Evolution des génomes polyploïdes et innovations fonctionnelles : contexte phylogénétique et origine du DMSP chez les spartines

Polyploid genomes evolution and functionnal innovations : phylogenetic context and DMSP origin in Spartina species

• Auteur / Autrice : Hélène Rousseau
• Direction : Malika Ainouche, Mathieu Rousseau, Jonathan F. Wendel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 15/11/2017
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Écologie Géosciences Agronomie Alimentation (Rennes ; 2016-2022)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecosystèmes, Biodiversité, Evolution (Rennes ; 1996-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génome

Génétique de l'évolution

Biosynthèse

Soufre -- Composés

Spartina

Mots clés libres

Spartina

Duplication de génomes

Dmsp

Voie de biosynthèse

Évolution

Spartina

Genome duplication

Dmsp

Biosynthesis pathway

Evolution

Résumé

Le Dimethylsulfoniopropionate (DMSP) est une molécule à fort impact écologique couramment produite par le phytoplancton marin, mais très rarement chez les plantes à fleurs: seulement chez quelques genres (dont Spartina chez les Poacées). Bien que les étapes enzymatiques impliquées dans la voie de biosynthèse du DMSP soient connues chez les spartines, son origine ainsi que les gènes impliqués restent encore à découvrir chez les plantes. Cette étude s’est fixée pour objectif de contribuer à élucider les mécanismes à l’origine de cette fonction chez les spartines. Cette question a été appréhendée à travers différentes approches : biochimique, métabolomique, transcriptomique, génomique comparative et phylogénétique. Les résultats ont montré que la capacité à synthétiser le DMSP a une origine unique au sein du genre Spartina et se serait mise en place il y a 3-10 millions d’années. Cette capacité est intervenue chez l’ancêtre d’un des deux principaux clades (hexaploïde) de spartines, puis a été héritée chez toutes les espèces dérivant de ce clade (hexaploïdes à dodécaploïdes). Les espèces de l’autre clade (tétraploïde) et leurs descendants (quel que soit leur niveau de ploïdie) n’accumulent pas de DMSP. En utilisant les génomes séquencés des espèces de Poacées ainsi que les ressources génomiques et transcriptomiques disponibles chez les spartines, les gènes candidats intervenant dans les 4 étapes de la voie de biosynthèse proposée dans la littérature ont été explorés. L’identification des gènes intervenant dans les deux étapes intermédiaires, supposées spécifiques de la capacité de synthèse du DMSP représente un véritable défi dans la mesure où seules des activités enzymatiques putatives ont été proposées à ce jour (sans connaissance des enzymes spécifiques ni de leur séquence protéique). Nous avons pu identifier une série de gènes candidats pour chacune des deux fonctions concernées (décarboxylase et amine oxydase), comparer leur niveau de transcription entre les espèces DMSP+ et DMSP-, et prédire leur localisation cellulaire. De plus, des analyses d’activités enzymatiques ont permis de formuler de nouvelles hypothèses et pistes de recherches sur l’émergence de cette nouvelle voie de biosynthèse chez les spartines.

Dimethylsulfoniopropionate (DMSP) is an ecologically important molecule produced by most marine phytoplankton species, but very rarely by flowering plants: only in a few genera (including Spartina in Poaceae). Despite the different enzymatic steps involved in DMSP biosynthesis are well known, the origin of the function and the genes encoding the different enzymes are yet to be discovered. To explore the evolutionary mechanisms involved in the DMSP accumulation in Spartina, we used various approaches, including biochemical analyses, metabolomics, transcriptomics, comparative genomics and phylogenetics. Notably, we demonstrate that the ability to synthesize DMSP evolved once in the Spartina genus, sometimes 3-10 million years ago. This functional innovation occurred following the emergence of the hexaploid clade, and was inherited by all Spartina species deriving from this hexaploid ancestor. Spartina species belonging to the tetraploid clade and their deriving species do not accumulate DMSP (whatever their ploidy level). Using Poaceae sequenced genomes as well as Spartina genomic and transcriptomic resources obtained in our laboratory, candidate genes involved in the four different enzymatic steps of the DMSP biosynthesis pathway were searched. Identifying genes involved in the intermediate (2nd and 3rd) steps that are specific to this pathway was particularly challenging as only putative enzymatic activities have been proposed so far (corresponding protein sequences and genes are unknown). A set of candidate genes potentially involved in these two steps (with decarboxylase and amine oxydase activities) were identified and their transcription levels were compared among DMSP producing (DMSP+) and non-producing (DMSP-) Spartina species. Their putative cellular localization was also predicted. Moreover, enzymatic activity assays open new hypotheses and research perspectives regarding this enigmatic biosynthesis pathway in Spartina.