Variabilité, diversité et évolution du génome du blé

Variability, Diversity and Evolution of the Wheat Genome

• Auteur / Autrice : Romain De Oliveira
• Direction : Etienne Paux, Frédéric Choulet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bioinformatique
• Date : Soutenance le 19/12/2019
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Génétique, Diversité et Ecophysiologie des Céréales
• Jury : Président / Présidente : Hadi Quesneville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Clémentine Vitte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hadi Quesneville, Karine Alix-Jenczewski, Anne Roulin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Évolution

Triticum aestivum

Mots clés libres

Blé

Triticum aestivum L.

Pangénome

Variations structurales

Évolution

Bioinformatique

Phylogénie

Wheat

Triticum aestivum L.

Pangenome

Structural variations

Evolution

Bioinformatics

Phylogeny

Résumé

Le blé tendre (Triticum aesitvum L.) est l'une des céréales les plus cultivées au monde. Son génome complexe est issu de deux événements récents d'hybridation interspécifique ayant abouti à un génome hexaploïde de 15.5 Gb environ, dont plus de 85% est constitué de séquences dérivées d'éléments transposables (ET). Si une séquence de référence a été récemment produite pour l'accession Chinese Spring, la variabilité génomique à l'échelle intraspécifique et à l'échelle des Triticeae reste mal connue du fait de la complexité du génome. Ma thèse visait à mettre en évidence les polymorphismes génomiques de type variations structurales (SV) qui affectent les gènes, mais également la fraction répétée du génome. J'ai, pour cela, développé des approches bioinformatiques visant à exploiter efficacement des données de reséquençage, de génotypage et de génomes assemblés. Les objectifs étaient de caractériser l'ampleur et la distribution des SV chez les Triticeae et ainsi de mieux comprendre la dynamique évolutive du génome, le rôle des ET dans la variabilité, et l'impact des duplications et de la polyploïde sur l'évolution récente.L'analyse de données de reséquençage produites à partir de chromosomes 3B triés pour 45 accessions appartenant à 7 espèces de Triticeae, a montré que 19% des gènes sont touchés par des SV de type présence/absence (PAV) ou nombre de copies (CNV). La variabilité qui touche la fraction répétée est, en revanche, beaucoup plus élevée puisque 60% des ET sont affectés par des PAV. Toutefois, les insertions récentes d'ET ne représente que 1% des SV identifiées. La polyploïdie ne semble pas avoir été suivie ni d'une réactivation des ET ni d'une perte massive des gènes dupliqués. Les comparaisons de quatre génomes di- tétra- et hexaploïdes totalement séquencés et assemblés ont confirmé ces conclusions et montré que l'ensemble des familles d'ET contribue aux variations structurales. L’analyse de données de reséquençage d'exome (112 accessions) et de génotypage SNP (4506 accessions) a montré, entre autres, l'importance des introgressions dans la variabilité des accessions de blé tendre modernes. La taille du « core genome » chez le blé tendre a ainsi pu être estimée à ~86% des gènes connus (81% en incluant plusieurs espèces du clade Triticum/Aegilops). Enfin, le taux de SV est plus élevé dans les régions distales des chromosomes, siège de la recombinaison méiotique, confirmant, à l'échelle intraspécifique, le phénomène d’évolution accélérée dans ces régions chez le blé. Enfin, des analyses phylogéniques ont permis de préciser la phylogénie des Triticum/Aegilops. En conclusion, j’ai développé des approches bioinformatiques qui ont permis de caractériser, pour la première fois, l’ampleur des polymorphismes structuraux affectant les gènes et la fraction répétée du génome du blé. Ce travail ouvre ainsi la voie à l’exploration à grande échelle du pangénome du blé rendue désormais possible par les avancées récentes des technologies de séquençage.

Bread wheat (Triticum aesitvum L.) is one of the most widely grown cereals in the world. Its complex genome was shaped by two interspecific hybridization events that resulted in a hexaploid genome of approximately 15.5 Gb, with more than 85% of sequences derived from transposable elements (TEs). Even if, a reference sequence has recently been produced for the accession Chinese Spring, genomic variability at the intraspecific and at the Triticeae scales remains poorly characterized due to the complexity of the genome. My PhD thesis aimed at highlighting genomic polymorphisms, namely structural variation (SVs), that affect genes but also the repeated fraction of the genome. To this end, I developed bioinformatics approaches dedicated to the exploitation of resequencing, genotyping data and assembled genomes. The objectives were to characterize the extent and distribution of SVs in Triticeae, and thus, to get a better understanding of the evolutionary dynamics of the genome, the role of TEs in variability, and the impact of duplications and polyploidy on the recent evolution.The analysis of resequencing data produced from 3B chromosomes sorted for 45 accessions belonging to 7 Triticeae species showed that 19% of genes are affected by presence/absence (PAVs) or copy number (CNVs) variations. The variability affecting the repeated fraction, on the other hand, is much higher since 60% of the TEs are affected by PAVs. However, recent TE insertions represent only 1% of the identified SVs. Polyploidy does not appear to have been followed by either a TE reactivation or a massive loss of duplicated genes. Comparisons of four fully sequenced and assembled di- tetra- and hexaploid genomes confirmed these conclusions and showed that all TE families contribute to structural variations. The analysis of exome resequencing data for 112 accessions and genotyping data for 4506 accessions, showed the importance of introgressions in the variability of modern bread wheat accessions. The bread wheat “core-genome” size could thus be estimated at ~86% of known genes (81% when including several species of the Triticum/Aegilops clade). Finally, SV rate is higher in the distal regions of the chromosomes, i.e. the regions that recombine, confirming, at the intraspecific level, the phenomenon of accelerated evolution in these regions in wheat. Finally, phylogenetic analyses have made it possible to clarify the phylogeny of Triticum/Aegilops. In conclusion, I developed bioinformatics approaches that revealed, for the first time, the extent of structural variations affecting the genes and the repeated fraction of the wheat genome. This work paves the way to the exploration of the wheat pangenome, now feasible thanks to the recent advances of sequencing technologies.