Expression et régulation épigénétique des gènes homéologues chez le blé tendre

Analysis of expression and epigenetic regulation of bread wheat homoeologous genes

• Auteur / Autrice : Caroline Juery
• Direction : Etienne Paux, Frédéric Choulet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Végétale
• Date : Soutenance le 24/11/2020
• 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 : Laboratoire : Génétique, Diversité et Ecophysiologie des Céréales
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Tatout
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Karine Alix-Jenczewski, Marie-Angèle Grandbastien, Malika Ainouche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissertation universitaire

Polyploïdie

Triticum aestivum

Mots clés libres

Polyploïdisation

Triticum aestivum

Biais d’expression homéologues

Épigénétique

Évolution

Polyploïdization

Triticum aestivum

Homeolog expression bias

Epigenetic

Genome évolution

Résumé

De nombreuses espèces de plantes sont polyploïdes, c’est-à-dire qu’elles possèdent plusieurs sous-génomes au sein du noyau de leurs cellules. La polyploïdie s’accompagne d’une redondance génétique qui offre un potentiel d’innovations évolutives important par un relâchement de la pression de sélection autorisant sous-fonctionnalisation, néo-fonctionnalisation, perte de gènes. Le blé tendre est une espèce polyploïde récente, apparue suite à deux hybridations interspécifiques (800 000 et 10 000 ans). Il possède un génome hexaploïde composé de trois sous-génomes : AABBDD et théoriquement, il possède trois copies homéologues de chaque gène (1A:1B:1D). Cependant, les analyses génomiques ont révélées que la moitié des séquences codantes présentaient un nombre de copie de type NA:NB:ND. Comment évolue cette redondance génétique après la polyploïdisation chez le blé tendre? Peut-on observer des différences d’expression des copies de gènes témoignant d’une évolution fonctionnelle pour cette espèce formée très récemment? Quels sont les mécanismes sous-jacents ? L’objectif de cette thèse a été d’analyser les expressions relatives des copies de gènes homéologues pour des groupes présentant trois (1 :1 :1, triades), deux (0:1:1, 1:0:1 ou 1:1:0, dyades) ou quatre copies (2:1:1, 1:2:1 ou 1:1:2, tétrades). Nous avons également relié les résultats aux caractéristiques structurales (position génomique), évolutives (présence ou absence des copies chez les espèces ancêtres) et épigénétiques (marques histones) des gènes pour répondre aux questions de recherche. Nous avons utilisé les données de RNA-seq et de ChIP-seq mises à disposition lors de la publication dela séquence génomique de référence du blé tendre (IWGSC 2018). Nous avons mis en évidence que les 51,1% de gènes en triades présentent en majorité (81%) une expression équilibrée sur l’ensemble des tissus et au cours du développement (expression élevée et constitutive). Ces gènes sont majoritairement associés la marque épigénétique d’activation de l’expression : H3K9ac. A contrario, les gènes en dyades (11,7% des gènes) et en tétrades (2,8% des gènes) présentent plus fréquemment des biais d’expression (36% et 75,4% respectivement). Ces gènes sont plus associés à la marque épigénétique liée à la répression ciblée et transitoire des séquences (H3K27me3). En revanche, aucune dominance d’expression n’a été décelée à l’échelle du génome entier. Ceci met en évidence de potentielles sous-fonctionnalisations des gènes, plus fréquentes pour des gènes différents des triades, présents dans les régions distales des chromosomes. Même si les biais d’expression correspondent à des différences déjà existantes chez les espèces ancêtres, nous avons cependant distingué des traits d’expression correspondant aux différentes étapes de l’histoire évolutive du blé : les copies du sous-génome D sont moins réprimées et moins associées à la marque H3K27me3 ; les biais d’expression entre les copies AABB sont plus prononcés. Ainsi, la coévolution des deux sous-génomes AABB pendant 800 000 ans est décelable alors que le sous-génome D semble encore s’exprimer de façon autonome. Ces résultats suggèrent que ce génome comprend des gènes très contraints évolutivement qui constitueraient le « core » génome de l’espèce avec des fonctions de bases conservées (gènes en triades) et des gènes présentant des variations du nombre de copies, des régulations différentielles et des fonctions spécifiques témoignant de possibles innovations évolutives, appartenant probablement au génome dit « dispensable » (dyades et tétrades).

Within the plant kingdom, a lot of species are polyploids, meaning that they present two or more sub-genomes in the nucleus of their cells. Polyploidy confers genetic redundancy that offers a high potential of innovations and adaptations by relaxing natural selection on genic sequences. This allows faster sub and neo-functionalization of genes but also a loss of sequences that might be stochastic or not between the sub-genomes. Bread wheat is a recent polyploidy species that derived from two interspecific hybridizations that occurred 800 000 and 10 000 years ago. The genome of this species contains three sub-genomes: AABBDD and in theory three copies of each gene (1A:1B:1D). However, genomic analysis of the genome sequences reveals that half of the genes present copy number variations (NA:NB:ND). Within this scientific context, we wanted to answer questions such as: How this genetic redundancy evaluates after the polyploïdisation process? Is-it possible to observe differences in terms of gene expression that could correspond to functional evolution for this recently formed species? Which mechanisms could explain those processes? The objective of this PhD was to analyses relative expressions of homoeologous genes of bread wheat for groups presenting one copy on each sub-genomes (1 :1 :1, triades) and groups presenting a copy number variation with a loss (0:1:1, 1:0:1 ou 1:1:0), dyads or a duplication (2:1:1, 1:2:1 ou 1:1:2, tetrads) of sequences. We linked this analysis to genomic characteristics such as chromosome structure (genomic position of genes for exemple), evolution (presence or absence of lost and duplicated copies within diploid genomes of the progenitor species) and epigenetics (histone modifications). We used RNA-seq and ChIP-seq data released at the same time as the publication of the genomic reference sequence of bread wheat (IWGSC 2018). We highlight that the 51,1% of triads genes present mostly (81%) a balanced expression across the 15 tissues and developmental stages analyzed (high and constitutive expression) Those genes are mainly associated with the H3K9ac histone mark that is linked to an active transcription of genes. At the opposite, dyad genes (11,7% of High Confidence wheat genes) and tetrad genes (2,8%) present more frequently unbalanced expression patterns (36% and 74,5% respectively). Those genes are more associated with the histone mark H3K27me3 defining facultative heterochromatin and that target genes with transient expression. No dominance of one sub-genome on the others was discovered at the whole genome scale but rather stochastic suppression of genes copies. These results reveals potential sub-functionalization of genes, more frequent for copies present I the distal regions of chromosomes and associated with the epigenetic mark H3K27me3. Even if the homoeolog expression bias mostly corresponds to already existing divergence between diploid progenitor species, we nevertheless observe expression bias corresponding to the different step of bread wheat evolutive history: copies from sub-genome D are less repressed than the A or B copies; expression bias between AABB copies are more pronounced. In that respect the co-evolution of the two sub-genomes AABB during 800 000 years are traceable while D sub-genome seems to still present a nearly autonomous expression Combined together, these results suggest that wheat genome contains genes evolutionary constraints that correspond to a “core” genome of the species with basic conserved function (triad genes) and genes that present variation of the number of gene copies with differential regulations and specific functions that correspond to “dispensable” genes (dyads and tetrads).