Thèses EVOGEC

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

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Doctorante : Mathilde Dupeyron (Université de Montpellier).

Co-Direction : P. Hamon (EvoGeC) et 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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Doctorante : Elaine S. Dias (Co-tutelle Université de Montpellier, France - UNESP, Brésil)

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

 

L'évolution des plantes à fleurs est remarquable par la vitesse et l’étendue de la diversification qui l’accompagne. La variabilité génétique qui découle de cette diversification pourrait provenir de nombreux processus. Parmi ceux-ci, les éléments transposables (ET) ont été considérés comme l'un des agents les plus importants. Les ET peuvent constituer de grandes proportions des génomes de plantes (>80%) et joueraient un rôle important dans l’établissement de la diversité génétique. Notre travail contribue à la compréhension du rôle des ET dans l'évolution des génomes d’espèces du genre Coffea, genre qui appartient à la famille des Rubiacées. Plus précisément, l'objectif de l'étude était d'étudier l'impact d’ET actifs sur le génome de certaines espèces du genre Coffea. Les données obtenues ont été divisées en trois parties qui composent les trois chapitres de la thèse.

Dans le premier chapitre, dix rétrotransposons (LTR-RTs) ont été identifiés et annotés dans le génome de C. canephora. Le profil de leur polymorphisme d'insertion a été analysé à l'aide des approches IRAP et REMAP chez plusieurs génotypes des espèces C. canephora (18) et C. eugenioides ( 5), qui sont les espèces parentales de l’allotétraploïde, C. arabica (21). Les résultats soulignent la dynamique évolutive de ces éléments dans ces espèces, ainsi que leur transmission. Nos résultats montrent également des modifications de la structure du génome de l'hybride.

Dans la seconde partie, présentée sous forme de brève communication, quatre des LTR-RT analysés dans la première partie ont été utilisés pour évaluer leur expression différentielle, au niveau transcriptionnel, dans deux génotypes de C. arabica ayant des réponses différentes à la sécheresse ; IAPAR 59, tolérant au stress hydrique, et Rubi, génotype sensible à ce stress. Les résultats tendent à montrer une induction de la transcription des LTR-RTS chez ces deux cultivars en situation de stress hydrique.

Enfin, le troisième chapitre est constitué par une analyse complète de la répartition et de l'évolution d'un rétrotransposon particulier : Copia25. Ces analyses, menées in silico et in vitro, ont montré que ce LTR-RT est largement distribué au sein de la famille des Rubiacées et qu'il est également présent chez d'autres espèces proches ou bien plus éloignées phylogénétiquement  (Asterides, Rosides ou Monocotylédones). Une situation particulière est constituée par la relation étroite qui existe entre les séquences de Copia25 identifiées dans le genre Musa, monocotylédone, et dans le genre Ixora, dicotylédones  de la famille des Rubiacées. Nos résultats révèlent la complexité de la dynamique évolutive de Copia25 chez les angiospermes qui implique plusieurs processus incluant un mécanisme de conservation de la séquence, un « turnover » rapide, des pertes stochastiques et le transfert horizontal.