Analyser des arbres phylogénétiques pour construire des scénarios évolutifs

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Des arbres du vivant successifs

La représentation de la parenté entre êtres vivants a changé plusieurs fois, non par mode mais parce que les données ont changé. Les premières classifications reposaient sur des caractères morphologiques et anatomiques, avec une opposition ancienne entre animaux et végétaux, puis une organisation en règnes intégrant les champignons et les unicellulaires. L'accès à la microscopie électronique a ensuite séparé les cellules sans noyau des cellules à noyau.

Le tournant décisif est venu des données moléculaires. La comparaison des séquences d'ARN ribosomique de la petite sous-unité, molécule présente chez tous les organismes cellulaires et à évolution lente, a montré que les procaryotes ne forment pas un ensemble homogène, et a conduit à distinguer trois domaines, Bactéries, Archées et Eucaryotes. Les Archées se sont révélées plus proches des Eucaryotes que des Bactéries.

L'enrichissement des données, avec le passage d'un gène unique à des génomes entiers, continue de modifier l'arbre. La position de la racine des Eucaryotes est toujours en discussion. Il est essentiel de présenter cette instabilité correctement : elle ne signifie pas que la phylogénie serait fragile, mais qu'un arbre est un modèle, révisable, dont la robustesse se mesure à l'appui des données disponibles.

Les virus ne figurent pas dans l'arbre du vivant, et le programme demande de l'argumenter. Un arbre suppose une ascendance commune reconstituée à partir de caractères homologues partagés. Or il n'existe aucun gène commun à tous les virus qui permettrait de les relier entre eux, et les grands groupes viraux semblent avoir des origines indépendantes. De plus, les virus n'ont ni ribosomes, ni métabolisme propre, ni structure cellulaire, donc ils ne partagent pas les caractères sur lesquels l'arbre cellulaire est bâti. Ils se répliquent en détournant la machinerie de cellules appartenant à des branches très différentes, et échangent du matériel génétique avec elles. On ne peut donc pas leur assigner une position unique dans l'arbre.

Lire un arbre : divergence, régression, homoplasie

Un arbre se lit à partir de ses nœuds. Un nœud représente un ancêtre commun hypothétique, une branche une lignée, et l'arbre ne donne que des relations de parenté relative. Trois phénomènes s'y lisent.

Les deux dessins ont les mêmes clades : A et B partagent un ancêtre commun plus récent que celui qu'ils partagent avec C ou D; C et D partagent eux aussi un ancêtre commun plus récent. L'ordre vertical des extrémités ne change donc aucune parenté. Les longueurs de branches ne représentent ici aucune échelle de temps.

La divergence est le cas simple. À partir d'un ancêtre commun, deux lignées accumulent des différences indépendantes. Les ressemblances héritées de cet ancêtre sont des homologies, et c'est sur elles que repose la construction de l'arbre.

L'évolution régressive est la perte, secondaire, d'un caractère présent chez l'ancêtre. Elle n'est ni une anomalie ni une dégénérescence, c'est un scénario aussi ordinaire qu'un gain. La perte de l'état pluricellulaire chez les levures en est l'exemple retenu par le programme : les levures appartiennent à un groupe dont l'ancêtre était pluricellulaire, et leur unicellularité est donc dérivée, pas primitive. Il en va de même de la perte du plaste chez certaines lignées descendant d'ancêtres photosynthétiques, ou de la simplification morphologique de nombreux parasites.

L'homoplasie désigne toute ressemblance qui n'est pas due à l'héritage d'un ancêtre commun. Elle prend deux formes. La convergence est l'acquisition indépendante d'un même état dans deux lignées séparées, généralement sous une contrainte fonctionnelle comparable. La réversion est le retour à un état ancestral après l'avoir perdu. L'homoplasie est ce qui rend la reconstruction difficile, puisqu'elle produit des ressemblances trompeuses, et c'est ce que le critère de parcimonie cherche à minimiser.

La conséquence directe est que plusieurs groupes définis par des ressemblances écologiques ou fonctionnelles ne sont pas des groupes phylogénétiques. Les végétaux, au sens des organismes réalisant la photosynthèse oxygénique, sont dispersés dans tout l'arbre des Eucaryotes et chez les Bactéries. Les algues regroupent des lignées très éloignées, algues vertes, algues rouges, algues brunes, dont le seul point commun est un mode de vie aquatique photosynthétique sans organisation d'Embryophyte. Les champignons, au sens écologique d'organismes à nutrition absorbotrophe et à appareil filamenteux, rassemblent également des lignées distinctes. Ces catégories restent commodes en écologie mais n'ont pas de valeur phylogénétique.

C'est le socle de l'argumentation demandée contre l'idée de progrès. Un arbre n'a pas de sommet, ses extrémités sont toutes contemporaines. Aucune branche n'est plus évoluée qu'une autre, puisque toutes ont la même profondeur temporelle. Les régressions montrent que l'évolution peut simplifier. Et les convergences montrent que des solutions semblables apparaissent par contrainte du milieu, sans plan ni finalité.

Les transferts horizontaux de gènes

Un transfert horizontal est le passage d'un gène d'un organisme à un autre en dehors de la reproduction, donc entre lignées et non entre générations. Il est fréquent chez les procaryotes et existe chez les Eucaryotes.

Le programme demande de savoir l'identifier par une méthode précise : la comparaison de topologies d'arbres. On construit un arbre à partir d'un gène donné et un arbre à partir d'un ensemble d'autres gènes, pour le même échantillon d'espèces. Si les deux arbres ont la même forme, les gènes ont suivi l'histoire des lignées. Si l'arbre construit sur un gène place une espèce dans un groupe très éloigné de celui où la placent tous les autres gènes, cette incongruence de topologie signale que le gène n'a pas été hérité verticalement mais acquis latéralement depuis une lignée donneuse, dont il conserve la signature de séquence.

La conséquence conceptuelle est forte. L'histoire du vivant n'est pas strictement arborescente, elle comporte des anastomoses, on parle d'évolution réticulée. Un arbre d'espèces reste une bonne approximation, mais chaque gène a sa propre histoire, et il faut préciser sur quoi l'arbre est construit.

La théorie endosymbiotique des plastes

Un plaste est un organite semi-autonome des cellules eucaryotes photosynthétiques. La théorie endosymbiotique explique son origine par l'internalisation durable d'un organisme procaryote dans une cellule hôte.

Les arguments à savoir énoncer sont de plusieurs natures. Structuraux : le plaste est entouré d'au moins deux membranes, et sa membrane interne présente des caractères de membrane bactérienne. Génétiques : il possède son propre ADN, circulaire et sans histones, comparable à un chromosome bactérien, ainsi que ses propres ribosomes de type procaryote, plus petits que ceux du cytosol et sensibles aux antibiotiques antibactériens. Dynamiques : le plaste ne se forme jamais de novo, il se divise par un mécanisme comparable à une scissiparité et se transmet aux cellules filles. Phylogénétiques, et c'est l'argument décisif : l'analyse des séquences d'ARN ribosomique codées par le génome plastidial place le plaste à l'intérieur du groupe des cyanobactéries, et non parmi les Eucaryotes. On note aussi que la plupart des gènes d'origine cyanobactérienne ont migré vers le noyau de l'hôte au cours de l'évolution, ce qui rend le plaste dépendant de la cellule et scelle l'association.

Le programme distingue deux niveaux d'endosymbiose. L'endosymbiose primaire est l'internalisation d'une cyanobactérie par une cellule eucaryote hétérotrophe. Elle produit un plaste entouré de deux membranes. Elle est à l'origine des Archéoplastidés, ou lignée verte au sens large, qui rassemblent les Glaucophytes, les algues rouges et l'ensemble formé par les algues vertes et les Embryophytes.

L'endosymbiose secondaire est l'internalisation d'une cellule eucaryote déjà pourvue d'un plaste primaire par une autre cellule eucaryote. Le plaste résultant est entouré d'un nombre supérieur de membranes, trois ou quatre selon les groupes, puisque s'ajoutent la membrane plasmique de l'endosymbionte et la membrane de la vésicule d'endocytose de l'hôte. C'est le cas des algues hétérocontes, qui regroupent notamment les algues brunes et les diatomées, dont le plaste à quatre membranes dérive d'une algue rouge internalisée. Dans quelques lignées, il subsiste même entre ces membranes un noyau résiduel très réduit de l'endosymbionte, ce qui constitue un argument direct.

L'intérêt de ce scénario est qu'il explique la distribution dispersée de la photosynthèse dans l'arbre des Eucaryotes sans invoquer des inventions indépendantes du chloroplaste. La photosynthèse oxygénique n'a été inventée qu'une fois, chez les cyanobactéries, puis elle a circulé par endosymbioses successives. La possession de plastes est donc un caractère homoplasique à l'échelle des Eucaryotes, acquis plusieurs fois par transfert d'organite, et perdu plusieurs fois par régression.

Coévolution et cospéciation lues sur les arbres

La confrontation d'arbres sert aussi à révéler des histoires liées. Si l'arbre d'un groupe d'hôtes et celui de leurs parasites spécifiques ont la même topologie, avec des divergences appariées, le scénario le plus parcimonieux est que chaque spéciation de l'hôte a entraîné la spéciation de son parasite. C'est une cospéciation, qui se lit comme une congruence entre deux arbres indépendants. Des écarts à cette congruence signalent des changements d'hôte. Le même raisonnement s'applique aux couples plante-pollinisateur.

Exemples et objets de référence

• L'ARN ribosomique de la petite sous-unité, marqueur universel des organismes cellulaires, fondement de la distinction en trois domaines.
• L'arbre des Eucaryotes, fourni aux étudiants, avec une racine encore discutée.
• Les Archéoplastidés, issus d'une endosymbiose primaire, avec plaste à deux membranes.
• Les algues hétérocontes, algues brunes et diatomées, issues d'une endosymbiose secondaire d'une algue rouge, avec plaste à quatre membranes.
• Les levures, exemple de perte secondaire de la pluricellularité.
• Les groupes non phylogénétiques : végétaux au sens photosynthétique, algues, champignons.
• La diversité des algues observée en travaux pratiques : formes unicellulaires, formes filamenteuses comme Antithamnion ou Polysiphonia, formes en lame comme Ulva, thalles ramifiés comme Fucus.
• La diversité des unicellulaires observée en travaux pratiques : Escherichia coli, Nitrobacter, Rhizobium, Saccharomyces cerevisiae, paramécies, Trypanosoma, diatomées, Chlamydomonas.

Le schéma de référence est celui des deux endosymbioses. Une cellule hôte englobe une cyanobactérie, digestion suspendue, deux membranes, transfert de gènes vers le noyau. Puis cette cellule est elle-même englobée par un autre eucaryote, ce qui ajoute des membranes et laisse éventuellement un noyau résiduel.

Méthodes et savoir-faire

Les travaux pratiques associés portent sur les algues et les organismes unicellulaires. La démarche attendue est toujours la même : observer, décrire un caractère, puis le replacer dans l'arbre fourni.

À l'échelle macroscopique, on décrit l'organisation du thalle, unicellulaire, filamenteuse, en lame ou ramifiée, ainsi que la couleur, indice indirect des pigments accessoires. À l'échelle microscopique, avec ou sans coloration, on observe l'organisation cellulaire, la paroi, la position et l'aspect des plastes, la présence de structures de réserve. Une coloration à l'eau iodée met en évidence l'amidon, ce qui permet de discuter la nature et la localisation des réserves, intraplastidiale ou cytoplasmique selon les lignées.

Les données biochimiques exploitables sont surtout les pigments photosynthétiques, avec une chlorophylle a universelle et des pigments accessoires variables selon les groupes, et la nature des molécules de réserve. Les clichés de microscopie électronique fournissent le caractère le plus discriminant du chapitre, le nombre de membranes entourant le plaste, qui permet de conclure directement au type d'endosymbiose.

Sur le plan du raisonnement, trois exercices reviennent. Comparer deux arbres et conclure à un transfert horizontal ou à une cospéciation à partir de la topologie. Reconstruire l'histoire d'un caractère sur un arbre fourni, en plaçant gains et pertes de façon parcimonieuse et en distinguant homologie et homoplasie. Argumenter l'origine endosymbiotique d'un organite à partir d'un jeu de documents combinant électronographie, composition du génome et position phylogénétique.

À mobiliser en colle et à l'écrit

1. Expliquer pourquoi la succession des arbres du vivant traduit l'enrichissement des données et non une faiblesse de la méthode.
2. Argumenter en trois points l'absence des virus dans l'arbre du vivant.
3. Distinguer homologie, convergence et réversion, avec un exemple pour chacune.
4. Placer les gains et les pertes de plastes sur un arbre des Eucaryotes fourni.
5. Refaire le schéma des endosymbioses primaire et secondaire, en comptant et en justifiant les membranes.
6. Énoncer les arguments structuraux, génétiques et phylogénétiques de l'origine cyanobactérienne du plaste.
7. Identifier un transfert horizontal de gène par incongruence entre deux arbres et en tirer la conclusion sur l'évolution réticulée.
8. Pièges fréquents : lire un arbre de gauche à droite comme une échelle de progrès, considérer les algues ou les champignons comme des groupes naturels, prendre une perte de caractère pour un état primitif, oublier que les extrémités d'un arbre sont toutes contemporaines.

Notions et mécanismes clés

• Nœud : ancêtre commun hypothétique. Deux taxons sont d'autant plus apparentés que leur dernier ancêtre commun est récent, quel que soit l'ordre des feuilles sur la page.
• Rotation autour d'un nœud : faire pivoter deux branches ne change pas l'arbre. Deux dessins très différents peuvent avoir la même topologie.
• Topologie : l'ordre des embranchements, seule information que l'on compare entre deux arbres. La longueur des branches, quand elle figure, mesure une quantité de changements, pas forcément une durée.
• Groupe monophylétique ou clade : un ancêtre et tous ses descendants. C'est le seul groupe reconnu en phylogénie.
• Groupe paraphylétique : un ancêtre et une partie seulement de ses descendants, défini par un état ancestral conservé, comme les Eucaryotes unicellulaires.
• Groupe polyphylétique : taxons réunis par un état acquis indépendamment, donc par convergence, comme les algues ou les champignons au sens écologique.
• État ancestral et état dérivé : seul un état dérivé partagé fonde un groupe. Pour orienter un caractère, il faut une racine ou un groupe extérieur.
• Parcimonie : sur un arbre fourni, on retient le scénario d'histoire du caractère qui demande le moins de changements d'état. Le maximum de vraisemblance se mentionne seulement, aucun calcul n'est exigible.
• Évolution régressive : perte secondaire d'une structure ou d'une fonction. Quand cette perte ramène à l'état ancestral, c'est aussi une réversion, comme l'unicellularité des levures.
• Convergence : même état obtenu indépendamment dans deux lignées. Elle se prouve par la position des taxons sur un arbre construit avec d'autres caractères, jamais par la ressemblance seule.
• Transfert horizontal : acquisition d'un gène hors de la filiation. Sa signature est l'incongruence entre l'arbre de ce gène et l'arbre des espèces.
• Cospéciation : spéciations appariées de deux partenaires, lue comme une congruence entre deux arbres indépendants. La coévolution désigne des adaptations réciproques, qui peuvent exister sans cospéciation.
• Plaste secondaire : son génome le place parmi les plastes d'algues rouges ou verts, eux-mêmes emboîtés dans les cyanobactéries. Ses membranes surnuméraires et, dans quelques lignées, un noyau résiduel signent l'intégration d'une cellule eucaryote. Les pigments peuvent avoir divergé : les hétérocontes ont chlorophylles a et c et fucoxanthine, absentes des algues rouges dont dérive leur plaste.

Chaînes de raisonnement

Du nombre de membranes au scénario. Une cyanobactérie possède deux membranes, qu'elle conserve dans le plaste primaire, la membrane de la vésicule d'endocytose n'étant pas conservée. Lors d'une endosymbiose secondaire s'ajoutent la membrane plasmique de l'eucaryote englobé et, le plus souvent, la membrane de la vésicule de l'hôte. Deux membranes signent donc une cyanobactérie intégrée directement, trois ou quatre un eucaryote photosynthétique intégré à son tour. Le décompte des membranes sur une électronographie permet ainsi de conclure au type d'endosymbiose avant même toute donnée moléculaire.

De l'incongruence au transfert. Tous les gènes d'un génome hérités verticalement doivent dessiner le même arbre, celui des lignées. Si un seul gène place une espèce au sein d'un groupe lointain, cette espèce porte une copie qui ressemble à celle du groupe lointain et non à celle de ses proches. L'explication la plus économique est l'acquisition latérale de ce gène depuis ce groupe, qui devient le donneur probable.

D'un caractère dispersé à la convergence. Un état présent dans des branches séparées par des taxons qui ne le possèdent pas peut s'expliquer par plusieurs gains ou par un gain unique suivi de plusieurs pertes. La parcimonie compte les deux scénarios et retient le plus court. Des différences de détail entre les structures, comme le nombre de membranes des plastes, tranchent souvent en faveur de gains indépendants.

Pourquoi une perte n'est pas un état primitif. La levure est unicellulaire comme une bactérie, mais l'arbre la place parmi les Ascomycètes, dont la plupart sont filamenteux. Son unicellularité est donc postérieure à l'état filamenteux de ses ancêtres proches. Juger l'ancienneté d'un caractère par sa simplicité revient à lire l'arbre à l'envers.

Pourquoi l'arbre interdit l'idée de progrès. Toutes les feuilles sont actuelles, donc toutes les lignées ont la même durée d'évolution depuis la racine. Un taxon qui diverge près de la racine n'est pas ancestral, seule sa branche se sépare tôt. Les pertes montrent que l'évolution simplifie, les convergences montrent que le milieu trie des solutions sans les viser.

Pourquoi l'argument phylogénétique est décisif pour le plaste. Deux membranes, un ADN circulaire, des ribosomes de type procaryote : chacun de ces caractères pris seul pourrait être une ressemblance fonctionnelle. En revanche, un gène plastidial qui s'insère au sein des cyanobactéries, à côté de certaines espèces et loin d'autres, révèle une parenté et non une analogie. Aucune contrainte fonctionnelle ne peut produire un tel emboîtement de séquences.

Pourquoi les virus restent hors de l'arbre, même avec des gènes cellulaires. Certains virus géants portent des gènes liés à la traduction. Placés dans des arbres, ces gènes se dispersent près de lignées cellulaires variées, ce qui évoque plutôt des acquisitions répétées auprès des hôtes. Des gènes empruntés ne constituent pas une homologie commune fondant une lignée virale unique.

Exemples et références à connaître

1. Carl Woese et George Fox, 1977 : comparaison des ARN ribosomiques de petite sous-unité et mise en évidence des archébactéries. Woese propose en 1990 les trois domaines Bactéries, Archées, Eucaryotes.
2. Succession des classifications : Linné et ses deux règnes, Ernst Haeckel et ses Protistes au 19e siècle, Édouard Chatton et l'opposition procaryote eucaryote, Robert Whittaker et ses cinq règnes en 1969. Chaque étape suit une nouvelle source de données.
3. Lynn Margulis, 1967 : formulation moderne de l'origine endosymbiotique des organites, reprenant une idée de Constantin Merejkowski du début du 20e siècle.
4. Cyanophora paradoxa, Glaucophyte : son plaste conserve une fine paroi de peptidoglycane entre ses deux membranes, vestige direct de la paroi cyanobactérienne.
5. Trois signatures pigmentaires. Lignée verte : chlorophylles a et b, amidon dans le plaste. Algues rouges : chlorophylle a, phycobiliprotéines, amidon floridéen hors du plaste. Hétérocontes : chlorophylles a et c, fucoxanthine qui donne la couleur brune ou dorée, réserve glucidique soluble hors du plaste, quatre membranes.
6. Le puceron du pois : Nancy Moran et Tyler Jarvik ont montré en 2010 que ses gènes de synthèse des caroténoïdes ont une origine fongique. C'est un transfert horizontal entre Eucaryotes, repéré par incongruence.
7. Les syncytines : gènes d'enveloppe rétrovirale intégrés au génome de Mammifères et recrutés pour la formation du placenta, étudiés notamment par l'équipe de Thierry Heidmann. Les virus sont des vecteurs de gènes, pas des branches.
8. Pucerons et bactéries Buchnera : les arbres des deux partenaires ont des topologies très congruentes, exemple classique de cospéciation d'un symbiote transmis par la mère.
9. Les Oomycètes, comme Phytophthora infestans responsable du mildiou : filamenteux et absorbotrophes, à paroi riche en cellulose, placés parmi les hétérocontes. Ils sont convergents avec les Mycètes, à paroi de chitine, placés près des Métazoaires.
10. Paulinella chromatophora, hors programme : amibe dont l'organite photosynthétique dérive d'une seconde endosymbiose primaire, bien plus récente. Elle montre qu'un événement réputé unique reste une conclusion révisable.

Techniques

Lire un arbre sans contresens

Réflexe en trois temps. Repérer la racine. Pour toute question de parenté, chercher le dernier ancêtre commun des taxons comparés. Ne jamais tirer argument de la position gauche droite ou haut bas d'une feuille.

Mini-exemple. Sur l'arbre des Eucaryotes, la levure est-elle plus proche d'une algue verte unicellulaire ou d'un humain ? L'ancêtre commun de la levure et de l'humain est un nœud interne aux Opisthocontes, plus récent que celui qui les relie aux Archéoplastidés. La levure est donc plus proche de l'humain, malgré sa ressemblance d'organisation avec Chlamydomonas.

Placer gains et pertes par parcimonie

Noter l'état de chaque feuille. Fixer l'état ancestral grâce au groupe extérieur. Écrire au moins deux scénarios, compter les changements, retenir le plus court, puis confronter ce résultat aux autres données.

Mini-exemple. Arbre ((A, B), (C, D)), groupe extérieur sans plaste. A et C ont un plaste, B et D non. Deux gains indépendants coûtent deux changements. Un gain à la base puis deux pertes en coûtent trois. On retient deux gains, donc une convergence. Si le plaste de A a deux membranes et celui de C quatre, la conclusion est confirmée par un caractère indépendant.

Comparer deux arbres

Lister les clades de chaque arbre, repérer le ou les taxons qui changent de position, puis interpréter. Un taxon isolé déplacé vers un groupe lointain signale un transfert horizontal, et son voisin dans l'arbre du gène indique le donneur. Deux arbres d'organismes associés qui coïncident signalent une cospéciation, et une branche discordante signale un changement d'hôte.

Mini-exemple. L'arbre du gène X place une Archée au milieu des Bactéries, tous les autres gènes la placent parmi les Archées. On conclut à l'acquisition de X depuis la bactérie voisine dans l'arbre de X.

Exploiter une électronographie de plaste

Compter les membranes du cytosol vers le stroma. Chercher une paroi entre les membranes, l'arrangement des thylakoïdes, la position des grains de réserve, un éventuel noyau résiduel. Thylakoïdes isolés couverts de granules évoquent les phycobilisomes des algues rouges. Empilements de thylakoïdes évoquent la lignée verte. Lamelles de trois thylakoïdes et quatre membranes évoquent les hétérocontes.

Mini-exemple. Quatre membranes, dont la plus externe se prolonge par le réticulum endoplasmique, lamelles à trois thylakoïdes : plaste secondaire de type hétéroconte.

Test à l'eau iodée en travaux pratiques

Déposer l'eau iodée sur une préparation fraîche, observer au microscope. Des grains bleu noir dans le plaste, souvent autour d'un pyrénoïde, signent la lignée verte, chez Ulva ou Chlamydomonas. L'absence de coloration bleue chez Fucus ou une diatomée s'explique par une réserve soluble qui ne réagit pas. Chez les algues rouges, la réaction est faible et prend une teinte brun rougeâtre, avec des grains situés hors du plaste.

Construire un plan de dissertation

Gabarit en trois temps : l'arbre comme outil fondé sur l'homologie, ce que sa lecture révèle, ce qui le limite ou le complique. Chaque partie s'appuie sur un organisme du programme.

Mini-exemple. « Les arbres phylogénétiques et l'histoire de la photosynthèse. » I, une invention unique chez les cyanobactéries. II, une circulation par endosymbioses primaire puis secondaire. III, des pertes et un caractère homoplasique qui ne définit aucun groupe.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Erreurs fréquentes