Summary
Gynodioecy, the joint occurrence of females and hermaphrodites within natural populations, is a widely studied mating system ever since Darwin (1877). It is an exceptional mating system because continuous selection is necessary to maintain it. Since females only reproduce through ovules whereas hermaphrodites transmit genes through ovules and pollen, larger female fitness, in terms of seed output, is required to allow their maintenance. Two non-exclusive mechanisms can account for the maintenance of females. First, as females do not produce pollen they can reallocate their resources towards a higher ovule production. Second, hermaphrodites can self- and cross-fertilize whereas females are obligate outcrossers. Thus hermaphrodites should partly suffer from inbreeding depression (i.e.: the fitness decline of inbred relative to outbred individuals) and thereby produce less fit progeny than females.
This thesis investigated the effects of self- and cross-fertilization of heimaphrodites over two consecutive generations. Inbreeding depression increased across the successive stages of the life- cycle (i.e.: from "seed traits" to "reproductive traits") displaying large inbreeding depression estimates (up to 0.76). This investigation not only detected large inbreeding depression estimates but also detected mechanisms involved in the maintenance of inbreeding depression. For instance cryptic self-incompatibility which is here a larger in vivo pollen performance of distant pollen compared to self-pollen; the expression of inbreeding depression especially in late life-cycle stages, and the appearance of females in the progeny of selfed hermaphrodites.
The female biased sex ratio in the progeny of selfed hermaphrodites was a surprising result and could either come from the sex determining mechanisms (complex nucleo-cytoplasmic interaction(s)) and/or from inbreeding depression. Indeed, we not only got females and hermaphrodites but also partial male-sterile (PMS) individuals (i.e.: individuals with differing number of viable stamens). We detected that inbred pollen bearing plants (excluding females) have less viable stamens per flower than outbred plants. A positive correlation was detected between inbreeding depression for the number of viable stamens per flower and the difference in sex ratio between inbred and outbred individuals. A positive relationship was also detected between inbreeding depression for pollen viability and inbreeding depression for number of viable stamens per flower. Each correlation can either account for pleiotropic effects (a major gene acting on the two considered traits) or linkage disequilibrium between genes controlling each of the two related traits. If we hypothesize that these correlations are due to a major gene with pleiotropic effects, the positive relationship between inbreeding depression for number of viable stamens per flower and inbreeding depression for pollen viability showed that deleterious alleles present on a major gene coding for pollen production and viability depressed male fitness within inbred plants. The positive relationship between sex ratio difference between inbred and outbred individuals and inbreeding depression for number of viable stamens per flower indicates that (1) either number of viable stamens per flower is, in addition to inbreeding, also affected by the loci coding for sex determinism or, (2) the presence of females within the progeny of selfed hermaphrodites is a consequence of large inbreeding depression inhibiting pollen production, or (3) sex is here determined by a combination of loci coding for sex expression and inbreeding depression for male reproductive traits.
In conclusion, Silene vulgaris has been shown to be a good model for understanding the evolution of mating systems that promote outbreeding.
Résumé
La gynodïoécie est définie comme étant la présence simultanée d'hermaphrodites et de femelles au sein de populations naturelles d'une même espèce. Ce système de reproduction a toujours fasciné le monde scientifique depuis Darwin, comme en témoigne ses écrits (1876, 1877) sur les systèmes de reproduction chez les plantes. Les femelles ne transmettent leurs gènes qu'à travers leurs ovules alors que les hermaphrodites transmettent leurs gènes à la fois par la voie mâle (le pollen) et la voie femelle (les ovules). La condition pour que la gynodïoécie se maintienne nécessite donc une fitness de la fonction femelle plus élevée chez les femelles que chez les hermaphrodites. Deux mécanismes mutuellement non exclusifs peuvent expliquer le maintien des femelles au sein de ces populations gynodioïques. D'une part, les femelles peuvent réallouer les ressources non utilisées pour la production de pollen et peuvent par conséquent produire plus d'ovules. D'autre part, la reproduction des femelles ne peut se faire que par allo-fécondation alors que les hermaphrodites, peuvent se reproduire à la fois par auto- et allo-fécondation. L'autofécondation s'accompagne en général d'une diminution de fitness de la descendance relativement à la progéniture issue d'allo-fécondation ; ce phénomène est connu sous le nom de dépression de consanguinité.
Cette thèse avait pour but de mettre en évidence une éventuelle dépression de consanguinité chez Silene vulgaris, une espèce gynodioïque. Des hermaphrodites, issus de trois vallées alpines, ont été auto- et allo¬fécondés sur deux générations successives. La dépression de consanguinité pouvant s'exprimer à tous les stades de vie d'un individu, plusieurs traits de fitness, allant du nombre de graines par fruit à la production de gamètes ont été mesurés sur différents stades de vie successifs. L'estimation de la dépression de consanguinité totale atteignait des valeurs allant de 0.52 à 0.76 selon la vallée considérée, ce qui indiquerait que les hermaphrodites ont tout intérêt à limiter l'autofécondation et que les femelles ne devraient pas avoir de peine à subsister dans les vallées étudiées. Par la même occasion des mécanismes diminuant la purge potentielle du fardeau génétique, et permettant ainsi le maintien du « niveau » de dépression de consanguinité et par conséquence le maintien de la gynodïoécie ont été mis en évidence. En effet, nos résultats montrent que la dépression de consanguinité s'exprimait tard dans le cycle de vie permettant ainsi à un certain nombre individus consanguins de transmettre leurs allèles délétères à la génération suivante. D'autre part, la croissance in vivo des tubes polliniques d'auto-pollen était plus lente que celle de l'allo-pollen et donc en situation de compétition directe, les ovules devraient plutôt être issus d'allo-fécondation, diminuant ainsi les chances de purges d'allèles délétères. Enfin, l'apparition de femelles dans la progéniture d'hermaphrodites autofécondés diminue aussi les chances de purge d'allèles délétères. Il nous a été impossible de déterminer si l'apparition de femelles dans la descendance d'hermaphrodites autofécondés était due au déterminisme génétique du sexe ou si la différence de sexe ratio entre la descendance auto- et allo-fécondée était due à une éventuelle dépression de consanguinité inhibant la production de pollen. Nous avons observé que S. vulgaris ne présentaient pas uniquement des hermaphrodites et des femelles mais aussi toute sorte d'individus intermédiaires avec un nombre variable d'étamines viables. Nous avons pu mettre' en évidence des corrélations positives entre (1) la différence de sexe ratio (la proportion d'individus produisant du pollen) entre individus consanguins et non consanguins et une estimation de la dépression de consanguinité pour le nombre d'étamines viables d'individus produisant du pollen, ainsi qu'entre (2) la dépression de consanguinité pour le nombre d'étamines viables et celle estimée pour la viabilité du pollen. Chaque corrélation indique soit l'effet d'un (ou plusieurs) gène(s) pléiotropique(s), soit un déséquilibre de liaison entre les gènes. En considérant que ces corrélations sont le résultat d'effet pléiotropiques, la relation entre le nombre d'étamines viables par fleur et la viabilité du pollen, indiquerait un effet négatif de la consanguinité sur la production et la viabilité du pollen due partiellement à un gène majeur. La seconde corrélation indiquerait soit que les gènes responsables de la détermination du sexe agissent aussi sur l'expression de la fonction mâle soit que l'expression du sexe est sujette à la dépression de consanguinité, ou encore un mélange des deux.
Aux regards de ces résultats, Silene vulgaris s'est avéré être un bon modèle de compréhension de l'évolution des systèmes de reproduction vers la séparation des sexes.