What is a cladogram and how does it show evolutionary relationships?

A cladogram is a tree-shaped chart depicting hypothetical genealogical relationships between species. The tips represent specific species, while branch lengths indicate the degree of change between them. Nodes mark common ancestors, and species sharing a node are called sister groups. Cladograms help visualize how organisms diverged from shared ancestors over evolutionary time.

How do you use morphology to place a fossil on a cladogram?

Examine the fossil's physical characteristics, or morphology, and compare them to known species on your cladogram. Based on these structural similarities and differences, hypothesize where the fossil fits on the tree. Add a new line or mark to indicate your proposed position, then refine this placement after comparing genetic data from related living species.

What does the BLAST database show when comparing gene sequences?

BLAST displays a graphic summary where your query sequence appears as a blue line, with matching database sequences shown as colored bars below. Bar length and color indicate alignment quality and identity score. The Sequences producing significant alignments list ranks matches by similarity, with statistics like Max, Total, Query Coverage, and Identity scores showing how closely related sequences are.

What do E values tell you about gene sequence matches in BLAST results?

E values indicate the statistical significance of a sequence match. Lower E values mean the match is less likely to occur by random chance and more likely represents a true evolutionary relationship. An E value of 0 indicates a highly significant match, while higher E values suggest weaker, less reliable alignments between your query and database sequences.

How do you create a phylogram from BLAST results?

After collecting multiple species from your BLAST alignments, return to the Sequences producing significant alignments list and select all boxes. Click Distance of tree results to generate a phylogram based on sequence similarity to your query sequence. Your fossil relative sequence appears highlighted in yellow, showing its position relative to other taxon groups in the evolutionary tree.

Why compare morphology and genetic data when placing fossils on cladograms?

Morphology provides initial placement based on physical traits, but genetic sequences offer independent molecular evidence of evolutionary relationships. Comparing both approaches strengthens your hypothesis about fossil placement. If morphological and genetic placements differ, discussing these differences with classmates reveals how multiple data sources can support or challenge evolutionary hypotheses.

What information should you record from BLAST sequence alignments?

For each significant alignment, record the organism's scientific and common names listed under Source, and the protein the gene codes for under Definition. Click the Sequence ID to access detailed information. Collecting this data from multiple top matches allows you to construct an accurate phylogram and refine your hypothesis about where the fossil species belongs in the evolutionary tree.

Relations évolutives

Notions Préparation de l'instructeur Protocole étudiant

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Les humains ont classé et organisé les organismes biologiques pendant des milliers d’années. À l’origine, il s’agissait principalement de commander des objets nécessaires à la survie. Au fur et à mesure que l’histoire de l’humanité progressait, les compétences et les détails de ces classifications augmentaient également. Au IVe siècle av. J.-C., Aristote a été le pionnier des classifications formelles, délimitant les plantes et les animaux en différents groupes, puis les divisant davantage en fonction de leurs caractéristiques physiques et de leurs traits tels que les habitats qu’ils occupent. Plus tard, au milieu des années 1700, Linné s'est appuyé sur le système d'Aristote. Il a appelé son plus haut niveau de regroupement les royaumes et, à partir de là, a divisé les groupes à l’aide de synapomorphies, une caractéristique physique déterminante qui divise une branche. Par exemple, si un animal possède une colonne vertébrale ou une structure similaire, il doit être placé dans le chordata de l’embranchement. Si ce n'est pas le cas, il existe de nombreux autres embranchements, dans lesquels les animaux sans colonne vertébrale peuvent être divisés, y compris les arthropodes, un grand groupe comprenant des insectes. Linné a continué à diviser des groupes d’organismes en fonction de leurs synapomorphies aux niveaux ultérieurs à travers la classe, l’ordre, la famille et le genre, jusqu’à ce qu’il atteigne la désignation finale, généralement, l’espèce. Nous nous référons au type de classification de Linné comme cladistique, la classification des organismes basée sur les différences de caractéristiques physiques.

Aujourd’hui, les scientifiques construisent couramment des arbres appelés dendrogrammes pour donner des représentations visuelles de ces divisions et groupes. Cette forme particulière de dendrogramme, le cladogramme, visualise les relations cladistiques entre les espèces de sorte que les pointes de l'arbre représentent l'espèce et que les branches montrent comment elles sont liées les unes aux autres. Par exemple, ici, le chimpanzé et l’ours sont plus étroitement liés l’un à l’autre et partagent plus de caractéristiques communes que l’un ou l’autre avec le poisson-lune. Les endroits où les branches se rencontrent sont appelés nœuds et désignent des ancêtres communs pour les espèces qui suivent. Un deuxième type majeur de dendrogramme est le phylogramme. Ceux-ci sont différents des cladogrammes car la longueur des branches entre les espèces varie, représentant le degré de changement entre elles. Ainsi, plus la branche est longue, plus le temps s’est écoulé depuis que l’espèce a divergé de son dernier ancêtre commun.

Les dendrogrammes ont été construits en analysant simplement la morphologie des organismes. Avec l’avènement de la technologie moderne, la comparaison de l’ADN est également devenue un moyen courant de construire des arbres. L’ADN est composé de nucléotides associés à l’une des quatre bases différentes. Adénine, guanine, cytosine ou thymine. L’ordre de ces bases est le code ADN. Ce code est transmis du parent à la progéniture. Par conséquent, si vous regardez une seule espèce comme les humains, il y a un très haut degré de similitude dans notre code génétique, environ 99,9 %. Nous partageons également une partie de notre code ADN avec d’autres espèces, comme les chimpanzés et les souris, mais le degré de similitude globale entre notre ADN et le leur est très différent. Cela signifie que nous pouvons créer des arbres, qui regroupent les espèces en fonction des similitudes ou de la différence entre leurs codes génétiques. Ce domaine d’analyse, combinant les statistiques, la modélisation mathématique et l’informatique, est appelé bioinformatique. Pour comparer les séquences d’ADN, les chercheurs utilisent souvent un outil bio-informatique appelé Basic Local Alignment Search Tool, ou BLAST, qui a été créé et est maintenu par le National Center for Biotechnology Information.

Dans ce laboratoire, vous créerez d’abord un cladogramme d’animaux à l’aide d’informations morphologiques, puis vous placerez une espèce fossile sur ce cladogramme en fonction de sa morphologie. Vous utiliserez ensuite les séquences d’ADN de plusieurs parents modernes du fossile et la base de données BLAST pour vérifier votre positionnement du fossile sur l’arbre.

Print Procedure Steps

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Former une hypothèse évolutive
- REMARQUE : Un cladogramme est un outil important pour former une hypothèse évolutive. Un cladogramme est un tableau en forme d’arbre utilisé pour décrire les relations généalogiques hypothétiques entre les espèces. Les pointes ou les feuilles du tableau représentent des espèces spécifiques et les branches de l’arbre sont de longueurs différentes. Les différentes longueurs représentent le degré de changement entre chacune des espèces. L’ancêtre commun de toutes les espèces dont une lignée spécifique est issue est situé à un nœud, là où les branches se croisent. Les espèces qui partagent un nœud sont appelées un groupe frère.
- Pour commencer, regardez le cladogramme vierge fourni et faites une hypothèse sur l’endroit où les animaux assignés devraient être placés sur l’arbre. Si un cladogramme vierge n’a pas été fourni, veuillez téléchargez-en un ici.
- Ensuite, observez l’image de l’animal fossilisé.
- En utilisant la morphologie ou les caractéristiques physiques du fossile, faites une hypothèse sur l’endroit de votre cladogramme où il devrait être placé. Ajoutez une nouvelle ligne ou une nouvelle marque pour indiquer la position que vous proposez pour le fossile.
Comparaison de séquences de gènes à l’aide de BLAST
- NOTE : Historiquement, les cladogrammes ont été construits par comparaison de morphologie. Aujourd’hui, les séquences génétiques peuvent également être comparées entre les espèces d’intérêt pour construire des cladogrammes. Les séquences d’ADN ne sont généralement pas conservées dans les fossiles, donc pour ce laboratoire, vous utiliserez la base de données BLAST pour comparer les séquences d’ADN d’espèces vivantes étroitement liées au fossile à des milliers d’autres espèces vivantes.
- Avant de commencer cet atelier, votre instructeur aura téléchargé les trois séquences de gènes conservées dans un dossier sur votre bureau.
- Accédez à la page d’accueil de BLAST, que l’instructeur aurait dû laisser ouverte dans votre navigateur, et cliquez sur Stratégies enregistrées dans le menu en haut de la page.
- Cliquez sur Ouvrir dans le fichier Evolutionary_Relationships_Gene1.txt.
- Ensuite, cliquez sur Afficher pour accéder à la page de recherche Standard Nucleotide BLAST. Vous devriez pouvoir voir la séquence d’ADN dans la zone Séquence de requête en haut à droite de l’écran.
- Faites défiler vers le bas de l’écran et cliquez sur le bouton BLAST. Remarque : Le traitement et l’analyse des données prendront quelques instants.
- Lorsque les données ont été traitées, un résumé graphique apparaît. REMARQUE : Votre séquence de requête est représentée par la ligne bleue en haut de la zone. Chacune des lignes situées sous la ligne bleue représente une autre séquence de la base de données BLAST qui correspond à votre requête. La longueur et l’emplacement de ces barres représentent l’endroit et la quantité de la séquence correspondant à la requête. La couleur de la barre représente son score, c’est-à-dire l’identité de la séquence avec la requête. Sous le résumé graphique se trouve la liste des séquences produisant des alignements significatifs, qui contient des descriptions des séquences d’ADN extraites de la base de données qui correspondent le mieux à la phrase de requête. Ceux-ci sont répertoriés par ordre décroissant, du plus similaire en haut au moins similaire en bas. Sur la droite, il y a plusieurs statistiques sur le degré de parenté entre chaque séquence de base de données et la séquence expérimentale. Plus les scores Max, Total, Couverture de requête et Identité sont élevés, plus les séquences de requête et récupérées sont similaires. De même, plus la valeur E est faible, moins la correspondance des séquences a de chances d’être trouvée par hasard et, plus important encore, l’alignement est précis. Une valeur E de 0 indique une correspondance très significative.
- Cliquez sur le nom de la description de l’alignement le plus similaire répertorié. Cela vous amènera plus bas dans la page à l’alignement exact de la séquence d’ADN entre la séquence récupérée et la séquence de requête.
- Cliquez sur le numéro d’identification de la séquence. Cela ouvrira un nouvel onglet avec des informations plus spécifiques sur la séquence de gène récupérée.
- Identifiez et enregistrez les noms scientifiques et communs de l’organisme, qui doivent être répertoriés à côté de Source.
- Identifiez et enregistrez la protéine codée par le gène, qui doit être répertoriée à côté de Définition.
- Fermez l’onglet et appuyez sur Retour pour revenir à la liste Séquences produisant des alignements significatifs.
- Ensuite, répétez les étapes 7 à 9 pour les séquences suivantes les plus similaires.
- Après avoir collecté plusieurs noms d’espèces, retournez à la liste Séquences produisant des alignements significatifs et cliquez sur Sélectionner : Tout pour cocher toutes les cases à côté des noms de chaque séquence d’alignement répertoriée.
- Cliquez sur Distance des résultats de l’arbre pour créer un phylogramme basé sur la similitude de toutes les séquences de gènes de résultat BLAST avec la séquence de gènes de requête. Remarque : La séquence relative des fossiles de votre requête sera mise en surbrillance en jaune.
- Enregistrez l’emplacement de votre séquence par rapport aux autres groupes de taxons affichés dans l’arbre.
- Enfin, retournez à l’onglet Stratégies enregistrées et téléchargez la prochaine séquence de gènes enregistrée.
- Interrogez les deux séquences d’ADN fossiles restantes comme démontré précédemment (étapes 1 à 16).
Analyse des données
- Sur la base de vos résultats de séquence génétique, proposez une deuxième hypothèse sur la place de votre spécimen fossile dans le cladogramme d’origine.
- Comparez ce placement avec votre première hypothèse.
- Compare ton arbre avec celui de tes camarades de classe. Si l’un de vos camarades de classe a placé le fossile sur une autre branche, demandez-lui comment il en est venu à cette décision.