Introduction

La variation phénotypique entre les individus est produite par l’effet combiné de la plasticité phénotypique et des différences génétiques. Les phénotypes alternatifs sont soumis à la sélection naturelle, quelle qu'en soit la source, conduisant à une évolution adaptative au niveau de la population ( Via et Lande, 1985 ). Ainsi, la variation de la morphologie constitue un co-gradient, les effets environnementaux sur l'expression phénotypique renforçant ou neutralisant les différences génétiques entre les populations ( Marcil et al., 2006 ). De nouveaux traits peuvent provenir d'une induction environnementale ainsi que d'une mutation, pour ensuite subir une sélection et un accommodement génétique. Il a été avancé que l'innovation adaptative due à la plasticité développementale pourrait avoir un plus grand potentiel évolutif que celle induite par la mutation ( West-Eberhard, 2005a ). À cet égard, une théorie opportune de l'évolution adaptative doit reconnaître l'importance de l'accommodation phénotypique, c'est-à-dire le raffinement du phénotype adaptatif par des changements mutationnels ultérieurs ( Suzuki et Nijhout, 2006 ), en plus de la sélection opérant sur de nouvelles caractéristiques résultant d'événements aléatoires. variation due à une mutation ( West-Eberhard, 2005b ). Cependant, les facteurs favorisant ou limitant la plasticité dans une population donnée peuvent être difficiles à démontrer ( DeWitt et al., 1998 ), et il est particulièrement difficile d'évaluer la contribution relative de la plasticité par rapport aux différences génétiques, lorsque l'on compare des populations naturelles.

Les poissons cichlidés des grands lacs d’Afrique de l’Est sont devenus un paradigme de spéciation explosive et de rayonnement adaptatif. On pense que deux innovations clés sont responsables du succès des cichlidés à peupler le lac via un rayonnement adaptatif : leur deuxième ensemble de mâchoires découplées des mâchoires buccales ( Liem, 1973 ) et leur comportement reproducteur hautement spécialisé ( Crapon de Caprona, 1986 ). Ces caractéristiques comportementales et morphologiques leur permettent d’utiliser une variété de niches trophiques spécifiques plus rapidement que tout autre groupe de poissons, de sorte que des communautés d’espèces complexement entrelacées se sont formées. Outre les processus géologiques, les changements du niveau des lacs auraient contribué de manière significative à la diversification des poissons cichlidés ( Sturmbauer et Meyer, 1992 ; Cohen et al., 1993 , 1997 ; Rüber et al., 1998 ; Baric et al., 2003 ; Verheyen et al., 2003 ; Sturmbauer et al., 2005 ; Duftner et al., 2007 ), en générant des cycles répétés de subdivision de la population, d'isolement géographique et de divergence, suivis d'un mélange secondaire. L'effet s'est multiplié tout au long de la rive du lac vers un gigantesque scénario de spéciation allopatrique, appelé « pompe à espèces » ( Rossiter, 1995 ). Le lien entre la divergence écomorphologique et la spéciation est une question centrale dans le rayonnement adaptatif, et le rôle de la compétition dans le processus a été suggéré depuis longtemps ( Fryer, 1959 ; Coulter, 1994 ). La compétition pour les ressources trophiques a conduit à la partition de l'habitat ainsi qu'à l'établissement et au maintien de morphologies trophiques distinctes dans le contexte du rayonnement adaptatif ( Albertson, 2008 ) et de la spéciation écologique ( Rundle et Nosil, 2005 ).

Le genre de poisson cichlidé du lac Tanganyika Tropheus , avec six espèces nominales et environ 120 « formes de couleur » pour la plupart allopatriques ( Poll, 1986 ; Schupke, 2003 ), est un système d'étude idéal pour cibler la divergence allopatrique et la spéciation à un stade mature de rayonnement adaptatif. Malgré un grand âge évolutif et une grande variété de modèles de couleurs au sein de ce genre, la morphologie et la taille sont très limitées ( Sturmbauer et Meyer, 1992 ), en raison du fait que toutes les populations et espèces sœurs occupent la même niche trophique dans le genre. communauté d’espèces littorales. Cependant, des études morphométriques géométriques récentes ont identifié des différences de forme moyenne significatives entre plusieurs populations de Tropheus , qui pourraient en partie être adaptatives et en partie dues à une dérive neutre ( Maderbacher et al., 2008 ; Postl et al., 2008 ; Herler et al. ., 2010 ). L'histoire évolutive et la phylogéographie du genre Tropheus ont été étudiées dans une série d'études de génétique moléculaire (par exemple, Sturmbauer et Meyer, 1992 ; Sturmbauer et al., 1997 ; Baric et al., 2003 ; Sturmbauer et al., 2005). ; Egger et al., 2007 ; Koblmüller et al., 2008 ). La répartition actuelle des lignées génétiques montre un grand degré de chevauchement, en particulier aux frontières des trois bassins lacustres, corroborant le rôle important des changements de niveau des lacs pour la dispersion et l'admixis ( Sturmbauer et al., 2005 ). Dans ces régions frontalières, les principales lignées sont entrées en contact secondaire, et elles se sont soit hybridées, soit sont restées isolées sur le plan reproductif, de sorte que deux ou plusieurs espèces de Tropheus vivent parfois en sympatrie.

Tropheus vit sur les rives rocheuses et pavées où il habite une large gamme de profondeurs d'eau, parfois jusqu'à 40 m, mais sa densité la plus élevée se situe entre 0,5 et 5 m de profondeur ( Kohda et Yanagisawa, 1992 ; Sturmbauer et al . , 2008 ) . Le genre est hautement spécialisé et occupe la niche trophique consistant principalement à brouter des algues filamenteuses, alors que d'autres genres utilisent différentes ressources dans cette communauté complexe d'espèces littorales ( Sturmbauer et al., 1992 ; Konings, 1998 ). Dans la zone littorale des lacs d'eau douce, plusieurs facteurs écologiques varient fortement avec la profondeur de l'eau. Tropheus moorii préfère les eaux peu profondes, probablement en raison de la productivité plus élevée des algues, des températures plus chaudes et du risque de mortalité plus faible causé par les poissons prédateurs pélagiques. Seuls les très grands adultes ont tendance à utiliser des eaux légèrement plus profondes (> 5 m).

Dans cet article, nous avons étudié les effets de la cooccurrence de deux espèces de Tropheus dans la partie centre-est du lac Tanganyika : T. moorii (formes de couleur « Kaiser » et « Kirschfleck ») et Tropheus polli . Nous avons étudié si les populations sympatriques de Tropheus différaient par leur forme corporelle des populations non sympatriques (c'est-à-dire si les populations qui coexistent avec un autre Tropheus diffèrent de celles qui ne le font pas). Ainsi, nous avons cherché à tester l’hypothèse selon laquelle la coexistence de deux espèces écologiquement (presque) équivalentes renforce la compétition pour les ressources disponibles. De telles interactions compétitives pourraient conduire à une ségrégation spatiale et à une divergence écomorphologique. Les différences morphologiques et comportementales entre les populations sympatriques et non sympatriques de Tropheus pourraient être en partie dues à la plasticité morphologique et à la variation génétique, façonnées par le déplacement des caractères écologiques ou reproducteurs ( Brown et Wilson, 1956 ; Pfennig et al., 2010 ). Nous avons étudié le scénario naturel suivant : Sur la côte est, près du village d'Ikola, T. moorii 'Kaiser' vit seul et utilise toute la plage de profondeur préférée de 0 à environ 5 m ( Figure 1 ). Plus au nord, T. moorii 'Kaiser' est présent en sympatrie avec T. polli . Dans cette situation, T. polli occupe la partie supérieure de l'habitat rocheux, tandis que T. moorii 'Kaiser' vit dans les sections plus profondes de la zone littorale rocheuse entre des profondeurs d'environ 3 à 5 m ( Schupke, 2003 ; Sturmbauer, observations personnelles ). Cependant, la séparation en profondeur n’est pas complète et les deux espèces présentent un certain chevauchement dans leurs répartitions. Notre étude comprenait également une autre forme de couleur, T. moorii 'Kirschfleck', qui vit légèrement au nord de T. moorii 'Kaiser' sur les rives des montagnes Mahale. De même, il partage l'habitat avec T. polli et présente la même ségrégation en profondeur que T. moorii 'Kaiser'. T. moorii 'Kirschfleck' est de couleur similaire à T. moorii 'Kaiser', en ce sens que T. 'Kirschfleck' présente deux taches rouges sur les flancs du corps, tandis que T. 'Kaiser' présente une large bande jaune et les deux formes de couleur partagent une ascendance commune relativement récente ( Egger et al., 2007 ). Notez cependant que même les populations affectées à la même forme de couleur diffèrent légèrement les unes des autres. Les expériences de croisement en aquarium ont confirmé l'accouplement assorti et l'isolement reproductif de T. polli provenant deT. moorii 'Kaiser' et T. moorii 'Kirschfleck' (Sturmbauer, données non publiées). T. moorii 'Kaiser' et 'Kirschfleck' forment facilement des hybrides en captivité (Toby Veall, communication personnelle).

Figure 1

Localités d’échantillonnage au Lac Tanganyika. ( une ) Tropheus moorii 'Kirschfleck' en sympatrie avec Tropheus polli près de Mahale (KFS1) et Mabilibili (KFS2) ; ( b ) T. moorii 'Kaiser' en sympatrie avec T. polli du sud d'Isonga (IKS3), du nord de Kekese (IKS4) et à Kekese (IKS5) ; sympatrique T. polli (TPS1 – TPS5); ( c ) T. moorii 'Kaiser' non sympatrique vivant seul sans deuxième Tropheus au nord d'Ikola (IKA1), à Ikola (IKA2) et au sud d'Ikola (IKA3).

 

Cette étude s'appuie sur une étude précédente dans laquelle nous avons produit et analysé la progéniture F 1 de quatre formes de couleur Tropheus dans un environnement d'étang standardisé et des hybrides F 1 entre deux ensembles de formes de couleur Tropheus ( Kerschbaumer et al., 2011 ). En plus de T. moorii 'Mbita' et 'Nakaku', nous avons élevé et hybridé deux populations de T. moorii 'Kaiser' - l'une vivant seule et l'autre en sympatrie avec T. polli - qui sont également utilisées dans la présente analyse. Nous avons constaté que le passage à un environnement d'étang standardisé induisait non seulement une plasticité phénotypique marquée, mais aussi, en même temps, laissait intacte une distinction morphologique entre les populations, dans la mesure où la progéniture F 1 des quatre populations de Tropheus élevées en étang pouvait être également différenciée . . Ainsi, malgré le signal clair de plasticité phénotypique, il existe une base génétique pour les différences morphométriques observées entre les populations. L'ampleur du changement de forme dû à la plasticité phénotypique dépassait les différences entre ces populations d'un facteur de 2,4. Nous avons également démontré une base héréditaire pour des caractéristiques morphologiques particulières différant entre les différentes populations de Tropheus ( Koch et al., 2012 ).

Pour répondre à la question de savoir si ces différences ont un caractère adaptatif, nous avons appliqué des méthodes morphométriques géométriques en combinaison avec une analyse de marqueurs génétiques neutres. Nous avons en outre lié les différences morphologiques et génétiques à la répartition géographique des populations.

Matériels et méthodes

Populations étudiées et échantillonnage

Entre 2005 et 2009, environ 800 individus de deux formes de couleur et deux espèces du genre Tropheus ont été collectés dans huit sites sur la côte est du lac Tanganyika ( Figure 1 ). À trois endroits, une population de T. moorii occupait toute l'aire de répartition de l'habitat préféré (appelé « Tropheus non sympatrique 'Kaiser »), et à cinq endroits, une population partageait son habitat avec une espèce sœur, T. polli (appelée ' Trophée sympatrique 'Kaiser'' et ' Trophée sympatrique 'Kirschfleck''). T. moorii 'Kaiser', également appelé Tropheus 'Ikola' dans le commerce des aquariums, a un corps globalement noir avec une bande jaune audacieuse au centre du corps. La coloration de base du T. moorii 'Kirschfleck' est noire, avec deux taches rouges proéminentes sur les flancs du corps. Les deux formes de couleur présentent une teinte inclinée le long de leur aire de répartition. T. polli se caractérise par un motif rayé (femelles et juvéniles) ou une couleur gris bleuâtre uniforme (mâles matures) et une nageoire caudale unique profondément fourchue. La taille des échantillons, les noms et les coordonnées géographiques des sites d'échantillonnage sont répertoriés dans le tableau 1 . Pour cette étude, seuls les poissons adultes ont été considérés. Des images numériques d'échantillons anesthésiés ont été obtenues à l'aide d'un scanner à plat commun ( Herler et al., 2007 ). Un petit clip de nageoire a été prélevé pour analyse génétique.

Tableau 1 Résumé des espèces et populations de Tropheus échantillonnées
Tableau en taille réelle

Analyse morphométrique

La forme externe du corps a été quantifiée en numérisant les coordonnées cartésiennes de 18 points de repère ( Figure 2 ) à l'aide de TpsDig 2.10 ( Rohlf, 2006 ). Les configurations de points de repère ont été superposées à l'aide d'une analyse de Procuste généralisée ( Rohlf et Slice, 1990 ; Mitteroecker et Gunz, 2009 ) et projetées dans l'espace tangent de Procuste ( Rohlf, 1999 ). La distribution empirique des formes moyennes de la population a été évaluée à l'aide d'une analyse en composantes principales (PC) des coordonnées de forme résultantes. Les différences moyennes entre les PC et les groupes ont été visualisées à l'aide de grilles de déformation spline à plaque mince (TPS) ( Bookstein, 1991 ). La variance totale de forme au sein de la population a été calculée comme la trace de la matrice de covariance correspondante des coordonnées de forme. Les différences de population en termes de forme moyenne et de variance totale ont été testées pour leur signification statistique à l'aide de tests de permutation de Monte-Carlo ( Good, 2000 ).

Figure 2

Positions des 18 repères numérisés : (1) pointe antérieure du museau ; (2) et (3) insertion antérieure et postérieure de la nageoire dorsale ; (4) et (6) insertion supérieure et inférieure de la nageoire caudale ; (5) point médian de l'origine de la nageoire caudale ; (7) et (8) insertion postérieure et antérieure de la nageoire anale ; (9) insertion de la nageoire ventrale ; (10) pointe ventrale du cleithrum (11) ; point le plus ventral de la frontière entre l'interopercule et le sous-opercule ; (12) le point où le préopercule, l'inter-opercule et le sous-opercule entrent en contact ; (13) insertion supérieure de la nageoire pelvienne ; (14) origine dorsale de l'opercule ; (15) extrémité dorsale du sillon préoperculaire ; (16) et (17) points les plus antérieurs et les plus postérieurs de l'orbite ; et (18) point le plus postérieur des lèvres.

 

Selon Lande (1979) , la matrice de covariance génétique additive entre populations devrait être proportionnelle à la matrice de covariance ancestrale au sein d'une population en cas de dérive génétique pure. Les écarts par rapport à la proportionnalité peuvent indiquer des scénarios évolutifs impliquant une sélection perturbatrice ou stabilisatrice ( Chapuis et al., 2008 ). En tant que substituts des matrices de covariance génétique, nous avons estimé la matrice de covariance phénotypique regroupée au sein d'une population et la matrice de covariance phénotypique entre populations des populations de T. moorii ( Cheverud, 1988 ; Roff, 1997 ). Nous avons effectué un test de rapport de vraisemblance de proportionnalité des deux matrices de covariance ( Mardia et al., 1979 ; Chapuis et al., 2008 ). Afin de calculer ce test, les données ont été réduites aux 10 premiers PC afin que les matrices de covariance soient inversibles. Pour nos données, les résultats ne dépendaient pas du nombre de PC sélectionnés.

Cette approche génétique quantitative repose sur plusieurs hypothèses très idéalisées (voir par exemple Lande, 1979 ; Cheverud, 1988 ; Roff, 1997 ; Marroig et Cheverud, 2004 ; Pigliucci, 2006 ) et s'applique à un nombre limité de populations. Par conséquent, en plus du test du rapport de vraisemblance, nous avons exploré dans quelle mesure les matrices de covariance au sein et entre les populations différaient réellement par rapport aux différences entre les matrices de covariance de la population. À cette fin, nous avons effectué une analyse d’ordination des huit matrices de covariance de population, de la matrice de covariance regroupée au sein de la population et de la matrice de covariance entre populations. Comme fonction de distance, nous avons utilisé la double norme des valeurs propres relatives log, la métrique naturelle sur l'espace des matrices de covariance ( Mitteroecker et Bookstein, 2009 ). Encore une fois, cette analyse doit être basée sur un petit ensemble de PC afin que toutes les matrices soient inversibles. Les analyses des trois à sept premiers PC ont donné à peu près la même ordination ; nous rapportons donc ici les quatre versions PC.

En outre, nous avons évalué le modèle de différences entre les matrices de covariance au sein et entre les populations à l'aide de nuages ​​de points des coordonnées de forme correspondantes, ainsi que d'ellipses de fréquence égale par point de repère. Cette « décomposition graphique » de la variation permet une inspection visuelle et une localisation des différences dans les modèles de variance et de covariance (voir aussi Herler et al., 2010 ). Toutes les analyses statistiques et morphométriques ont été effectuées dans Mathematica 8 à l'aide de routines programmées par Philipp Mitteroecker et Philipp Gunz.

Analyse génétique

L'ADN génomique a été extrait de clips de nageoires conservés dans l'éthanol par digestion enzymatique à l'aide de la protéinase K, suivie d'une précipitation à l'acétate d'ammonium et à l'isopropanol ( Sambrook et al., 1989 ). Tous les échantillons ont été examinés pour déterminer la variation génétique de six marqueurs microsatellites : UNH130 ( Lee et Kocher, 1996 ), Pzep2, Pzep3 ( van Oppen et al., 1997 ), UME003, UME002 ( Parker et Kornfield, 1996 ) et TmoM27 ( Zardoya et al. ., 1996 ). L'amplification PCR a été réalisée dans un volume total de 20 µl. Le cocktail PCR contenait 50 ng d'ADN total extrait, 0,025 à 0,2 μm μl −1 d'amorce (les amorces directes étaient marquées par fluorescence avec HEX, 6-FAM ou NED), 0,05 nmol de mélange de dNTP (10 mm), 0,5 μl de BSA (100 × BSA ; New England Biolabs, Ipswich, MA, USA), 30 nmoles de tampon MgCl (15 mm) et 0,2 µl de Taq polymérase (5 U µl -1 ; BioTherm, GenXpress, Vienne, Autriche). Toutes les réactions PCR ont été réalisées dans les conditions suivantes : 94 °C pendant 3 min, suivi de 30 cycles à 92 °C pendant 30 s ; 51 à 54 °C, 1 minute ; 72 °C, 1 min, suivi de 72 °C pendant 10 min. Les produits de PCR ont été chargés sur un séquenceur Applied Biosystems 3130xl et notés à l'œil nu à l'aide du logiciel Genemapper v.3.7 (Applied Biosystems, Vienne, Autriche) par rapport à un standard de taille interne ABI ROX 500. Nous avons utilisé le logiciel Micro-Checker ( van Oosterhout et al., 2004 ) pour évaluer la présence potentielle d'allèles nuls. Les informations génotypiques déduites ont été évaluées pour les écarts par rapport à l'équilibre de Hardy – Weinberg (FIS par population), et la diversité génétique, le nombre d'allèles et la richesse allélique ont été calculés à l'aide du logiciel FSTAT v. 2.9.3.2 ( Goudet 1995 ) . À l'aide du logiciel GENEPOP 4.0 ( Raymond et Rousset, 1995 ; Rousset, 2010 ), des tests de déséquilibre de liaison ont été réalisés en utilisant les paramètres par défaut de la chaîne de Markov. La différenciation au sein de la population a été quantifiée à l'aide d'Arlequin 3.1.1 ( Excoffier et al., 2006 ) en calculant le F ST par paire ( Wright, 1951 ). Pour illustrer la divergence génétique entre les populations, nous avons effectué une analyse des coordonnées principales basée sur la matrice de distance F ST . Afin de visualiser la similarité relative entre différents groupes de populations, une analyse de correspondance factorielle a été réalisée sur des données microsatellites à l'aide de Genetix v. 4.05 ( Belkhir et al., 2004 ; données non présentées).

Résultats

Différenciation morphologique

La figure 3a montre un nuage de points des deux premiers PC des 13 moyennes de population. Ces deux composantes représentaient 78 % de la variation totale de forme parmi les moyennes de la population. Les populations sympatriques de « Kaiser » étaient très similaires aux populations sympatriques de « Kirschfleck », alors que toutes deux différaient des populations non sympatriques de Tropheus . Les formes moyennes des cinq populations de T. polli différaient clairement de celles de toutes les populations de T. moorii 'Kaiser' et 'Kirschfleck'. Les différences de forme correspondant aux deux PC sont visualisées sur les figures 3b et c . Malgré des différences moyennes apparentes, il y avait un chevauchement des variations individuelles entre les populations, à la fois dans une analyse PC et dans une analyse variable canonique. Seuls T. polli et T. moorii ont pu être séparés dans une analyse discriminante à deux groupes (non présentée).

figure 3

Analyse en composantes principales des 13 formes moyennes de population. ( une ) Nuage de points des deux premières composantes principales (PC), représentant 78 % de la variation totale de forme parmi les moyennes de la population. Les différences de forme correspondant à PC 1 et PC 2 sont visualisées dans ( b ) et ( c ) sous forme de grilles de déformation allant de la forme moyenne générale aux formes correspondant à des scores de −0,1 et 0,1 le long des PC, respectivement. IKS, sympatrique T. moorii 'Kaiser'; IKA, T. moorii non sympatrique 'Kaiser'; KFS, sympatrique T. moorii 'Kirschfleck'; TPS, T. polli .

 

Dans l'espace de forme complet de Procuste, les trois formes moyennes globales de « Kaiser » sympatrique, de « Kaiser » non sympatrique et de « Kirschfleck » sympatrique différaient toutes significativement les unes des autres ( P <0,001 pour les trois tests ) . La figure 4 montre les grilles de déformation TPS entre ces formes moyennes de groupe. Les populations non sympatriques de Tropheus avaient une tête relativement élargie et une nageoire pectorale plus postérieure que les populations sympatriques. Les différences entre « Kaiser » non sympatrique et « Kirschfleck » sympatrique étaient pratiquement les mêmes que celles représentées sur la figure 2a et ne sont donc pas représentées. Des différences de forme entre T. moorii et T. polli ont été détectées pour les proportions globales du corps, la position des nageoires pectorales, ainsi que la taille et la forme relatives de la tête.

Figure 4

Visualisation par spline sur plaque mince des différences de forme moyennes entre ( a ) les populations sympatriques et non sympatriques de Tropheus moorii , ( b ) les populations de Tropheus polli et sympatriques de T. moorii et ( c ) les populations de T. polli et de T. moorii non sympatriques . Toutes les différences sont extrapolées linéairement par un facteur 6.

 

Le tableau 2 donne la variance totale des coordonnées de forme de Procustes pour les trois groupes de populations de T. moorii et pour les populations de T. polli . Regroupés sur les populations correspondantes et sur les deux sexes, le 'Kaiser' non sympatrique présentait une variance totale au sein de la population plus grande que le T. moorii sympatrique 'Kaiser' ( P <0,001) et le T. moorii sympatrique 'Kirschfleck' ( P <0,001 ). ). La variance au sein de la population de T. polli était inférieure à celle de tous les groupes de T. moorii ( P <0,001). Calculée séparément pour les deux sexes, cette tendance était plus prononcée chez les hommes que chez les femmes.

Tableau 2 Variance totale de forme au sein de la population (échelle de 10 3 ) regroupée pour les deux sexes, ainsi que, séparément, pour les femmes et pour les hommes
Tableau en taille réelle

Le test du maximum de vraisemblance indique que la matrice de covariance entre les populations et la matrice de covariance regroupée au sein de la population de tous les spécimens de T. moorii s'écartaient considérablement de la proportionnalité ( P <0,001). L'analyse d'ordination de la figure 5 montre qu'ils différaient considérablement par rapport aux différences entre les matrices de covariance des huit populations. Les structures de covariance entre et au sein de la population sont visualisées sur la figure 6 sous forme de nuages ​​de points des coordonnées de la forme de Procruste ainsi que d'ellipses de fréquence égale pour chaque point de repère. La répartition des repères au sein des populations ( Figure 6a ) s'écartait de celle entre les populations ( Figure 6b ) principalement dans la partie antérieure de la tête et à l'insertion de la nageoire pectorale. Notez que ces tracés montrent uniquement les variances des coordonnées de forme ainsi que les covariances entre les coordonnées x et y du même point de repère, mais ne représentent pas les covariances entre les coordonnées de forme de différents points de repère.

Figure 5

Coordination des coordonnées principales (PCO) des huit matrices de covariance de population Tropheus moorii , ainsi que la matrice de covariance intra-population regroupée ( W ) et la matrice de covariance inter-population mise à l'échelle ( B ). Chaque point de ce graphique représente une matrice de covariance, et la distance entre les points se rapproche de la métrique présentée par Mitteroecker et Bookstein (2009) . La matrice B a été mise à l'échelle pour être aussi proportionnelle que possible à W par un facteur d'échelle du maximum de vraisemblance ( Mardia et al., 1979 ).

 
Figure 6

Nuages ​​de points représentant la variation des coordonnées de forme de Procustes ( a ) au sein des populations de Tropheus moorii et ( b ) entre les moyennes des populations de T. moorii . Des ellipses de fréquence égale sont dessinées séparément pour chaque point de repère. Dans un scénario de pure dérive évolutive, les modèles ( a ) et ( b ) devraient être proportionnels, de sorte que les écarts par rapport à la proportionnalité indiquent des forces sélectives.

 

Différenciation génétique

Dans les deux populations sympatriques de T. moorii 'Kirschfleck' et dans certaines populations de T. polli , plusieurs locus présentaient des signes d'allèles nuls en raison d'un excès d'homozygotes. Un locus, UME003, a montré des allèles nuls dans toutes les populations sauf une. Nous excluons donc ce marqueur des analyses ultérieures. Un résumé des statistiques des microsatellites est présenté dans le tableau 3 . Bien que la différenciation génétique entre les populations « Kaiser » non sympatriques et sympatriques soit significative ( F ST entre 0,033 et 0,085), elle ne dépassait pas la différenciation au sein des populations non sympatriques et sympatriques ( Tableau 3 ). L'analyse coordonnée principale des valeurs F ST a montré une étroite parenté génétique entre les six populations « Kaiser », alors que les deux formes de couleur, « Kaiser » et « Kirschfleck », étaient clairement distinctes ( Figure 6 ). T. polli différait de « Kaiser » et de « Kirschfleck », à l'exception d'une population (TPS3) qui se regroupait avec les populations de « Kirschfleck ».

Tableau 3 Statistiques pour les cinq microsatellites des populations de Tropheus étudiées
Tableau en taille réelle

Différenciation géographique

Nous avons corrélé les valeurs F ST et les distances de forme de Procruste entre les huit populations de T. moorii 'Kaiser' et T. moorii 'Kirschfleck' avec les distances géographiques entre les sites correspondants ( Figure 7 et Tableau 4 ). F ST était fortement associé à la distance géographique ( r = 0,93, P <0,001), alors que la distance de Procuste n'était pas liée à la distance géographique ( r = 0,05, P = 0,79) et à F ST ( r = −0,15, P = 0,44). La même tendance est devenue évidente lors de l'analyse des six populations de T. moorii 'Kaiser' seules (non illustrées).

Figure 7

Ordonnance des coordonnées principales (PCO) des distances F ST entre toutes les populations échantillonnées. Les distances entre les points de ce graphique se rapprochent des distances F ST entre les populations.

 
Tableau 4 Valeurs F ST (au-dessus de la diagonale) et distances de Procruste (en dessous de la diagonale) entre les 13 populations
Tableau en taille réelle

Discussion

L'importance relative de la sélection naturelle et de la dérive génétique aléatoire pour la diversification et la spéciation a été au centre de l'intérêt d'un large éventail d'études empiriques et théoriques (par exemple, Otte et Endler, 1989 ; Barton, 1996 ; Orr, 1998 ; Dieckmann et Doebeli, 1999 ; Schluter, 2000 ; Kingsolver et al., 2001 ; Merilä et Crnokra, 2001 ; Coyne et Orr, 2004 ; Gavrilets, 2004 ; Leinonen et al., 2006 ). Dans cet article, nous avons tenté de saisir les effets de la sélection naturelle sur des paires d'espèces sympatriques en comparant le degré de variation phénotypique et génétique au sein et parmi les populations non sympatriques sélectionnées de Tropheus avec le degré de variation au sein des populations sympatriques, c'est-à-dire celles qui vivre avec un autre Tropheus . T. polli partage son habitat avec diverses formes de Tropheus le long d'une étendue d'environ 100 km du littoral du lac Tanganyika, se nourrit du même régime alimentaire et est donc susceptible d'être un puissant concurrent de niche ( Axelrod, 1977 ; Poll, 1986 ). Notre échantillon de population comprenait des populations de deux de ces formes de couleur, T. 'Kaiser' et T. 'Kirschfleck'. Lorsqu'elles sont seules, les populations de Tropheus se trouvent dans une large plage de profondeur, la densité la plus élevée se situant dans la plage de profondeur de 0,5 à 5 m, mais lorsqu'elles coexistent avec un autre Tropheus , l'une occupe toujours la plage de profondeur la plus élevée et apparemment préférée, alors que le le deuxième (ou troisième) Tropheus occupe des eaux plus profondes, mais avec une zone de chevauchement. Les populations sympatriques habitent ainsi un habitat différent et en fait plus restreint que les populations non sympatriques. Dans notre cas, T. polli reste toujours dans la zone de faible profondeur, tandis que la deuxième (ou troisième) espèce de Tropheus se déplace vers les eaux plus profondes. Le mouvement vers des eaux plus profondes est évident chez les populations de T. moorii 'Kaiser' qui vivent seules, car elles habitent toute la profondeur de l'habitat rocheux, typique de tous les Tropheus non sympatriques tout autour du lac. Il en va de même pour Tropheus duboisi dans la partie nord et nord-est du lac Tanganyika ; T. duboisi vit systématiquement dans des eaux plus profondes que la deuxième (ou la troisième) espèce de Tropheus ( Brichard, 1978 ), tout comme l'une des deux espèces sympatriques de Tropheus .espèce près de Namanzi et Mtosi sur la rive sud-est du lac (observations personnelles). La profondeur de l'eau est susceptible d'imposer des régimes de sélection différentiels, dans la mesure où les espèces vivant en profondeur doivent faire face à davantage d'oiseaux prédateurs et à l'action des vagues que les espèces vivant en profondeur, mais bénéficient d'une croissance d'algues plus élevée, tandis que les espèces vivant en profondeur doivent traiter davantage les prédateurs pélagiques, réduire la productivité des algues et la transmission de la lumière. On peut donc affirmer que la ségrégation en profondeur observée conduit à une adaptation différentielle.

Dans notre analyse, nous avons trouvé des différences significatives dans la forme moyenne entre les populations de Tropheus non sympatriques et sympatriques . De plus, les populations sympatriques de T. moorii 'Kaiser' et de T. moorii 'Kirschfleck' se sont regroupées dans l'analyse PC et ne se chevauchaient que légèrement dans l'espace de forme avec les populations non sympatriques ( Figure 3 ). Pourtant, une ordination des similitudes génétiques ( F ST ) a montré une image différente : les populations non sympatriques et sympatriques de T. moorii 'Kaiser' se sont étroitement regroupées, à l'exclusion de T. moorii 'Kirschfleck' ( Figure 6 ). Cette observation est congruente avec une analyse phylogéographique du genre Tropheus basée sur les marqueurs AFLP (polymorphisme de longueur de fragment amplifié) ( Egger et al., 2007 ), dans laquelle une relation plus étroite entre T. moorii 'Kaiser' et 'Kirschfleck' a été trouvée, contrastant les résultats antérieurs basés sur l'ADNmt en les attribuant à différentes lignées d'ADNmt ( Sturmbauer et Meyer, 1992 ; Sturmbauer et al., 1997 ; 2005 ). Bien que le modèle génétique puisse provenir dans une certaine mesure d'une combinaison d'effets fondateurs et de dérives, l'incongruence entre les similitudes génétiques neutres et les similitudes morphologiques est une indication forte de l'action de processus de sélection différentiels dans les populations de Tropheus non sympatriques et sympatriques. Malgré l'augmentation de l'isolement génétique parmi les populations de T. moorii 'Kaiser' et de T. moorii 'Kirschfleck' avec la distance géographique, les populations sympatriques des deux formes de couleur étaient morphologiquement similaires et différaient des populations non sympatriques. Les populations sympatriques avaient une tête relativement plus petite, des yeux plus petits et une insertion plus antérieure de la nageoire pectorale que les populations non sympatriques ( Figure 4a ). Ces caractéristiques semblent être une adaptation aux caractéristiques environnementales d’une plus grande profondeur d’eau et d’une transmission lumineuse réduite. Par exemple, Jordan et coll. (2008) ont observé une diminution du diamètre des yeux avec une diminution de la transmission de la lumière chez les cichlidés rocheux du lac Malawi. De plus, Tropheus vivant dans des eaux moins profondes peut avoir besoin de yeux plus grands pour mieux détecter les oiseaux prédateurs. Les différences dans la taille de la tête et la taille des yeux pourraient également être en partie une adaptation à des ressources alimentaires (légèrement) différentes dans les eaux peu profondes et plus profondes.

Nous avons en outre constaté que les distances génétiques ( F ST ) entre les populations de Tropheus étaient fortement associées aux distances géographiques, comme prévu, pour les marqueurs neutres ( Figure 8a ). En revanche, les distances morphologiques (distances de Procuste) n'étaient pas liées aux distances géographiques ( Figure 8b ). L'indépendance des distances génétiques et des distances morphologiques ( figure 8c ) confirme l'incongruence entre les deux analyses d'ordination des figures 3 et 6 .

Figure 8

Nuages ​​de points de ( a ) les distances géographiques par rapport aux valeurs F ST , ( b ) les distances géographiques par rapport aux distances de Procustes et ( c ) les valeurs de F ST par rapport aux distances de Procustes entre les huit populations de Tropheus moorii . F ST est fortement associé à la distance géographique ( r = 0,93), alors que la distance de Procuste n'est liée ni à la distance géographique ni à F ST ( r = 0,05 et r = −0,15, respectivement).

 

T. polli différait à la fois génétiquement et morphologiquement des autres espèces. Cependant, une population (TPS3) partageait certains allèles avec T. moorii 'Kirschfleck' et différait donc des autres populations de T. polli par l'ordination de la figure 6 . La similitude observée avec son allié sympatrique est révélatrice d’un événement d’introgression passé à cet endroit. En fait, la présence d'haplotypes d'ADNmt provenant de deux lignées majeures chez T. moorii 'Kirschfleck' suggère une courte période de flux génétique, éventuellement sous la forme d'un scénario de renforcement lors du contact secondaire initial ( Sturmbauer et al., 1997 ).

Des preuves supplémentaires de processus sélectifs proviennent de la comparaison entre les matrices de covariance au sein de la population et entre les populations pour les populations étudiées de T. moorii . Nous avons constaté que les deux matrices de covariance phénotypiques s'écartaient clairement de la proportionnalité, indiquant des scénarios évolutifs impliquant une sélection perturbatrice ou stabilisatrice. La variation entre les populations ( Figure 5b ) différait de celle au sein des populations ( Figure 5a ), plus clairement au niveau des repères de la tête, en particulier de la bouche, et de l'insertion antérieure de la nageoire pectorale. Dans ces régions anatomiques, les populations non sympatriques et sympatriques différaient le plus ( Figure 4a ).

Nous avons également constaté que la variance totale au sein de la population (additionnée pour tous les points de repère) était significativement plus faible dans les populations sympatriques que dans les populations non sympatriques. Cela peut être le résultat d'une pression de sélection stabilisatrice accrue en raison de la compétition alimentaire de T. moorii avec T. polli et d'autres poissons dans les eaux plus profondes. Des travaux récents sur les cichlidés rocheux du lac Malawi sur la structure des communautés et la divergence phénotypique ont suggéré que la sédimentation semble être un autre facteur affectant le comportement alimentaire structurant les espèces et les écotypes le long de ce gradient d'habitat ( Albertson, 2008 ; Parnell et Streelman, 2011 ) , donc une ségrégation de niche pourrait tout aussi bien se produire entre les deux Tropheus .

Deux études antérieures, dans lesquelles des descendants de Tropheus 'Kaiser' sympatriques et non sympatriques, ont été élevés dans un environnement d'étang standardisé et comparés à des poissons sauvages, ont révélé une plasticité phénotypique frappante induite par le changement soudain de plusieurs paramètres environnementaux dans les étangs. Le manque de concurrents et de prédateurs et une eau complètement calme pourraient être les changements les plus frappants. Cependant, la même expérience a démontré une base génétique claire de certaines des différences inter-populations observées chez la progéniture F 1 ( Kerschbaumer et al., 2011 ; Koch et al., 2012 ). On pourrait affirmer que les populations non sympatriques et sympatriques vivent dans des habitats légèrement différents, de sorte que les différences de forme moyenne observées pourraient être en partie dues aux différents environnements qui façonnent le développement ontogénétique. De même, la variation réduite de la forme des populations sympatriques pourrait résulter d’une moindre hétérogénéité de leur habitat, étant donné que chaque espèce habite une partie de la plage de profondeur d’origine. Comme le soutient West-Eberhard (2005a) , 2005b , de telles différences phénotypiques induites par l'environnement, dans le cadre impressionnant de la plasticité phénotypique, sont susceptibles de constituer la base initiale sur laquelle la sélection naturelle peut agir. La base génétique observée des différences entre les populations démontre une contribution de mutations aléatoires, fournissant la base de l'accommodation génétique. Ainsi, la plasticité phénotypique peut favoriser la divergence au sein des populations, la divergence via le partage des ressources et le déplacement des caractères lors d'un contact secondaire entre les espèces, pour finalement conduire à la spéciation et au rayonnement adaptatif ( Pfennig et al., 2010 ). De tels scénarios ont été postulés pour la formation répétée d'épinoches benthiques et limnétiques ( Schluter et McPhail, 1992 ). Il a également été avancé que la plasticité développementale reflète les différences morphologiques trouvées dans trois genres de crapauds sur deux continents, indiquant comment la plasticité ancestrale peut conduire à une diversité morphologique entraînée par l'adaptation à de vastes changements environnementaux ( Gomez-Mestre et Buchholz, 2006 ) . .

Il est donc évident que la sélection naturelle agit à la fois sur la plasticité phénotypique et sur les traits héréditaires et que ces deux facteurs contribuent aux différences de forme observées parmi les populations de Tropheus non sympatriques et sympatriques . La plasticité phénotypique est une caractéristique adaptative très importante permettant aux individus de réagir à des changements environnementaux à plus court terme. Une fois que la sélection naturelle commence à agir de manière cohérente dans une direction, par exemple en raison de changements de comportement après une admixie secondaire, des changements d’origine génétique sont susceptibles d’émerger en plus de la plasticité, et c’est exactement ce que suggèrent nos données. Nous notons que la conception de notre étude ne nous permet pas de démêler les contributions relatives de la plasticité phénotypique et des différences génétiques. Les contributions relatives de la plasticité et des différences génétiques peuvent être démêlées par des études expérimentales dans lesquelles des populations sympatriques et non sympatriques sont élevées dans diverses conditions environnementales et, en outre, dans une conception de jardin commune.

Il semble très probable que les différences de forme corporelle entre les populations non sympatriques et sympatriques de T. moorii soient causées par un déplacement des caractères écologiques. Des données expérimentales montrant les effets de la compétition sur la valeur adaptative et les mesures de sélection sur les traits d’intérêt seraient utiles pour étayer leurs arguments. Une alternative, le déplacement des caractères reproductifs, c'est-à-dire l'augmentation de l'isolement entre des taxons qui sont déjà de bonnes espèces (par opposition au renforcement), semble moins probable, étant donné que tous les traits distinctifs ont un contexte écologique plausible. Selon les six critères de contrôle du déplacement de caractère suggérés par Grant (1972) et Arthur (1982) et compte tenu des remarques de Schluter et McPhail (1992) , l'évaluation suivante peut être faite :

  1. 1

    Le hasard peut être exclu comme explication de ce schéma, étant donné que d’autres cas de sympatrie constituent également la même ségrégation profonde des deux entités.

  2. 2

    Selon des expériences d'élevage en étang ( Kerschbaumer et al., 2011 ; Koch et al., 2012 ), les différences phénotypiques entre les populations en sympatrie et en allopatrie ont une base génétique, en plus de la plasticité.

  3. 3

    Que les différences accrues entre les espèces sympatriques soient le résultat de changements évolutifs, et pas simplement de l'incapacité d'espèces de taille similaire à coexister (par exemple, en raison d'une exclusion compétitive ou d'une introgression), semble probable en raison du contexte adaptatif des changements, mais doit être étudié plus en détail par des études liées à la condition physique sur les caractères soumis à une sélection divergente.

  4. 4

    Étant donné que les populations sympatriques de T. moorii occupent systématiquement la section la plus profonde de la plage de profondeur d'origine et qu'elles partagent des changements dans le diamètre des yeux, les proportions de la tête et l'insertion de la nageoire pectorale, il est probable que ces différences morphologiques (ou autres phénotypiques) reflètent différences dans l’utilisation des ressources. D’autres études expérimentales fourniront davantage de preuves.

  5. 5

    Les sites de sympatrie et d'allopatrie ne diffèrent pas beaucoup en termes de propriétés de l'habitat et donc la nourriture, le climat ou d'autres caractéristiques environnementales affectant le phénotype sont probablement les mêmes. Les sites sur lesquels les populations de T. moorii vivent seules sont situés à l'extrémité sud de l'aire de répartition de cette forme de Tropheus , dans le même type de rivage pavé en pente modérée, il est donc probable que T. polli n'ait jamais réussi à coloniser cette section la plus au sud. Ce point inclut également le critère de Grant (1975) selon lequel les différences dans la zone de sympatrie ne devraient pas être prévisibles à partir de variations géographiques en dehors de la zone, ce qui n'est clairement pas le cas, car il s'agit de la même forme de couleur que T. moorii .

  6. 6

    Le sixième critère exige que des preuves indépendantes démontrant que des phénotypes similaires sont réellement en compétition pour la nourriture soient obtenues. Cette preuve peut être dérivée du fait que plus de 100 populations allopatriques de Tropheus remplissent la même fonction (niche trophique) dans la communauté d'espèces littorales complexe et riche en espèces. Cependant, les données sur le régime alimentaire ou les isotopes stables ne sont pas disponibles à ce jour.

Pris ensemble, nous avons trouvé deux sources de données indépendantes sur les processus adaptatifs sous-jacents aux différences de forme corporelle dans des populations Tropheus non sympatriques et sympatriques étroitement liées . Malgré une séparation génétique considérable entre ces populations, toutes les populations sympatriques occupant des eaux plus profondes ont une tête relativement plus petite, des yeux plus petits et une insertion plus antérieure de la nageoire pectorale que les populations non sympatriques. Le contact secondaire de T. polli avec T. moorii , qui ont développé un isolement reproductif, semble avoir imposé un changement de niche dans les deux taxons impliqués, ce qui a conduit à une sélection perturbatrice parmi des populations génétiquement étroitement apparentées et à une sélection convergente parmi des populations plus éloignées. populations. La concordance de forme observée dans cinq populations sympatriques de T. moorii , contrairement aux populations non sympatriques, ainsi que le changement dans l'utilisation des ressources, constituent une preuve solide d'un déplacement des caractéristiques écologiques ( Grant, 1972 ; Wassermann et Koepfer, 1977 ; Simberloff et Boecklen, 1981 ; Schluter, 1986 ), même si nous sommes conscients que cela n'est pas concluant. Nos résultats sont concordants avec d'autres cas de divergence d'espèces précoces, comme ceux de Schluter et McPhail (1992) , ainsi que ceux d' Adams et Rohlf (2000) sur deux petites salamandres étroitement apparentées (voir la revue de Losos, 2000 ). , les pinsons de Darwin ( Grant et Grant, 2006 ) et les rossignols ( Reifová et al. 2011 ).

Archivage des données

Données déposées dans le référentiel Dryad : doi:10.5061/dryad.fc02f .