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1 L3S5 - LBO - SVT UE Biodiversité1. TD de PHYLOGENIE MOLECULAIRE LES REPRESENTATIONS PHYLOGENETIQUES 1) Noter que les représentations phylogénétiques s’apparentent à des mobiles en rotation. Baum, Smith et Donovan (2005) Selon l’arbre 1, la grenouille est-elle plus proche de la carpe ou de l’homme ? En quoi l’arbre 2 change-t-il votre point de vue ? 2) Réaliser un parcours évolutif et identifier les ascendances communes. Parmi les noeuds No 1 à 6, lequel matérialise l’ancêtre commun hypothétique des Champignons et des Deutérostomiens ? Que matérialisent les autres noeuds ? (Philippe et al. , 2004)

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L3S5 - LBO - SVT UE Biodiversité1.

TD de PHYLOGENIE MOLECULAIRE

LES REPRESENTATIONS PHYLOGENETIQUES

1) Noter que les représentations phylogénétiques s’apparentent à des mobiles en rotation.

Baum, Smith et Donovan (2005) Selon l’arbre 1, la grenouille est-elle plus proche de la carpe ou de l’homme ? En quoi l’arbre 2 change-t-il votre point de vue ?

2) Réaliser un parcours évolutif et identifier les ascendances communes.

Parmi les noeuds No 1 à 6, lequel matérialise l’ancêtre commun hypothétique des Champignons et des Deutérostomiens ? Que matérialisent les autres noeuds ? (Philippe et al. , 2004)

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3) Apprendre à réenraciner un arbre phylogénétique.

Quel arbre possède une topologie différente des autres, et pour quelle raison?

4) Faire abstraction de l’aspect esthétique des arbres phylogénétiques.

Quel(s) arbre(s) possède(nt) une topologie différente des autres, et pour quelle raison ?

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LA RECONSTRUCTION DES ARBRES PHYLOGENETIQUES

5) Approche phénétique : comparaison des reconstruction d'arbres par les méthodes WPGMA, FITCH et NJ. Les distances suivantes proviennent de l'analyse de données concernant l'ARNr 5S chez les Procaryotes. Elles représentent le pourcentage de substitutions nucléotidiques observé entre chaque paire d’espèces: Bsu Bst Lvi Amo Mlu Bacillus subtilis (Bsu) 0 17 21 31 23 Bacillus stearothermophilus (Bst) 0 30 34 21 Lactobacillus viridescens (Lvi) 0 28 39 Acholeplasma modicum (Amo) 0 43 Micrococcus luteus (Mlu) 0

Bsu et Bst apartiennent aux Firmicutes (Gram+) Bacillaceae, Lvi aux Lactobacillaceae, Mlu au Micrococcaceae; Amo aux Tenericutes Acholeplasmaceae (mycoplasmes). [OlsenG .J, 1988.P hylogenetic analysis using ribosomal RNA. Methods Enzymol.l34:793-838] A) Reconstruire la topologie concernant ces 5 procaryotes, en utilisant la méthode WPGMA. Calculez la somme des carrés des écarts entre distances génétiques et patristiques B) La méthode de reconstruction FITCH a été appliquée à la matrice précédente. Les longueurs de branches obtenues sont données dans l'arbre parenthésé suivant : { [ ( Mlu : 14,0 ; Bst : 6,9) : 5,1 ; Bsu : 4,6] : 6,8; Lvi : 10,6} : 17,4; Amo. La somme des carrés des écarts entre distances génétiques et patristiques est de 18. La méthode de reconstruction Neighbor-Joining (NJ) a été appliquée à la matrice précédente. Les longueurs de branches obtenues sont données dans l'arbre parenthésé suivant : { [ ( Mlu : 14,25 ; Bst : 6,75) : 4,75 ; Bsu : 4,75] : 7,25 ; Lvi: 11,0} : 17,0 ; Amo. La somme des carrés des écarts entre distances génétiques et patristiques est de 15. Comparez ces différentes méthodes phénétiques de reconstruction phylogénétique. C) Quel peut-être l'intérêt de l'utilisation de séquences d'acides nucléiques pour reconstruire des phylogénies chez les procaryotes ? 6) Approche cladistique, caractères morphologiques et classification phylogénétique : Le cormoran des Galapagos se distingue nettement des autres membres de sa famille (Phalacrocoracidæ) dans la mesure où il possède de petites ailes non fonctionnelles, des plumes alaires particulières ainsi qu'un bec massif. Ces caractères semblant si distinctifs, le genre nouveau Nannopterum a été créé pour cette seule espèce. A) Neuf caractères morphologiques ont été étudiés chez 7 espèces de cormorans, dont le cormoran des Galapagos [données tirées de : Siegel-Causey D., 1988. Phylogeny of the Phalacrocoracidae. The Condor

90:885-905]. - Caractères crâniens : A= plateau nasal du prémaxillaire, B = marge postérieure de la

dépression de la glande nasale, C = proéminence préfrontale du mésethmoïde, D = depression tympanique supérieure;

- Caractère mandibulaire : E = insertion du muscle adductus mandibulæ internus pseudotemporalis;

- Caractères appendiculaires: F = Insertion du muscle coracobrachialis postérieur sur I'humérus, G = empreinte brachiale sur l'humérus; H = dépression huméro-ulnaire sur l'ulna; I = fosse ligamentaire interne sur le carpométacarpe.

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Construire le cladogramme le plus parcimonieux pour ces 7 espèces de cormorans à partir du tableau de caractères suivant (0: état ancestral ; 1 : état dérivé) :

Sachant que m est le nombre minimum de changements possibles d’états de caractère à partir de la matrice de données et L la longueur de l’arbre le plus parcimonieux. Calculez: - L'indice de consistance CI : m / L; - L'indice d'homoplasie HI : 1 - CI; B) La classification traditionnelle de ces 7 espèces est la suivante :

Genre Phalacrocorax: Genre Nannopterum: P. africanus N. harrisi P.pygmæus P.penicillatus P.carbo P.auritus P.olivaceus

Confronter la phylogénie établie précédemment à cette classification traditionnelle. Construire une nouvelle classification si nécessaire. 7) L'accès au génome d'une espèce éteinte le quagga. Le quagga (Equus quagga) est un mammifère éteint de l'ordre des Périssodactyles. L'amplification par PCR et le séquençage d'une courte portion d'un gène mitochondrial (cytochrome oxydase I) du quagga permet la comparaison avec les séquences homologues d'espèces actuelles appartenant au même genre: le cheval domestique (Equus caballus), le zèbre de plaine (Equus burchelli antiquorum) et le zèbre des montagnes (Equus zebra hartmannae) [Higuchi et al., 1987. J. Mol. Evol. 5 :283-287]. La vache (Bos taurus), mammifère de l'ordre des Cétartiodactyles est utilisée comme groupe externe. Les séquences alignées des 5 espèces sont les suivantes (les tirets signifient l’identité du nucléotide par rapport à l'espèce de référence);

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1) Après avoir dressé la matrice 5 x 5 des pourcentages de substitutions nucléotidiques entre les séquences des différentes espèces, reconstruisez par l'approche phénétique WPGMA la topologie concernant les 5 espèces.

2) Parmi les sites alignés pour les 5 espèces, déterminer le nombre de sites constants (sites

où n'existe qu'un seul nucléotide), de sites variables (sites où coexistent au moins 2 nucléotides différents) et de sites informatifs (sites où coexistent au moins 2 nucléotides différents, chacun chez au moins 2 espèces différentes). Reconstruisez par l'approche cladistique les relations phylogénétiques entre les 5 espèces. Précisez sur les différentes branches de l'arbre les synapomorphies permettant de regrouper les taxons, ainsi que les autapomorphies propres à chacune de ces lignées.

3) En position 101, la deuxième base du codon est une cytosine chez tous les vertébrés

dont la cytochrome oxydase 1 peut être comparée, mais c'est une thymine chez le quagga. Après la mort de l'animal, une désamination a pu être à l'origine de cette mutation ponctuelle intervenue dans la séquence. Discutez de l'implication de ce phénomène dans les reconstructions d'arbres utilisant des taxons éteints.

. Le code génétique universel.

α = Transition

β = Transversion

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8) L'ADN fossile et le cas des mammouths.

Le mammouth laineux (Mammuthus primigenius, de l'ordre des Proboscidiens) était largement distribué dans le nord de l'Amérique et de l'Eurasie à la fin du Pléistocène. Il y a 5 millions d'années, il partageait un ancêtre commun africain avec les deux éléphantidés actuels : l'éléphant d'Afrique (Loxodonta africana) et l'éléphant d'Asie (Elephas maximus). La réaction de polymérisation en chaîne (PCR) a permis d'amplifier avec succès un fragment d'ADN mitochondrial (ici, les positions 115 à 165 du cytochrome b) à partir d'os provenant de deux mammouths laineux sibériens datés de - 47 000 ans [Hagelberg et al., 1994 Nature 370: 333-334]. L'alignement des séquences homologues de ces différentes espèces est présenté avec les séquences de deux groupes externes, un cétartartiodactyle (la vache : Bos taurus) et un marsupial (l'opossum : Didelphis virginiana). Les tirets signifient l'identité du nucléotide par rapport à la première séquence, et les sites sont numérotés de 1 à 5l : A) Représentez sous forme d'arbre phylogénétique les trois hypothèses évolutives décrivant les relations de parenté entre le mammouth laineux (individus N°l et 2 regroupés ensemble), l'éléphant d'Afrique et l'éléphant d'Asie.

B) Précisez sur les différentes branches de chacun des 3 arbres les synapomorphies permettant de regrouper les taxons, ainsi que les autapomorphies propres à chacune des lignées. Sachant que la longueur d'un arbre est égale au nombre total de pas (i.e. substitutions nucléotidiques) observées sur cet arbre, choisissez le cladogramme le plus parcimonieux. Calculez: - L'indice de consistance CI : m / L; - L'indice d'homoplasie HI : 1 - CI; C) Le phénomène de saturation. Les phénomènes d’homoplasie (convergence et réversion) sont souvent dus aux saturations de sites (multiples mutations à un même site au cours de l’évolution) qui peuvent engendrer l’inférence d’arbres phylogénétiques erronés. Un exemple fréquemment rencontré est celui de l’attraction des longues branches (LBA) où les espèces à évolution rapide ont tendance à être regroupés ensemble bien qu’elles aient des histoires évolutives différentes. À partir de l'alignement de séquences déduisez la matrice des distances génétiques (exprimées en nombre de substitutions nucléotidiques). À partir du cladogramme le plus parcimonieux, déduisez la matrice des distances patristiques (exprimées en nombre de pas). Tracez le graphe qui, pour chaque paire de taxons, donne la distance génétique en fonction de la distance patristique. Pensez-vous que les données étudiées subissent un phénomène de saturation?

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D) Le bootstrap. Trois séries de bootstrap ont été effectuées sur la matrice des 6 taxons / 51 caractères, chacune avec un nombre différent de réplications. De plus, chaque opération de bootstrap a été répétée en 5 exemplaires, et le nombre de fois où le nœud considéré apparaît dans l'arbre de consensus majoritaire ( i.e. le pourcentage de bootstrap BP) a été noté. Commentez les résultats :