Analyses empiriques des étapes précoces et tardives de l’évolution des chromosomes sexuels chez les plantes grâce à Silene acaulis, Cannabis sativa et Humulus lupulus

Empirical analyses of first and last steps of sex chromosome evolution in plants with Silene acaulis, Cannabis sativa et Humulus lupulus

• Auteur / Autrice : Djivan Prentout
• Direction : Gabriel Marais, Jos Käfer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génomique évolutive
• Date : Soutenance le 03/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive
• Jury : Président / Présidente : Christophe Douady
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gabriel Marais, Jos Käfer, Tatiana Giraud, Frédérique Aberlenc-Bertossi, Christelle Fraïsse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tatiana Giraud, Frédérique Aberlenc-Bertossi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silène acaule

Humulus

Cannabis sativa

Chromosomes sexuels

Mots clés libres

Chromosomes sexuels

Dioécie

Silene acaulis

Cannabis sativa

Humulus lupulus

Arrêt de recombinaison

Dégénérescence du Y

Sex chromosomes

Silene acaulis

Dioecy

Cannabis sativa

Humulus lupulus

Y degeneration

Arrest of recombination

Résumé

La trajectoire décrivant l’évolution d’une paire de chromosomes sexuels à longtemps été proposée comme étant universelle pour tous les systèmes, cependant des propositions alternatives ont récemment nuancé ce «modèle» unique. D’après ce modèle, il y aurait dans un premier temps l’émergence d’une région non-recombinante (XY ou ZW), puis, une expansion de celle-ci. Simultanément, l’absence de recombinaison induit ce que l’on appelle la dégénérescence du chromosome Y (ou W). La dégénérescence est supposée augmenter et, après un certain temps évolutif, devrait conduire à un système dans lequel le chromosome Y (ou W) serait plus petit que le chromosome X (ou Z), voire disparaît. Cependant, seulement une trentaine de paires de chromosomes sexuels de plantes ont été étudiées avec des données empiriques, parmi plus de 15 000 espèces dioïques (i.e. plantes à sexes séparés). Il en résulte que certaines étapes du systèmes sont mieux supportées que d’autres. Plus précisément, la formation de la région non-recombinante a essentiellement été étudiée de manière théorique, tandis qu’une forte dégénérescence avec un chromosome Y (ou W) plus petit que le chromosome X (ou Z) n’a été décrite que chez les animaux. Afin de mieux décrire la première étape du modèle, l’émergence de la région non recombinante, le premier axe de cette thèse représente une étude de Silene acaulis ssp exscapa, la seule sous-espèce dioïque du complexe Silene acaulis. En effet, ceci laisse supposer que ce système sexuel est un caractère dérivé, donc probablement récent. Le mécanisme du déterminisme du sexe n’étant pas connu, j’ai voulu savoir si une région non-recombinante typique d’une paire de chromosomes sexuels est présente chez cette sous-espèce. Pour cela, j’ai utilisé un outil récemment publié basé sur l’analyse de fréquences génotypiques et phénotypiques de mâles et de femelles au sein d’une population. Deux jeux de données RNA-seq provenant de deux populations différentes ont permis d’identifier 27 gènes potentiellement XY, et suggèrent que la paire de chromosomes sexuels serait récente. Des analyses complémentaires sont tout de même nécessaires pour confirmer ces résultats. Deuxièmement, afin de tester l’existence d’une paire ancienne de chromosomes sexuels avec une forte dégénérescence chez les plantes, le deuxième axe de cette thèse est une étude de deux espèces dioïques de la famille des Cannabaceae, Cannabis sativa et Humulus lupulus. En effet, l’ancêtre commun de ces deux espèces, qui divergent depuis plusieurs dizaines de millions d’années, était probablement dioïque. De plus, des analyses cytologiques ont identifié des paires de chromosomes sexuels qui pourraient être anciennes. Pour caractériser l’âge et le niveau de dégénérescence de ces paires de chromosomes sexuels, des données RNA-seq d’un croisement ont été générées pour chacune des deux espèces. Un outil probabiliste analysant les ségrégations alléliques au sein d’un croisement a permis d’identifier la première paire de chromosomes sexuels homologue entre deux genres chez les plantes. De plus, ces chromosomes sexuels sont parmi les plus vieux et les plus dégénérés actuellement décrits chez les plantes. Par ailleurs, la détection de séquence Y-spécifiques pourrait permettre d’améliorer la culture de ces deux espèces puisque seules les femelles ont un intérêt économique et que le dimorphisme sexuel est faible. J’ai développé des amorces PCR qui montrent des résultats prometteurs. Plus généralement, ces résultats apportent de nouvelles informations concernant les étapes les moins bien décrites de l’évolution des chromosomes sexuels chez les plantes. Premièrement, nous montrons qu’une paire de chromosomes sexuels a probablement émergé récemment dans une espèce, et confirmons l’intérêt de continuer à l’étudier. Deuxièmement, nous confirmons que des chromosomes sexuels vieux et fortement dégénérés existent chez les plantes.

There is currently a main view describing the steps in the evolution of sex chromosomes in plants in the literature, although alternative views have recently been put forward. First, a non-recombining region (XY or ZW) should emerge. Then, this region is predicted to expand, and at the same time, the local loss of recombination between the sex chromosomes should induce a degeneration of the Y (or W) chromosome. This degeneration is then expected to progress, and after a certain amount of time, the Y (or W) chromosome should become smaller than the X (or Z) chromosome, or even disappear. A main issue of this view is that it is based on the genomic study of only about thirty plant sex chromosome systems, while there are more than 15,000 dioecious species (i.e., plants with separate sexes). As a consequence, while some of these steps are well characterized, others are clearly lacking empirical support. In particular, theformation of a non-recombining region has only been studied theoretically and a strongly degenerated system with a Y (or W) chromosome smaller than the X (or Z) has only been genomically studied in animals. In order to better understand the first step of this view, i.e. the emergence of a non-recombining region, the first part of this thesis focuses on Silene acaulis ssp exscapa, the only subspecies in the Silene acaulis complex that is dioecious. This pattern suggests that dioecy is a recently derived character in this subspecies. Since the sex determination mechanism was unknown in this subspecies, I sought to identify a non-recombining region typical of a pair of sex chromosomes. In order to do so, RNA-seq data was generated from two different populations, to which I applied a new probabilistic tool based on the analysis of genotyping and phenotyping frequencies. This approach allowed me to identify 27 potential XY genes and to propose that they belong to a young sex chromosome system. However, complementary analyses will be required to validate this hypothesis. In order to test whether plants can also present old and strongly degenerated non-recombining regions of sex chromosomes, the second part of this thesis focusses on two dioecious species from the Cannabaceae family, Cannabis sativa et Humulus lupulus. Indeed, these two species diverged 20-25 million years ago and their more recent common ancestor is supposed to be dioecious. Cytological analyses have furthermore shown that sex chromosomes in theses species may be old. To estimate the level of degeneration and the age of this sex chromosome system, I analyzed RNA-seq data generated from one pedigree in each species with a probabilistic tool based on allele segregation patterns. I was able to identify the first sex chromosome system homologous between two genera in plants. This is among the oldest and most degenerated sex chromosome system described in plants so far. Otherwise, detecting Y-specific sequences in these species could improve their crops since only the females are useful and the sexual dimorphism is weak. I designed PCR-primers that showed promising results. Overall, these results shed light on some of the less well-studied steps of the sex chromosome evolution in plants. Indeed, on one hand, we point to a potentially recently emerged system that deserves further attention ; on the other hand, we confirm that old and strongly degenerated sex chromosomes also exist in plants.