Phylogeographic pattern and regional evolutionary history of the maize stalk borer Busseola fusca (Fuller) (Lepidoptera: Noctuidae) in sub-Saharan Africa

Abstract

Busseola fusca (Fuller) (Lepidoptera: Noctuidae) is one of the major cereal pests in sub-Saharan Africa. Previous phylogeographic investigations on samples collected in Kenya, Cameroon and West-Africa showed the presence of three main clades (W, KI, KII) originated from populations isolated in West and East Africa around one million years ago. Demographic and phylogenetic analyses suggested that this event was followed by local demographic expansion and isolation by distance. These hypotheses were tested by a more comprehensive sampling across B. fusca’s geographic range in Africa. Comparisons of sequences of partial mitochondrial DNA gene (cytochrome b) from 489 individuals of 98 localities in southern, central, eastern and western African countries confirmed the presence of the three main clades. Phylogenetic, F-statistics, demographic parameters and nested clade phylogeographic analyses confirmed that the clades experienced geographic and demographic expansion with isolation by distance after their isolation in three refuge areas. The geographic range of clade KII, already known from East to Central sub-Saharan Africa was extended to Southern Africa. Mismatch distribution analysis and the negative values of Tajima’s D index are consistent with a demographic expansion hypothesis for these three clades. Significant genetic differentiations were revealed at various hierarchical levels by analysis of molecular variance (AMOVA). Hypotheses about the geographic origin of the three main clades are detailed.

Résumé

Scénario phylogéographique et histoire évolutive régionale du foreur de graminées Busseola fusca (Fuller) (Lepidoptera : Noctuidae) en Afrique sub-saharienne Busseola fusca (Fuller) (Lépidoptère : Noctuidae) est l’un des ravageurs majeurs des cultures céréalières en Afrique Subsaharienne. Une première étude phylogéographique portant sur des individus échantillonnés au Kenya, au Cameroun et en Afrique de l’Ouest a montré l’existence de trois clades principaux (W, KI, KII) issus de populations isolées à l’Ouest et à l’Est de l’Afrique il y a environ un million d’années. Les analyses démographiques et phylogénétiques indiquent que cet événement a été suivi d’une expansion démographique locale avec des phénomènes d’isolement par la distance. Ces hypothèses ont été testées à plus grande échelle grâce à un échantillonnage des populations de B. fusca couvrant désormais la majeure partie de son aire de distribution. Le séquençage d’un fragment du gène mitochondrial codant pour le cytochrome b chez 489 individus provenant de 98 localités des pays sud, centre, est et ouest africains confirme l’existence des trois clades observés précédemment. Les résultats des analyses phylogénétiques, les paramètres démographiques, les statistiques de Wright ainsi que les analyses des clades emboîtés confirment que ces trois populations, après avoir été isolées dans des aires refuges différentes, ont connu une expansion démographique et géographique avec un isolement par la distance. La distribution géographique du clade KII, connue de l’Afrique l’Est à l’Afrique centrale, s’étend jusqu’en Afrique Australe. L’analyse de ‘mismatch distribution’ et les valeurs négatives de l’indice D de Tajima sont bien en accord avec l’hypothèse d’une expansion démographique de ces trois clades. Des différenciations génétiques significatives ont été révélées aux différents niveaux hiérarchiques par l’analyse moléculaire de la variance (AMOVA). Les hypothèses sur l’origine géographique des trois clades sont précisées.

Keywords:

• Stem borer
• population genetics
• cytochrome b
• Pleistocene
• Africa