ABSTRACT
The role of chromosomal rearrangements in the speciation process is much debated and many theoretical models have been developed. The shrews of the Sorex araneus group offer extraordinary opportunities to study the relationship between chromosomal variation and speciation. Indeed, this group of morphologically very similar species received a great deal of attention due to its karyotypic variability, which is mainly attributed to Robertsonian fusions. To explore the impact of karyotypic changes on genetic differentiation, we first studied the relationship between genetic and karyotypic structure among Alpine species and among chromosome races of the S. araneus group using Bayesian admixture analyses. The results of these analyses confirmed the taxonomic status of the studied species even though introgression can still be detected between species. Moreover, the strong spatial sub-structure highlighted the role of historical factors (e.g. geographical isolation) on genetic structure. Next, we studied gene flow at the chromosome level to address the question of the impact of chromosomal rearrangements on genetic differentiation. We used flow sorted chromosomes from three different karyotypic taxa of the S. araneus group to map microsatellite markers at the chromosóme arm level. We have been able to map 24 markers and to show that the karyotypic organisation of these taxa is well conserved, which suggests that these markers can be used for further inter-taxa studies.
A general prediction of chromosomal speciation models is that genetic differentiation between two taxa should be larger across rearranged chromosomes than across chromosomes common to both taxa. We combined two approaches using mapped microsatellites to test this prediction. First, we studied the genetic differentiation among five shrew taxa placed at different evolutionary levels (i.e. within and among species). In this large scale study, we detected an overall significant difference in genetic structure between rearranged vs. common chromosomes. Moreover, this effect varied among pairwise comparisons, which allowed us to differentiate the role of the karyotypic complexity of hybrids and of the evolutionary divergence between taxa. Secondly, we compared the levels of gene flow measured across common vs. rearranged chromosomes in two karyotypically different hybrid zones (strong vs. low complexity of hybrids), which show similar levels of genetic structure. We detected a significantly stronger genetic structure across rearranged chromosomes in the hybrid zone showing the highest level of hybrid complexity. The large variance observed among loci suggested that other factors, such as the position of markers within the chromosome, also certainly affects genetic structure. In conclusion, our results strongly support the role of chromosomal rearrangements in the reproductive barrier and suggest their importance in speciation process of the S. araneus group.
RESUME
Le rôle des réarrangements chromosomiques dans les processus de spéciation est fortement débattu et de nombreux modèles théoriques ont été développés sur le sujet. Les musaraignes du groupe Sorex araneus présentent de nombreuses opportunités pour étudier les relations entre les variations chromosomiques et la spéciation. En effet, ce groupe d'espèces morphologiquement très proches a attiré l'attention des chercheurs en raison de sa variabilité caryotypique principalement attribuée à des fusions Robertsoniennes.
Pour explorer l'impact des changements caryotypiques sur la différenciation génétique, nous avons tout d'abord étudié les relations entre la structure génétique et caryotypique de races chromosomiques et d'espèces alpine du groupe S. araneus en utilisant des analyses Bayesiennes d' « admixture ». Les résultats de ces analyses ont confirmé le statut taxonomique des espèces étudiées bien que nous ayons détecté de l'introgression entre espèces. L'observation d'une sous structure spatiale relativement forte souligne l'importance des facteurs historiques (telle que l'isolation géographique) sur la structure génétique de ce groupe.
Ensuite, nous avons étudié le flux de gène au niveau des chromosomes pour aborder de manière directe la question de l'impact des réarrangements chromosomiques sur la différenciation génétique. En conséquence, nous avons utilisé des tris de chromosomes de trois taxons du groupe S. araneus pour localiser des marqueurs microsatellites au niveau du bras chromosomique. Au cours de cette étude, nous avons pu localiser 24 marqueurs et montrer une forte conservation dans l'organisation du caryotype de ces taxa. Ce résultat suggère que leur utilisation est appropriée pour des études entre taxa.
Une prédiction générale à tous les modèles de spéciation chromosomique correspond à la plus grande différenciation génétique des chromosomes réarrangés que des chromosomes communs. Nous avons combiné deux approches utilisant des microsatellites localisés au niveau du bras chromosomique pour tester cette prédiction. Premièrement, nous avons étudié la différenciation génétique entre cinq taxa du groupe S. araneus se trouvant à des niveaux évolutifs différents (i.e. à l'intérieur et entre espèce). Au cours de cette étude, nous avons détecté une différenciation globale significativement plus élevée sur les chromosomes réarrangés. Cet effet varie entre les comparaisons, ce qui nous a permis de souligner le rôle de la complexité caryotypique des hybrides et du niveau de divergence évolutive entre taxa. Deuxièmement, nous avons comparé le flux de gènes des chromosomes communs et réarrangés dans deux zones d'hybridation caryotypiquement différentes (forte vs. Faible complexité des hybrides) mais présentant un niveau de différenciation génétique similaire. Ceci nous a permis de détecter une structure génétique significativement plus élevée sur les chromosomes réarrangés au centre de la zone d'hybridation présentant la plus grande complexité caryotypic. La forte variance observée entre loci souligne en outre le fait que d'autres facteurs, tel que la position du marqueur sur le chromosome, affectent probablement aussi la structure génétique mesurée. En conclusion, nos résultats supportent fortement le rôle des réarrangements chromosomiques dans la barrière reproductive entre espèces ainsi que leur importance dans les processus de spéciation des musaraignes du groupe S. araneus.