Génomique et épigénomique de l’immunité chez le haricot commun (Phaseolus vulgaris) : leçons tirées des assemblages de génomes à l'échelle du chromosome

Genomic and epigenomic immunity in common bean (Phaseolus vulgaris) : lessons learned from chromosome scale genome assemblies

• Auteur / Autrice : Juan Camilo Álvarez Díaz
• Direction : Valérie Geffroy, Ariane Gratias-Weill
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 21/07/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du végétal : du gène à l'écosystème (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences des plantes de Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Karine Alix-Jenczewski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jordi Garcia Mas, Mohammed Bendahmane, Nicolas Chen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jordi Garcia Mas, Mohammed Bendahmane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthylation

ADN satellite

ARN non codants

Petits ARN

Résistance aux virus

Gènes

Génomique

Haricot commun

Mots clés libres

Phaseolus vulgaris

Assemblage de génomes

Gènes de résistance

Phaseolus vulgaris

Genome assembly

Resistance genes

Résumé

Le haricot commun (Phaseolus vulgaris) est la légumineuse à grains la plus importante pour la consommation humaine et la principale source de protéines dans de nombreux pays en développement. Au début de cette thèse, deux assemblages de génomes de haricot commun étaient disponibles : un pour le génotype andin G19833, un génome de référence de haute qualité disponible sur Phytozome, et un de moindre qualité pour le génotype méso-américain BAT93, classiquement étudié à l'IPS2. Même s'ils ne sont pas optimaux (G19833 n'étant pas notre génotype étudié et l'assemblage de BAT93 n'étant pas de haute qualité), ces deux génomes nous ont permis d'aborder des questions spécifiques. Tout d'abord, nous dévoilons les composants du silencing guidé par les ARN en profitant de la disponibilité de ces deux assemblages de génomes d'origine andine et méso-américaine. Nous avons identifié six PvDCLs, treize PvAGOs, 10 PvDRBs, 5 PvRDRs, dans les deux génotypes, ce qui suggère l'absence d'amplification ou de suppression récente de gènes après la séparation des pools géniques. De plus, même si l'assemblage du génome de BAT93 ne permet pas une analyse des séquences répétées, sa qualité est suffisante pour l'analyse des gènes. De plus, plusieurs des gènes candidats impliqués dans le silencing étaient induits après infection par le champignon Colletotrichum lindemuthianum, agent de l'anthracnose. Nous avons ensuite réalisé une analyse transcriptomique à l'échelle du génome pour voir les effets de l'infection par C. lindemuthianum sur le haricot, en prenant G19833 comme génome de référence. Nos résultats soulignent l'importance des protéines liées à la pathogénèse de la famille PR10/Bet vI dans la réaction de défense du haricot. Il est intéressant de noter que la différence entre la réaction compatible et incompatible est plus une question de temps et d'intensité de réponse, qu'une différence massive de gènes différentiellement exprimés entre ces deux contextes. Chez le haricot, des analyses précédentes ont montré que sur ~400 NLR, la classe majeure de gènes de résistance aux maladies chez les plantes, ~50% étaient méthylés dans les 3 contextes de séquence comme les éléments transposables (ET). Notre analyse transcriptomique a montré que ~30 NLR étaient induits après l'infection par C. lindemuthianum, mais seulement 3 d'entre eux ont été identifiés comme méthylés dans le contexte non infecté, ce qui suggère que l'activation des NLR ne correspond pas à une déméthylation. Au cours de mon doctorat, une révolution génomique a eu lieu, permettant à tout groupe de recherche de générer un assemblage génomique de haute qualité pour sa plante d'intérêt. Dans ce contexte, nous avons généré des assemblages génomiques à l'échelle du chromosome des génotypes BAT93 et JaloEEP558 (Andin) en utilisant le séquençage PacBio HiFi et les données de capture de conformation des chromosomes (Hi-C) pour l'assemblage du génome. Ces deux assemblages hautement contigus offrent une opportunité unique d'étudier l'évolution des séquences répétées telles que les NLR ainsi que les ADN satellites subtélomériques (Khipu) et centromériques (Nazca et CentPv2). D'importantes variations structurelles ont été observées pour ces séquences répétées. En ce qui concerne les NLR, des différences spectaculaires ont été observées pour plusieurs clusters tels que le cluster I de gènes de résistance, situé à une extrémité du chromosome 2: avec 1 NLR chez JaloEEP558 et 26 NLR chez BAT93. De façon inattendue, nous avons identifié un élément transposable inséré dans le gène NLR candidat I dans l'assemblage BAT93-HiFi que nous avons généré. Cet ET n'est pas présent dans ce même gène candidat dans d'autres ressources génomiques BAT93 disponibles (clones BAC et autres assemblages de BAT93), ce qui suggère une insertion récente de l'ET spécifiquement dans notre matériel à l'IPS2. En outre, un polymorphisme de méthylation a été observé entre les génotypes de haricot pour le NLR du cluster de résistance Co-2.

Common bean (Phaseolus vulgaris) is the most important grain legume for human consumption and the main source of protein in many developing countries. At the beginning of this PhD work, two genome assemblies of common bean were available: one for the Andean genotype G19833, a high quality reference genome available on Phytozome, and a lesser quality genome for the Meso-American genotype BAT93, classically studied in IPS2. Even if non-optimal (since G19833 is not our studied genotype and BAT93 assembly is not of high quality), these two genomes allowed us to address specific questions. First, we unravel the components of the RNA-guided silencing pathway taking advantage of the availability of these two genome assemblies of Andean and Meso-American origin. We identified six PvDCLs, thirteen PvAGOs, 10 PvDRBs, 5 PvRDRs, in both genotypes, suggesting no recent gene amplification or deletion after the gene pool separation. This also shows that even if the genome assembly of BAT93 doesn't allow repeated sequence analysis, its quality is sufficient for gene analysis. Moreover, several of the candidate genes involved in silencing were up-regulated after infection with the fungus Colletotrichum lindemuthianum, the agent of anthracnosis. Then, we performed a genome-wide transcriptomic analysis of the effects of the infection with C. lindemuthianum on common bean, taking G19833 as a reference genome. Our results point out the importance of pathogenesis-related protein PR10/Bet vI family in the common bean defense reaction. Interestingly, the difference between the compatible and incompatible reaction is more a question of timing and strength, than a massive difference of differentially expressed genes between these two contexts. In common bean, previous analysis have shown that out of ~400 NLR, the major class of disease resistance genes in plants, ~50% were gene-body methylated in the 3 sequence contexts like transposable elements (TE). Our transcriptomic analysis showed that ~30 NLRs were up-regulated after C. lindemuthianum infection, but only 3 of them were identified as methylated in non-infected context, suggesting that up-regulation of NLR genes doesn't correspond to a release of DNA methylation. During my PhD, a genomic revolution occurred, allowing any single research group to generate a high quality genome assembly for its plant/crop of interest. In that context, we generated chromosome-scale genome assemblies of genotypes BAT93 and JaloEEP558 (Andean) using PacBio HiFi sequencing and chromosome conformation capture data (Hi-C) for genome scaffolding. These two highly contiguous assemblies offer a unique opportunity to study the evolution of repeated sequences such as NLR disease resistance genes, as well as subtelomeric (Khipu), and centromeric (Nazca and CentPv2) satellite repeats. Important structural variations were observed for these repeated sequences. Concerning NLR, dramatic differences were observed for several clusters such as the I disease resistance gene cluster, located at one end of chromosome 2, with JaloEEP558 harboring 1 NLR, while BAT93 harboring 26 NLR. Unexpectedly, we identified a Transposable Element (TE) inserted in the I candidate NLR gene in the BAT93-HiFi assembly that we generated. This TE is not present in the same NLR candidate gene in other available BAT93 genomic resources (BAT93 BAC clones; other BAT93 assemblies) suggesting a recent TE insertion specifically in our material in IPS2. In addition, polymorphism of methylation was observed between bean genotypes for NLR of the Co-2 resistance cluster.