Contribution des variations structurales de type insertions/délétions à l'adaptation, la variation des caractères et les performances hybrides chez le maïs

Contribution of insertions/deletions-type structural variations to adaptation, phenotypic variation and hybrid performances in maize

• Auteur / Autrice : Clément Mabire
• Direction : Alain Charcosset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Soutenance le 23/04/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique quantitative et évolution-Le Moulon (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Régine Pellan-Delourme
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Charcosset, Régine Pellan-Delourme, Mathilde Causse, Etienne Paux, Karine Alix-Jenczewski, Stéphane Nicolas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathilde Causse, Etienne Paux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génotype

Étude d'association pangénomique

Délétion (génétique)

Maïs -- Amélioration génétique

Mots clés libres

Maïs

Variations structurales

Insertions Délétions

Génétique d'association

Génotypage

Maize

Structural variations

Insertions Deletions

Genome wide association studies

Genotyping

Résumé

Le récent développement des méthodes de séquençage permet aujourd’hui d’identifier des variations structurales chez de nombreuses espèces. Chez le maïs, des milliers de grandes insertions et délétions (InDel) de quelques pb à plusieurs centaines de Kbp ont été découvertes entre le génome de référence B73 et de nombreux autres génomes reséquencés. Ces InDel peuvent changer la composition des gènes entre les individus et donc être impliquées dans la variation du phénotype, mais cet effet sur le phénotype reste mal connu. L’objectif de cette thèse était d'étudier la contribution des InDel à l'adaptation, aux variations phénotypiques et aux performances hybrides chez le maïs. Nous avons développé une puce de génotypage des InDel Affymetrix® Axiom® capable de génotyper 105 927 InDel de 35bp à 129,7Kbp. 79 969 de ces InDel ont leur séquences absentes du génome de référence B73 et ont été identifiées par l’assemblage 3 génomes (F2, C103, and PH207). Nous avons sélectionné 61 492 InDel polymorphiques pour génotyper 362 lignées de maïs représentant une large gamme de diversité pour étudier la contribution des InDel à la diversité génétique, l’adaptation et la variation des caractères. Nous avons également génotypé 1 million de SNP à partir de deux puces de génotypage et du génotypage par séquençage pour étudier la complémentarité entre les InDel et les SNP. Qu’ils soient calculés avec les InDel ou les SNP la structuration génétique et les valeurs d’apparentement entre les lignées sont très similaires, ce qui suggère que la plupart des InDel ont suivi la même trajectoire évolutive que les SNP. 51% des InDel ne sont pas en déséquilibre de liaison élevé (>0.8) avec aucun SNP proche donc l’effet de ces InDel n’est donc a priori pas capturé pas des SNP à cette densité. Parmi les 294 régions génomiques associées au phénotype (QTL), 13 nouveaux QTL ont été détectés grâce aux InDel par rapport aux SNP par une approche de génétique d’association (GA). Nous avons détecté un enrichissement en InDel sous sélection entre les lignées tropicales, cornées et dentées par rapport aux SNP, avec 56 sur 188 régions sous sélection détectées avec les InDel. Ces régions contiennent des gènes impliqués dans l’adaptation et/ou la tolérance aux stress. De plus, le plus grand nombre d’associations a été découvert pour la floraison, caractère adaptatif chez le maïs. Ces résultats suggèrent que les InDel sont plus souvent impliquées dans l’adaptation et la tolérance aux stress. Nous avons enfin testé l’effet des InDel sur les performances hybride en analysant un panel de 287 hybrides issus du croisement de 210 lignées tempérées du panel précédent. Nous avons décomposé la variance des performances hybrides en distinguant les effets de dominance et d’additivité pour la floraison femelle (FF), la hauteur (PH) et le rendement (GY). La plus forte part de dominance et d’interaction génotype-environnement a été observée pour le GY et la plus faible pour la FF. L’effet additif et de dominance de 51,844 InDel et 469 267 SNP a été testé pour 4 combinaisons d’environnements par une approche de GA. 78 et 133 QTL avec un effet additif et dominant respectivement ont été identifiés, dont 6 et 11 avec des InDel. 83% de ces QTL ont été identifiés dans une seule combinaison d’environnements. Un des QTL de rendement identifié avec des InDel est situé dans un large cluster d’InDel sur le chromosome 6 et colocalise avec un QTL déjà identifié avec des SNP avec un effet fort dans l’augmentation du rendement sous des températures élevées. L’ajout de l’effet de dominance en plus de l’effet additif permet d’augmenter la précision des prédictions génomiques jusqu’à 5,6% pour le rendement. Cependant, l’ajout du génotypage des InDel en plus de celui des SNP n’a pas permis d’améliorer les prédictions des phénotypes hybrides.

In the last decades, the rapid development of genome sequencing allowed to identify structural variations in many species. In maize, thousands of large insertions and deletions (InDels) from few bp to hundreds of Kbp were discovered by comparing the reference genome B73 and many other resequenced genomes. These InDel sequences can carry genes and therefore be involved in phenotypic variation by changing the gene composition between individuals, but their effect on phenotype was not well studied. The aim of this thesis was to study the contribution of InDels to adaptation, phenotypic variations and hybrid performances in maize. We developed an Affymetrix® Axiom® genotyping array that allowed to genotype 105,947 InDels sequences ranging from 35bp to 129,7Kbp of size. 79,969 out 105,947 sequences of these InDels were not present in B73 reference genome and have been discovered by assembling three genomes (F2, C103, and PH207). We selected 61,492 polymorphic InDels to genotype a 362 maize inbred lines panel representing a broad range of diversity to study the contribution of InDels to genetic diversity, adaptation and trait variation. We also assembled one million of SNPs from two genotyping arrays and genotyping by sequencing to study the complementarity between InDels and SNPs. Genetic structuration and relatedness between inbred lines displayed by SNPs or by InDels were highly similar suggesting that almost all indels and SNPs followed a similar evolutionary trajectory. 51% of InDels were not in high linkage disequilibrium (LD>0.8) with any nearby SNP suggesting that the effect of these InDels was not be well captured using this density of SNP. Thanks to InDels, we detected 13 new quantitative trait loci (QTLs) among 294 QTLs identified for 23 traits by a genome wide association studies (GWAS). Similarly, 56 out 188 regions under selection between tropical, dent and flint maize lines were identified by InDels leading to an enrichment of genomic regions under selection detected by InDels compared to SNPs. These InDels include genes involved in tolerance to biotic and abiotic stress and/or adaptive traits as flowering time. Accordingly, the highest number of associated InDels was found for flowering time. These results suggest that InDels were often involved in adaptation and stress tolerance. In order to study the effect of InDels on hybrid performances, we analyzed a panel of 287 hybrids derived from the crossing of 210 maize temperate inbred lines from the previous panel. We decomposed the variance of female flowering (FF), plant height (PH) and grain yield (GY) by distinguishing the additive and dominant genetic effects. We observed the highest dominance and genotype by environment effects for GY and the lowest for FF. We performed GWAS on this panel by testing additive and dominance effects of 51,844 InDels and 469,267 SNPs on these three traits in 4 different environment combinations. We identified 78 and 133 QTLs with an additive and dominance effect, respectively including 6 and 11 QTLs discovered only by InDels. 83% of all QTLs were found with only one environment combination. One QTL for GY detected with InDels was located in a large cluster of InDels on chromosome 6, previously identified to have a strong effect on GY in heat conditions. We finally used InDels and/or SNPs genotyping to predict hybrid performances. Whereas including a dominance effect in genomic prediction models increased by 1.5 to 5.6% predictive abilities (PA) for GY, including InDels genotyping did not increased PA.