Étude de la diversité génétique et de l'adaptation des plantes cultivées : une approche intégrée de génomique des populations et de bioinformatique

Study of genetic diversity and adaptation of cultivated plants: an integrated approach to population genomics and bioinformatics.

• Auteur / Autrice : Abdoulaye Beye
• Direction : Jean-Christophe Glaszmann, Diaga Diouf
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génétique et amélioration des plantes
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 12/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....) en cotutelle avec Université Cheikh Anta Diop de Dakar
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AGAP Institut, Amélioration Génétique et Adaptation des Plantes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Dynamiques de la diversité, sociétés et environnements (DDSE)
• Jury : Président / Présidente : Yves Vigouroux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maud Tenaillon, Malika Ainouche, Mame Ndew Mbaye, Diaga Diouf, Jean Christophe Glaszmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maud Tenaillon, Malika Ainouche

Mots clés

Mots clés libres

Oryza sativa

Adaptation

Introgression

Génomique

Oryza sativa

Adaptation

Introgression

Genomic

Résumé

Les plantes s'adaptent rapidement aux changements grâce à la génétique évolutive. L'étude des mécanismes de sélection naturelle et de diversité génétique est cruciale pour comprendre l'adaptation. Les avancées technologiques facilitent l'analyse des traces d'adaptation. Cette thèse vise à élucider les bases génomiques d'adaptation pour développer des programmes de sélection efficaces et conserver des gènes majeurs. Pour étudier l'adaptation génomique, on détecte des introgressions et régions génomiques différenciées entre populations de riz et sorgho en Afrique et Asie. Trois jeux de données sont utilisés : d'abord, 3000 génomes de riz avec ajout d'accessions péri-Himalayennes (riz flottants et riz du Myanmar) ; ensuite, des accessions sauvages de Oryza rufipogon ; enfin, 973 accessions de sorgho du projet Sorghum Genomic Tools, complétées par 38 accessions majoritairement de Guinea margaritiferum et quelques sorghos sauvages. Ces données permettent d'examiner les mécanismes d'adaptation génomique et de mieux comprendre les bases de la diversité génétique. Dans le chapitre 3, une analyse comparative intercontinentale de la structure génétique des accessions de riz Japonica tropical entre l'Afrique et l'Asie a été effectuée. Grâce à des analyses d'ascendance locale et de flux de gènes, des traces d'introgressions adaptatives du groupe variétal cAus ont été identifiées chez les accessions pluviales d'Afrique de l'Ouest, majoritairement du groupe Japonica. Des analyses de scans génomiques utilisant la statistique iHS ont révélé des régions d'introgressions de cAus sur le chromosome 6 présentant des profils de sélection positive. Ces résultats ont permis d'identifier une liste de gènes candidats dont les enrichissements en termes d'ontologie montrent des familles de fonctions et de processus impliqués dans la réponse aux stress hydriques et thermiques. Les chapitres 4 et 5 étudient la localisation des marqueurs contribuant à la différenciation des groupes sur le génome et l'identification de gènes adaptatifs spécifiques. Ceux-ci se concentrent sur le riz flottant Rayada et le sorgho Guinea margaritiferum d'Afrique de l'Ouest. La composition génomique du groupe de riz flottant Rayada est décrite, révélant des introgressions de Oryza rufipogon type A liées à l'élongation des tiges en période d'inondation. Les analyses sur le sorgho sont moins avancées, mais fournissent un cadre pour des approches similaires. La sous-race Guinea margaritiferum se situe à l'extrême sur plusieurs axes de l'ACP générale, facilitant l'identification des locus et segments génomiques responsables de la différenciation et la mobilité des facteurs adaptatifs entre les populations de sorghos cultivés. Le chapitre 6 traite du transfert de compétences aux étudiants en Master via des profils d'introgression, en combinant approches populationnelles et fonctionnelles avec des outils bio-informatiques simples pour favoriser participation et compétences transversales. Somme toute, nos recherches ont contribué à la découverte des introgressions comme source de diversité génétique et peut-être liées à des caractéristiques adaptatives qui ont pu aider les espèces cultivées à faire face aux conditions environnementales en constante évolution dans lesquelles elles évoluent.

Plants adapt rapidly to change thanks to evolutionary genetics. Studying the mechanisms of natural selection and genetic diversity is crucial to understanding adaptation. Technological advances facilitate the analysis of adaptation traces. This thesis aims to elucidate the genomic basis of adaptation in order to develop effective selection programs and conserve major genes. To study genomic adaptation, we are detecting introgressions and differentiated genomic regions between rice and sorghum populations in Africa and Asia. Three datasets are used: firstly, 3,000 rice genomes with the addition of peri-Himalayan accessions (floating rice and Myanmar rice); secondly, wild accessions of Oryza rufipogon; thirdly, 973 sorghum accessions from the Sorghum Genomic Tools project, supplemented by 38 accessions mainly of Guinea margaritiferum and a few wild sorghums. These data enable us to examine the mechanisms of genomic adaptation and better understand the basis of genetic diversity. In chapter 3, an intercontinental comparative analysis of the genetic structure of tropical Japonica rice accessions between Africa and Asia was carried out. Using local ancestry and gene flow analyses, traces of adaptive introgressions of the cAus varietal group were identified in West African rainfed accessions, mostly from the Japonica group. Genomic scan analyses using iHS statistics revealed regions of cAus introgressions on chromosome 6 showing positive selection patterns. These results led to the identification of a list of candidate genes whose ontology enrichments show families of functions and processes involved in the response to water and heat stress. Chapters 4 and 5 study the location of markers contributing to group differentiation on the genome and the identification of specific adaptive genes. These focus on the West African floating rice Rayada and sorghum Guinea margaritiferum. The genomic composition of the Rayada floating rice group is described, revealing introgressions of Oryza rufipogon type A linked to stem elongation during flooding. Analyses on sorghum are less advanced, but provide a framework for similar approaches. The Guinea margaritiferum subrace is at the extreme on several axes of the general PCA, facilitating the identification of genomic loci and segments responsible for the differentiation and mobility of adaptive factors between cultivated sorghum populations. Chapter 6 deals with the transfer of skills to Master's students via introgression profiles, combining population and functional approaches with simple bioinformatics tools to encourage participation and cross-disciplinary skills. All in all, our research has contributed to the discovery of introgressions as a source of genetic diversity and perhaps linked to adaptive traits that may have helped cultivated species cope with the ever-changing environmental conditions in which they evolve.