EVOGEC PhD

"Evolution et diversité des éléments transposables dans le genre Coffea."

Dupeyron mathilde 2 

 

PhDMathilde Dupeyron (Université de Montpellier).

Co-Direction : P. Hamon (EvoGeC) and R. Guyot (UMR IPME).

Résumé : Les éléments transposables sont les composants majoritaires dans le génome des plantes. Dotés de mobilité et de prolifération, les éléments transposables ont un impact important sur l’organisation, la variation de la taille et l’évolution des génomes et sont impliqués dans de nombreuses perturbations de du fonctionnement des gènes. Leur activation par des stress biotiques et/ou abiotiques participe à la variabilité des génomes. Parmi ceux-ci, une classe d’éléments, les rétrotransposons à LTR (RT) apparaissent comme de puissants outils pour comprendre la dynamique des génomes et évaluer la diversité génétique chez les plantes.

Le café est le premier produit marchand agricole au monde, exporté par les pays du Sud  juste après le pétrole. Son commerce fait vivre de nombreux (125 millions de personnes) petits paysans du Sud. Le café est issu de deux espèces cultivées africaines Coffea arabica et Coffea canephora, qui appartiennent à la famille des Rubiaceae.Le genre Coffea est constitué de 124 espèces originaires d’Afrique, de Madagascar, des iles Mascareignes, des Comores, de l’Inde, du sud-est asiatique et du nord de l’Australie.

Toutes les espèces du genre sont diploïdes (2n=2x=22), à l’exception notable de l’espèce C. arabica (allotétraploïde, 2n=4x=44), issue d’une hybridation récente entre deux espèces diploïdes: C. canephora et C. eugenioides. Des analyses antérieures ont révélé une grande variation du contenu de l’ADN nucléaire parmi 23 espèces Africaines, allant de 0,56 pg (valeur 1C) pour C. racemosa, originaire du Mozambique à 0,92 pg pour C. humilis, originaire de Côte d’Ivoire.

Des espèces telles que C. stenophylla et C. humilis tous deux originaires de Côte d’Ivoire, phylogénétiquement très proches mais, d’habitats contrastés (forêts sèches versus forêts très humides) présentent des tailles de génome significativement différentes (0,69 pg versus 0,92 pg), suggérant une évolution rapide du contenu en ADN nucléaire. Plus généralement, un gradient géographique correspondant à l’accroissement de la taille des génomes est observé sur le continent africain d’Est en Ouest, qui peut être corrélé avec l’occupation d’habitats distincts, l’adaptation environnementale et la spéciation.

Les espèces du genre Coffea constituent donc un excellent modèle pour étudier l’impact de l’activité des éléments transposables sur les processus évolutifs et adaptatifs, et pour comprendre des changements génétiques qui ont accompagné ou sont la conséquence de la formation de l’allopolyploïde C. arabica.

Dans ce contexte, la caractérisation des éléments transposables et plus particulièrement les rétrotransposons à LTR et leur évolution dans différents génomes du genre Coffea apparaissent donc indispensables pour appréhender l’évolution et l’adaptation de ces espèces.

L’établissement récent de la séquence génomique de C. canephora (1C=0,75, ± 710 Mb, origine Afrique de l’Ouest/Centre; http://coffee-genome.org) a permis une première identification et classification des familles d’éléments transposables. L’analyse du génome montre que plus de 50% est représenté par des éléments transposables. 42% du génome correspond aux RT. Actuellement le génome de C. arabica est en cours de séquençage, pour lequel notre équipe est associée. Toutes les séquences génomiques  nous seront ainsi d’accès immédiat.

Aujourd’hui les techniques de séquençage NGS permettent d’obtenir très rapidement un très grand nombre de séquences et la construction de séquences complètes de génome. Ces techniques rendent possible l’analyse de l’ensemble de la diversité des éléments transposables dans de nombreux génomes et l’analyse de leur activité et évolution à l’échelle d’un genre botanique.

Il s’agit d’étudier la diversité, l’activité et l’évolution des rétrotansposons à LTR à l’échelle du genre Coffea, par une approche de séquençage haut débit d’une sélection de douze génomes issues d’espèces représentatives de la ploïdie, de la diversité de taille des génome, des habitats et des relations génétiques au sein du genre.

Le but étant de mettre en évidence les mécanismes évolutifs liés aux rétrotransposons à LTR qui ont accompagné l’évolution des génomes. Au sein d’un consortium international de séquençage et d’analyse des génomes de Coffea, l’équipe d’accueil a obtenu la séquence illumina de 13 génomes diploïdes du genre Coffea en plus de la séquence complète de C. canephora et de C. arabica. Ces résultats sont donc déjà accessibles et d’autres séquences pourront être disponibles au cours de la thèse.

Les objectifs de cette thèse sont d’étudier d’une part (Axe 1) la diversité et l’évolution des rétrotransposons à LTR entre C. canephora et C. arabica et d’autre part (Axe 2) la diversité et l’évolution des rétrotransposons à LTR entre 13 génomes diploïdes du genre Coffea.

Axe 1: Annotation des éléments transposables dans le génome de C. arabica. Le pipeline informatique est déjà en place et pourra cibler plus précisément les rétrotransposons à LTR. Comparaison de la diversité des familles de RT, du nombre de copies, des sites d’insertion des RT entre C. canephora et C. arabica. Ceci permettra de comprendre l’impact des RT lors de la formation et de l’évolution du génome allotétraploïde par rapport à son ancêtre diploïde.

Axe 2: Caractérisation de la diversité des rétrotransposons dans douze génomes représentatifs du genre Coffea. L’analyse se fera par comparaison des familles de RT identifiées dans les génomes de C. canephora et C. arabica.

 

 

"Analysis of diversity and expression of active retrotransposons in Coffea species and cultivars"

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PHDElaine S. Dias (Co-tutelle Université de Montpellier, France - UNESP, Brésil)

Co-direction : Alexandre de Kochko (EvoGeC) ; Claudia Carareto (UNESP)

The evolution of the flowering plants is remarkable for its rapid and extensive diversification. The background of the genetic variability for this diversification is originated by numerous processes, among them the transposable elements (TEs) have been considered as one of the most important agents. TEs may compose large amounts of plant genomes and might play important roles in the promotion of genetic diversity. Our study contributes for the understanding of TEs impact on the genome of Coffea species. Coffea is a genus that belongs to the Rubiaceae family. The goal of the study was to investigate the occurrence and diversity of active TEs in Coffea species and the data obtained were divided in three parts that compose the three chapters of the thesis.

In the first chapter, ten retrotransposons with LTRs (LTRRTs) were annotated in the C. canephora genome and had their insertion polymorphism profile analyzed, using the IRAP (inter retrotransposon amplified polymorphism) and REMAP (Retrotransposon microsatellite amplified polymorphism) methods, in several genotypes of the progenitor species, C. canephora (18) and C. eugenioides (5), and the allotetraploid hybrid, C. arabica. The results outline the evolutionary dynamics of these elements in the species, as well as their inheritance. Our results also suggest the occurrence of genomic structural changes mediated by the LTRRTs in the hybrid.

In the second part, in a brief communication, four of the LTRRTs analyzed in the first part were used to evaluate the differential expression in two genotypes of C. arabica with different responses to the drought, Iapar 59, tolerant to water stress, and Rubi, sensitive genotype to this stress. The findings suggest that there is a tendency to increase the transcriptional level of the LTRRTs in both cultivars under hydric stress.

Finally, the third chapter constitutes a wide analysis of the distribution and evolution of a particular LTRRT: Copia25. In silico and in vitro analyses showed that Copia25 is widely distributed among the Rubiaceae family and that it is also present in other distantly related species belonging to asterids, rosids and monocots. A particular situation is the close relationship between the Copia25 sequences of Musa, a monocot, and Ixora, a dicot genus (Rubiaceae). Our results disclose the complexity of the evolutionary dynamics of Copia25 in angiosperm involving several processes including sequence conservation, rapid turnover, stochastic losses and horizontal transfer.