués aux spécimens lors des identifications préliminaires (tableau S1), ce qui dissipe les inquiétudes selon lesquelles les taxonomies fondées sur l'ADN entraînent une division excessive de l'existant. variation.

Même si R. eburneola était le seul cas évident où les différences morphologiques majeures ne coïncidaient pas avec les groupes définis par l'ADNmt, une variation mineure a été observée dans l'identification morphologique informelle au cours du travail sur le terrain qui était également en désaccord avec l'ADN (tableau S1). Cela soulève la possibilité d'histoires de gènes et d'espèces incongrues, en particulier à la lumière de la forte propension signalée au flux de gènes d'ADNmt entre des groupes séparés par ailleurs ( Funk et Omland, 2003 Hudson et Coyne, 2002 Seberg et al., 2003 Will et Rubinoff, 2004). Sans autre analyse morphologique ou séquençage des loci nucléaires, l'ampleur de ce problème dans Rivacindela est difficile à évaluer. Cependant, la grande fidélité de la distribution géographique des groupes basés sur l'ADN et des anciens bassins fluviaux (Fig. 6) fournit des preuves claires contre la dispersion de l'ADNmt, en particulier au cours du dernier ∼ 700 Ky puisque la plupart de ces espèces ont été séparées. Dans toutes les espèces d'Australie occidentale, nous n'observons que deux cas de grappes distinctes bien échantillonnées dans l'analyse de la longueur des branches (individus du site GY dans le clade 30 et individus du site DE dans le clade 28, les individus DE étant un groupe diagnosticable dans la PAA) où une ou plusieurs séquences étaient intégrées dans une population « étrangère », c'est-à-dire dans un bassin fluvial différent de toutes les autres séquences au sein du groupe. Par conséquent, dans Rivacindela la large congruence de la distribution de l'ADNmt avec les caractéristiques biogéographiques du paysage est la preuve de leur pertinence biologique.

Le modèle géographique indique fortement que la spéciation vicariante est la cause des distributions de l'aire de répartition, avec seulement une dispersion occasionnelle entre les systèmes de drainage, conformément à l'histoire paléoclimatique de la région. Lacs salés éphémères de l'intérieur de l'Australie formés par la fragmentation des paléo-bassins de drainage qui existaient avant l'aridification du continent à partir du Miocène (van de Graaff et al., 1977). Les anciens bassins proposés sont restés bien préservés en raison de la stabilité tectonique et de la lente érosion et sédimentation dans la région (van de Graaff et al., 1977). La date de la transition de l'espèce à la population ( Fig. 4) coïncide étroitement avec les changements des argiles lacustres aux évaporites et aux sédiments dunaires estimés s'être produits entre 400 et 700 Kya dans un changement final à l'aridité actuelle dans les climats régionaux ( Pillans et Bourman, 2001). This would indicate that species formation in Rivacindela was a direct result of the fragmentation of their habitat near edges of the disappearing river systems.


A new way to create 'soft robots'—DNA triggers that cause hydrogels to change shape

Image caption: Inside the lab with David Gracias, Vicky Nguyen, and Rebecca Schulman

Credit: Will Kirk / Johns Hopkins University

Biochemical engineers at Johns Hopkins University used sequences of DNA molecules to cause water-based gels to change shape, demonstrating a new tactic to produce soft robots and "smart" medical devices that don't rely on cumbersome wires, batteries, or tethers.

The research, supervised by three faculty members in the university's Whiting School of Engineering, is detailed online today in the journal Science.

Image caption: The team members reported that their process used specific DNA sequences called "hairpins" to cause a centimeter-sized hydrogel sample to swell to 100 times its original volume. The reaction was then halted by a different DNA sequence, dubbed a "terminator hairpin." This approach could make it possible to weave moving parts into soft materials, which, the researchers said, could someday play a role in creating smart materials, metamorphic devices, complex programmed actuators, and autonomous robots with potential marine and medical applications. To control how shape-shifting occurs in different parts of the target hydrogel, the researchers took a cue from the computer industry. They employed a photo-patterning technique similar to the one used to make tiny but intricate microchips. Various biochemical patterns embedded in different regions of the gel were designed to respond to specific DNA instructions to cause bending, folding, or other responses. "DNA sequences can be thought of as an analog to computer code," said David Gracias, a professor in the university's Department of Chemical and Biomolecular Engineering, and one of two senior authors of the Science article. "Just as computer software can direct specific tasks, DNA sequences can cause a material to bend or expand in a certain way at a specific site." [img size="medium" align="left"]

This is not an unusual occurrence in nature, he added.

"Shape changing is very important in biology," Gracias said. "Think about how a caterpillar turns into butterfly."

To confirm their ability to control which hydrogel targets were activated, team members used DNA sequence-responsive flower-shaped hydrogels. In each "flower," two sets of petals were fabricated, and each set was designed to respond only to one of two different DNA sequences. When exposed to both sequences, all of the petals folded in response. But when they were exposed to just one of the sequences, only the petals matched to that sequence folded.

The team also fabricated hydrogel crab-shaped devices in which the antennae, claws, and legs each curled up in in response to their matching DNA sequence. The crab devices—a shape selected in honor of the popular seafood for which Maryland is known—remained in their actuated state for at least 60 days.

"We've been fascinated by how living cells can use chemical signals to decide how to grow or move and use chemical energy to power themselves," said Rebecca Schulman, the study's other senior author and an assistant professor of chemical and biomolecular engineering. "We wanted to build machines that could act in a similar way. Our fabrication technology makes it possible to design very complicated devices in a range of sizes."

Vicky Nguyen, a Johns Hopkins expert in the mechanics of polymers and biomaterials and an associate professor in the Department of Mechanical Engineering, provided key contributions to the research and was a co-author of the paper.


Caterpillar color patterns are determined by a two-phase melanin gene prepatterning process: new evidence from tan et laccase2

SOMMAIRE The larval color patterns in Lepidoptera exhibit splendid diversity, and identifying the genes responsible for pigment distribution is essential to understanding color-pattern evolution. The swallowtail butterfly, Papilio xuthus, is a good candidate for analyzing marking-associated genes because its body markings change dramatically at the final molt. Moreover, the silkworm Bombyx mori is most suitable for identification of lab-generated color mutants because genome information and many color mutants are available. Here, we analyzed the expression pattern of 10 melanin-related genes in P. xuthus, and analyzed whether these genes were responsible for Bombyx larval color mutants. We found that seven genes correlated strongly with the stage-specific larval cuticular markings of P. xuthus, suggesting that, compared with Drosophile, more genes showed marking specificity in lepidopteran larvae. We newly found that the expression of both tan et laccase2 is strongly correlated with the larval black markings in both P. xuthus et B. mori. The results of F2 linkage analysis and mutant analysis strongly suggest that tan is the responsible gene for Bombyx larval color mutant rouge, and that tan is important in emphasizing black markings of lepidopteran larvae. Detailed comparison of temporal and spatial expression patterns showed that larval cuticular markings were regulated at two different phases. Marking-specific expression of oxidizing enzymes preceded the marking-specific expression of melanin synthesis enzymes at mRNA level, which is the reverse of the melanin synthesis step.

Figure S1. Neighbour joining tree of Tan, Laccase2, Black, Purple, and related genes based on their amino acid sequences. The numbers at the tree nodes represent the bootstrap values. The scale bars indicate the evolutionary distance between the groups. Boxes indicate the P. xuthus orthologs. The sequences used to create the diagram were listed in supporting information Table S1.

Figure S2. (A) RT-PCR analyses for marking specificity of ten melanin related genes in epidermis during the 4th molt in P. xuthus. Epidermis was separated four parts as indicated above. T: thoracic segments with no marking, E: eyespot, A: abdominal segments with no marking, V: V-shaped markings. Numbers indicate hours after HCS. (B) Spatial expression of le noir, violet, et PAH mRNA in P. xuthus larva during 4th and 3rd molts. The pigmentation patterns of each region of the fifth or fourth instar are shown left. Numbers in each panel indicate hours after HCS. Scale bars: 1 mm.

Fig. S3. Alignment of tan cDNA sequences between p50T and ro souches. Conserved nucleotides are highlighted in black. Primer positions are indicated by red arrows. The position of each exon is also described.

Fig. S4. RT-PCR and genome PCR of tan gene in wild type and ro/ro mutant. The DNA-size marker is shown to the left. Primer positions are indicated by arrows (see also supporting information Fig. S3). Asterisks: non-specific bands. Primer sets to the cDNA of the tan gene are shown in supporting information Fig. S3. We designed primer sets (GS2: 5′-CTGACTACCTCTCTGAAGTGTTC-3′, GAS3: 5′-TCTGTATAGTCCTACAGCAACGC-3′, and GAS7: 5′-AGTTTAGTAGACAGAACTTACCACA-3′) to the genome DNA of the tan gene (primer positions are indicated by arrows below).

Fig. S5. Alignment of Tan orthologs between B. mori, P. xuthus, et D. melanogaster. Conserved residues are highlighted and functionally or structurally similar residues are shadowed. Green arrow indicates the protein region disrupted in ro mutant, and red bracket indicates the conserved auto-processing site at which pro-IAT is cleaved between glycine and cysteine. The position of each exon is also described.

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Discussion

This study generated a DNA barcode reference library for 96% of the North American butterfly fauna (814 of 846 species) with an average of 18 records per species. This level of sampling captured 67% of the estimated haplotype diversity, but at least 4,705 haplotypes await detection. The present library was effective in assigning newly encountered specimens to either a species or to a small number of closely allied species. Because butterflies are key bioindicators (Syaripuddin, Sing & Wilson, 2015) and umbrella species (New, 1997), this library facilitates their use in tracking the impacts of habitat loss, fragmentation, and climate change. Along with the reference barcodes available for other taxonomic groups (Ratnasingham & Hebert, 2007), the present work also provides a basis for exploring species interactions.

Above LGM and alpine/subalpine Across LGM Below LGM Le total
Papilionidae 2/7 (28.6%) 3/11 (27.3%) 2/13 (15.4%) 7/31 (22.6%)
Pieridae 16/18 (88.9%) 8/15 (53.3%) 1/33 (3%) 25/66 (37.9%)
Hespériidés 3/11 (27.3%) 10/62 (16.1%) 8/132 (6.1%) 21/205 (10.2%)
Lycaenidae 9/15 (60%) 14/54 (25.9%) 15/68 (22.1%) 38/137 (27.7%)
Riodinidae 0 1/3 (33.3%) 1/15 (6.7%) 2/18 (11.1%)
Nymphalidés 8/39 (20.5%) 19/70 (27.1%) 3/64 (4.7%) 30/173 (17.3%)
Le total 38/90 (42.2%) 55/215 (24.9%) 30/325 (9.2%) 123/630 (19.5%)

The sequence records analyzed in this study were mainly obtained during two ways. The first approach involved the collection of fresh material and lasted about two decades (2000–2019), while the latter spanned three years (2015–2017) and consisted of the targeted analysis of specimens held in two major natural history collections—the Smithsonian’s National Museum of Natural History and the Canadian National Collection. Previous studies on Lepidoptera, largely regional in scale, indicated that most species are separated from their nearest neighbor by a barcode gap (e.g., Janzen et al., 2005 Hajibabaei et al., 2006 Lavinia et al., 2017). Increased geographical coverage should lead to higher intraspecific genetic variation as a result of the isolation-by-distance effect (Wright, 1943), and reduced interspecific divergences as more species are analyzed (Avise, 2000). Both factors should reduce the difference between intra- and inter-specific divergence. It needs emphasis that exceptions to this model were observed in butterflies and that narrow suture zones with high diversity alternate with extended regions with little variation (e.g., Gompert et al., 2010 Dapporto et al., 2019 Platania et al., 2020). This continental-scale study revealed that average maximum CO1 divergences within species was nearly four times less than the average minimum distance to the nearest neighbor. Reflecting this fact, 76% of the species displayed a barcode gap ensuring their unambiguous identification. Identification of specimens using the criterion of monophyly raised identification success as 80% of North American butterfly species formed a monophyletic cluster. These results approximate those obtained in a study of European butterflies where monophyly was met for 94% of species at a regional level (Iberia) (??2 = 23.1 p-value <0.001) versus 85% for the continent (Dincă et al., 2015) (??2 = 2.71 p-value = 0.099). As the European study only considered approximately 60% of the fauna, the proportion of monophyletic species is likely to decline with increased coverage. In a study examining how increased geographic scale affected the barcode gap in Asian butterflies, Lukhtanov et al. (2009) found that the barcode gap decreased with distance, but that species resolution was nearly unaltered. Interestingly, they showed that monophyly, unlike the barcode gap, was less affected by geographic coverage. The evidence for reduced identification success in the present study is likely explained, at least in part, by the 5-fold higher sampling effort (18 specimens/species) than in Lukhtanov et al. (2009) (3 specimens/species). Although the presence of a barcode gap or monophyly are sufficient conditions to ensure the correct assignment of a sequence to its correct species, these are not essential criteria. For example, a species whose component sequences are paraphyletic or polyphyletic can meet neither criteria, but can be perfectly diagnosable (Ross, Murugan & Li, 2008 Bergsten et al., 2012).

Because the capacity of DNA barcoding (Ratnasingham & Hebert, 2007) to deliver a correct identification ultimately depends upon the presence of diagnostic (or a diagnostic combination of) characters, sequence sharing by species indicates that their discrimination will be compromised. This study revealed that 15% of North American butterfly species share their DNA barcodes with another species. Work on European butterflies revealed 3% barcode sharing at a regional level (Iberia), and 7% at a continental scale (Dincă et al., 2015). Although the latter value is about half that observed for North America (??2 = 12.6 p-value <0.001), it was inferred based on 60% of the European fauna and more comprehensive taxonomic and geographic coverage will almost certainly increase the incidence of barcode sharing for European butterflies. Because the level of barcode sharing does not only depends on geographic coverage, it is important to ascertain the factors underlying this pattern. First, both the incomplete sorting of ancestral polymorphisms and introgression can lead to barcode sharing, particularly between recently diverged species. The former factor should be less important for mitochondrial than nuclear genes because their lower effective population size facilitates the loss of ancestral polymorphisms. The impact of introgression is more controversial. Although Haldane’s rule predicts that the heterogametic sex (females in Lepidoptera) of hybrid individuals is not likely to pass on mitochondrial DNA (Haldane, 1922), introgression has often been reported in butterflies (e.g., Sperling, 1993 Gompert et al., 2006 Wahlberg et al., 2009). This could be explained by a more general hypothesis, broadly applicable to all organisms, suggesting that low purifying selection on introgressed mitochondrial genes favours the transfer of these elements (over nuclear ones) across species boundaries ( Harrison, 1993). Another feature that facilitates contact between closely related lineages, increasing the likelihood for introgression, is the high dispersal capability of some butterflies (Stevens, Turlure & Baguette, 2010). Second, although butterflies possess a relatively well-established taxonomy, recent studies have exposed taxonomic uncertainty including cases of over-split species (e.g., Vila et al., 2010). Such unrecognized cases of synonymy can produce barcode sharing. Third, although the specimens examined in this study were identified by specialists, DNA barcode results revealed a number of misidentifications. In other cases, the discrimination of morphologically similar species is so difficult that diagnostic characters might have been misinterpreted inflating the incidence of barcode sharing. A full investigation of the roles played by these three factors is beyond the scope of this study, however, an exhaustive study of 42,000 specimens representing nearly 5,000 species of European Lepidoptera showed that just 40% of non-monophyletic species were generated by biological factors (i.e., introgression, incomplete lineage sorting) while 60% reflected methodological problems such as misidentifications (Mutanen et al., 2016).

The incidence of barcode sharing in North American butterflies varies nearly 5-fold with latitude, being far higher among species found in the North/alpine (42%) than at Mid-latitude (25%) or South (9%) locales. A similar pattern was evident for 1541 North American noctuoid moth species as the Canadian fauna showed 10% barcode sharing (Zahiri et al., 2014), versus 7% for the continent (Zahiri et al., 2017).

Although the main scope of this work was to build a comprehensive barcode library for the identification of North American butterflies, effort was made to capture diversity from regions where contact zones, hybrid zones, and phylogeographic breaks congregate (Swenson & Howard, 2005). This strategy aimed to maximize the recovery of haplotype diversity, yet ascertainment bias is inevitable and likely impacted both geography (Yang, Ma & Kreft, 2013) and taxonomy (Troudet et al., 2017). While under-sampling can exaggerate the sequence divergence between species, comprehensive knowledge of intraspecific diversity will decrease interspecific distances and expose barcode sharing (e.g., Wiemers & Fiedler, 2007 Dasmahapatra et al., 2010). Our sample sizes were similar (40 specimens/species) for two regions (North/alpine, Mid-latitude), but lower in the South (16 specimens/species). However, iNEXT indicated that similar proportions of CO1 diversity were recovered from each bioregion (66%—North/alpine, 64%—Mid-latitude, 71%—South). Although iNEXT brings statistical rigor to such estimates, its accuracy closely depends on sampling quality. For instance, under-sampling biodiversity hotspots would give the illusion of low diversity and inflate estimates of sampling completeness. This result suggests that the observed differences in barcode sharing are not an artefact of varied sampling coverage. This pattern could well reflect the different exposure of species in each bioregion to the impacts of Quaternary glaciation (Hewitt, 1996). Species in northern regions could have experienced recurrent cycles of isolation in glacial refugia, leading to subsequent opportunities for secondary contact and mitochondrial exchange (Hewitt, 2000). Moreover, the small size of the populations at the leading edge of the species distribution might aid the fixation of introgressed mitochondria (Kingman, 1982). Another consequence of rapid expansion into deglaciated habitats would be low density at the leading edge. This situation can create difficulties in finding a conspecific mate and can weaken isolating mechanisms (e.g., Shelly & Bailey, 1992 Alatalo et al., 1998 Willis, Ryan & Rosenthal, 2011), leading to heterospecific mating and introgression (e.g., Wirtz, 1999 Randler, 2002). Not only scarcity of conspecifics could favor hybrid formation, but it could also enhance their persistence because of decreased competition with parental populations (Arnold, 1997).

Aside from this latitudinal pattern, barcode sharing varied nearly 4-fold among butterfly families (??2 = 25.13 p-value <0.001), from 10% in Hesperiidae to 38% in Pieridae. Interestingly, a similar pattern was also observed at lower taxonomic rank, among genera, where the incidence of barcode sharing showed a weak and non-significant correlation with the number of species in a genus suggesting taxonomic localization. Le genre Colias (Pieridae) was particularly impacted as all 22 species shared at least one of their barcode sequences with another species (Table S2), perhaps reflecting their recent radiation (Chew & Watt, 2006 Wheat & Watt, 2008). Not only this pattern explains the introgression of haplotypes between hybridizing species such as C. eurytheme/C. phildice in the eastern USA (Gerould, 1946 Jahner, Shapiro & Forister, 2011), and C. eurytheme/C. eriphyle in the west (Taylor Jr, 1972), but it also lays the foundation for operational issues such as misidentifications reflecting the unsettled taxonomy of the genus (Wheat & Watt, 2008).

DNA barcoding combined with species delimitation methods enables rapid, cost-effective surveys of biodiversity. While this is particularly beneficial for poorly-studied taxonomic groups, it can also disclose overlooked diversity in well-studied taxa. BIN analysis indicated that ∼11% of North American butterfly species (6.8% Splits, 4.6% Mixture) were split into two or more entities. The incidence of such cases mirrors values (9–12%) reported in prior studies on Lepidoptera (Huemer et al., 2014 Zahiri et al., 2014). GMYC analysis showed an even higher discordance with current taxonomy, showing that about 17% of species (7.8% Splits, 9.1% Mixture) potentially involve overlooked diversity. Interestingly, when the same approach was applied to 60% of European butterfly species, there was even higher discordance (28%) (Dincă et al., 2015). It is probable that the varied habitats in the Mediterranean basin (Blondel et al., 2010), coupled with the presence of southern refugia during the Pleistocene (Schmitt, 2007), created more genetic structure and/or speciation in Europe (Vodă et al., 2016 Dapporto et al., 2019 Scalercio et al., 2020). Employing a fixed divergence threshold (2.5%), about 10% of North American butterfly species exceeded this criterion. Similar values (8–12% with a 2% threshold) have been reported in other studies on Lepidoptera (Huemer et al., 2014 Zahiri et al., 2014). Based on these results, it is likely that a considerable number of cryptic species await description or that Evolutionary Significant Units (ESUs) within species deserve protection (Avise, 1989). Detailed studies (e.g., nuclear genetic, morphological, ecological) (DeSalle, Egan & Siddall, 2005) should be undertaken on these lineages (Polasky & Solow, 1999).


Matériel et méthodes

Collecting Information and DNA Procedures

Specimens were sampled at the edges of temporal salt lakes and salt flats in the Provinces of Western Australia, South Australia, and the Northern Territory during two expeditions in 2001 and 2003. Several of these sites were surveyed for cicindelids for the first time, and collections produced many apparently undescribed species and variants ( Fig. 1). Specimens were placed directly into absolute ethanol after cursory identification in the field. Up to six individuals (more in a few cases) from each locality were sequenced, plus an additional set of up to six individuals if obvious morphologically different forms were recognized during field work at a given site or where individuals were obtained in different years or at multiple adjacent sites on the larger lakes (Supplementary Table S1 http://systematicbiology.org). This sampling regime was thought to be a good reflection of the total diversity encountered at the various collecting sites capturing species-level groups and their internal variation, given the absence of a thorough taxonomic treatment, while keeping the sequencing effort to a minimum. In total, 468 specimens assigned to 108 local sets of individuals (65 sites, plus morphologically distinct forms and samples from repeat visits of a site) were included in the analysis.

Map of 65 collecting sites. The distribution of four widespread species is shown as different symbols (species 1, light grey circles species 11, black triangles species 29, white boxes species 35, dark grey diamonds). Detailed collecting information is provided in Supplementary Table S1.

Map of 65 collecting sites. The distribution of four widespread species is shown as different symbols (species 1, light grey circles species 11, black triangles species 29, white boxes species 35, dark grey diamonds). Detailed collecting information is provided in Supplementary Table S1.

Nondestructive DNA extraction was performed using a Qiagen DNeasy kit. Whole specimens were soaked overnight in extraction buffer at 37°C, with small perforations made to the side of the abdomen and DNA extracted from the supernatant. Damage to specimens (some of them to be holotypes in future species descriptions) was minimal, and softness of specimens was maintained if transferred to 70% ethanol after the extraction. Vouchers will be maintained as pinned dry specimens in the W. D. Sumlin personal collection. Amplification of three mtDNA regions from the cytochrome oxidase subunit 1 (cox1), cytochrome b apoenzyme (épi), and 16S ribosomal RNA (rrnL) plus adjacent regions, was generally successful with well-established oligonucleotides ( Pons et al., 2004) but required newly designed cox1 et rrnL primers in some cases, the latter to avoid coamplification of a nuclear paralog ( Pons and Vogler, 2005). (The genetic nomenclature in this paper follows Boore, 2001). Primer combinations for each region are given in Supplementary Table S2. PCR fragments were sequenced in both directions on an ABI377 automated sequencer. The sequences reported in this paper have been deposited in GenBank under accession nos. AJ617921–AJ618351 (cox1), AJ618352–AJ618766 (épi), AJ619087–AJ619548 (rrnL). In addition, three species of Australian cicindelids established to be closely related to Rivacindela based on a wider survey of Cicindela sensu lato (unpublished) were used as outgroups (AJ831553–AJ831564). The data and tree files have been uploaded at Treebase under SN2798-10988.

L'analyse des données

Statistical parsimony analysis was carried out with TCS version 1.3 software ( Clement et al., 2000) using only individuals with complete sequence information for all three genes. Where a separate lake sample did not include at least one specimen with complete sequence information (listed in parentheses in Table S1), these were assigned to the networks based on their phylogenetic position in standard parsimony analysis (below). Statistical parsimony analysis partitions the data into independent networks of haplotypes connected by changes that are non-homoplastic with a 95% probability ( Templeton, 2001). Intragroup and pairwise intergroup divergences were calculated with Mega version 2.1 (http://www.megasoftware.net) using p-distances. Fst et P values at 0.05 significance were calculated from pairwise differences in Arlequin 2.0 (http://lgb.unige.ch/arlequin).

Parsimony tree searches on the complete data set were conducted using PAUP*4.0b10 ( Swofford, 2002) with 40 independent runs and 200 ratchet iterations ( Nixon, 1999) each, with 15% of characters reweighted using the default settings of the PAUPRat script (http://www.ucalgary.ca/

dsikes/software2.htm). The preferred topology was selected among an initial set of parsimony trees, from which one was selected according to the Shimodaira-Hasegawa (SH) test under a GTR+I+Γ likelihood model and used as starting tree for an ML search in PAUP*4.0b10. The ML search was conducted on a desktop computer for 3 days testing a total of 18,622 rearrangements. Where nodes were consistent with the ML tree, bootstrap values were given based on parsimony analysis obtained by searching 100 pseudoreplicated data sets (generated using SEQBOOT in Phylip 3.57) using the ratchet. A strict consensus tree was created from these trees for each pseudoreplicate, and the 100 strict consensus trees each representing a bootstrap replicate were used to create a 50% majority rule consensus tree providing the support values. Relative ages of nodes were estimated using the r8s software ( Sanderson, 2002) by fitting branch lengths of an ML tree using penalized likelihood and a smoothing parameter of 10, chosen as optimal by cross-validation. Absolute ages were estimated setting the split of R. aurifodina (sample 204) and R. salicursoria (sample 208) to 3.2 Mya ( Pons et al., 2004). This was based on an estimate from a phylogeny of worldwide lineages of Cicindela sensu lato calibrated from biogegraphic evidence in North American lineages which included only these two species to represent Rivacindela ( Barraclough and Vogler, 2002). Sequence divergence between individuals of these species was 6.0% (SD 0.14%) and hence the estimate corresponds closely to the widely used insect mtDNA molecular clock calibration of 2.3% per My ( Brower, 1994). Lineage-through-time analyses were obtained as a semilogarithmic plot of the number of lineages against time since the first bifurcation ( Nee et al., 1992).

Species Delimitation

Different quantitative methods for species delimitation were applied, implemented by visual inspection of the variable nucleotide positions and trees derived from these. These procedures were conducted only within the independent networks defined in the statistical parsimony analysis, greatly reducing the complexity of scoring separated groups. Population profiles of character variation were established according to Sites and Marshall (2003) as the basis for PAA ( Davis and Nixon, 1992) and CHA ( Brower, 1999), the latter by assessing variable characters on the likelihood tree shown below. The WP method also used this tree to delimit “exclusive” populations, defined as the monophyly of geographically restricted genotypes to the exclusion of clades elsewhere. Fst values were used for aggregating samples with non-significant pairwise Fst, in analogy to the grouping of populations under PAA (Supplementary Fig. S1).

Analyses of mtDNA Branching Times

A statistical model was developed to test for the predicted change in branching rates at the species boundary. The overall aim of the procedure is to classify the observed branching time intervals defined by the nodes in a clock-constrained phylogram to either being the result of inter-specific (“diversification”) or intraspecific (“coalescent”) processes of lineage branching ( Fig. 2). A full description of the model and its performance on simulated trees will be provided elsewhere (Barraclough, unpublished).

Schematic illustration of the waiting times in a calibrated tree and the numbers of lineages present for each type of diversification process (interspecies diversification and within-species coalescence) during each waiting interval. Branches are categorized as either between species (thin lines) or within species branching (bold lines) according to the procedures described in Material and Methods.

Schematic illustration of the waiting times in a calibrated tree and the numbers of lineages present for each type of diversification process (interspecies diversification and within-species coalescence) during each waiting interval. Branches are categorized as either between species (thin lines) or within species branching (bold lines) according to the procedures described in Material and Methods.

This MYC model can be fitted to an ultrametric tree by maximizing the sum of the log-likelihoods of waiting times across the entire tree. A key step is fitting the location of the switches from speciation to coalescent nodes i.e., the most recent common ancestral node defining each species. The simplest approach is to assume that there is a threshold time, T, before which all nodes reflect diversification events and after which all nodes reflect coalescent events. Species in this model are thus delimited by the descendent nodes of branches crossing the threshold. T can be optimized to find the maximum likelihood solution and hence to estimate the number of species. Note that this approach does not assume that all species have the same age of their most recent common ancestor, which would not be the expected even under an equal population size model, but rather that the most recent diversification event occurred before the oldest within-species coalescent event. Approximate 95% confidence intervals for the parameters can be calculated by finding solutions with 2 log-likelihood units of the maximum ( Edwards, 1972).

To test whether there is significant evidence for the predicted transition in branching rates, the likelihood for the threshold model can be compared to that obtained assuming no threshold i.e., a single branching process for the entire tree (k = 0). Assuming initially that all species have the same effective population size, the threshold version of the MYC model introduces two additional parameters compared to the null model: an additional branching rate parameter, λ2, et T. A standard log-likelihood ratio test can be used to assess whether the alternative model provides a significantly better fit than the null model of no such shift in branching process: twice the difference in log-likelihood is expected to be chi-square distributed with 2 degrees of freedom ( Goldman, 1993). Failure to reject the null model could have several explanations. First, the clade might in fact represent a single species (unlikely in the present case). Second, the observed branching rate within species depends on the number of individuals sampled per species: small samples per species will weaken the power to detect the transition. Conversely, incomplete sampling at the species level would reduce the apparent branching rate in λ1. Third, some combinations of actual branching processes will also make it harder to detect the transition for example, a combination of fast speciation rate and large population sizes.

We call this the general mixed Yule coalescent (GMYC) model. Les pj represent scaling parameters that can be optimized during model fitting. Interpretation depends on which class of branching events are considered. The scaling parameter for the diversification process, pk + 1, provides similar information to the gamma statistic of Pybus and Harvey (2000). pk + 1 = 1 represents a constant speciation rate model with no extinction. pk + 1 > 1 indicates an apparent increase in diversification rate towards the present, which might reflect, for example, a real increase in speciation rate or the effects of constant background extinction ( Barraclough and Nee, 2001 Nee, 1994). pk + 1 < 1 represents an apparent decrease in diversification rate towards the present, which might reflect, for example, a real slow-down in speciation or the effects of incomplete sampling of species within the clade ( Nee et al., 1994b Pybus and Harvey, 2000). The scaling parameters for the coalescent processes within each species are interpreted differently. pj = 1 represents a neutral coalescent model. pj < 1 indicates a relative deficit of recent coalescent events, expected, for example, if populations were growing in size or experiencing balancing selection ( Nee et al., 1994). pj > 1 indicates a relative excess of recent coalescent events, expected, for example, if all populations were declining in size, following a recent selective sweep affecting the marker or if there is further population structure within the species. Hence, optimizing across possible values of p for both classes of branching events relaxes the assumptions of the method and can provide pointers for further analyses to explore possible causes for departure from the simplest model.

Code implementing the model in R using functions from the APE library is available from TGB. First, we visualized the waiting time data by plotting the log of the number of lineages through time ( Nee et al., 1992). A transition in branching rates should be visible as a sudden increase in slope of the plot towards the present. Second, we ran the threshold version of the GMYC model on the calibrated ultrametric tree of Rivacindela. Third, we compared the likelihood to that obtained assuming a single branching process for the tree. For the GMYC model, assuming all species have the same parameter values, the threshold model has five parameters (λ1, λ2, p1, p2, et T), whereas the null model has two (λ1 et p1) hence, there are three degrees of freedom for the comparison.


For the first time ever, a team led by the University of Colorado Boulder has sequenced the internal bacterial makeup of the three major life stages of a butterfly species, a project that showed some surprising events occur during metamorphosis.

The team, led by CU-Boulder doctoral student Tobin Hammer, used powerful DNA sequencing methods to characterize bacterial communities inhabiting caterpillars, pupae and adults of Heliconius erato, commonly known as the red postman butterfly. The red postman is an abundant tropical butterfly found in Central and South America.

The results showed the internal bacterial diversity of the red postman was halved when it morphed from the caterpillar to the chrysalis, or pupal stage, then doubled after the pupae turned into active adult butterflies. The study is important because communities of bacteria inhabiting other insects have been shown to affect host nutrition, digestion, detoxification and defense from predators, parasites and pathogens, said Hammer of the ecology and evolutionary biology department.

“What we saw was that the microbial community simplified and reorganized itself during the transition from caterpillar to pupa,” he said. “Then we saw the diversity double after the adult butterflies had emerged and began going about their business of feeding. That was a little surprising to us.”

A paper on the subject was published online Jan. 23 in the journal PLOS UN. Study co-authors on the paper included CU-Boulder Associate Professor Noah Fierer of the Ecology and Environmental Biology Department and W. Owen McMillan of the Smithsonian Tropical Research Institute in Panama City, Panama. The butterflies were collected at a field site in Gamboa, Panama, and data analysis was done at CU-Boulder.

The collection of microorganisms on a single animal, collectively known as the microbiome, has become important because such bacterial groups have been found to affect metabolic and developmental processes from food digestion and vitamin synthesis to possible brain function, say experts. While the average human is made up of about 1 trillion cells, scientists now estimate each of us has a staggering 10 trillion bacteria — essentially 10 bacteria for every human cell, Hammer said.

“Butterflies are ecologically and scientifically important, and their transformation from caterpillar to chrysalis to winged adult is one of the most remarkable phenomena of the natural world,” he said. “But almost nothing had previously been known about what kind of internal microbes they have and how they change over the butterfly life cycle.”

One reason to study the microbial makeup of caterpillars has to do with the potential damage caterpillars can do to crops, said Hammer, who is pursuing a doctorate at CU in ecology and environmental biology. “People are starting to think about the microbiome of insects as targets for pest control, including insecticides, so we need to know what specific bacteria they contain and how they work.”

Fierer, also a fellow at the Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, or CIRES, said he looks at butterflies as “airborne microbial habitats.”

“The main question raised by this research is what these microbes are doing inside caterpillars and butterflies to influence their health and behavior,” Fierer said. “Now we know that the dramatic shift that occurs as caterpillars turn into active butterflies is matched by large changes in their microbial communities.”

The main motivation for choosing the red postman for study is that its genus is the only one that feeds on pollen, a rich source of amino acids, Hammer said. Most butterflies feed on nectar — essentially sugar water — leading to abbreviated lifespans lasting only days or weeks. But the red postman apparently has found a way to digest and then extract nutrients from pollen grains, likely expanding its lifespan by several months.

“This is a unique trait to this genus and could be mediated by its microbiome,” he said. Pollen feeding also appears to have led to co-evolution between Heliconius and their favorite flowers, which produce extra pollen and less nectar and appear throughout the year to match the butterfly’s unusually long lifespan.

Also, it appears that red postman caterpillars, which acquire nutrients from leaves they consume, are able to divert more resources toward making compounds that are toxic to some predators, Hammer said. Adult red postman butterflies are filled with the same compounds, which release cyanide when the butterfly is eaten.

Hammer collected the red postman butterflies just as one might expect — using a butterfly net. He reached his sites by riding his bicycle from the research station to promising areas of the surrounding rainforest. He said the butterflies, while fairly slow fliers, are marked with specific color patterns that advertise they are toxic to predators. “It’s what we call a ‘shared teaching’ process — some of the butterflies invariably get eaten before predators learn they are toxic,” he said.

Hammer likened the sequencing of the butterfly-associated bacterial DNA to barcoding, the process used to tag grocery store products. Using powerful gene sequencing techniques, the team collected bacterial DNA from the individual caterpillar, pupa and butterfly stages of the red postman, then used the barcoding method to identify the bacterial DNA sequences.

The study also indicated that wild and captive red postman butterflies had different microbiomes, likely due to different diets, he said. CU-Boulder and the National Science Foundation funded the study.


Voir la vidéo: transformation de la chenille en chrysalide (Janvier 2022).