Topic description
Les animaux s'orientent et naviguent dans leur environnement à l'aide de systèmes sensoriels multimodaux. Mais comment s'adaptent-ils lorsqu'un changement environnemental radical les prive de l'une de ces modalités sensorielles majeures? Nous abordons cette question en déchiffrant l'évolution comportementale chez le poisson aveugle des cavernes (Astyanax mexicanus) adapté à l'obscurité, dans un contexte évolutif.
En comparant le comportement de nage des poissons cavernicoles aveugles à celui de leurs congénères voyants vivant dans les rivières, nous avons découvert des différences significatives dans les schémas locomoteurs et les stratégies utilisées pour se déplacer dans leur environnement et réagir aux signaux olfactifs dans l'obscurité, en absence de vision (Blin et al. ). Afin d'explorer les bases génétiques de ce changement comportemental, nous avons utilisé la génétique quantitative et des hybrides de deuxième génération issus de croisements entre des poissons A. mexicanus de surface et cavernicoles (approche QTL). Nous avons découvert une architecture génétique complexe sous-jacente aux traits de navigation et de navigation olfactive chez les poissons cavernicoles (en préparation). Le projet de doctorat visera désormais à élucider les bases moléculaires et neuronales de l'évolution adaptative des comportements des poissons cavernicoles. Le projet a deux objectifs, avec des approches complémentaires:
Neurogénétique: notre analyse QTL a identifié des gènes candidats prometteurs qui sous-tendent le contrôle des schémas de nage et de la sensibilité olfactive chez les poissons cavernicoles. Le doctorant contribuera à leur validation fonctionnelle en utilisant plusieurs méthodes : (a) Études d'expression par hybridation in situ chez les poissons cavernicoles et les poissons de surface afin de déterminer si les gènes candidats sont exprimés dans les régions cérébrales attendues en regard du comportement étudié, et exploration de données dans notre atlas RNA-seq en noyau unique afin d'identifier une éventuelle dérégulation de l'expression. (b) Marquage par gènes immédiats précoces comme indicateur de l'activation neuronale pendant les tâches comportementales afin de déterminer si les neurones exprimant le gène candidat participent au circuit qui contrôle le comportement. (c) Génomique comparée des génomes des poissons de grottes et de surface afin d'identifier les changements génétiques à l'origine des changements comportementaux chez les poissons aveugles des grottes. (d) Invalidation CRISPR-Cas9 ou édition de génome du gène candidat en FO (“Crispant”, et/ou dans les lignées établies), suivie de tests comportementaux visant à démontrer la fonction du gène candidat.
Neuroéthologie: les comportements et les phénotypes étudiés en laboratoire (partie 1 ci-dessus) peuvent révéler des mécanismes moléculaires et neuronaux. Cependant, l'analyse des comportements dans la nature, dans l'environnement naturel, est primordiale pour comprendre la nature adaptative et la pertinence physiologique de ces comportements. Le doctorant participera à des études sur le terrain et analysera des films infrarouges du comportement des poissons cavernicoles dans leur habitat naturel afin de décrire « l'espace comportemental phénotypique des poissons cavernicoles ». Ces analyses nous renseigneront sur la manière dont les poissons cavernicoles modulent leur comportement dans leur milieu naturel en réponse à des informations sensorielles, ce qui est essentiel pour leur survie dans leur environnement extrême. Elles éclaireront également notre interprétation des comportements enregistrés dans des conditions contrôlées de laboratoire.
Le « mutant naturel » cavernicole sera un modèle unique permettant d'étudier les processus moléculaires et neuronaux impliqués dans la navigation sensorielle et, de façon plus large, de révéler les principes généraux de la navigation sensorielle et de l'adaptation chez les vertébrés.
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Animals navigate their environment using a variety of sensory cues. But how do they adapt when a drastic environmental change deprives them of one of these major sensory modalities? In an evolutionary context, we address this question by deciphering behavioural evolution in a cave-dwelling, dark-adapted blind cavefish (Astyanax mexicanus).
By comparing the swimming behaviour of blind cavefish with that of their sighted river-dwelling conspecifics, we discovered significant differences in locomotor patterns and strategies for navigating the environment and responding to olfactory cues in the dark, without vision (Blin,, #). To explore the genetic basis of this behavioural shift, we used quantitative genetics and second-generation F2 hybrids resulting from crosses between Astyanax surface fish and cavefish (the QTL approach). We have found a complex genetic architecture underlying the navigation and olfactory-driven navigation traits in cavefish (unpublished, in preparation). The PhD project will now aim to unravel the molecular and neural bases of the adaptive evolution of cavefish behaviours. The project has two aims, with complementary approaches:
Neurogenetics: our QTL analysis has identified promising candidate genes that underlie the control of swimming patterns and olfactory sensitivity in cavefish. The PhD student will contribute to their functional validation using several methods: (a) Expression studies using in situ hybridisation in cavefish and surface fish to determine whether the candidate genes are expressed in the relevant brain regions, and data mining in our single-nucleus RNA-seq atlas to identify potential deregulation of expression. (b) Immediate early gene labelling as a proxy for neuronal activation during behavioural tasks to determine whether neurons expressing the candidate gene participate in the circuit that controls the behaviour. (c) Comparative genomics of cave and surface genomes to identify the genetic changes that cause behavioral changes in blind cavefish. (d) CRISPR-Cas9 invalidation or gene editing of the candidate gene in FO (“Crispant”, and in established lines, if relevant), followed by behavioral testing to demonstrate the function of the candidate gene.
Neuroethology: Behaviors and phenotypes studied in the laboratory (part 1 above) have the potential to reveal molecular and neural mechanisms. However, analyzing behaviors in the wild, in the natural environment, is paramount to understanding the adaptive nature and physiological relevance of these behaviors. The PhD student will participate in field studies and analyze infrared movies of cavefish behavior in their natural habitat to describe the “cavefish phenotypic behavioral space”. These analyses will inform us on how cavefish modulate their behavior in natural settings in response to sensory information, which is essential for survival in their extreme environment. They will also inform our interpretations of behaviors recorded in controlled laboratory conditions.
The 'natural cavefish mutant' will emerge as an exquisite model with which to investigate the molecular and neural processes involved in sensory-driven navigation in cavefish and, furthermore, to reveal general principles of sensory navigation and adaptation in vertebrates.
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Début de la thèse : 01/10/
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