Dynamique evolutive structurale et fonctionelle des genes et génomes dupliqués

Coordinateurs : Mathieu Rousseau-Gueutin, Cyril Falentin et Anne-Marie Chèvre

Contacts : mathieu.rousseau-gueutin@inrae.fr; cyril.falentin@inrae.fr; anne-marie.chevre@inrae.fr

Recherche

Contexte et Problématiques

La polyploïdie ou duplication de génome (WGD) joue un rôle majeur dans l’évolution, la diversification et la plasticité phénotypique des eucaryotes, en particulier chez les plantes à fleur (Angiospermes). L’un des meilleurs systèmes végétaux pour étudier ce phénomène correspond au genre Brassica car (i) il a connu des évènements de polyploïdisation récente et ancienne, (ii) il est possible de resynthétiser des colzas au laboratoire, (iii) plusieurs génomes assemblés de haute qualité existent pour les espèces diploïdes et polyploïdes. Au sein du laboratoire, nous nous intéressons à mieux comprendre l’impact immédiat de l’allopolyploïdie sur la structure du génome (identification de variants structuraux et validation par cytogénétique moléculaire : Rousseau-Gueutin et al. 2017 ; Stein et al. 2017 ; Ferreira de Carvalho et al. 2020), sur l’épigénome (BS-Seq: post-doc G. Richard), la transcription des gènes dupliqués  ou les interactions cyto-nucléaires (Ferreira de Carvalho et al. 2019). Plus précisément, nous essayons d’identifier des régions ou mécanismes moléculaires qui ont facilité la stabilisation des génomes polyploïdes (via l’amélioration de leur stabilité méiotique : Pelé et al, 2018; Ferreira de Carvalho et al. 2020), et qui ont joué un rôle dans l’amélioration de leur fertilité (incluant l’évolution du système d’auto-incompatibilité : Azibi et al.2020). Nous travaillons aussi sur le destin évolutif à long terme des gènes dupliqués par des évènements anciens de polyploïdisation. En effet, les espèces de Brassica ont connu un évènement de triplication de leur génome depuis leur divergence avec Arabidopsis (il y a environ 20 millions d’années). Ainsi, pour chaque gène d’Arabidopsis, il peut y avoir jusqu’à trois copies dupliquées chez les espèces diploïdes de Brassica. Cependant, depuis ses évènements de paléopolyploïdisation, d’importantes variations structurales (réduction du nombre de chromosomes ou variations structurales : Boutte et al. 2020) et des pertes de copies dupliquée ont eu lieu. De plus, nous avons observé que les différentes variétés de colza portent différentes translocations entre les génomes A et C (Rousseau-Gueutin et al. 2020), mais de plus petites tailles que celles observées chez les synthétiques.
Nous sommes intéressés par comprendre comment et quels gènes sont retenus en copies multiples (approches de synténie et de phylogénomique), et s’ils ont conservé les mêmes fonctions (Crispr-Cas9). 

 Methodologie 

• Génomique comparative et évolutive (DNA-Seq, RNA-Seq and BS-Seq)
• Analyse de synténie entre génomes assemblés
• Phylogénétique moléculaire
• Cytogénétique moléculaire (BAC-FISH et Oligo-Fish)
• Génétique fonctionnelle (Crispr-Cas9)

Principaux résultats

Nous avons montré que les Brassica allotriploïdes (dérivant du croisement entre B. napus AACC et B. rapa AA) présentaient un profil de recombinaison homologue modifié. En effet, de telles hybrides allotriploïdes (AAC) présentent un plus fort taux de recombinaison homologue (x3.4) qu’un hybride diploïde présentant le même génotype A. De plus, de tels hybrides allotriploïdes présentent une distribution modifiée de la recombinaison, avec la présence de crossovers (COs) dans les (péri)centromères qui sont normalement dépourvus de COs (Pelé et al. 2017). Récemment, nous avons pu vérifier que cette modification est due à l’allotriploïdie et non à la poyploïdie per se (Boideau et al. 2021). A l’heure actuelle, nous sommes en train de déterminer si ce profil modifié de recombinaison homologue observé chez les hybrides allotriploïdes peut être maintenu sur plusieurs générations ou au contraire rétabli à la normale dans la descendance (F. Boideau : doctorant ; ANR Stirrer). De plus, nous sommes en train de réaliser des analyses d’épigénomique et de transcriptomique comparative afin d’explorer le rôle potentiel de ces mécanismes dans le profil de recombinaison observé chez les allotriploïdes (Post-doc G. Richard). Enfin, nous sommes en train de créer différents mutants pour des gènes impliqués dans des mécanismes épigénétiques afin d’explorer leur rôle dans le profil de recombinaison chez les Brassica (ANR ChromCO ; post-doc de Maud Facon)

Nous avons tiré parti de cette dérégulation du contrôle de la recombinaison homologue chez les allotriploïdes de Brassica (AAC or CCA) pour créer des populations de pré-breeding (via le croisement d’une variété de B. napus avec une core-collection de diploïdes progéniteurs). Ce matériel végétal sera particulièrement utile pour améliorer la faible diversité génétique de B. napus. Il est actuellement utilisé pour faciliter l’identification et introduire des régions impliquées dans la résistance à divers stress biotiques (hernie, phoma, Sclerotinia, Verticillium)

Partenaires

• CEA, Genoscope, Evry, France (équipe ‘Research and Development Bioinformatics and Sequencing’ et ‘Eukaryotes genomes analyses’)
• INRAE UMR ‘Genetics, Diversity, and Ecophysiology of Cereals’, Clermont-Ferrand, France (J. Salse)
• INRAE UMR GQE (Génétique Quantitative et Evolution), Le Moulon, France (K. Alix)
• Université de Lille UMR’ Evolution, Ecology and Paleotonlogy’, Lille, France (X. Vekemans)
• Université de Rennes 1, UMR Ecobio (M.L. Aïnouche, A. Salmon)
• Université de Science et Technology Houari Boumedienne, Bab Ezzouar, Algeria (H. Hadj-Arab)
• Université de York, England (I. Bancroft)
• Université de Giessen, Germany (R. Snowdon)
• Czech Academy of Science, Brno, Czech Republic (A. Kovarik) 

Financement (5 dernières années) 

• Région Bretagne ‘Epitrans’ : Salaire de Post-doc de Gautier Richard (12/2019-06/2021) : Faciliter la sélection du colza via des changements épigénomiques et transcritomiques (encadrants : A-M. Chevre et M. Rousseau-Gueutin)
• Marie-Slodowska Curie Actions – H2020 ‘Surfing’ : Salaire de Post-doc et fonctionnement de Julie Ferreira de Carvalho (06/2018-06/2020): Dynamiques structurales et fonctionnelles des génomes polyploïdes de Brassica napus.
• Agreenskills plus ‘Dynamique des espèces polyploïdes’ : Salaire de Post-doc de Julie Ferreira de Carvalho (05/2017-05/2018) : Impact immédiat de la polyploïdie et de la sélection humaine sur la dynamique évolutive de B. napus.
• ANR PIA ‘Genius’ projet Duplex (2017-2020) : ’Un ménage à 4 : comment jouer avec l’expression des copies dupliquées (P.I. : M. Rousseau-Gueutin)
• INRAE département BAP ‘Allogen’ (2016-2017) : Impact de l’hybridation interspécifique et de la polyploïdie sur la dynamique évolutive du génome de B. napus (P.I. : M. Rousseau-Gueutin).
• France Génomique ‘Polysucess’ (2014-2020). Comment un polyploïde devient une nouvelle espèce : modèle Brassica (P.I. : A.M. Chèvre)
• ERANET projet ‘ERACAPS’ (2014-2016) : Evolution des génomes : relations structure-fonction chez une espèce polyploïde cultivée (P.I. : I. Bancroft)

Publications (5 dernières années)

• Azibi, T ; Hadj-Arab H., Lodé M., Ferreira de Caravalho J., Trotoux G., Nègre S., Gilet M.M., Boutte J., Lucas J., Vekemans, X., Chèvre A.M., Rousseau-Gueutin, M. (2020). Impact of whole genome triplication on the evolutionary history and the functional dynamics of regulatory genes involved in Brassica self-incompatibility signalling pathway. Plant Reproduction 33, 43-58. https://doi.org/10.1007/s00497-020-00385-x.
• Belser C., Istace B., Denis E., Dubarry M., Baurens F.-C., Falentin C., Genete M., Berrabah W., Chèvre A. M., Delourme R., Deniot G., Denoeud F., Duffé P., Engelen S., Lemainque A., Manzanares-Dauleux M. J., Martin G., Morice J., Noel B., Vekemans X., D’Hont A., Rousseau-Gueutin M., Barbe V., Cruaud C., Wincker P. & Aury J.-M. (2018). Chromosome-scale assemblies of plant genomes using nanopore long reads and optical maps. Nature Plants, 4(11), 879-887.  https://doi.org/10.1038/s41477-018-0289-4
• Bouchet A. S., Laperche A., Bissuel-Belaygue C., Baron C., Morice J., Rousseau-Gueutin M., Dheu J. E., George P., Pinochet X., Foubert T., Maes O., Dugué D., Guinot F. & Nesi N. (2016). Genetic basis of nitrogen use efficiency and yield stability across environments in winter rapeseed. BMC Genetics, 17(1), 1-21.  https://doi.org/10.1186/s12863-016-0432-z
• Boutte J., Maillet L., Chaussepied T., Letort S., Aury J.M., Belser C., Boideau F., Brunet A., Coriton C., Deniot G., Falentin C., Huteau V., Lodé M., Morice J., Trotoux G., Chèvre A.M., Rousseau-Gueutin M., Ferreria de Carvalho J. (2020)  Large genomic variants reveal unexplored intraspecific diversity in Brassica rapa genomes. Frontiers in Plant Sciences. DOI: 10.3389/fpls.2020.577536
• Ferreira De Carvalho J., Lucas J., Deniot G., Falentin C., Filangi O., Gilet M-M., Legeai F., Lodé M., Morice J., Trotoux G., Aury J-M., Barbe V., Keller J., Snowdon R., He Z., Denoeud F., Wincker P., Bancroft I., Chèvre A-M., Rousseau-Gueutin M. (2019). Cytonuclear interactions remain stable during allopolyploid evolution despite repeated whole-genome duplications in Brassica. Plant Journal, 98 (3), 434-447. DOI: 10.1111/tpj.14228
• Ferreira de Carvalho J., Stoeckel S., Eber F., Lodé-Taburel M., Gilet M-M, Trotoux, G., Morice J., Falentin C., Chèvre A-M., Rousseau-Gueutin M. (2020). Untangling structural factors and evolutionary drivers in nascent polyploids. New Phytologist 230(5):2072-2084.
• Giraud D., Lima O., Huteau V., Coriton O., Boutte J., Kovarik A., Leitch A., Leitch L., Ainouche M. & Salmon A. (2021). Evolutionary dynamics of transposable elements and satellite DNAs in polyploid Spartina species. Plant Science 302. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2020.110671
• Giraud D., Lima O., Rousseau-Gueutin M., Salmon A., Aïnouche, M.L. (2021) Gene and transposable element expression evolution following recent and past polyploidy events in Spartina species. Frontiers in Genetics.
• Martinez Palacios P., Jacquemot M.-P., Tapie M., Rousselet A., Diop M., Remoue C., Falque M., Lloyd A., Jenczewski E., Lassalle G., Chèvre A. M., Lelandais C., Crespi M., Brabant P., Joets J. & Alix K. (2019). Assessing the response of small RNA populations to allopolyploidy using resynthesized Brassica napus allotetraploids. Molecular Biology and Evolution, 36(4), 709-726.  https://doi.org/10.1093/molbev/msz007
• Pelé A., Rousseau-Gueutin M., Chèvre A. M. (2018). Speciation Success of Polyploid Plants Closely Relates to the Regulation of Meiotic Recombination. Frontiers in Plant Science, 9, 907.  https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00907
• Pelé A., Trotoux G., Eber F., Lodé M., Gilet M., Deniot G., Falentin C., Nègre S., Morice J., Rousseau-Gueutin M., Chèvre
 A-M. (2016) “The poor lonesome A subgenome of Brassica napus var. Darmor (AACC) may not survive without its mate”. New Phytologist 213, 1886-1897.
• Rousseau-Gueutin M., Belser C., Da Silva C., Richard G., Istace B., Cruaud C., Falentin C., Boideau F., Boutte J., Delourme R., Deniot G., Engelen S., Ferreira de Carvalho J., Lemainque A., Maillet L., Morice J., Wincker P., Denoeud F., Chèvre A.M., Jean-Marc Aury J.M., 2020. Long-reads assembly of the Brassica napus reference genome, Darmor-bzh. GigaScience 9: 1-16 https://doi: 10.1093/gigascience/giaa137
• Rousseau-Gueutin M., Morice J., Coriton O., Huteau V., Trotoux G., Nègre S., Falentin C., Deniot G., Gilet M., Eber F., Pelé A., Vautrin S., Fourment J., Lodé M., Bergès H. & Chèvre A. M. (2017). The Impact of Open Pollination on the Structural Evolutionary Dynamics, Meiotic Behavior and Fertility of Resynthesized Allotetraploid Brassica napus L. G3: Genes|Genomes|Genetics, 7(2), 705-717.  https://doi.org/10.1534/g3.116.036517
• Rousseau-Gueutin, M., Keller, J., Ferreira De Carvalho, J., Aïnouche, Martin, G. (2018). The Intertwined Chloroplast and Nuclear Genome Coevolution in Plants. In: Diah Ratnadewi, dir., Dr. Hamim, Plant Growth and Regulation - Alterations to Sustain Unfavorable Conditions (p. 61-84). Londres, INT: InTech Open, DOI : 10.5772/intechopen.75673
• Sochorová J., Coriton O., Kuderová A., Lunerová J., Chèvre A. M. & Kovařík A. (2017). Gene conversion events and variable degree of homogenization of rDNA loci in cultivars of Brassica napus. Annals of Botany, 119(1), 13-26.  https://doi.org/10.1093/aob/mcw187
• Stein A., Coriton O., Rousseau-Gueutin M., Samans B., Schiessl S.V., Obermeier C., Parkin I.A., Chèvre A.M., Snowdon R.J.  (2017) Mapping of homoeologous chromosome exchanges influencing quantitative trait variation in Brassica napus. Plant Biotechnology Journal. doi: 10.1111/pbi.12732