Evolution des régions non-recombinantes des chromosomes de types sexuels et dynamique des éléments transposables chez les champignons

Evolution nicht-rekombinierend Regionen von Geschlechtschromosomen und die Dynamik transponierbarer Elemente bei Pilzen

The evolution of non-recombining regions of mating-type chromosomes and transposable element dynamics in fungi

• Auteur / Autrice : Marine Duhamel
• Direction : Tatiana Giraud, Dominik Begerow, Ricardo Rodriguez de la Vega
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 17/06/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Ruhr-Universität
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie, systématique et évolution (Orsay, Essonne ; 2002-....) - Evolution der Pflanzen und Pilze (Ruhr-Universität Bochum)
• 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 : Cécile Fairhead
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eva Stukenbrock, Gilles Fischer, Yannick Wurm, Minou Nowrousian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eva Stukenbrock, Gilles Fischer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génomique comparative

Transposons

Chromosomes sexuels

Recombinaison génétique

Champignons

Mots clés libres

Suppression de recombinaison

Chromosomes de types sexuels

Champignons

Eléments transposables

Repeat-Induced point mutation

Génomique comparative

Rekombinationsunterdrückung

Kreuzungstypchromosomen

Pilze

Transponierbare Elemente

Wiederholungs-induzierte Punktmutation

Komparative Genomik

Recombination suppression

Mating-Type chromosomes

Fungi

Transposable elements

Repeat-Induced point mutation

Comparative genomics

Résumé

La recombinaison est bénéfique à long terme, permettant une sélection plus efficace. Cependant, la recombinaison peut être supprimée localement, comme fréquemment observé autour des régions génomiques déterminant la compatibilité sexuelle. Les chromosomes sexuels et les chromosomes de types sexuels peuvent présenter de grandes régions non recombinantes qui se sont souvent étendues progressivement au-delà du locus déterminant le sexe ou le type sexuel. La moindre efficacité de la sélection, en l'absence de recombinaison, entraîne l'accumulation d'éléments transposables (ET), qui pourrait constituer un réservoir d'ET, se propageant dans le reste du génome. Cette accumulation d'ET à l'échelle génomique pourrait avoir un impact important surson architecture et sa stabilité. Par exemple, les régions riches en ET présentent des taux de substitution et des réarrangements chromosomiques accrus. Bien que généralement délétères, ceux-ci peuvent également permettre une évolution rapide, comme suggéré chez certains champignons pathogènes. Au cours de ma thèse, j'ai étudié la formation et l'extension progressive de la suppression de recombinaison sur les chromosomes de types sexuels chez plusieurs espèces de champignons, en particulier du genre Microbotryum, qui sont des champignons castrateurs de plantes. J'ai également étudié la dynamique de l'accumulation des ET dans les génomes des champignons Microbotryum, en particulier dans les régions non recombinantes de leurs chromosomes de types sexuels, mais aussi leur rôle dans l'évolution rapide des effecteurs impliqués dans la spécialisation à l'hôte. En utilisant des méthodes de génomique comparative chez les champignons Microbotryum, j'ai trouvé des événements indépendants supplémentaires de suppression de recombinaison entre les loci de types sexuels, et d'extension progressive de la suppression de recombinaison au-delà des loci de types sexuels. J'ai montré que la liaison des loci de types sexuels chez Microbotryum pouvait se produire par des étapes successives de suppression de recombinaison. J'ai détecté et annoté les ET dans les génomes de 17 espèces de Microbotryum. Grâce au jeu de données unique comprenant 21 événements indépendants de suppression de recombinaison chez 15 espèces de Microbotryum apparentées, j'ai estimé le rythme d'accumulation des ET en fonction du temps écoulé depuis la suppression de recombinaison. J'ai montré que les ET se sont accumulés rapidement après la suppression de recombinaison (0-1.5 million d'années), avant d'atteindre un plateau. L'abondance des traces d'inactivation des ET par le RIP (repeat-induced point mutation), un mécanisme de défense génomique chez les champignons, n'a pas augmenté avec le temps depuis la suppression de recombinaison. L'accumulation d'ET dans les régions non recombinantes était principalement causée par une augmentation de rétrotransposons des superfamilles Copia et Ty3/Gypsy. En reconstruisant leurs généalogies dans plusieurs génomes de Microbotryum, j'ai montré que les rétrotransposons Copia et Ty3 s'accumulaient par saccades, à la fois dans les régions non recombinantes des chromosomes de types sexuels et dans les autosomes. Ces résultats suggèrent que l'accumulation des ET dans les régions non recombinantes des chromosomes de types sexuels peut avoir un effet sur l'ensemble du génome, comme le prédit l'hypothèse du réservoir d'ET. Cependant, les ET ne semblent pas jouer un rôle dans la spécialisation à l'hôte chez Microbotryum, puisque la comparaison du génome de trois espèces spécialisées sur différentes plantes hôtes n'a pas montré d'association particulière entre les ET et les gènes prédits comme codant des effecteurs. Les résultats présentés dans cette thèse montrent que les champignons sont des modèles émergents intéressants pour étudier l'évolution des régions non recombinantes et leurs conséquences à l'échelle du génome.

Rekombination ist langfristig von Vorteil, da sie eine effizientere Selektion ermöglicht. Allerdings kann Rekombination auch lokal unterdrückt werden, wie dies häufig in Genomregionen zu beobachten ist, die für die sexuelle Kompatibilität entscheidend sind. Geschlechtschromosomen und Kreutungstypchromosomen können große nicht rekombinierende Regionen aufweisen, die sich oft sukzessive über den geschlechts- oder kreuzugstypbestimmenden Locus hinaus ausgedehnt haben. Die verringerte Selektion bei fehlender Rekombination führt zur Anhäufung von transponierbaren Elementen (TEs), die als TE-Reservoir und Quelle für die Ausbreitung von TEs im restlichen Genom dienen könnten. Eine solche genomweite TE-Akkumulation könnte große Auswirkungen auf die Genomstruktur und -stabilität haben. So weisen TE-reiche Regionen beispielsweise erhöhte Substitutionsraten und chromosomale Umlagerungen auf. Diese sind zwar im Allgemeinen schädlich, können aber auch eine schnelle Evolution ermöglichen, wie dies bei einigen Pilzpathogenen der Fall ist. Im Rahmen meiner Dissertation untersuchte ich die Entstehung und schrittweise Ausdehnung der Rekombinationsunterdrückung auf den Kreuzungstypchromosomen in verschiedenen Pilzarten, insbesondere der Gattung Microbotryum, die pflanzensterlisierende Pilze sind. Außerdem untersuchte ich die Dynamik der TE-Akkumulation in den Genomen von Microbotryum-Pilzen, überwiegend in den nicht rekombinierenden Regionen ihrer Kreuzungstypchromosomen, aber auch ihre Rolle bei der schnellen Evolution von Effektoren, die an der Wirtsspezialisierung beteiligt sind. Mittels komparativer Genomik fand ich zusätzliche unabhängige Ereignisse der Rekombinationsunterdrückung als Ursache der Verknüpfung von Paarungstyp-Loci, sowie eine schrittweise Ausdehnung der Rekombinationsunterdrückung über die Paarungstyp-Loci hinaus in Microbotryum-Pilzen. Ich zeigte, dass die Verknüpfung der Paarungstyp-Loci in Microbotryum durch aufeinanderfolgende Schritte der Rekombinationsunterdrückung erfolgen könnte und habe TEs in den Genomen von 17 Microbotryum-Arten nachgewiesen und annotiert. Auf der Grundlage von 21 unabhängigen Ereignissen der Rekombinationsunterdrückung in 15 nah verwandten Microbotryum-Arten konnte ich die Geschwindigkeit Tempo der TE-Akkumulation im Laufe der Zeit seit der Rekombinationsunterdrückung ableiten. Ich zeigte, dass TEs nach der Rekombinationsunterdrückung schnell akkumulierten (0-1.5 Mio. Jahre) und dann ein Plateau erreichten. Ich fand heraus, dass die Häufigkeit von Spuren von TE-Inaktivierungen durch wiederholte induzierte Punktmutation (RIP), einem Abwehrmechanismus des Pilzgenoms, nicht mit der Zeit seit der Rekombinationsunterdrückung zunahm. Die TE-Akkumulation in nicht rekombinierenden Regionen wurde hauptsächlich durch einen Anstieg von langterminalen Repeat-Retrotransposons aus den Copia- und Ty3/Gypsy-Superfamilien verursacht. Durch die Rekonstruktion der Genealogie mehrerer Microbotryum-Genome konnte ich zeigen, dass sich Copia- und Ty3-Retrotransposons sowohl in den nicht-rekombinierenden Regionen der Kreuzungstypchromosomen als auch in den Autosomen in Schüben anreichern. Diese Ergebnisse deuten an, dass die Akkumulation von TEs in nicht rekombinierenden Regionen der Kreuzungstypchromosomen, entsprechend der TE-Reservoir-Hypothese, Auswirkungen auf das gesamte Genom haben kann. Die Anhäufung von TEs scheint jedoch keine wichtige Rolle bei der Wirtsspezialisierung zu spielen. Der Vergleich der Genome von drei Microbotryum-Arten, die auf verschiedene Wirtspflanzen spezialisiert sind, zeigte keine spezifische Assoziation zwischen TEs und Genen, welche potenziell an der Wirtsinteraktion beteiligt sind. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass Pilze wertvolle Modelle darstellen, um die Evolution nicht rekombinierender Regionen und ihrer genomweiten Konsequenzen zu untersuchen.

Recombination is beneficial in the long term, allowing more efficient selection. However, recombination can be locally suppressed, as frequently observed around genomic regions determining sexual compatibility. Sex chromosomes and fungal mating-type chromosomes can display large non-recombining regions which have often extended gradually beyond the sex- or mating-type-determining locus. The reduced selection in the absence of recombination causes the accumulation of transposable elements (TEs), which has been suggested to constitute a TE reservoir, being a source of TEs spreading to the rest of the genome. Such genome-wide TE accumulation could have a great impact on genome architecture and stability. For instance, TE-rich regions display increased substitution rates and chromosomal rearrangements. While being generally deleterious, these can also allow rapid evolution, as suggested in some fungal pathogens. During my thesis, I investigated the formation and stepwise extension of recombination suppression on the mating-type chromosomes in several fungal species, especially from the Microbotryum genus, which are plant-castrating fungi. I also studied the dynamics of TE accumulation in the genomes of Microbotryum fungi, especially in the non-recombining regions of their mating-type chromosomes, but also their role in the rapid evolution of effectors involved in host specialization. Using comparative genomics in Microbotryum fungi, I found additional independent events of recombination suppression that linked the mating-type loci to each other, and stepwise recombination suppression extension beyond the mating-type loci. I showed that the linkage between mating-type loci in Microbotryum could be achieved by successive steps of recombination suppression. I detected and annotated TEs in the genomes of 17 Microbotryum species. Leveraging on 21 independent events of recombination suppression in 15 closely related Microbotryum species, I inferred the tempo of TE accumulation with time since recombination suppression. I showed that TEs have rapidly accumulated after recombination suppression (0-1.5 million years), before reaching a plateau. I found that the abundance of TE inactivation footprints by repeat-induced point mutation (RIP), a fungal genome defense mechanism, did not increase with time since recombination suppression. The TE accumulation in non-recombining regions was mainly caused by an increased load of long-terminal repeat retrotransposons from the Copia and Ty3/Gypsy superfamilies. By reconstructing their genealogies in several Microbotryum genomes, I showed that Copia and Ty3 retrotransposons accumulated through bursts, both in the non-recombining regions of the mating-type chromosomes and the autosomes. These results suggest that the accumulation of TEs in non-recombining regions of the mating-type chromosomes can have an effect on the whole genome, as predicted by the TE reservoir hypothesis. However, the accumulation of TEs did not seem to play an important role in host specialization, as the genome comparison of three Microbotryum species specialized on different host plants showed no specific association between TEs and genes predicted to be involved in host interactions.The results presented in this thesis show that fungi are valuable emerging models to study the evolution of non-recombining regions and their genome-wide consequences.