Phylogénie & Structure Génétique des Populations de Sitophilus zeamais (Coleoptera, Curculionidae), Ravageur de Céréales Stockées en Afrique de l’Ouest.

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1 Phylogénie & Structure Génétique des Populations de Sitophilus zeamais (Coleoptera, Curculionidae), Ravageur de Céréales Stockées en Afrique de l’Ouest Mama Racky NDIAYE Directeur de thèse : Professeur Mbacké SEMBENE Département de Biologie Animale/Faculté des Sciences et Techniques. Tel. : / & Ecole Doctorale Sciences de la Vie, de la Santé et de l’Environnement (ED-SEV) Formation doctorale : Biologie, Productions & Pathologie Animales (B2PA) Génétique des Populations/Génétique pour la Gestion des Populations, UMR 022 : BIOPASS Introduction Méthodologie Pertes post-récoltes de céréales en Afrique subsaharienne se chiffrent à 4 milliards de dollars/an (Banque Mondiale, 2011) ; Cela affecte 14% à 50% du maïs produit dans les pays en développement ; Ces dégâts sont essentiellement dus aux insectes (Ojo & Omoloye, 2012) et particulièrement aux charançons tels Sitophilus zeamais (Motschulsky, 1855) ; Or le maïs est une denrée de base pour beaucoup de pays africains (Guèye et al., 2011), et leur permet de traverser dans certaines contrées, les périodes de soudure ; En Plus, les charançons peuvent déprécier 25% voire 40% de la récolte en 6 mois de stockage (Prates et al., 1998 ; Papachristos et al., 2002 ; Tapondjou et al., 2002) ; Etant des insectes primaires, ils ouvrent la voie aux insectes secondaires comme Tribolium castanum (Herbst, 1797) mais aussi aux champignons qui secrètent des substances nuisibles et cancérigènes telles que l’aflatoxine ; compromettant ainsi la sécurité alimentaire et le statut sanitaire des groupes les plus vulnérables en Afrique (Shetty, 1994 ; Hell et al., 2000 ; Sembène, 2000). Les charançons constituent donc un problème agro-économique et sanitaire Zones d’échantillonnage Différenciation & structure génétique La connaissance de la structure d’une population est capitale dans l’élaboration de toute méthode visant à supprimer ou atténuer l’impact d’une espèce nuisible aux cultures et denrées stockées. La variabilité génétique est totalement due à une différence entre individus au sein d’une même population définie en fonction des pays. Ainsi, l’indice de différentiation génétique FST (Wright, 1969 ; Weir & Cockerham, 1984) et le test d’AMOVA (Analysis of Molecular Variance) respectivement utilisés pour décrire la répartition et la source de la variabilité génétique entre et au sein des populations ; de même que les distances génétiques entre populations ne révèlent aucune différenciation significative ; et donc il n’y a pas d’organisation géographique particulière ; et l’hypothèse de recherche n’est pas vérifiée. Cette caractéristique est notée sur certaines espèces d’’insectes ravageurs dans la sous-région comme Callosobruchus maculatus (Fabricius, 1775), (Kébé, 2013) ; Caryedon serratus (Ndiaye, 2014) et Tribolium castaneum (Herbst, 1797), (Diome, 2015). Ceci peut être expliqué par le dynamisme commercial de la sous-région. En effet, l’importance économique qu’a connue les culture de maïs aurait conduit à l’importation de grains par les populations rurales. Ce qui tend à atténuer tout isolement qui entrainerait une différenciation. En effet, un fort flux génique a un effet généralement homogénéisateur. Par ailleurs, ce transfert de graines d’un pays à un autre pourrait être accompagné d’un transfert de larves, de cocons de ponte ou même d’adultes de charançons et donc d’une installation nouvelle de Sitophilus zeamais dans des zones qui n’étaient pas jusque là touchées par ces pertes post-récoltes. 4 pays sont échantillonnés (indiqués en points rouges) dans la sous-région ouest-africaine à savoir : République de Guinée : 9°56'44.11"N et 9°41'47.92"O ; Sénégal : 14°29'50.64"N et 14°27'8.50"O ; Burkina Faso : 12°14'18.00"N et 1°33'41.73"O ; Niger : 17°36'28.04"N et 8° 4'54.00"E. Histoire démographique La sous-région ouest-africaine Etude génétique & analyses statistiques Extraction d’ADN grâce à la méthode Qiagen ; PCR de 2 gènes mitochondriaux : Cytochrome b (Cyt. b) et Cytochrome oxydase I (COI) avec respectivement les couples amorces (Simon et al., 1994) suivants : CB1 (5’-TAT GTA CTA CCA TGA GGA CAA ATA TC-3’) ; CB2 (5’-ATT ACA CCT CCT AAT TTA TTA GGA AT-3’). et C1-N-2191F (5’-CCA GGT AAA ATT AAA ATA TAA ACT TC-3’ C1-J-1751R (5’-GGA TCA CCT GAT ATA GCA TTC CC-3’) Séquençage : Elle est externalisée en Corée du Sud. N.B. : Les séquences d’ADN obtenues ont été éditées et alignées avec le logiciel BioEdit v (Hall, 1999) en utilisant l’algorithme Clustal W (Thompson et al., 1997). Mots-clés Variabilité génétique Paramètres standards de la variabilité sont mesurés par les programmes MEGA v. 6.0 (Tamura et al., 2013). et DNAsp v (Rozas et al., 2010) : S (sites polymorphes/sites informatifs en parcimonie) ; h(nombre d’haplotypes) ; π (diversité nucléotidique, Nei, 1987) ; hd (diversité haplotypique, Nei, 1987). Structure et différenciation génétique Différents paramètres sont déterminés par Arlequin v. 3.1 (Excoffier & Lischer, 2005) & MEGA 6 : FST (indice de différenciation génétique, Weir & Cockerham, 1984) ; AMOVA (Analyse de Variance Moléculaire, Excoffier et al., 1992) ; Distance génétique (Nei, 1972). Analyses phylogénétiques & Evolution démographique Test du meilleur modèle évolutif par MEGA 6 ; Reconstructions phylogénétiques établies par approche bayésienne grâce au logiciel Mr Bayes v (Huelsenbeck & Ronquist, 2001) ; Arbres enracinés par une séquence de Caryedon serratus (Olivier, 1790) ; Evolution démographique explorée en analysant la disparité de distribution (mismatch distribution, Roger & Harpending, 1992) et les indices démographiques SSD (Sum of Squared Deviation) et Rag (Raggedness index of Harpending) ; mais aussi par le D de Tajima (Tajima, 1989) et le Fs de Fu (Fu, 1997). Sitophilus zeamais ; Stocks ; Cytochrome b ; COI ; Phylogénie ; Structuration génétique ; Flux génique ; Pays ouest-africains. Evolution démographique Les analyses sur le «mismatch distribution» ou distribution des différences entre les séquences prises deux à deux dans la population globale, sur les indices démographiques SSD et Rag ainsi que sur les tests de neutralité du D de Tajima et du Fs de Fu montrent une population globale en expansion modérée. Donc, il existerait 2 menaces : celle d’une expansion des insectes, donc dépréciation massive des stocks de céréales ; et celle, très probable, d’émergence de souches résistantes aux méthodes de lutte, surtout chimique ; car une forte variabilité génétique caractérise la dynamique démographique chez les populations des deux espèces. 5 mm Vue dorsale Vue latérale Analyses phylogénétiques Arbre phylogénétique Sitophilus zeamais, Motschulsky, 1855 C2 Résultats & Discussion Les principaux résultats sont consignés dans le tableau suivant : Tableau : Paramètres de variabilité, de différenciation, de structure génétique & d’évolution démographique en fonction des deux types de marqueurs : Cytochrome b (Cyt. B) & Cytochrome oxydase I (COI) C1 Marqueurs Populations Sites polymorphes Sites Informatifs en parcimonie Nombre d'haplotypes (h) Diversité Haplotypique (Hd) nucléotidique (Π) Cyt. B Population globale 67 56 33 Guinée 10 03 04 Sénégal 39 27 15 Burkina Faso 21 13 07 1 Niger 30 20 08 COI Population globale 06 02 00 01 22 AMOVA Source de variance d. f. Somme des carrés Composants de la variance Pourcentage de variance Entre populations 7.023 Va -1.61 Au sein des populations 60 Vb 101.61 Total 63 Vt 100 FST NS FST/Distances génétiques (D) Population 1 Population 2 Distances génétiques NS 0.011 0.043 0.041 NS 0.039 NS 0.037 0.026 Evolution démographique Paramètres Mismatch distribution SSD (P-value) Rag (P-value) D de Tajima (P-value) Fs de Fu (P-value) Résultats Unimodale ( )NS ( )NS ( )NS ( )NS Variétés de maïs nutritif Phylogramme des haplotypes de Sitophilus zeamais utilisant la méthode d’inférence bayésienne obtenu sous le modèle optimal T92 + G sélectionné pour ce jeu de données par MEGA 6 avec une portion de gène du Cytochrome b. Caryedon serratus est utilisé comme out-group. L’arbre est caractérisé par 2 clades C1 et C2 et des haplotypes non résolutifs issus du Sénégal et de la Guinée présentant des mutations particulières qui leur sont propres ; Le clade C1 se distingue par des haplotypes issus du Burkina Faso et du Niger; et le clade C2 regroupe des haplotypes originaires du Sénégal et de la Guinée. Variabilité & Diversité génétique Conclusion Représentation schématique de développement du charançon. Source : Cruz et al.,1988 Il y a une forte diversité haplotypique. En effet, avec le Cytochrome b, il y a un nombre excessif d’haplotypes peu fréquents et peu divergents. Cette forte variabilité génétique au sein des populations peut être favorable à une émergence de souches résistantes aux méthodes de lutte particulièrement la lutte chimique ; La différenciation génétique entre pays est négligeable et il n’existe aucune structure génétique des populations. Cette situation serait due aux activités anthropiques. En effet, ces dernières, à travers le commerce, par exemple, ont une tendance à favoriser le flux de gènes entre populations et/ou amoindrir l’isolement. Ceci serait favorisé par le dynamisme interne des relations commerciales de la sous-région ; La population globale est en expansion démographique modérée d’où la possibilité d’une menace quant à une expansion démographique ; Cependant pour mieux consolider la significativité des résultats obtenus, il nous faut étendre les données dans d’autres pays ciblés dans la sous-région afin de déterminer, entre autre, l’origine géographique de l’infestation et les principales voies de dispersion. Enfin, nous projetons l’étude de la génétique des populations au sens strict à travers l’analyse de loci microsatellites des populations de Sitophilus zeamais . Variétés de maïs infestées Hypothèse de recherche La différenciation et la structure génétiques des populations de Sitophilus zeamais sont en fonction des pays de la sous-région ouest-africaine. NB : L’originalité de ce projet réside dans le fait qu’une lutte raisonnée, reposant sur d’autres principes que la destruction systématique des ravageurs par voie chimique (dangereuse et coûteuse), ne peut se développer sans la connaissance du statut des populations incriminées. Retombées scientifiques La grande majorité des études moléculaires concernent des écotypes américains et européens ; alors peu sont consacrés à ceux africains. Cette étude constitue donc une contribution dans la répartition des écotypes de l’entomofaune subsaharienne. NB : Seuil de significativité des tests P ≤ 0,05 ; NS: non significatif. Objectifs de l’étude L’objectif général est de déterminer la structure génétique des populations ouest-africaines de Sitophilus zeamais afin de contribuer à l’élaboration de stratégies de lutte contre les ravageurs des denrées stockées en Afrique de l’Ouest. De cet objectif général, il en découle 2 objectifs spécifiques qui sont : D’estimer la variabilité génétique ; De déterminer la différenciation et la structure génétiques des populations. Variabilité génétique Impacts socio-économiques  Les niveaux de diversités haplotypique et nucléotidique qui sont mis en évidence au cours de cette étude sont dans les gammes standards de la diversité génétique d’insectes ravageurs (Sézonlin et al., 2006 ; Franco et al., 2010 ; Diome, 2012, 2013 ; Kébé, 2013 ) ; Le Cyt. b est beaucoup plus discriminant que le COI dans les études de diversité intra-populationnelle (Sembène et al., 2010; Ndong, 2015) alors que la particularité du COI réside au niveau de son taux d'évolution moléculaire qui est assez rapide pour permettre l’accumulation substantielle de mutations (souvent neutres) et donc la discrimination non seulement d’espèces très voisines et de sous-espèces, mais aussi des groupes phylogéographiques au sein d'une même espèce (Cox & Hebert 2001 ; Wares & Cunningham, 2001 ; Decaens et al., 2013) ; Donc le COI est le marqueur génétique de prédilection dans les techniques de barcoding. Les résultats sont d’une grande importance pour les producteurs, les organisations paysannes, les institutions agricoles, les ONG encadreurs. En effet, la forte variabilité met en évidence l’existence de variants multiples d’où l’émergence très probable de souches résistantes aux méthodes de lutte, surtout chimique. Le flux de gènes élevé et l’importance des échanges commerciaux dans la sous-région interpellent quant aux modalités d’échanges de nos denrées alimentaires pour atténuer voire supprimer l’infestation de nos cultures et denrées stockées. Résultats attendus Remerciements Une bonne connaissance de la phylogénie des populations échantillonnées ; Une caractérisation de la diversité et de la structure génétiques des populations ouest-africaines. AUF (Agence Universitaire de la Francophonie) ; Projet ERA (Education and Research in Agriculture) de l’agence américaine, USAID ; Programme WAAPP ("West Africa Agricultural Productivity Program) du projet "Insect pests of grain“ & OHM-TESSEKERE.