Écologie et génétique évolutive des populations

Nos recherches portent sur l’écologie et la génétique des populations d’insectes phytophages et/ou envahissants, incluant le développement de méthodes d’analyse statistique pour inférer l’histoire évolutive des populations.
Responsable de l'axe
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Carole KERDELHUE
Directrice de recherche, INRAE

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Les changements globaux en cours comprennent les dérèglements climatiques, les changements d’usage des terres, ainsi que les changements de pratiques agricoles (diminution des intrants notamment) et les invasions biologiques. Ils imposent sur les populations d’insectes des contraintes nouvelles, auxquelles les espèces répondent parfois de manière rapide. Les travaux de recherche menées au sein de l’axe 2 ont pour ambition d’analyser et de comprendre les trajectoires évolutives des espèces étudiées (démographie, adaptations, histoire des invasions), le rôle des microbiotes associés dans ces trajectoires, et de tester la durabilité de plusieurs méthodes de gestion innovantes, comme la technique de l’insecte stérile, les solutions agroécologiques (p. ex. : les stratégies de répulsion-attraction push-pull) et les outils de lutte préventive contre les acridiens. Des approches théoriques ou basées sur la simulation sont également développées pour fournir de nouveaux outils d’analyse de la diversité génomique ou d’anticipation des crises.

Un des défis de nos recherche est d’aller de l’analyse du passé à la prédiction des trajectoires futures

Les recherches concernent des insectes d’intérêt agronomique et forestier, natifs (pyrales, processionnaires, criquets) comme invasifs (mouches des fruits, scolytes, coccinelle asiatique). Elles incluent des approches fondamentales comme très finalisées. Elles mobilisent des disciplines et approches complémentaires, comme les développement théoriques ou statistiques, la génomique des populations, le phénotypage, l’évolution expérimentale. Elles concernent aussi bien des populations naturelles prélevées ou suivies sur le terrain que des populations expérimentales élevées en conditions contrôlées.

Nos recherches se déclinent selon trois grands volets :

1. Inférer l’histoire évolutive des populations
Thaumetopoea pityocampa

L’élaboration de stratégies de lutte et/ou de gestion des populations de bioagresseurs requiert une connaissance approfondie de leur histoire évolutive. Dans le contexte actuel de réduction progressive de l’utilisation de pesticides, il est primordial : (i) d’identifier l’origine géographique des populations de bioagresseurs, ce qui constitue par exemple un préalable à la caractérisation d’ennemis naturels que l’on pourra par la suite utiliser comme agents de lutte biologique ; (ii) de reconstruire les routes empruntées par les espèces exotiques de ravageurs pour identifier les facteurs historiques, démographiques et génétiques responsables du succès évolutif de ces populations ; (iii) de comprendre les mécanismes impliqués dans l’adaptation des phytophages à leurs plantes-hôtes (p. ex., chez la pyrale du maïs Ostrinia nubilalis), ou plus généralement dans l’expression de leurs traits d’histoire de vie (p. ex. : la phénologie chez la processionnaire du pin Thaumetopoea pityocampa ; le polyphénisme de phase chez le criquet pèlerin Schistocerca gregaria), pour anticiper les dynamiques évolutives possibles, notamment face aux changements de pratiques agricoles et aux changements globaux.

La génétique des populations fournit pour cela des outils puissants d’inférence de l’histoire évolutive à partir de l’analyse du polymorphisme génétique. Le CBGP a des compétences largement reconnues dans ce domaine. Nous mettons à profit notre maîtrise et notre expertise des technologies associées aux nouvelles générations de séquençage et de génotypage haut-débit (que ce soit du point de vue de leur mise en œuvre au laboratoire ou de leur analyse statistique) pour caractériser l’histoire évolutive des populations de bioagresseurs. Parallèlement, nous avons l’ambition de renforcer nos compétences en génétique quantitative et évolutive. L’objectif est de coupler l’analyse des génomes à la caractérisation fine des phénotypes, afin de déterminer les bases génétiques de l’adaptation d’insectes ravageurs à leur environnement biotique et abiotique.

2. Comprendre les dynamiques contemporaines des populations
Drosophila suzukii

Un autre pan des recherches de l’axe 2 vise à mieux comprendre les dynamiques contemporaines des populations de bioagresseurs. Cela implique, par exemple, des mesures de traits d’histoire de vie en milieu contrôlé, qui informent indirectement sur la démographie d’une espèce et le rôle de facteurs écologiques dans les changements démographiques (p. ex. : l’influence du couvert végétal sur le polyphénisme de phase chez les locustes). Parallèlement, le développement de méthodes innovantes en génétique spatiale, permettra de caractériser les capacités de dispersion des organismes et le rôle de l’hétérogénéité spatiale du paysage dans la structuration fine des populations (p. ex. : l’effet du paysage et des pratiques agricoles sur la dynamique des populations de la mouche orientale des fruits Bactrocera dorsalis). L’ensemble de ces inférences indirectes (reposant sur des approches aussi bien génétiques que non-génétiques) permettra de construire des modèles mécanistes spatialement explicites de dynamique des populations, intégrant les connaissances acquises sur les traits d’histoire de vie des espèces. Ces modèles mécanistes permettront notamment de tester in silico l’efficacité de techniques alternatives à l’utilisation de produits phytosanitaires pour la gestion des ravageurs. L’une de ces techniques, l’entomovectoring, consiste à utiliser des insectes pour diffuser des biopesticides dans les populations de bioagresseurs (p. ex., l’utilisation d’individus mâles stériles de la mouche orientale des fruits pour diffuser le champignon entomopathogène Metarhizium).

Au-delà de la reconstruction indirecte de l’histoire des populations ou de leur démographie, la poursuite des expériences d’évolution en conditions contrôlées au laboratoire, permettra de mieux comprendre la dynamique de l’adaptation et l’importance des contraintes et des compromis évolutifs auxquels les espèces font face, notamment au cours des invasions biologiques (p. ex., chez la coccinelle asiatique Harmonia axyridis et la drosophile à ailes tachetées Drosophila suzukii). Un autre contexte dans lequel l’étude de ces dynamiques d’évolution rapide prend tout son sens concerne l’évaluation des risques associés à la mise en œuvre des techniques de forçage génétique (gene drive) pour la gestion des ravageurs. Ces techniques consistent en des lâchers d’organismes génétiquement modifiés, conçus pour propager un variant d’intérêt (p. ex., une mutation diminuant la fertilité) dans les populations naturelles. Cette méthode émergente de contrôle des populations soulève de nombreuses questions scientifiques et sociétales. Nous proposons donc de développer de nouveaux programmes de recherche visant à étudier les dynamiques évolutives de ces constructions génétiques dans les populations naturelles, afin de mieux évaluer les risques environnementaux associés (apparition de résistances, diffusion par flux géniques dans des populations non-cibles, transferts entre espèces, etc.).

3. Comprendre le rôle des communautés microbiennes dans l’écologie de leurs hôtes
Bactrocera dorsalis

Caractériser les communautés microbiennes des insectes, et mieux comprendre l’écologie évolutive des interactions dans des systèmes multi-trophiques (microbes–insectes–plantes-hôtes), peut contribuer au développement de stratégies de gestion d’insectes bioagresseurs par l’exploitation ou la manipulation de ces interactions. Par exemple, une meilleure compréhension du rôle du microbiote intestinal d’insectes phytophages dans l’adaptation à la plante-hôte permettrait de proposer des stratégies de lutte par la manipulation des communautés microbiennes impliquées (p. ex. chez la drosophile à ailes tachetées D. suzukii, la pyrale du maïs O. nubilalis ou la processionnaire du pin T. pityocampa). Dans d’autres contextes, l’étude des interactions entre les microbes et leurs hôtes pourrait permettre la mise en œuvre de « répulsifs naturels » composés de cocktails microbiens, la lutte biologique par des agents viraux, et la lutte par manipulation de fonctions biologiques du ravageur lui-même (liées, par exemple, à l’immunité).

L'actualité de l'axe​
Olazcuaga L., Loiseau A., Parrinello H., Paris M., Fraimout A., Guedot C., Diepenbrock L.M., Kenis M., Zhang J., Chen X., Borowiec N., Facon B., Vogt H., Price D.K., Vogel H., Prud’homme B., Estoup A. & Gautier M. 2020. A whole-genome scan for association with invasion success in the fruit fly Drosophila suzukii using contrasts of allele frequencies corrected for population structure. Molecular Biology And Evolution 37 : 2369-2385. (https://dx.doi.org/10.1093/molbev/msaa098)
Gschloessl B., Audiot P., Nidelet S., Kergoat G.J. & Streiff R. 2020. Complete mitogenome data from a European specimen of Ostrinia scapulalis (Walker, 1859) (Lepidoptera, Pyraloidea, Crambidae, Pyraustinae). Data in Brief 33 : 106427. (https://dx.doi.org/10.1016/j.dib.2020.106427)
Braunschmid H., Guilhot* R. & Dötterl S. 2021. Floral scent and pollinators of Cypripedium calceolus L. at different latitudes. Diversity 13 : 5. (https://dx.doi.org/10.3390/d13010005)
Di Lecce I., Perrier C., Szulkin M. & Sudyka J. 2023. Extra-pair paternity, breeding density, and synchrony in natural cavities versus nestboxes in two passerine birds. Ecology and Evolution 13 : e10163. (https://dx.doi.org/10.1002/ece3.10163)
Guilhot R., Rombaut A., Xuereb A., Howell K. & Fellous S. 2020. Environmental specificity in Drosophila-bacteria symbiosis affects host developmental plasticity. Evolutionary Ecology 34 : 693-712. (https://dx.doi.org/10.1007/s10682-020-10068-8)
Druet T., Olenski K., Flori L., Bertrand A.R., Olech W., Tokarska M., Kaminski S. & Gautier M. 2020. Genomic footprints of recovery in the European bison. Journal of Heredity 111 : 194-203. (https://dx.doi.org/10.1093/jhered/esaa002)
Boitard S., Arredondo A., Chikhi L. & Mazet O. 2022. Heterogeneity in effective size across the genome: effects on the inverse instantaneous coalescence rate (IICR) and implications for demographic inference under linked selection. Genetics 220 : iyac008. (https://dx.doi.org/10.1093/genetics/iyac008)
Maeno K.O., Piou C. & Ghaout S. 2022. Allocation of more reproductive resource to egg size rather than clutch size of gregarious desert locust (Schistocerca gregaria) through increasing oogenesis period and oosorption rate. Journal of Insect Physiology 136 : 104331. (https://dx.doi.org/10.1016/j.jinsphys.2021.104331)

CARMENTA

American cocoa pod borer emergence

Porteur du projet (coordination WP) : Charles Perrier
Bailleur : Fondation Agropolis

This interdisciplinary project combines genetics, ecology and ethnology to better understand the intrinsic, environmental and human factors that have facilitated Carmenta foraseminis recent emergence as a pest insect foraging on cocoa in South America.

 

2023 - 2024

CLCPRO-AFD

Consolider les bases de la stratégie de lutte préventive et développer la recherche opérationnelle sur le Criquet pèlerin en région occidentale

Porteur du projet : Cyril Piou
Bailleur : Agence Française pour le Développement (AFD) à travers l’Agence des nations unies pour l’agriculture et l’alimentation (FAO)

Les objectifs de ce projet sont de :

  1. développer l’accès à un service d’identification des plantes dans les biotopes du Criquet pèlerin en Afrique de l’Ouest,
  2. élaborer un modèle régional de cartographie des risques sur la probabilité de la présence du Criquet pèlerin,
  3. étudier la nature de l’impact du changement climatique sur les populations de Criquet pèlerin,
  4. définir les seuils d’intervention rapide dans le contexte de la gestion préventive du criquet pèlerin.

 

2021 - 2025

DevOCGen

Développement et applications de nouveaux outils pour la gestion et la conservation des populations naturelles à partir de données génomiques

Porteurs du projet : Simon Boitard & Raphaël Leblois
Bailleur : Région Occitanie, Défi Clé Biodivoc

Le projet DevOCGen vise à développer une nouvelle technologie de séquençage et de nouvelles méthodes statistiques pour estimer l’histoire récente et locale des populations à partir de données génomiques.

https://biodivoc.edu.umontpellier.fr/recherche/projets-consortium/projet-de-consortium-devocgen/

 

2022 - 2025

GAMBOC

Gambusia holbrooki, une espèce invasive au service de l’étude des mécanismes de tolérance à la pollution et aux multistress en Occitanie

Porteur du projet (coordination WP) : Charles Perrier
Bailleur : Région Occitanie

Ce projet interdisciplinaire vise à étudier les déterminants de l’adaptation locale d’une espèce de poisson envahissante à des cocktails de stress environnementaux, incluant des pollutions aquatiques. Un groupe de travail coordonné au CBGP utilise la génomique des populations pour étudier les bases génomiques de l’adaptation locale et l’histoire démographique de l’expansion et ses effets sur l’adaptation et le fardeau génétique.

https://biodivoc.edu.umontpellier.fr/recherche/projets-consortium/projet-de-consortium-gamboc/

2022 - 2025

InvaXyl

Étude des populations du capricorne-tigre envahissant Xylotrechus chinensis et de sa capacité éventuelle à attaquer la vigne et des arbres fruitiers

Porteurs du projet : Carole Kerdelhué et Jean-Pierre Rossi
Bailleur : DGAL

Xylotrechus chinensis est un capricorne envahissant en Europe, et détecté en France depuis 2018. Il s’attaque aux différentes espèces de mûriers (Morus sp.) largement plantés dans les villes et villages. Ce projet a pour objectifs d’identifier les sources des populations européennes, d’estimer son aire de distribution potentielle à court et moyen terme, et de tester sa capacité à se développer sur vigne, pommier et poirier, cités comme hôtes potentiels dans la littérature.

 

2024 - 2027

ISOGEO

Identification spécifique et origine géographique des insectes ravageurs invasifs : exploration d’une gamme d’outils moléculaires

Porteuse du projet : Marie-Pierre Chapuis
Bailleur : ANSES

Nous développons des outils moléculaires innovants, et si possible simples, rapides et économiques, afin d’offrir, aux acteurs de la surveillance des mouches des fruits en Europe, un cadre opérationnel leur permettant de s’assurer de la bonne identification de l’espèce et de renseigner sur l’origine géographique des individus envahissants, dont la connaissance est nécessaire pour orienter l’effort de contrôle sur les filières et points d’entrée.

 

2024 - 2025​

LOADEXP

Génomique du fardeau mutationnel au cours des expansions

Porteur du projet : Charles Perrier
Bailleur : ANR

Le projet LOADEXP mesure, à l’aide d’analyses de génomiques des populations et d’analyses phénotypiques, l’accumulation et la purge du fardeau de mutations délétères durant l’expansion spatiale d’une espèce envahissante. Le modèle biologique utilisé est un insecte ravageur forestier en expansion, la processionnaire du pin. Ce projet est financé principalement par l’ANR et l’INRAE.

 

2022 - 2026​

PEPPER

Study of phase polyphenism emergence and associated risks

Porteur du projet : Cyril Piou
Bailleur : ANR-JCJC

The objective of PEPPER is to explore the trade-offs and environmental conditions leading to phase polyphenism emergence. We developed forecasting model of locust population dynamics and theoretical studies on the regimes of environmental variation of resources favorable to phase polyphenism evolution.

https://anrpepper.github.io/

2019 - 2023

PHENEC

Role of phenology in species distribution and in their management in a changing climate

Porteurs du projet : Carole Kerdelhué  et C. Robinet (URZF, INRAE Orléans-Val de Loire)
Bailleur : ANR

L’objectif principal du projet est de déterminer comment la phénologie affecte la distribution spatiale des espèces et la modification de cette distribution en climat changeant. Ce projet cible la chenille processionnaire du pin comme modèle biologique, et intègre des approches de suivis sur le terrain, d’écologie expérimentale, de modélisation, de génétique des populations et de transcriptomique.

https://phenec.hub.inrae.fr/

 

2019 - 2024

POLADAPT

Local adaptation to cocktails of pollutants in an invasive aquatic vertebrate: mechanistic determinants and implications for ecosystem health

Porteur du projet (coordination WP) : Charles Perrier
Bailleur : ANR

This interdisciplinary project aims at studying the determinants of local adaptation of an invasive fish species to cocktails of environmental stress, including aquatic pollutions. A work package coordinated at CBGP uses population genomics to study the genomic bases of local adaptation and the demographic history of expansion and its effects on adaptation and genetic load.

 

2024 - 2027