Rôle des effets épistatiques dans l’évolution d’une population à régime de reproduction mixte, et dans la régulation de l’expression des gènes homéologues chez une espèce autogame allotétraploïde, le blé dur (Triticum turgidum).

par Constance Vagne

Thèse de doctorat en EERGP - Evolution, Ecologie, Ressources Génétiques, Paléontologie - SupAgro

Sous la direction de Jacques David et de Bénédicte Fontez.

Le jury était composé de Philippe Lashermes, Christine Dillmann, Eric Jenczewski.

Les rapporteurs étaient Brigitte Mangin, Isabelle Goldringer.


  • Résumé

    L'épistasie a longtemps été négligée, mais aujourd'hui elle connait un regain d'intérêt avec le développement du séquençage haut-débit et des études d'association pangénomique (GWAS). Elle est quasi-omniprésente, ayant été détectée sur de nombreux traits et chez de nombreuses espèces. Elle joue un rôle important d'un point de vue évolutif, puisqu'elle est à l'origine d'incompatibilités de Dobzhansky-Müller, expliquant l'isolement reproductif entre lignées apparentées. Par ailleurs, chez les polyploïdes à héritabilité disomique (essentiellement des allopolyploïdes), elle peut permettre de fixer l'hétérosis. L'objectif de cette thèse a été d'étudier l'épistasie dans ce contexte évolutif. Le matériel d'étude a été une population à base génétique large d'une espèce autogame allopolyploïde, le blé dur (Triticum turgidum), possédant deux génomes : le génome A et le génome B. Cette population a été constituée à partir de différents taxons : blé dur (T. t. durum), amidonnier domestique (T. t. dicoccum) et amidonnier sauvage (T. t. dicoccoides). Il est donc possible qu'elle présente des combinaisons de gènes coadaptées, et donc de l'épistasie générant des incompatibilités de Dobzhansky-Müller.Une première partie présente différents modèles permettant d'estimer l'épistasie. Ces modèles ont des inconvénients et des avantages, qui dépendent de l'objectif que l'on s'est fixé. Dans une deuxième partie, nous avons utilisé l'un de ces modèles sur des données de RNA-seq (données d'expression et de génotypage) de la population de blé dur, afin de détecter des effets régulateurs de l'expression, et notamment de l'épistasie entre gènes homéologues. Cette analyse est une première pour le blé dur et probablement pour les espèces polyploïdes. Nous n'avons presque pas détecté d'épistasie de premier ordre, mais des interactions avec le fond génétique ont été observées. Nous avons trouvé plus d'eQTL sur le génome B que sur le génome A, ce qui est peut-être dû au fait que les ancêtres diploïdes du blé dur n'avaient pas le même régime de reproduction. Par ailleurs, nous avons montré que les niveaux d'expression des gènes homéologues étaient très fréquemment (80%) corrélés de manière positive, ce qui indique que les gènes homéologues appartiennent fréquemment aux mêmes complexes de gènes corégulés. Enfin, les régulations trans sont plus fréquentes au sein des paires de gènes d'homéologues, ce qui corrobore également l'idée que les gènes homéologues appartiennent aux mêmes réseaux de gènes. Dans une troisième partie, le rôle évolutif de l'épistasie a été examiné. D'abord, nous avons montré comment l'épistasie influençait la covariance parents-enfants, et donc l'évolution à courts termes d'une population. Ensuite, nous avons étudié l'impact d'un type particulier d'épistasie (celui à l'origine des d'incompatibilités de Dobzhansky-Müller, présentant des combinaisons de gènes coadaptés) sur l'évolution d'une population soumise à de la sélection par troncation (comme dans les populations de pre-breeding), à l'aide d'un modèle haploïde bilocus, en fonction du taux de recombinaison et de l'intensité de la sélection. Nous avons montré que si le génotype optimal n'est pas présent dans la population initiale, un fort taux de recombinaison risque de mener à la fixation du génotype sous-optimal. Néanmoins, un peu de recombinaison est nécessaire pour créer ce génotype optimal et le fixer.En perspectives, nous proposons d'adopter une méthode basée sur les réseaux de gènes pour approfondir les mécanismes de la régulation de l'expression chez le blé dur. Nous proposons également de complexifier le modèle permettant d'étudier l'effet de la recombinaison sur l'évolution d'un trait épistatique, sélectionné par troncation, et de compléter ces travaux de modélisation par des études expérimentales.

  • Titre traduit

    Role of epistatic effects in the evolution of a population with mixed mating system, and in the regulation of the expression of homoeologous genes in a selfing allotetraploid species, durum wheat (Triticum turgidum).


  • Résumé

    Epistasis has long been neglected, but it is currently subject to a renewed interest with the development of high-throughput sequencing technologies and of genome-wide association studies (GWAS). It is virtually ubiquitous, having been detected on many traits and in many species. It plays an important evolutionary role, since it is one of the sources of Dobzhansky-Muller incompatibilities, explaining reproductive isolation between related lineages. Moreover, it can enable to fix heterosis in disomic polyploids (mostly allopolyploids). The objective of this thesis was to study epistasis in this evolutionary context. The study material was a broad genetic basis population of a self-pollinating allopolyploid species, durum wheat (Triticum turgidum), having two genomes: A and B genomes. This population was composed from different taxa: durum wheat (T. t. durum), domestic emmer (T. t. dicoccum) and wild emmer (T. t. dicoccoides). Therefore, there are probably combinations of coadapted genes in this population, and thus epistasis generating Dobzhansky-Muller incompatibilities.The first part presents different models to estimate epistasis. These models have advantages and drawbacks, depending on the overall objective. In a second part, we used one of these models on RNA-seq data (expression and genotyping data) of the population of durum wheat to detect regulatory effects of expression, including epistasis between homoelogous genes. This analysis is unique in durum wheat, and probably in polyploid species. We did not detect first-order epistasis, but interactions with genetic background were observed. We found more eQTL on the B genome than on the A genome, which may be due to the fact that the diploid progenitors of durum wheat did not have the same mating system. Furthermore, we showed that the expression levels of homoelogous genes were frequently (80%) positively correlated, indicating that homoelogous genes often belong to the same complex of coregulated genes. Finally, trans regulations are more common among pairs of homoelogous genes, which also supports the idea that homoelogous genes belong to the same gene networks. In the third part, the evolving role of epistasis was examined. First, we showed how epistasis influences the parent-offspring covariance, and thus the short-term evolution of a population. Then we studied the impact of a particular type of epistasis (the one which can generate Dobzhansky-Muller incompatibilities, with combinations of co-adapted genes) on the evolution of a population subjected to truncation selection (as in pre-breeding populations), using a haploid bilocus model, based on the recombination rate and selection intensity. We have shown that if the optimal genotype is not present in the initial population, a high rate of recombination may lead to the fixation of the sub-optimal genotype. However, some recombination is needed to create this optimal genotype and fix it.In perspective, we propose to adopt a network-based method to further the regulation mechanisms of expression in durum wheat. We also propose to make the model more complex, in order to study the effect of recombination on the evolution of an epistatic trait selected by truncation, and complete these modelling works by experimental studies.


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