Les régimes de reproduction naturels de la levure de boulangerie Saccharomyces cerevisiae et leur conséquences sur la diversité génétique de l'espèce.

The natural reproduction regimes of the baker yeast Saccharomyces cerevisiae and their impact on the genetic diversity of the species.

• Auteur / Autrice : Nina Vittorelli
• Direction : Gilles Fischer, Guillaume Achaz
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génétique et génomique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologie computationnelle et quantitative
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Biologie des Génomes

Mots clés

Mots clés libres

Régime de reproduction

Saccharomyces cerevisiae

Diversité génétique

Génétique des populations

Génomique évolutive

Génétique

Reproduction Regime

Saccharomyces cerevisiae

Genetic diversity

Population genetics

Evolutionary genomics

Genetics

Résumé

Quelles sont les conséquences du régime de reproduction d'une population sur sa diversité génétique et sa capacité d'adaptation ? La levure Saccharomyces cerevisiae est un organisme intéressant pour étudier cette question centrale en biologie évolutive et en génétique. En effet, cet organisme peut se reproduire de façons asexuée et sexuée, et dans le second cas, la fécondation peut se produire via plusieurs voies : autofécondation haploïde ou diploïde, croisement avec une lignée plus ou moins distante. La description canonique du cycle de vie de S. cerevisiae comprend une alternance entre des phases végétatives diploïde et haploïde (cycle haplodiplontique), une large prévalence d'autofécondations lors des cycles sexués, et un homothallisme (capacité de faire de l'autofécondation haploïde) systématique — ce qui devrait en théorie aboutir à un fort taux d'homozygotie parmi les diploïdes. Or, ce modèle, issu de l'étude de quelques souches de laboratoire, est remis en cause par les proportions non négligeables de souches polyploïdes et hétérozygotes recensées lors de récents échantillonnages à grandes échelles dans les populations naturelles. En combinant des approches expérimentales de biologie moléculaire, des analyses bioinformatiques, de la modélisation avec les outils de la génétique des population et des inférences statistiques, ce doctorat à pour objectifs de (i) comprendre la complexité des régimes de reproduction de S. cerevisiae, (ii) déterminer leurs conséquences sur la diversité génétique des différentes populations de l'espèce, (iii) identifier leurs déterminants génétiques et leurs contraintes écologiques et (iv) reconstruire l'histoire des stratégies évolutives dans l'espèce. Le projet comprend : (1) Un crible expérimental sur une collection de souches représentative de la diversité géographique et écologique de l'espèce (O'Donnell et al. 2023) pour plusieurs traits reproductifs. Une attention particulière sera accordées aux mécanismes susceptibles de générer ou de maintenir l'hétérozygotie et la polyploidie, par exemple l'endo-reduplication, ou l'hétérothallisme. Les déterminants génétiques de ces traits reproductifs seront identifiés analyses de descendances de croisements, puis confirmés par inactivation ou tests de complémentation sur des gènes candidats. (2) L'analyse bioinformatique de l'histoire évolutive des traits reproductifs de l'espèce. Pour les gènes identifiés en partie (1), le génotype de souches dont l'assemblage génomique est publié (actuellement environ 3000 souches) sera récupéré afin de (i) cataloguer les allèles présents dans la population, (ii), estimer la prévalence de chaque phénotype reproductif dans la population, (iii) inférer les transitions d'une stratégie reproductive à un autre et (iv) détecter d'éventuelle pressions de sélection associées. (3) La modélisation des signatures génomiques des régimes de reproduction de l'espèce avec les outils de la génétique des populations : les paramètres seront la fréquence relative des cycles sexués et asexués, des différents types de croisements (autofécondation haploïde, croisement entre produits de la même méiose, croisement entre différentes lignées) et des changements de ploidie, tandis que les prédictions du modèles seront des statistiques décrivant la diversité génétique et le déséquilibre de liaison. Les valeurs des paramètres de ces modèles seront ensuite inférés statistiquement en partant des données génomiques publiées (par exemple, The 1011 Genomes from Peter et al. 2018).

Understanding how the reproduction regimes can affect the genetic diversity of populations and their adaptation to various environments is a central question in genetics and evolutionary biology. The baker yeast Saccharomyces cerevisiae is an interesting model for this study since it can engage in asexual and sexual cycles, and in the later it can follow distinct mating strategies, including selfing at both the haploid and the diploid stages, inbreeding between descendants of the same lineage and outbreeding between different lineages. The life cycle of this species is usually described as haplodiplontic with a highly-inbred mating regime and systematic homothallism (ability to perform haploid selfing) which predicts that most, if not all isolates, at the population level, should be diploid and homozygous. However, this model is solely based on the study of a few lab strains and does not account for the high frequencies of polyploid and/or heterozygous lineages that were described in recent large-scale population genomics surveys. Such genetic complexity suggests that the natural life cycle of the budding yeast is poorly understood. Deciphering the hidden complexity of the reproduction regimes in S. cerevisiae would not only allow to revise the description of the life cycle of one of the main model organisms in biology but also shed light on fundamental questions about reproduction and sex in eukaryotes. With access to a database of 142 strains with telomere-to-telomere genome assemblies sampled from various ecological and geographical origins (O'Donnell et al. 2023), and using a combination of molecular genetics experiments, bioinformatic analyses, population genetic modeling and statistical inferences, this PhD aims at i) exploring the complexity of the natural reproductive strategies in S. cerevisiae, ii) deciphering their consequences on genome variation, iii) identifying their genetic determinants and ecological constraints and iv) reconstructing the evolutionary history of the species in terms of reproductive strategies. The project involves: (1) An experimental screen of the database for several reproductive traits, with a focus on processes that are susceptible of generating and/or maintaining heterozygosity and polyploidy, such as endoreduplication or the loss of the ability to undergo haploid selfing. The genetic basis of these traits will be determined by functional experiments including knock-out and complementation tests on candidate genes and identification of new genes through quantitative trait loci analyses. (2) Bioinformatical inferences of the evolutionary history of the reproductive traits. For the genes identified in part (1), the genotype of strains with publicly-available sequencing data will be retrieved – for example the 1011 strains of the study by Peter et al. (2018). These data will be used to (i) inventory the different alleles present in the population, (ii) estimate the prevalence of each trait in the whole population and in each clade, based on the available whole-genome phylogeny, (iii) infer transitions from one state to another and (iv) detect the associated selection regimes. (3) Modelling the genomic signal of various reproductive regimes such as combinations of asexual and sexual cycles, different mating strategies (haploid selfing, mating within the descendants of the same meiosis, outbreeding) and ploidy variations. For several demographic parameters (e.g. population size and structure, relative frequencies of sexual vs. asexual cycles, and different types of mating, etc.), analytical and/or numerical predictions will be made for standard summary statistics of population genomics related to nucleotide diversity and genetic linkage. Then, statistical inferences will be performed on the parameters of these models based on the publicly-available population genomics data.