La vision dichotomique du vivant a longtemps prévalue pour représenter la diversité observée dans la nature. La récente expansion des données de séquençage ont permis d'identifier de larges discordances entre les phylogénies de gènes et des espèces, formant la structure dite "mosaïque" des génomes. Ce pattern complexe est la résultante de différents processus évolutifs neutres et adaptatifs qui conduisent à la diversité du vivant. Ces processus expliquent le partage de polymorphisme observé entre deux espèces. Le polymorphisme trans-spécifique (PTS) neutre est généré par la rétention du polymorphisme ancestral, l'introgression génétique et l'homoplasie Le PTS fonctionnel est le résultat des mêmes processus ainsi que des effets de la sélection naturelle. Si l'adaptation locale d'une espèce contribue à la diminution du PTS, la sélection naturelle peut augmenter le PTS dans le cas de la sélection balancée.En utilisant le couple d'espèces végétales Arabidopsis halleri et A. lyrata, nous comparons les patrons de polymorphisme de fonds génomiques à ceux observés autour de régions cibles d'une sélection balancée pour mesurer les importances relatives de la sélection et de la démographie.L'analyse démographique par ABC des fonds génomiques a permis de dresser un cadre historique en rejetant l'hypothèse de migration récente entre ces deux espèces, et en appuyant l'importance de l'évolution de la tolérance aux métaux lourds dans le processus de spéciation d'A. halleri.Finalement, en mesurant les patrons de polymorphisme observés autour du locus-S, nous montrons que la sélection balancée affecte très localement le polymorphisme des régions neutres qui lui sont liées. / The dichotomous view of life has long been availed to represent the diversity observed in nature. The recent expansion of sequence data have identified large discrepancies between the phylogenies of genes and species, forming the so-called "mosaic structure" of genomes. This complex pattern is the result of different neutral and adaptive evolutionary processes shaping the diversity of life. These processes explain the shared polymorphism observed between two different species. The trans-specific polymorphism (TSP) is generated by neutral retention of ancestral polymorphism, introgression and genetic homoplasy. Functional TSP is the result of the same processes and of the effects of natural selection. Whether local adaptation of a species contributes to the reduction of TSP, natural selection may increase the TSP in the case of balancing selection.Using the pair of closely related plant species Arabidopsis halleri and A. lyrata, we compared the patterns of polymorphism observed in genomic backgrounds to those observed in the neighborhood of the target regions of balancing selection, in order to measure the relative importance of selection and demography.Demographic analysis by ABC from genomic backgrounds leads to the rejection of the hypothesis of recent migration between these two species, and support the importance of the evolution of tolerance to heavy metals in the process of speciation of A. halleri.Finally, by measuring the patterns of polymorphism around the S-locus, we showed that balancing selection affects very localy the neutral linked polymorphism.

Chez les plantes hermaphrodites, l’auto-incompatibilité est un système génétique permettant de limiter la dépression de consanguinité par évitement de l’autofécondation et de la reproduction entre individus apparentés. Ce système est considéré en biologie évolutive comme l’un des caractères modèles d’une forme particulière de sélection naturelle, la sélection fréquence-dépendante. Chez les Brassicaceae, le système d’auto-incompatibilité est contrôlé par une région génomique appelée le locus S. Cette région comprend deux gènes fortement liés, dont un codant une protéine déposée à la surface du pollen et l’autre une protéine transmembranaire du pistil. La reconnaissance de type clé-serrure entre ces deux protéines provoque une cascade de réactions se traduisant par l’inhibition de la croissance du tube pollinique. Dans ce contexte, douze séquences comprenant le locus S ont été obtenues dans le genre Arabidopsis par le séquençage de clones BAC. Ces séquences illustrent l’intérêt des données génomiques dans l’analyse d’une région telle que le locus d’auto-incompatibilité, soumise à de fortes contraintes sélectives. Dans un premier temps, l’annotation d’une douzaine de séquences fonctionnelles chez A. lyrata et A. halleri a permis d’examiner les patrons d’évolution moléculaire du locus d’auto-incompatibilité et de ses régions flanquantes. Une seconde partie se concentre quant à elle sur la perte du système d’auto-incompatibilité chez A. thaliana, et notamment sur l’occurrence de réarrangements et d’évènements de recombinaison entre séquences non fonctionnelles. Enfin, une analyse préliminaire de la coévolution entre les protéines du pollen et du pistil a pu être réalisée. / Self-incompatibility is a common genetic system limiting inbreeding depression by preventing selfing and mating between relatives in hermaphroditic plants. This system is considered in evolutionary biology as one of the models of frequency-dependant selection, a particular type of natural selection. In the Brassicaceae family, the self-incompatibility system is controlled by a genomic region called the S-locus and comprising two tightly linked genes. The first gene encodes a ligand deposited on the pollen surface and the second its transmembrane receptor. Molecular recognition between these two proteins leads to a cascade of reactions resulting in the reject of self-pollen. If the self-incompatibility genes are becoming well understood, the diversity and dynamics of their genomic region remains poorly described. In this context, twelve genomic sequences of the region comprising the S-locus were obtained in the genus Arabidopsis through sequencing of BAC clones. These sequences highlight the relevance of genomic data in the analysis of regions under such selective constraints. First, the annotation of twelve functional sequences in A. lyrata and A. halleri allows to study the patterns of evolution of the S-locus and its flanking regions. Second, the loss of the system was investigated in A. thaliana, in particular through the occurrence of rearrangements or recombination events in non-functional sequences. Finally, a preliminary analysis of coevolution between pollen and pistil proteins was achieved.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’auto-incompatibilité est une barrière génétique qui permet à une plante de reconnaître et rejeter son propre pollen tout en acceptant le pollen d’individus moins apparentés d’un point de vue génétique. Chez les Brassicacées, l’auto-incompatibilité est contrôlée par un locus hautement polymorphe appelé le locus S, qui contient les déterminants mâle et femelle. Le stigmate exprime le déterminant femelle de l’auto-incompatibilité, S-LOCUS RECEPTOR KINASE (SRK). Chez Brassica oleracea, la localisation subcellulaire d’SRK est unique en son genre : le récepteur est localisé principalement au niveau des endosomes et dans une moindre mesure à la membrane plasmique.Nous avons étudié la fonction de la localisation endosomale de SRK chez Arabidopsis thaliana. Premièrement, nous avons réintroduit l’auto-incompatibilité chez Arabidopsis thaliana grâce à l’expression d’un allèle fonctionnel de SRK en provenance d’Arabidopsis lyrata (une espèce auto-incompatible). Deuxièmement, nous avons montré qu’un mutant perte de fonction de DYNAMIN-RELATED PROTEIN1A, une protéine requise pour l’endocytose, abolissait l’auto-incompatibilité. Nos résultats suggèrent que l’endocytose est requise pour l’auto-incompatibilité, et que SRK pourrait activer sa voie de signalisation depuis les endosomes. / Self-incompatibility is a genetic barrier by which a plant recognizes and rejects its own pollen while allowing pollen from more distantly related plants to germinate. In the Brassicacea family, it is controlled by a highly polymorphic locus called the S-locus, which contains the male and female determinants of self-incompatibility. The stigma expresses the female determinant of self-incompatibility, the plant receptor kinase (PRK) S-LOCUS RECEPTOR KINASE (SRK). In Brassica oleracea, SRK has a unique subcellular localization among PRK: the receptor is mostly localized in endosomes and to a lesser extent at the plasma membrane.We investigated the function of the endosomal localization of SRK in Arabidopsis thaliana. Firstly, we reintroduced self-incompatibility in Arabidopsis thaliana by expression of a functional SRK allele from Arabidopsis lyrata (a self-incompatible species). Secondly, we showed that a loss-of-function mutant of DYNAMIN-RELATED PROTEIN1A, a protein required for endocytosis, abolished self-incompatibility. Our results suggest that endocytosis is required for self-incompatibility, and that SRK may be signaling from endosomal compartments.

L’auto-incompatibilité (AI) est une barrière reproductive prézygotique qui permet aux pistils d’une fleur de rejeter leur propre pollen. Les systèmes d’AI peuvent prévenir l’autofertilisation et ainsi limiter l’inbreeding. Dans l’AI gamétophytique, le génotype du pollen détermine son propre phénotype d’incompatibilité, et dans ce système, les déterminants mâles et femelles de l’AI sont codés par un locus multigénique et multi-allélique désigné le locus S. Chez les Solanaceae, le déterminant femelle de l’AI est une glycoprotéine stylaire extracellulaire fortement polymorphique possédant une activité ribonucléase et désignée S-RNase. Les S-RNases montrent un patron caractéristique de deux régions hypervariables (HVa et HVb), responsables de leur détermination allélique, et cinq régions hautement conservées (C1 à C5) impliquées dans l’activité catalytique ou la stabilisation structurelle de ces protéines. Dans ce travail, nous avons investigué plusieurs caractéristiques des S-RNases et identifié un nouveau ligand potentiel aux S-RNases chez Solanum chacoense. L’objectif de notre première étude était l’élucidation du rôle de la région C4 des S-RNases. Afin de tester l’hypothèse selon laquelle la région C4 serait impliquée dans le repliement ou la stabilité des S-RNases, nous avons généré un mutant dans lequel les quatre résidus chargés présents en région C4 furent remplacés par des résidus glycine. Cette protéine mutante ne s’accumulant pas à des niveaux détectables, la région C4 semble bien avoir un rôle structurel. Afin de vérifier si C4 est impliquée dans une liaison avec une autre protéine, nous avons généré le mutant R115G, dans lequel un acide aminé chargé fût éliminé afin de réduire les affinités de liaison dans cette région. Ce mutant n’affectant pas le phénotype de rejet pollinique, il est peu probable que la région C4 soit impliquée dans la liaison des S-RNases avec un ligand ou leur pénétration à l’intérieur des tubes polliniques. Enfin, le mutant K113R, dans lequel le seul résidu lysine conservé parmi toutes les S-RNases fût remplacé par un résidu arginine, fût généré afin de vérifier si cette lysine était un site potentiel d’ubiquitination des S-RNases. Toutefois, la dégradation des S-RNases ne fût pas inhibée. Ces résultats indiquent que C4 joue probablement un rôle structurel de stabilisation des S-RNases. Dans une seconde étude, nous avons analysé le rôle de la glycosylation des S-RNases, dont un site, en région C2, est conservé parmi toutes les S-RNases. Afin d’évaluer la possibilité que les sucres conjugués constituent une cible potentielle d’ubiquitination, nous avons généré une S11-RNase dont l‘unique site de glycosylation en C2 fût éliminé. Ce mutant se comporte de manière semblable à une S11-RNase de type sauvage, démontrant que l’absence de glycosylation ne confère pas un phénotype de rejet constitutif du pollen. Afin de déterminer si l’introduction d’un sucre dans la région HVa de la S11-RNase pourrait affecter le rejet pollinique, nous avons généré un second mutant comportant un site additionnel de glycosylation dans la région HVa et une troisième construction qui comporte elle aussi ce nouveau site mais dont le site en région C2 fût éliminé. Le mutant comportant deux sites de glycosylation se comporte de manière semblable à une S11-RNase de type sauvage mais, de manière surprenante, le mutant uniquement glycosylé en région HVa peut aussi rejeter le pollen d’haplotype S13. Nous proposons que la forme non glycosylée de ce mutant constitue un allèle à double spécificité, semblable à un autre allèle à double spécificité préalablement décrit. Il est intéressant de noter que puisque ce phénotype n’est pas observé dans le mutant comportant deux sites de glycosylation, cela suggère que les S-RNases ne sont pas déglycosylées à l’intérieur du pollen. Dans la dernière étude, nous avons réalisé plusieurs expériences d’interactions protéine-protéine afin d’identifier de potentiels interactants polliniques avec les S-RNases. Nous avons démontré que eEF1A, un composant de la machinerie de traduction chez les eucaryotes, peut lier une S11-RNase immobilisée sur résine concanavaline A. Des analyses de type pull-down utilisant la protéine eEF1A de S. chacoense étiquetée avec GST confirment cette interaction. Nous avons aussi montré que la liaison, préalablement constatée, entre eEF1A et l’actine est stimulée en présence de la S11-RNase, bien que cette dernière ne puisse directement lier l’actine. Enfin, nous avons constaté que dans les tubes polliniques incompatibles, l’actine adopte une structure agrégée qui co-localise avec les S-RNases. Ces résultats suggèrent que la liaison entre eEF1A et les S-RNases pourrait constituer un potentiel lien fonctionnel entre les S-RNases et l’altération du cytosquelette d’actine observée lors des réactions d’AI. Par ailleurs, si cette liaison est en mesure de titrer les S-RNases disponibles à l’intérieur du tube pollinique, ce mécanisme pourrait expliquer pourquoi des quantités minimales ou « seuils » de S-RNases sont nécessaires au déclenchement des réactions d’AI. / Self-incompatibility (SI) is a prezygotic reproductive barrier that allows the pistil of a flower to specifically reject their own (self-) pollen. SI systems can help prevent self-fertilization and avoid inbreeding. In gametophytic SI (GSI), the genotype of the pollen determines its breeding behaviour and in this system both female and male specificity determinants of SI are under the control of a multigenic and multiallelic locus called the S-locus. In Solanaceae, the female determinant of SI is a highly polymorphic stylar-expressed extracellular glycoprotein with RNase activity called the S-RNase. S-RNases show a distinct pattern of two hypervariable (HVa and HVb) regions, responsible for their allelic specificity, and five highly conserved regions (C1 to C5) thought to be involved in either the catalytic activity or the structural stabilization of the protein. In this work, we analyzed and characterized several conserved features of the S-RNases and also identified a potential novel S-RNase interactant in Solanum chacoense. The aim of our first study was to investigate the role of the C4 region of S-RNases. To test the hypothesis that the C4 region may be involved in S-RNase folding or stability, we examined a mutant in which the four charged residues in the C4 region were replaced with glycine. This mutant did not accumulate to detectable levels in styles, supporting a structural role for C4. To test the possibility that C4 might be involved in binding another protein, we prepared an R115G mutant, in which a charged amino acid was eliminated to reduce any potential binding to this region. This mutant had no effect on the pollen rejection phenotype of the protein, and thus C4 is likely not involved in either ligand binding or S-RNase entry inside pollen tubes. Finally, a K113R mutant, in which the only conserved lysine residue in all the S-RNases was replaced with arginine, was generated to test if this residue was an S-RNase ubiquitination site. However, S-RNase degradation was not disrupted in this mutant. Taken together, these results indicate that the C4 region likely plays a structural role. In a second study, we analyzed the role of S-RNase glycosylation. All S-RNases share a conserved glycosylation site in the C2 region. To test the possibility that the sugar residues might be a target for ubiquitination, a transgenic S11-RNase lacking its single glycosylation site was examined. This construct behaved similarly to a wild type S11-RNase, demonstrating that the lack of glycosylation does not confer constitutive pollen rejection. To determine if the introduction of an N-linked glycan in the HVa region would affect pollen rejection, a construct containing a second N-glycosylation site inside the HVa region of the S11-RNase and a construct containing only that N-glycosylation site inside the HVa region were prepared. The first construct rejected S11 pollen normally, but surprisingly, plants expressing the construct lacking the C2 glycosylation site rejected both S11 and S13 pollen. We propose that the non-glycosylated form is a dual specific allele, similar to a previously described dual-specific allele that also had amino acid replacements in the HV regions. Interestingly, this phenotype is not observed in the mutant containing two glycosylation sites, which suggests that the sugar residues are not removed during S-RNase entry into the pollen. In the final study, S-RNase-binding assays were performed with pollen extracts to detect potential interacting proteins. We found that concanavalin A-immobilized S11-RNase bound eEF1A, a component of the eukaryotic translational machinery. This interaction was validated by pull-down experiments using a GST-tagged S. chacoense eEF1A. We also found that a previously documented actin binding to eEF1A was markedly increased in the presence of S-RNases, although S-RNases alone do not bind actin. Lastly, we observed that actin in incompatible pollen tubes has an unusual aggregated form which also co-labels with S-RNases. This suggests that binding between S-RNases and eEF1A could provide a potential functional link between the S-RNase and the alteration of the actin cytoskeleton that occurs during the SI reaction. Furthermore, if eEF1A binding to S-RNases acted to titrate the amount of free S-RNase in the pollen tube, this binding may help explain the threshold phenomenon, where a minimum quantity of S-RNase in the style is required to trigger the SI reaction.

L’auto-incompatibilité (AI) est la capacité génétiquement déterminée d’une plante fertile de rejeter son propre pollen. Chez les Solanacées l’AI dépend des éléments d’un locus fort complexe (locus S) multigénique. L’élément du locus-S exprimé dans le pistil est une ribonucléase (S-RNase) dont le rôle est de dégrader l’ARN chez le pollen self, tandis que l’élément du locus S exprimé dans le pollen est un ensemble de protéines du type F-box, qui sont normalement impliquées dans la dégradation des protéines. Cependant, comment les S-RNases self restent actives lors des croisements incompatibles et comment les S-RNases non-self sont inactivées lors des croisements compatibles ce n’est encore pas clair. Un modèle propose que les S-RNases non-self soient dégradées lors des croisements compatibles. Un autre modèle propose que toutes les S-RNases, self et non-self, soient d'abord séquestrées à l’intérieur d’une vacuole, et elles y resteraient lors des croisements compatibles. Lors de croisements incompatibles, par contre, elles seraient relâchées dans le cytoplasme, où elles pourront exercer leur action cytotoxique. Notre étude tente de répondre à ces questions. Notamment, nous cherchons à mettre en évidence la localisation vacuolaire et/ou cytoplasmique des S-RNases et leur concentration par immunolocalisation, en utilisant un anticorps ciblant la S11-RNase de Solanum chacoense et la microcopie électronique à transmission. Nos résultats montrent que la densité de marquage observée pour les S-RNases cytoplasmiques est significativement plus haute dans les tubes incompatibles que dans ceux compatibles ce qui nous indique que pour qu’un tube pollinique soit compatible il doit contenir une faible densité de S-RNase cytoplasmique. / Self-incompatibility (SI) is a widespread genetic device used by flowering plants to reject their own pollen, and thus to avoid inbreeding. This cell-cell recognition mechanism is mediated by molecular interactions between gene products expressed in the pollen and those expressed in specialized cells of the pistil. The genetic determinants of the system are produced from a highly complex multigenic S-locus with multiple S-haplotypes, although other genes outside the S-locus also contribute to the phenomenon in a non-allele specific manner. SI discriminates between self and non-self pollen, as the former will be rejected (incompatible cross), whereas the latter will be allowed to accomplish fertilization (compatible cross). In the Solanaceae (to which Solanum chacoense belongs) the pistillar determinant to SI is an extremely polymorphic stylar extracellular S-RNase, whereas the pollen determinant involves the collaborative action of several members of the F-box family (SLF or S-locus F-box). This has led to the hypothesis that during compatible crosses, ubiquitin-mediated degradation of non-self S-RNases takes place (degradation model). However, it has also been found that non-self S-RNases appear to be sequestered in the vacuole during compatible crosses (sequestration model). The objective of our study was to discriminate between these two models by using immunolocalization techniques and transmission electron microscopy. We have found that the concentration of S-RNases is significantly higher in incompatible pollen tubes than in compatible ones.

L’auto-incompatibilité (AI) est la capacité génétiquement déterminée d’une plante fertile de rejeter son propre pollen. Chez les Solanacées l’AI dépend des éléments d’un locus fort complexe (locus S) multigénique. L’élément du locus-S exprimé dans le pistil est une ribonucléase (S-RNase) dont le rôle est de dégrader l’ARN chez le pollen self, tandis que l’élément du locus S exprimé dans le pollen est un ensemble de protéines du type F-box, qui sont normalement impliquées dans la dégradation des protéines. Cependant, comment les S-RNases self restent actives lors des croisements incompatibles et comment les S-RNases non-self sont inactivées lors des croisements compatibles ce n’est encore pas clair. Un modèle propose que les S-RNases non-self soient dégradées lors des croisements compatibles. Un autre modèle propose que toutes les S-RNases, self et non-self, soient d'abord séquestrées à l’intérieur d’une vacuole, et elles y resteraient lors des croisements compatibles. Lors de croisements incompatibles, par contre, elles seraient relâchées dans le cytoplasme, où elles pourront exercer leur action cytotoxique. Notre étude tente de répondre à ces questions. Notamment, nous cherchons à mettre en évidence la localisation vacuolaire et/ou cytoplasmique des S-RNases et leur concentration par immunolocalisation, en utilisant un anticorps ciblant la S11-RNase de Solanum chacoense et la microcopie électronique à transmission. Nos résultats montrent que la densité de marquage observée pour les S-RNases cytoplasmiques est significativement plus haute dans les tubes incompatibles que dans ceux compatibles ce qui nous indique que pour qu’un tube pollinique soit compatible il doit contenir une faible densité de S-RNase cytoplasmique. / Self-incompatibility (SI) is a widespread genetic device used by flowering plants to reject their own pollen, and thus to avoid inbreeding. This cell-cell recognition mechanism is mediated by molecular interactions between gene products expressed in the pollen and those expressed in specialized cells of the pistil. The genetic determinants of the system are produced from a highly complex multigenic S-locus with multiple S-haplotypes, although other genes outside the S-locus also contribute to the phenomenon in a non-allele specific manner. SI discriminates between self and non-self pollen, as the former will be rejected (incompatible cross), whereas the latter will be allowed to accomplish fertilization (compatible cross). In the Solanaceae (to which Solanum chacoense belongs) the pistillar determinant to SI is an extremely polymorphic stylar extracellular S-RNase, whereas the pollen determinant involves the collaborative action of several members of the F-box family (SLF or S-locus F-box). This has led to the hypothesis that during compatible crosses, ubiquitin-mediated degradation of non-self S-RNases takes place (degradation model). However, it has also been found that non-self S-RNases appear to be sequestered in the vacuole during compatible crosses (sequestration model). The objective of our study was to discriminate between these two models by using immunolocalization techniques and transmission electron microscopy. We have found that the concentration of S-RNases is significantly higher in incompatible pollen tubes than in compatible ones.