Voies de formation des crossovers méiotiques chez une espèce allopolyploïde, le colza (Brassica napus)

Crossover Pathways of Brassica napus Allopolyploid Meiosis

• Auteur / Autrice : Adrian Gonzalo
• Direction : Eric Jenczewski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 25/10/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du végétal : du gène à l'écosystème (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean-Pierre Bourgin (Versailles ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacqui Shykoff
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Jenczewski, Jacqui Shykoff, Graham Moore, Chris Franklin, Valérie Borde, Rod Snowdon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Graham Moore, Chris Franklin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colza

Brassica napus

Polyploïdie

Méiose

Mots clés libres

Meiose

Crossover

Polyploïdie

Colza

Meiosis

Crossover

Polyploidy

Rapeseed

Résumé

La recombinaison méiotique est au cœur de l'hérédité Mendélienne, de l'évolution et de l'amélioration des plantes, car elle assure, grâce aux crossovers, une transmission fidèle des chromosomes et le brassage de l’information génétique au fil des générations. Deux voies de formation des crossovers coexistent chez les plantes. La voie principale (voie I) dépend de la protéine MSH4 (et de quelques autres). La voie secondaire ne produit que quelques crossovers (dits de voie II) au cours de la méiose d’une plante de type sauvage ; ils sont indépendants de MSH4 et leur nombre est limité par des protéines telles que FANCM. Si ces deux voies ont été bien décrites chez des espèces diploïdes, ce n’est pas le cas chez des plantes allopolyploïdes, pourtant très fréquentes parmi les plantes cultivées. Il s'agit là d'une lacune importante, car la présence de plusieurs jeux de chromosomes apparentés conduit à augmenter le nombre de partenaires susceptibles de former des crossovers et le nombre de copies de tous les gènes méiotiques, rendant la recombinaison méiotique plus complexe. Cette thèse vise à explorer l'interaction entre les voies de formation des crossovers et la polyploïdie en utilisant des mutants de colza (Brassica napus; AACC) et d’un de ces parents diploïdes (B. rapa; AA) pour deux gènes de la recombinaison méiotique.J'ai tout d'abord testé dans quelle mesure la formation de crossovers entre chromosomes homologues et entre homéologues (chromosomes A et C) est tributaire des voies I et II en évaluant l’effet d’une diminution du nombre de copies fonctionnelles de MSH4 sur le nombre de crossovers. J'ai montré que ce dernier n'est altéré que lorsque les deux copies MSH4 sont inactivées, toute autre combinaison de mutations conduisant au même nombre de crossovers inter-homologues que chez le sauvage. J'ai également montré que la proportion de crossovers de voie II chez des mutants msh4 de colza est bien supérieure à celles observées chez d’autres plantes mutantes pour msh4. Cette observation reste vraie chez des mutants msh4 de B. rapa, suggérant que la proportion accrue de crossovers de voie II n’est pas spécifique au colza, mais probablement une caractéristique des Brassicaceae. Chez des plantes allohaploïdes (AC) de colza, chez lesquelles les crossovers ne peuvent se former qu’entre homéologues, les copies MSH4 ne se compensent plus complétement ; le nombre de crossovers de voie I fluctue au contraire proportionnellement au dosage de MSH4, devenant presque nul lorsque toutes les copies sont inactivées. Mes résultats illustrent deux nouvelles propriétés spécifiques des crossovers entre homéologues: une plus grande sensibilité vis-à-vis du dosage MSH4 pour les crossovers de voie I et une plus faible efficacité des crossovers de voie II.Dans un second temps, j'ai caractérisé cytologiquement des mutants fancm de colza pour vérifier que l'augmentation des crossovers de voie II ne nuit pas à au bon déroulement de sa méiose. Cette question est restée en suspens, les mutants fancm de colza n’étant pas complètement nuls. Cet écueil m'a incité à développer une approche de TILLING par séquençage pour identifier de nouveaux mutants de recombinaison chez le colza. J'ai alors combiné les mutations fancm et msh4 chez B. rapa pour vérifier si les premières suffisent à corriger les défauts méiotiques induits par les secondes. J'ai montré que, conformément à ce qui avait été observé chez Arabidopsis thaliana, la mutation fancm augmente le nombre de crossovers à un point tel qu’elle restaure la formation de bivalents dans un mutant msh4. La fonction de FANCM est donc conservée chez B. rapa.Mes résultats ont fait progresser la compréhension des voies de formation des crossovers lors d’une méiose allopolyploïde. Ils indiquent que la transmission des chromosomes chez ces espèces implique principalement des crossovers de voie I, et qu’elle pourrait être assurée en limitant l’efficacité de cette voie (e.g. en diminuant le nombre de copies de gènes).

Meiotic recombination ensures, through the formation of crossovers (COs), both faithful chromosome transmission and allelic shuffling over generations; it is at the heart of Mendelian heredity, evolution and plant breeding. Two crossover pathways co-exist in plants. The main pathway (class I) is dependent on MSH4 (and additional proteins). The secondary pathway produces only a few MSH4-independent (class II) crossovers during wild-type meiosis that are limited in number by anti-crossover proteins such as FANCM. These pathways have been extensively described in diploid species, disregarding one of the most pervasive features of crop genomes: polyploidy. This is a major gap in our understanding because the presence of more than two related sets of chromosomes leads both to extra partners for crossover formation and additional copies for all meiotic genes, which make meiotic recombination more intricate. This thesis aims at exploring the interplay between meiotic recombination pathways and polyploidy using mutants for two recombination genes in allotetraploid Brassica napus (AACC; 2n=38) and its diploid progenitor, B. rapa (AA; 2n=20). I have first tested the extent to which class I and class II pathways contribute to inter-homolog and inter-homoeolog (between A and C chromosomes) crossover formation by analyzing how crossovers are affected as the number of functional MSH4 copies decreases. I showed that inter-homolog crossover formation is impaired only when the two MSH4 copies are lost, any other combination of msh4 mutations resulting in wild-type crossover numbers. I also observed that, when class I crossovers are completely abolished in B. napus, the highest frequency of class II crossover ever reported among plant msh4 mutants is observed. I reproduced this result using B. rapa msh4 mutants, thereby demonstrating that increased class II crossover frequencies is not specific to B.napus, but could instead be a general feature of the Brassicaceae. In B. napus allohaploids (AC), where crossovers are forced to occur between homeologs, MSH4 copies no longer complement each other perfectly; counter to the situation in euploids, the number of MSH4-dependent crossovers formed between homoeologs fluctuates with MSH4 dosage in these plants, and approximate zero when all MSH4 copies are depleted. Altogether, my results illustrate two novel specific properties of inter-homeolog crossovers: a greater sensitivity to MSH4 dosage for class I pathway and a lower efficiency for class II.Next, I characterized cytologically B. napus fancm mutants to confirm that boosting class II crossovers would not be detrimental to B. napus meiosis. However, a prudential interpretation of these results is demanded since the B. napus fancm alleles retained residual anti-crossover activity. This has prompted me to set up a TILLING-by-sequencing procedure in order to produce new recombination mutants in B. napus. I also combined the B. rapa fancm and msh4 mutations to test whether the former is sufficient to fix the meiotic defects resulting from the latter. I showed that, similarly to what had been observed in Arabidopsis thaliana, fancm mutation boost COs to such a point that it restores bivalent formation in B. rapa msh4 background. My results therefore confirmed that the function of FANCM is conserved in B. rapa. Overall, the findings and achievements of this thesis make a step forward dissection of CO pathways during allopolyploid meiosis. They indicate that meiotic adaptation to allopolyploidy mainly involve the class I crossover pathway and could be achieved by limiting its efficiency (e.g. by decreasing gene copy number).