Analyse comparée de la structure génétique de deux espèces de poissons marins apparentées et sympatriques Dicentrarchus labrax et Dicentrarchus punctatus

François Bonhomme; Mariam Naciri; Lilia Bahri-Sfar; Christophe Lemaire

doi:10.1016/S1631-0691(02)01425-7

Analyse comparée de la structure génétique de deux espèces de poissons marins apparentées et sympatriques Dicentrarchus labrax et Dicentrarchus punctatus

Présenté par : Claude Combes

François Bonhomme ¹ ; Mariam Naciri ² ; Lilia Bahri-Sfar ³ ; Christophe Lemaire ¹

¹ Laboratoire « Génome, populations, interactions », université Montpellier-2, CNRS UMR 5000, Station méditerranéenne de l’environnement littoral, 1, quai de la Daurade, 34200 Sète, France
² Laboratoire de zoologie et de biologie générale, faculté des sciences, université Mohammed-V, av. Ibn-Battouta, BP 1014, Rabat, Maroc
³ Laboratoire de biologie et parasitologie marines, faculté des sciences de Tunis, Campus universitaire, Tunis, Tunisie

Comptes Rendus. Biologies, Volume 325 (2002) no. 3, pp. 213-220.

Résumés

Français
Anglais

Nous présentons la différenciation génétique de cinq échantillons de loup (ou bar) ponctué Dicentrarchus punctatus, que nous comparons à un échantillonnage de l’espèce congénérique D. labrax, le loup commun, recouvrant sensiblement la même zone géographique. Un arbre des distances génétiques établies à partir de l’analyse du polymorphisme de six locus microsatellites montre une séparation nette des deux espèces. En outre, les D. labrax apparaissent comme beaucoup plus homogènes, avec un Fst global de seulement 3% sur l’ensemble de l’aire de répartition, contre 10% chez D. punctatus, indiquant ainsi un niveau de flux génique moindre chez cette dernière espèce. En outre, bien que très différenciée, D. punctatus ne présente pas d’organisation géographique claire de sa variabilité génétique, contrairement à D. labrax. Ceci permet de proposer ce couple d’espèces proches comme un bon candidat pour étudier, par la méthode comparative, les facteurs biologiques ou historiques qui expliquent l’apparition de structurations génétiques en milieu marin.

We present here the genetic structure existing among five samples of the spotted sea bass Dicentrarchus punctatus, and we compare it to what prevails in the common sea bass D. labrax, a congeneric species sampled on almost the same geographical range. A genetic distance tree inferred from the polymorphism at six microsatellite loci shows a distinct pattern for the two species. D. labrax samples appears to be genetically more homogeneous with a global Fst of 3% as compared to the 10% observed at D. punctatus, indicating a lesser level of gene flow in the latter species. While appearing more differentiated, D. punctatus presents no clear geographical organisation of its genetic variability in opposition to D. labrax samples. This allows us to propose this pair of closely relative species as a good candidate for the study by comparative analysis of the biological and/or historical factors affecting genetic differentiation in marine environment.

Métadonnées

Reçu le : 2001-06-28
Accepté le : 2001-10-28
Publié le : 2002-03-01

PMID

DOI : 10.1016/S1631-0691(02)01425-7

Mot clés : Dicentrarchus punctatus, Dicentrarchus labrax, microsatellites, structuration génétique
Keywords: Dicentrarchus punctatus, Dicentrarchus labrax, microsatellites, genetic structuring

Affiliations des auteurs :

François Bonhomme ¹ ; Mariam Naciri ² ; Lilia Bahri-Sfar ³ ; Christophe Lemaire ¹

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François Bonhomme; Mariam Naciri; Lilia Bahri-Sfar; Christophe Lemaire. Analyse comparée de la structure génétique de deux espèces de poissons marins apparentées et sympatriques Dicentrarchus labrax et Dicentrarchus punctatus. Comptes Rendus. Biologies, Volume 325 (2002) no. 3, pp. 213-220. doi : 10.1016/S1631-0691(02)01425-7. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/biologies/articles/10.1016/S1631-0691(02)01425-7/

Version originale du texte intégral

1 Introduction

Dans le milieu marin où les discontinuités sont peu apparentes, la majorité des organismes présente des capacités de dispersion élevées, liées à la dérive passive des larves planctoniques ou à la migration active des adultes. Ces caractéristiques, en général associées à de fortes fécondités, impliquent des flux géniques théoriquement très grands. On s’attend donc à ce que les espèces marines montrent de faibles différences génétiques sur des distances importantes. Ainsi, on trouve en général de faibles divergences génétiques chez les poissons marins 〚1, 2〛, et les exemples d’homogénéité entre populations séparées par plus de mille kilomètres sont nombreux 〚3–6〛. Cependant, certaines études ont montré que les niveaux de divergence qui s’établissaient pouvaient être bien plus importants que ce qui pouvait être inféré à partir de paramètres tels que la durée du stade larvaire et la courantologie 〚7〛, ceci posant la question des mécanismes associés à cette diminution des flux géniques réalisés. On a pu invoquer ainsi des facteurs hydrologiques tels que les fronts ou les divergences de masses d’eau, associés à des gradients de température et de salinité, qui limiteraient la dispersion passive des organismes. On peut penser également que certaines caractéristiques biologiques, telles que les différences de période de ponte, de reproduction, de reconnaissance du partenaire et/ou de tolérance environnementale peuvent limiter les occasions de contact entre populations adjacentes 〚8〛 et ainsi réduire les flux géniques. Il reste néanmoins à expliquer comment de telles différences peuvent voir le jour à partir d’une situation initialement homogène : les pressions de sélection pour une adaptation locale sont-elles suffisantes, ou bien faut-il invoquer des phénomènes historiques ayant occasionné la remise en contact récente de populations isolées dans le passé ?

Répondre à ces questions n’est pas chose facile, car les organismes marins sont difficiles d’accès et, de ce fait, certaines caractéristiques de leur biologie, qu’il s’agisse des temps de génération, des durées de phase larvaire ou de l’étendue exacte de leur dispersion ou encore des pressions de sélection auxquelles ils sont soumis, sont souvent mal connues. Ceci est encore plus vrai quand on cherche à intégrer la dimension historique. Néanmoins, la méthode comparative entre espèces proches peut s’avérer utile, car elle permet de cibler certains paramètres susceptibles d’influer de manière sensible sur la différenciation génétique, toutes choses étant égales par ailleurs. Il serait donc intéressant d’identifier des paires d’espèces présentant des niveaux de différenciations contrastés, pour lesquelles une comparaison détaillée de leur écologie apporteraient des éléments de réponse à la question des limitations du flux génique et, au-delà, celle de l’acquisition de l’isolement reproductif et de la spéciation. C’est à la première étape que nous nous adressons dans le présent travail, en comparant la structure génétique du loup ponctué Dicentrarchus punctatus avec celle de l’espèce congénérique voisine, le loup commun (ou bar) D. labrax.

D. punctatus (Bloch, 1792) et D. labrax (Linné, 1758) appartiennent toutes les deux à la famille des Moronidés, elle-même apparentée aux Serranidés. Le genre Dicentrarchus ne comporte que ces deux espèces, qui sont souvent confondues aux stades jeunes. Leur aire de répartition 〚9〛 est largement sympatrique dans l’Atlantique nord-est et en Méditerranée, avec toutefois une extension plus au nord pour D. labrax (jusqu’en Norvège, alors que D. punctatus ne dépasse pas le golfe de Gascogne) et plus au sud pour D. punctatus (pêché jusqu’au Sénégal, alors que D. labrax n’est rencontré que jusqu’au sud du Maroc 〚10〛. Ces deux espèces sont des prédateurs démersaux et, si l’écologie du loup commun a donné lieu à un certain nombre de publications (voir par exemple 〚11〛 et 〚12〛, le peu de données disponibles sur D. punctatus permet cependant de supposer que cette dernière espèce est moins abondante que le loup commun.

Dicentrarchus labrax, espèce commerciale recherchée, a déjà fait l’objet d’un certain nombre d’études génétiques utilisant les allozymes 〚13〛, l’ADN mitochondrial 〚14〛, les RAPDs 〚15〛 ou encore les locus microsatellites 〚16〛. Récemment, en utilisant ces mêmes microsatellites sur 27 échantillons, notre groupe a rapporté l’existence d’une structuration marquée de cette espèce en trois entités, l’une regroupant les échantillons atlantiques et ceux de la mer d’Alboran, l’autre étant constituée par les populations de la Méditerranée occidentale jusqu’au détroit siculo-tunisien, la troisième comprenant les populations de Méditerranée orientale 〚17, 18〛. Aucune étude n’a cependant été consacrée à D. punctatus, à l’exception de l’échantillon égyptien présent dans l’étude rapportée dans les références 〚13〛 et 〚15〛. Dans le présent travail, nous analysons, avec les six mêmes locus microsatellites, cinq échantillons de D. punctatus, répartis du Sénégal à l’Égypte, que nous comparons à cinq échantillons de loup commun, dont trois sont prélevés aux mêmes endroits, l’ensemble recouvrant des distances géographiques comparables pour les deux espèces.

2 Matériel et méthodes

2.1 Échantillonnage

Le Tableau 1 et la Fig. 1 indiquent l’origine et la situation géographique des dix échantillons étudiés. Tous les échantillons de D. labrax ont été décrits précédemment par Naciri et al. 〚17〛 et Bahri-Sfar et al. 〚18〛. Pour D. punctatus, les poissons ont été obtenus auprès d’artisans pêcheurs, à l’exception de l’échantillon égyptien, qui nous a été fourni sous forme d’ADN par V. Sbordoni (Rome) et qui est, de ce fait, commun à notre étude et à celles d’Allegrucci, Caccone et al. 〚13, 15〛. Pour chaque individu, un bout de muscle ou de nageoire a été stocké dans de l’alcool à 80 % afin de procéder ultérieurement à l’extraction de l’ADN.

Espèce	Origine géographique	Localité	Code	N
D. labrax	océan Atlantique	Saint-Brieuc, France	FBRE	39
	Rabat, Maroc	MRBT	60
Méditerranée occidentale	golfe d’Annaba, Algérie	AGLA	34
Méditerranée orientale	lagune d’El Biban, Tunisie	TELB	63
		Thessalonique, Grèce	GTSK	30

D. punctatus	océan Atlantique	Dakar, Sénégal	SDKP	20
	Rabat, Maroc	MRBP	28
Méditerranée occidentale	golfe d’Annaba, Algérie	AGLP	3
Méditerranée orientale	lagune d’El Biban, Tunisie	TLBP	12
		lagune de Bardawil, Égypte	YEGP	29

Fig. 1
Localisation géographique des échantillons de D. labrax et D. punctatus.

2.2 Typage aux locus microsatellites

Les protocoles employés sont identiques à ceux précédemment décrits chez D. labrax 〚17, 18〛. Environ 1 mm³ de muscle préservé dans l’éthanol ont servi pour extraire l’ADN de chaque individu par une méthode au Chelex®. Six locus microsatellites définis par 〚16〛 ont été amplifiés in vitro (PCR). Le protocole de PCR, les amorces et la méthode d’électrophorèse sont les mêmes que ceux décrits dans 〚17, 18〛.

2.3 Analyses des données

Les indices de diversité (hétérozygotie attendue non biaisée de Nei H_e 〚19〛, nombre d’allèles N_a) et de structuration génétique (F_st de Wright estimé par le θ de Weir et Cockerham 〚20〛) ont été calculés à l’aide du logiciel Genetix 4.02 〚21〛 à partir des données génotypiques individuelles. Les intervalles de confiance pour H_exp ont été obtenus par ré-échantillonnage sur les individus (procédure « bootstrap sur H_exp » de Genetix 4.02), les tests de significativité d’écart à l’hypothèse nulle (θ = 0) des ${\hat{F}}_{ST} (\hat{θ})$ multilocus observés ont été réalisés par la procédure de permutations aléatoires des génotypes multilocus proposés par le même logiciel. La significativité des valeurs de $\hat{θ}$ par paires de populations est corrigée par une procédure de Bonferroni séquentielle pour tests multiples 〚22〛.

Le logiciel Phylip (version 3.5p, 〚23〛) a été utilisé pour construire un arbre selon la méthode du Neighbour-Joining 〚24〛 à partir d’une matrice de distances de Cavalli-Sforza et Edwards 〚25〛, obtenue par la procédure « Gendist » de ce logiciel. La robustesse des nœuds de l’arbre est testée par bootstrap sur les locus (procédure « Seqboot » puis « Consense », avec 1 000 réplicats).

3 Résultats

3.1 Diversité génétique

Le Tableau 2 donne les valeurs de diversité génique multilocus (hétérozygotie moyenne attendue H_exp et observé H_obs, ainsi que le nombre moyen d’allèles observés par échantillon Am). Les populations de D. punctatus montrent une diversité génique légèrement plus faible (0,852 < H_exp _Punc < 0,889) que celle de D. labrax (0,884 < H_exp _Lab < 0,898) (p = 0,02, test de Student à 1 ddl), alors qu’elles présentent au total légèrement plus d’allèles que celles-ci, malgré un effectif plus faible (30,7 allèles/locus observés aux six locus pour 92 individus de D. punctatus, contre 28 allèles/locus pour 226 individus chez D. labrax).

Tableau 2

Estimation de la variabilité génétique pour les six locus microsatellites dans cinq populations de Dicentrarchus punctatus et quatre populations de Dicentrarchus labrax : (Am) nombre d’allèles moyen par échantillon analysé ; (H_exp et H_obs) hétérozygotie attendue non biaisé et observée. Valeurs de Fis en accord avec Weir et Cockerham (1984) avec la probabilité de rejeter l’hypothèse nulle. * : P < 0,05 ; ** : P < 0,01 ; *** : P < 0,001.

	Diversité génique	Fis
Code échantillons	Am	H _exp	H _obs	Labrax–3	Labrax–6	Labrax–8	Labrax–13	Labrax–17	Labrax–29	Multilocus	Sans Labrax–6
FBRE	19,83	0,89 (0,06)	0,83 (0,09)	0,061	0,111	0,078	0,003	0,107	0,02	0,061**	0,053
MRBT	23,16	0,89 (0,07)	0,89 (0,13)	–0,027	0,148	–0,073	–0,049	0,016	0,015	0	–0,024
AGLA	16,2	0,85 (0,08)	0,82 (0,23)	–0,067	0,464	0,055	–0,025	–0,138	–0,038	0,028	–0,043*
TELB	18,66	0,85 (0,09)	0,79 (0,14)	0,047	0,279	0,018	0,078	–0,035	0,16	0,086	0,056
GTSK	13,33	0,80 (0,15)	0,80 (0,33)	–0,080	0,740	–0,146	–0,077	–0,011	–0,034	0,014	–0,069
YEGP	13,83	0,85 (0,10)	0,65 (0,36)	0,136	1	0,216	–0,115	0,009	0,342	0,230***	0,113***
TLBP	9,50	0,79 (0,14)	0,66 (0,20)	0,053*	0,321**	–0,021	–0,06	0,4	0,333	0,172***	0,150***
MRBP	17,66	0,82 (0,20)	0,81 (0,23)	0,004	0,125*	–0,162	0,0027	0,109**	0,020	0,008	–0,0034
AGLP	3,66	0,75 (0,23)	0,72 (0,25)	0,111	0	0,272**	–0,2	0	0,111	0,054	0,058
SDKP	10	0,68 (0,28)	0,65 (0,31)	0,193**	–0,123	–0,135	–0,070	0,047	0,242	0,030	0,041

3.2 Structuration génétique comparée des deux espèces

Le Tableau 3 montre les valeurs de $\hat{θ}$ par paires obtenues pour les six locus microsatellites dans et entre les deux espèces étudiées. La distance de Nei 〚28〛 moyenne entre les deux espèces est de D = 1,44, ce qui représente plus du double de celle observée par 〚13〛 (D = 0,648) à partir du seul échantillon égyptien. La Fig. 2 montre l’arbre non-raciné obtenu par la méthode Neighbour–Joining à partir des distances de Cavalli-Sforza et Edwards 〚25〛. Les valeurs de bootstrap supérieures à 50% sont reportées au niveau des nœuds correspondants. Chez D. labrax, on retrouve la différenciation des échantillons appartenant aux trois groupes géographiques précédemment décrits (à savoir Atlantique, Méditerranée occidentale et orientale 〚17, 18〛), avec une topologie assez bien soutenue.

	D. labrax	D. punctatus
	FBRE	MRBT	AGLA	TELB	GTSK	YEGP	TLBP	MRBP	AGLP	SDKP
FBRE	—	0,003	0,041	0,04	0,065	—	—	—	—	—
MRBT	0,012	—	0,031	0,031	0,056	—	—	—	—	—
AGLA	0,023	0,021	—	0,011	0,014	—	—	—	—	—
TELB	0,023	0,020	0,015	—	0,014	—	—	—	—	—
GTSK	0,034	0,032	0,019	0,018	—	—	—	—	—	—
YEGP	0,069	0,060	0,067	0,069	0,072	—	0,106	0,089	0,118	0,156
TLBP	0,069	0,065	0,071	0,075	0,077	0,064	—	0,72	0,787	0,119
MRBP	0,057	0,051	0,057	0,059	0,067	0,054	0,058	—	0,046	0,081
AGLP	0,089	0,084	0,092	0,093	0,096	0,085	0,070	0,064	—	0,108
SDKP	0,064	0,058	0,064	0,061	0,072	0,065	0,062	0,055	0,061	—

Fig. 2
Arbre non raciné construit par la méthode de Neighbour-Joining 〚24〛 à partir de la matrice des distances génétiques de Cavalli-Sforza et Edwards 〚25〛 par paires de populations de loup (cinq populations de D. punctatus et cinq populations de D. labrax). Les valeurs de bootstrap supérieures à 50% sont indiquées. Les échantillons de D. punctatus sont en italiques.

Une autre différence importante entre les deux espèces est la longueur des branches de l’arbre : les D. punctatus sont nettement plus différenciés entre eux que ne le sont les D. labrax, la distance maximale entre les deux populations géographiquement les plus éloignées pour cette dernière espèce étant D_c–s = 0,065 (GMSL/FBRE), alors que D_c–s = 0,119 pour YEGP/SDKP chez D. punctatus. Ceci correspond à un $\hat{θ}$ moyen de 0,10 chez D. punctatus et de seulement 0,03 chez D. labrax. Si on ôte l’échantillon de D. punctatus d’Algérie (constitué de trois individus seulement), qui pourrait artificiellement augmenter l’estimation de la différenciation du fait sa faible taille, la valeur du $\hat{θ}$ global chez punctatus reste identique.

4 Discussion et conclusion

Notre étude montre qu’il y a un niveau de différenciation génétique plus fort chez D. punctatus que chez D. labrax, bien qu’il n’y ait pas d’organisation géographique apparente dans les populations de D. punctatus, contrairement à ce qui existe chez D. labrax. 〚17, 18〛. Il peut y avoir a priori deux types d’hypothèses pour expliquer ce double résultat.

• Les différenciations génétiques observées refléteraient un équilibre entre migration et dérive s’établissant de manière différente dans les deux espèces : il y aurait moins de migrants entre populations de D. punctatus que chez D. labrax, et les migrations ne s’effectueraient pas dans cette espèce selon un schéma plus particulièrement lié à la géographie, tel qu’il apparaît à longue distance chez D. labrax (les populations du bassin méditerranéen occidental sont dans cette espèce génétiquement intermédiaires entre celles de l’Atlantique et de la Méditerranée orientale). Ceci pourrait être mis en relation avec le fait que les populations de D. punctatus semblent distribuées de manière discontinue, contrairement à ce qui prévaut pour D. labrax.
• À l’inverse, nous ne serions pas dans une situation à l’équilibre. Il y aurait eu une re-colonisation récente de leur aire de répartition par les populations de D. labrax ; on n’aurait pas encore atteint chez cette espèce le même niveau de structuration que chez D. punctatus.

Bien entendu, les attendus de ces deux hypothèses ne sont pas mutuellement exclusifs, et l’on peut penser que le scénario le plus plausible est précisément celui qui mêlerait des différences bien réelles dans la biologie des deux espèces (preferendums écologiques et/ou comportement migratoire et grégaire) avec une histoire phylogéographique différente pour les deux espèces.

Ceci pourrait être mis en relation avec les changements climatiques du Pléistocène et les variations concomitantes du niveau marin qui ont sans doute eu un fort impact sur les distributions des espèces de l’Atlantique nord-est et de la Méditerranée 〚26, 27〛, occasionnant une succession de fragmentations d’aire de répartitions suivies de re-colonisations. La différenciation primitive entre les deux espèces pourrait en effet correspondre à un événement de vicariance ancien, comme cela est attesté par la forte distance génétique enregistrée par 〚13〛 aux locus allozymiques (D_Nei = 0,648) ainsi qu’aux locus microsatellites (D_Nei moyen entre les deux espèces = 1,44 ; cette étude, non montré).

Les deux espèces de Dicentrarchus sont donc clairement distinctes dans la façon dont leur variabilité génétique est organisée. Il deviendra dès lors intéressant de comprendre quels sont les paramètres clés de cette différenciation en comparant dans le détail les caractéristiques de leur niche écologique. On peut penser que le comportement migratoire des différents stades sera un de ceux-là.

Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier V. Sbordoni (Rome), C. Diebakate (Dakar), H. Kara (Annaba) pour la fourniture d’échantillons des deux espèces, et O.K. Ben Hassine (Tunis) pour son soutien actif du projet.

Abridged version

The common and spotted sea basses are two congeneric species in the genus Dicentrarchus that share a similar range in the North-Eastern Atlantic and the Mediterranean. Here, we compare their genetic structure on five samples of each species using six microsatellite loci that were previously employed to unravel genetic variation in the common sea bass. Our results show that the genetic divergence among populations spanning approximately the same geographic area is much greater within the spotted sea bass (D. punctatus) than the common one (D. labrax), with global F_st values of 0.10 and 0.03 respectively. On the other hand, genic diversity is lower for D. punctatus than for D. labrax samples, whereas the contrary is true for the allelic counts over the whole species. All this indicates that genetic exchanges are more limited in the spotted bass than in its congener, and this translates quite clearly on the Neighbour-Joining tree provided in the present study. If we are dealing with an equilibrium situation, this discrepancy may be linked to differences in ecological preferenda, causing a higher fragmentation for punctatus than for labrax, or to other life history traits related to larval, juvenile or adult migration. By using the comparative method, identifying the traits responsible for this comparative reduction of gene flow becomes an important issue if one is to understand how genetic differentiation builds up in the marine environment despite an apparent lack of geographic boundaries.

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