Plasticité des génomes des pucerons des céréales et de leur plante hôte : recherche in silico et in vitro des éléments transposables des superfamilles Tc1-mariner-IS630 et piggyBac

Plasticity of the genomes of cereal aphids and their host plant : in silico and in vitro analyses of Tc1-mariner-IS630 and piggyBac superfamilies of transposable elements

• Auteur / Autrice : Maryem Bouallègue
• Direction : Pierre Capy, Mohamed Makni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 27/03/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Université de Tunis El-Manar. Faculté des Sciences de Tunis (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et dynamique des systèmes vivants (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Évolution, génomes, comportement et écologie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) - Unité génomique des insectes ravageurs des cultures d’intérêt agronomique (Tunis)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Amel Ben Ammar Elgaied
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Capy, Mohamed Makni, Amel Ben Ammar Elgaied, Cristina Vieira-Heddi, Ali Faouzi Gargouri, Mireille Bétermier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Cristina Vieira-Heddi, Ali Faouzi Gargouri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transposons

Plantes-hôtes

Pucerons

Mots clés libres

Pucerons des céréales

Plantes hôtes (céréales)

Mariner

PiggyBac

Éléments transposables

Cereal aphids

Host plants (cereals)

Mariner

PiggyBac

Transposable elements

Résumé

La céréaliculture occupe une place importante dans l’agriculture mondiale et contribue à la sécurité alimentaire des populations. Pour assurer la production des céréales (orge, blé, avoine), il est nécessaire de lutter contre ses ravageurs, essentiellement les pucerons qui sont capables de transmettre plusieurs virus. L’analyse des génomes des pucerons tels que Rhopalosiphum padi, R. maidis, Sitobion avenae, Schizaphis graminum, de leur évolution et de leur relation avec les plantes hôtes (céréales) pourrait contribuer à la mise en place de moyens de lutte pour contrôler les populations de ces ravageurs. Dans ce contexte, cette étude s’est focalisée sur la recherche des éléments transposables des deux superfamilles Tc1-mariner-IS630 et des piggyBac. Les ETs, considérés comme des moteurs de la plasticité génomique et de l’évolution des espèces, sont utilisés en biotechnologie pour développer des outils de transfert de gènes. Dans un premier temps, nous avons recherché des éléments de la famille mariner, ou apparentés à cette famille, dans les génomes séquencés de trois espèces de pucerons : Acyrthosiphon pisum, Myzus persicae et Diuraphis noxia. Sur la base de similitude de séquences, nous avons pu caractériser 183 éléments répartis en trois clades. Le premier, commun aux trois espèces, correspond au clade de la sous-famille irritans DD34D. Il est subdivisé en trois tribus Macrosiphinimar, Batmar-like elements et Dnomar-like elements. Le deuxième comprend l’élément rosa DD41D qui appartient à une famille phylogénétiquement proche de mariner. Le troisième comprend des séquences avec de longues répétitions terminales inversées et inclut deux tribus DD40-41D. Ces deux derniers clades, plus répandus chez A. pisum, dérivent vraisemblablement d’un ancêtre commun et formeraient une nouvelle famille.Dans un deuxième temps, nous avons exploité les résultats de la recherche in silico pour identifier in vitro des éléments de la sous-famille irritans chez les pucerons des céréales et chez leur plante hôte. Deux types d’éléments délétées (MITEs) ont été identifiés chez les pucerons, l’un commun à toutes les espèces avec un pourcentage d’identité supérieur à 98% (Aphidmar) et l’autre spécifique à S. avenae (Samar2). Par ailleurs, les génomes des céréales (orge, blé, brachypodium, égilope) ont été analysés en utilisant comme requêtes des séquences d’éléments de la sous-famille irritans trouvés chez les aphides. Un seul contig de l’orge cultivar barke comprend un élément tronqué de 320 pb, flanqué par de l’ADN génomique de pucerons. La vérification in vitro de la présence de cette séquence chez plusieurs cultivars d’orge révèle deux types de séquences. Le premier est similaire à celui trouvé in silico chez l’orge, le second correspond à l’élément Samar2 délété de 7 nucléotides au niveau du point de cassure de la délétion initiale. Ceci suggère l’existence d’un transfert horizontal entre pucerons des céréales et l’orge. Enfin, l’abondance de données génomiques et la rareté des travaux approfondis portant sur les membres de la superfamille piggyBac, nous ont amenés à analyser in silico leurs caractéristiques, leur distribution et leur évolution. Un total de 117 séquences protéiques de PBLE (éléments autonomes) et de PGBD (éléments domestiqués), ont été utilisées comme requêtes. Quatre groupes structuraux de PBLE ont été définis en fonction de la présence ou absence de répétitions sub-terminales (directes/inversées). Toutefois, il n'existe aucune relation entre ces quatre groupes et la phylogénie des PBLE. Les PGBD soumis à une forte sélection purifiante, sont clairement structurés en neuf groupes dont un correspondant à un nouvel ensemble d’éléments domestiqués trouvé chez les Néopterygiens. L’analyse fine des PGBD révèle que le domaine catalytique de la transposase ancestrale n'est pas toujours conservé. La phylogénie générale des PBLE et des PGBD suggère des événements multiples de domestication des PGBD à partir de différents ancêtres PBLE.

Cereal farming plays an important role in world agriculture and contributes to the food security of the populations. To improve the production of cereals (barley, wheat, oats ...), it is necessary to fight against their pests, especially aphids, able to transmit several viruses. The analysis of aphid’s genomes such as Rhopalosiphum padi, R. maidis, Sitobions avenae and Schizaphis graminum, their evolution and their relationships with their host plants could contribute to define strategies against pest populations. In this context, this work focused on the analysis of transposable elements belonging to Tc1-mariner-IS630 and piggyBac superfamilies. Indeed, TEs are involved in genomic plasticity and evolution of species, and are also used in biotechnology to develop gene transfer tools. In the first chapter, we investigate three available genomes of aphids, namely Acyrthosiphon pisum, Myzus persicae and Diuraphis noxia, to search for elements of the mariner family or close to it. Based on sequence similarities, we were able to characterize 183 elements distributed in three clades. The first one, common to the three species, corresponds to the clade of irritans subfamily DD34D, and is subdivided into three tribes Macrosiphinimar, Batmar-like elements and Dnomar-like elements. The second one includes the rosa element DD41D belonging to a group close to the mariner family. The third one includes sequences with long Terminal Inverted Repeats and is subdivided into two DD40-41D tribes. These two latter clades, more common in A. pisum, likely derive from a common ancestor and would form a new family. In the second chapter, the results of in silico research were exploited, to identify in vitro, elements of the irritans subfamily in cereal aphids and in their host plants as well. Two types of deleted elements (MITEs) have been identified in aphids, one common to all species with a percentage of identity higher than 98% (Aphidmar) and the other one specific to S. avenae (Samar2). In addition, the genomes of cereals (barley, wheat, brachypodium, aegilops) were investigated using as queries sequences of irritans subfamily found in aphids. A single contig identified in Hordeum vulgare (cultivar barke) contains a 320 bp truncated element flanked by genomic DNA of aphids. The presence of this sequence was checked in several barley cultivars by an in vitro approach. Two types of sequences were found. The first one similar to that found in barley from the in silico approach, the second one corresponding to Samar2 element, lacking seven nucleotides at the breaking points of the initial deletion. This suggests a possible horizontal transfer between cereal aphids and barley. In the last chapter, the abundance of genomic data and the scarcity of in-depth research covering all members of the piggyBac superfamily led us to determine in silico their characteristic, their distribution and their evolution. A total of 117 proteic sequences of the PBLE (autonomous elements) and PGBD (domesticated elements) have been used as queries. Four structural groups of PBLE have been identified depending on the presence or absence of sub-terminal repeats (direct / inverted). However, there is no relationship between the structural groups and the phylogeny of these PBLE elements. PGBD are clearly structured into nine main groups including a new group of domesticated elements found in Neopterygii. The catalytic domain of the ancestral transposase is not always preserved, but all these domesticated elements are subjected to a strong purifying selection. The general phylogeny of PBLEs and PGBD suggests multiple and independent domestication events of PGBD from different PBLE ancestors.