Genetic Basis of Extra-Ocular Pigmentation in Semi-Aquatic Embryos | Les bases génétiques de la pigmentation dans les embryons de punaise d'eau

English. The principal aim of this doctoral thesis was to understand the genetic basis for the diversification of the extra-ocular pigmentation in Gerromorpha embryos. Most of the semi-aquatic bugs develop a variability of yellow or red colours patterns in legs and antennas during the embryonic stage. Since the red colour in appendages was similar to the one present in eyes, we hypothesized that the extra-ocular colours could be produced by the co-option of the eye pigments biosynthesis pathway. First we inferred the evolutionary history of this trait based on its presence or absence in embryos of 34 species. We found that the ancestral state of the trait in Gerromorpha was yellow and that six independent lineages evolved bright red colour, while two lineages lost the colour. Using RNAi and in situ hybridisation on homologous genes from the pteridine and ommochrome biosynthesis pathways, we described the genetic pathway involved in the production of pigments in eyes and extra-ocular tissues in Limnogonus franciscanus embryos. After that, we performed a screening of three genes from this pathway in five other species with different extra-ocular colours and patterns. We discovered that the same pathway was recruited once to produce the diversity of patterns in Gerromorpha. Furthermore, we identified by UPLC-HRMS that xanthopterin and erythropterin pigments produce the variability of colours and patterns in different species. Our next step aimed to understand how the recruitment of a conserved pathway could produce this striking diversity of colour patterns. Using RNA-Seq technology and bioinformatics tools, we identified 167 transcription factors that are co-expressed in eyes, antennas and legs of embryos in Limnogonus franciscanus. These proteins might be involved in the regulation of genes responsible for the different colour patterns. We have started an RNAi screen of these transcription factors. This project is still ongoing but in this thesis I will present the preliminary results and conclusions.In conclusion, the pigmentation of semi-aquatic bugs during the embryonic stage is a good model to understand the co-option of pre-existing genetic pathways and underlying the question of how a conserved pathway could be regulated to produce diverse morphological phenotypes.

French. Le but de ce doctorat était de comprendre les bases génétiques de la diversification de la pigmentation extra-oculaire chez les embryons des Gerromorphes. La plupart des punaises semi-aquatiques présentent une variabilité de pattern de couleur jaune ou/et rouge dans les pattes et les antennes au stade embryonnaire. La couleur rouge observée dans les appendices étant similaire à celle présente dans les yeux, nous avons émis l'hypothèse que les couleurs extra-oculaires pouvaient être produites par la co-option des voies de synthèse des pigments des yeux. Nous avons d'abord déterminé l'histoire évolutive de ce trait à partir de sa présence ou de son absence dans les embryons de 34 espèces. Grâce à l'analyse génétique par interférence ARN et hybridation in situ, nous avons identifié les voies impliquées dans la pigmentation des yeux et des organes extra-oculaires dans l'espèce Limnogonus franciscanus. Nous avons ensuite testé par interférence ARN et hybridation in situ trois gènes de la voie ptéridine dans cinq autres espèces de Gerromorphes présentant des colorations extra-oculaires différentes. Les résultats suggèrent que la même voie a été recrutée une seule fois pour produire la diversité de pattern. De plus, grâce à une analyse chimique par ultra-chromatographie couplée à de la spectrométrie de masse, nous avons identifié que la xanthopterin et l’erythropterin sont les deux pigments responsables de la couleur chez différentes espèces. Nous nous sommes aussi demandé comment le recrutement d'une seule et même voie conservée pouvait produire une telle diversité de pattern. En utilisant la technologie de transcriptomique du RNA-seq, nous avons identifié 167 facteurs de transcription co-exprimés dans les yeux, les antennes et les pattes des embryons de Limnogonus franciscanus. Ces protéines pourraient intervenir dans la régulation des gènes impliqués dans la formation des patterns de couleur embryonnaire. Nous avons initié un crible ARNi de ces facteurs de transcription. En conclusion, la pigmentation des punaises semi-aquatiques au stade embryonnaire est un bon modèle pour comprendre la co-option des voies génétiques et la question sous-jacente de la façon dont une voie conservée pourrait être réglementée pour produire divers phénotypes.