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On the chemical and molecular ecology of deceptively pollinated "Arum maculatum" (Araceae)
Résumé La pollinisation est à la base de la diversité de tous les écosystèmes terrestres, et il existe de nombreuses évidences démontrant que les pollinisateurs sont l’un des principaux mécanismes de spéciation des angiospermes (plantes à fleurs). La spéciation peut souvent être liée à la sélection naturelle des caractères reproductifs : la couleur, la forme, la taille et l'odeur des fleurs ont toutes été considérées comme des adaptations essentielles aux pollinisateurs locaux. Cependant, les communautés de pollinisateurs sont rarement homogènes dans l'espace et dans le temps, ce qui peut produire des scénarios complexes d'adaptation ou de maladaptation, d'évolution unilatérale ou de coévolution. Par conséquent, comprendre comment des caractéristiques complexes à multiples fonctions - telles que l'odeur florale - se diversifient sur de vastes distances géographiques est difficile. Les interactions de pollinisation obligatoire spécialisée, au sein desquelles une plante attire un nombre limité d'espèces de pollinisateurs, impliquent généralement l'émissions de composés organiques volatils (COVs) sous forte sélection naturelle. Ces systèmes constituent un modèle utile pour étudier la problématique du maintien d’une interaction spécialisée. Ici, nous avons étudié Arum maculatum (Araceae) comme modèle de notre recherche. Arum maculatum fascine les botanistes depuis longtemps en raison de sa pollinisation par duperie qui mime des sites de ponte : les pollinisateurs sont attirés par une odeur semblable à celle d'une bouse ou de la matière en décomposition et sont temporairement piégés pendant le processus de pollinisation, sans aucune récompense. Des recherches antérieures ont démontré que les deux principaux pollinisateurs de A. maculatum, les moucherons diptères (Psychodidae) Psychoda phalaenoides et P. grisescens, sont majoritairement piégées dans deux régions géographiques d’Europe, ce qui reflète largement les deux clusters génétiques trouvés chez A. maculatum. Dans chapitre 2, nous avons cherché à savoir si ce fonctionnement était le résultat d'adaptations locales de l'odeur des fleurs. En utilisant une analyse comparative à l'échelle européenne, de la variation des COV floraux ainsi qu'une expérience de transplantation, nous avons découvert que la plupart des populations d'A. maculatum présentent des émissions de COVs très variables. Ils sont donc généralement capables d'attirer à la fois P. phalaenoides et P. grisescens. Des données sur les pollinisateurs, avec réplication temporelle, ont révélé que des changements interannuels et décennaux dans la composition des espèces de pollinisateurs sont présents, et peuvent expliquer pourquoi une variation considérable des COV est maintenue au sein des populations. Dans le chapitre 3, nous avons cherché à étudier les bases génétiques de cette variation intraspécifique de l'odeur florale en utilisant le séquençage du transcriptome entier de deux tissus floraux émettant des COV de A. maculatum : l'appendice et les étamines. Ces données nous ont permis d'identifier des transcriptions candidates pour plusieurs COVs inhabituels d'A. maculatum, et ont fourni des informations sur la spécificité du tissu floral de leur production. Les analyses de co-inertie entre les modèles d'expression des transcriptions et les taux d'attraction des pollinisateurs ont également identifié une corrélation entre les émissions de sesquiterpènes par les étamines situées dans la chambre florale à la base de l’inflorescence et l'attraction des pollinisateurs spécifique à l'espèce. Finalement, dans le chapitre 4, nous avons étendu notre échantillonnage des COVs et de génétique pour inclure d’autres espèces d’Arum. Ici, nous avons cherché à caractériser les impacts de la sélection exercée par les pollinisateurs par rapport aux contraintes phylogénétiques sur la variation de l'odeur florale, à des échelles microévolutives (c.-à-d. au sein d’A. maculatum) et macroévolutives (c.-à-d. à l'échelle du genre). En utilisant des méthodes de génotypage par séquençage à haut débit, nous avons identifié des milliers de loci putativement neutres ; ces données ont été utilisées pour confirmer que les COVs sont labiles du point de vue de l'évolution à la fois au sein d'A. maculatum et à l'échelle du genre. Cette adaptabilité chimique peut être la clé pour tromper une gamme large et variable d'espèces de diptères. Même si nous avons identifié les COVs associés à l'attraction des pollinisateurs spécifiques à l'espèce, ainsi que les gènes qui les supportent, la sélection naturelle n'a pas encore fixé ces gènes au sein des populations. Les communautés variables de pollinisateurs dans le temps semblent être un facteur important dans ce fonctionnement, favorisant potentiellement des bouquets d'odeurs floraux diversifiés afin de s'assurer qu'un plus grand nombre d'espèces Psychoda puisse être trompé. Une haute diversité d'odeurs florales est également apparente au niveau du genre, bien que la variation intraspécifique chez d'autres espèces d'Arum doive encore être étudiée. Pris ensemble, les résultats de cette thèse soulignent comment et pourquoi la variation de traits floraux peut persister au sein des populations, même lorsque les interactions de pollinisation sont spécifiques et obligatoires.

Abstract
Pollination is foundational to the diversity of all terrestrial ecosystems, and there is substantial evidence that pollinators are the main driver of angiosperm (flowering plant) speciation rates. Speciation can often be linked to natural selection on reproductive traits: floral color, shape, size, and scent all may represent key adaptations to local pollinator guilds. However, pollinator communities are rarely consistent through space or time, which can lead to tangled patterns of adaptation versus maladaptation, and evolution or coevolution. Consequently, understanding how highly-dimensional traits with multiple functions – such as floral scent – diversify across wide geographic ranges remains a major challenge. Specialized obligate pollination systems, where plants attract a limited number of pollinator species using volatile organic compound (VOC) emissions putatively under strong selection (i.e. with few trade-offs present), are a useful model to address this problem. Here, we used Arum maculatum (Araceae) as the model for our work. Arum maculatum has long fascinated botanists due to its deceptive pollination via brood-site mimicry: pollinators are attracted by a dung-like scent and are temporarily trapped during the pollination process, without any reward. Previous research has demonstrated that the two main pollinators of A. maculatum, the dipteran (Psychodidae) moth flies Psychoda phalaenoides and P. grisescens, were respectively trapped in two main geographic zones in Europe, which mirror the two population genetic clusters present in A. maculatum. In Chapter 2, we investigated whether this pattern was a result of local adaptations in floral scent. Using a combination of Europe-wide surveys of floral VOC variation and pollinator attraction patterns and a transplant experiment, we found that most A. maculatum populations have highly variable VOC emissions, and consequently are capable of attracting both P. phalaenoides and P. grisescens. Temporally replicated pollinator data revealed that inter-annual and decadal changes in pollinator species composition are present, and may explain why considerable VOC variation is maintained within populations. In Chapter 3, we further aimed to investigate the genetic bases of intraspecific variation in floral scent using whole transcriptome sequencing of two VOC-emitting floral tissues in A. maculatum (i.e. the appendix and male florets). These data identified candidate transcripts for several unusual A. maculatum VOCs, and provided insights into the tissue-specific nature of their production. Co-inertia analyses between transcript expression patterns and pollinator attraction rates further identified a correlation between male floret terpene synthases and species-specific pollinator attraction. Finally, in Chapter 4, we expanded our VOC and genetic sampling to include species from across the genus Arum. Here, we aimed to characterize the impacts of pollinator-mediated selection versus phylogenetic constraints on floral scent variation, at microevolutionary (i.e. within A. maculatum) and macroevolutionary (i.e. genus-wide) scales. Using high throughput genotyping-by-sequencing methods, we identified thousands of putatively neutral loci; these data were used to confirm that VOCs are evolutionarily labile both within A. maculatum and across the genus. This adaptability may be key to deceiving a wide and variable range of dipteran species. Even though we identified VOCs associated with species-specific pollinator attraction, and the genes underlying them, natural selection has not fixed these genes within populations yet. Temporally variable pollinators appear to be an important factor in this pattern, potentially favoring diverse floral scent bouquets to ensure that a wider range of Psychoda species can be deceived. High floral scent diversity is also apparent at the genus level, although the extent of intraspecific variation in other species of Arum needs to be studied further. Taken together, the results of this thesis highlight how and why trait variation may persist within populations, even when species interactions are specific and obligate.
   
Mots-clés « Arum maculatum » ; composés organiques volatils (COVs) ; écologie évolutive ; indole ; odeur florale ; phylogénomique ; pollinisation ; Psychodidae ; séquençage de nouvelle génération ; synthases de terpènes ; variation spatiale ; variation temporelle ; “Arum maculatum »; evolutionary ecology; floral scent; indole; next-generation sequencing; phylogenomics; pollination; Psychodidae; spatial variation; temporal variation; terpene synthases; volatile organic compounds (VOCs)
   
Citation Szenteczki, M. (2022). On the chemical and molecular ecology of deceptively pollinated "Arum maculatum" (Araceae), Doctorat, Université de Neuchâtel, Neuchâtel.
   
Type Thèse (Anglais)
Année 2022
Departement academique Institut de biologie
Université Université de Neuchâtel (Neuchâtel)
Degré Doctorat