Diversité et évolution des paysages nucléotidiques des plantes

Diversity and Evolution of Nucleotide Landscapes in Plants

• Auteur / Autrice : Laurana Serres-Giardi
• Direction : Sylvain Glémin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Evolution, Ecologie, Ressources Génétiques, Paléontologie
• Date : Soutenance le 28/06/2012
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de l'évolution (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Boursot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Vincent Castric, Jérôme Salse

Mots clés

Mots clés libres

Composition nucléotidique

Conversion génique biaisée vers G et C

Sélection sur l’usage du code

Préférences d’usage du code

Gymnospermes et angiospermes

Expressed Sequence Tags

Base composition

Biased gene conversion towards G and C

Selection on codon usage

Codon usage preferences

Gymnosperms and Angiosperms

Expressed Sequence Tags

Résumé

Le paysage nucléotidique – la manière dont la composition nucléotidique varie le long du génome – est une caractéristique marquante de l'organisation des génomes et varie fortement entre espèces. Plusieurs hypothèses émergent des nombreux débats autour des mécanismes évolutifs à l'origine de ces hétérogénéités du taux de GC, parmi lesquelles la conversion génique biaisée vers G et C (BGC) et la sélection sur l'usage du code (SUC). La BGC est un processus neutre associé à la recombinaison qui favorise les allèles en G ou C au détriment des allèles en A ou T. La SUC est une force de sélection qui favorise les codons dits « préférés », ceux dont la traduction serait la plus efficace. Contrairement à ceux des vertébrés, les paysages nucléotidiques des plantes sont peu connus. La plupart des études ont été consacrées au génome d'Arabidopsis thaliana, pauvre en GC et homogène, et à celui du riz, riche en GC et hétérogène. Le contraste entre ces deux génomes a souvent été généralisé comme une dichotomie entre dicotylédones et monocotylédones, mais cette vision est clairement phylogénétiquement biaisée.Les objectifs de ce travail de thèse sont de caractériser les paysages nucléotidiques des angiospermes à une large échelle phylogénétique et de mieux comprendre quels sont les mécanismes évolutifs jouant sur l'évolution de ces paysages nucléotidiques. Comment varient les paysages nucléotidiques le long de la phylogénie des angiospermes ? SUC et BGC façonnent-elles ces paysages nucléotidiques ? Les différents taxons sont-ils affectés avec la même intensité ?Pour répondre à ces questions, j'ai utilisé une approche de génomique comparative basée sur l'analyse de données EST chez plus de 230 espèces d'angiospermes et de gymnospermes. L'exploration des paysages nucléotidiques de ce large éventail de plantes a montré que les patrons d'hétérogénéité des paysages nucléotidiques suivent un continuum le long de la phylogénie, avec des groupes particulièrement riches et hétérogènes en GC, les graminées par exemple. Mes résultats suggèrent que les paysages nucléotidiques des plantes pourraient avoir été façonnés par la BGC et, dans une moindre mesure, par la SUC. Des épisodes indépendants d'enrichissement et d'appauvrissement en GC ont vraisemblablement eu lieu au cours de l'évolution des plantes, et pourraient être expliqués par des variations d'intensité de ces mécanismes. En utilisant une prédiction du degré d'expression des EST, j'ai également mis en évidence une diversité dans les codons préférés entre espèces. Les préférences d'usage des codons se sont révélées plus labiles au cours de l'évolution pour les codons des acides aminés au code quatre et six fois dégénéré. J'ai pu lier l'évolution des préférences d'usage des codons à l'évolution de la composition nucléotidique des génomes. Mes résultats suggèrent que la composition en base des génomes, affectée en partie par la BGC, orienterait la coévolution entre préférence d'usage du code et ARNt.

The nucleotide landscape – the way base composition varies along a genome – is a striking feature of genome organization and is highly variable between species. The evolutionary causes of such heterogeneity in GC content have been much debated. Biased gene conversion towards G and C (BGC) and selection on codon usage (SCU) are thought to be main forces. BGC is a neutral process associated with recombination favouring G and C alleles over A and T ones. SCU is a selection process favouring the so-called “preferred” codons, i.e., those whose translation is the most efficient. Contrary to vertebrates, plant nucleotide landscapes are still poorly known. Most studies focused on the GC-poor and homogeneous Arabidopsis thaliana genome and on the GC-rich and heterogeneous rice genome. The contrast between these two genomes was often generalized as a dicot/monocot dichotomy but this vision is clearly phylogenetically biased.The objectives of this study are to characterize angiosperm nucleotide landscapes on a wide phylogenetic scale and to better understand the evolutionary mechanisms acting upon the evolution of nucleotide landscapes. To what extent do nucleotide landscapes vary across angiosperm phylogeny? Are nucleotide landscapes shaped by BGC and SCU? Are taxa affected with the same intensity?To tackle these issues, I used a comparative genomic approach relying on EST data analysis on over 230 angiosperm and gymnosperm species. Through the nucleotide landscape survey for such a wide range of species I found a continuum of GC-heterogeneity patterns across phylogeny, some taxa such as Poaceae being strikingly GC-rich and heterogeneous. My results suggest that nucleotide landscapes could have been shaped by BGC and, to a lesser extent, by SCU. GC-content enrichment and impoverishment are likely to have occurred several times independently during plant evolution and could be explained by intensity variations of BGC and SCU. Using a proxy for EST expression level, I also characterized the diversity of preferred codons between species. Codon usage preferences were shown to be evolutionarily more unstable for four- and six-fold degenerate codon families. Finally, I could link the evolution of codon usage preferences to the evolution of genome base composition. My results suggest that genome base composition, partially shaped by BGC, seems to drive the coevolution between codon usage preferences and tRNAs.