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Integration of cytogenetic and computational tools for the genome analysis of sugar beet and its wild relatives: providing a genomic basis for beet evolution and breeding

Schmidt, Nicola 23 September 2024 (has links)
Despite the advances in modern technology, unraveling the genome evolution of an organism or even groups of several species remains a challenging task. Up-to-date cytogenetics and computational approaches enable the investigation of genomes from the nucleotide sequence up to the chromosomes, yet, drawing conclusions about evolutionary and mechanistic processes remains far from being trivial. The crop sugar beet (<i>Beta vulgaris</i> subsp. <i>vulgaris</i>) and its wild relatives form a well-suited group of plants (members of the Amaranthaceae family) to demonstrate the possibilities and limits that both, cytological and computational genomics, possess in addressing open questions on the genome in a phylogenetic context and in all its conformations: from its organization in chromosomes right down to the loss and gain of genes and the composition of repetitive DNA sequences. Since the two beet genera <i>Beta</i> and <i>Patellifolia</i> comprise diploid as well as polyploid species, genomic variability between them is not only based on DNA sequence differences, but on changes in the chromosome number as well. In the frame of this work, using microscopic approaches (outlined in chapter II), it was determined that all beets share a base chromosome number of x = 9. Differing properties between cultivated and wild beet accessions are the result of polyploidization and changes in the DNA sequence rather than a restructuring of the chromosomes. In chapter III, the focus is on the tetraploid wild beet <i>Beta corolliflora</i>, whose polyploidization likely led to the development of many tolerances against adverse environmental conditions. Since its ancestry remained unresolved for a long time, five different bioinformatics tools have been developed and complemented with cytogenetics to unravel its parental relationships. As an ‘autopolyploid’ hybrid descending from closely related <i>Beta macrorhiza</i> accessions, <i>B. corolliflora</i> occupies an intermediate position within the spectrum of auto- to allopolyploidy. Today’s breeding endeavors aim for the (re-)introduction of genes from wild beet into cultivated beet accessions to improve crop species in the face of changing cultivation conditions. Yet, such efforts are impeded due to crossing barriers, reflected in the separation of the beet species into three distinct gene pools. Chapter IV aims to identify repetitive DNA sequences that may be involved in speciation and formation of these gene pools. For this, genome data has been generated for a panel of 17 different beet accessions and was analyzed bioinformatically as well as experimentally, using long and short read technology, fluorescent <i>in situ</i> and Southern hybridization. The overall repeat content was found to correlate with the beet genome sizes and whereas some repeats are well conserved among the beet species, the specificity of others mirrors the split into the three beet gene pools. Satellite DNAs in particular vary considerably between beet genomes, leading to the evolution of distinct chromosomal setups in the three gene pools with uniform centromeres in the primary and tertiary gene pool and patchwork centromeres in the secondary gene pool, likely contributing to the barriers in beet breeding. Furthermore, endogenous sequences of viral origin were also detected in all beet genomes with specific elements for the different beet gene pools. As for <i>B. vulgaris</i>, these endogenous pararetroviruses were found to contribute to the host’s defense against other (putatively harmful) viruses (chapter V). In summary, this thesis demonstrates the synergistic potential of integrating computational and cytological genomics for a comprehensive genome analysis of beets that can be transferred to any other species panel. Combining both approaches enables to unlock a deeper understanding of the genetic makeup and evolution of the species of interest, in particular with regard to the impact of repetitive elements. / Trotz des technologischen Fortschritts bleibt die Entschlüsselung der Evolution eines Genoms oder gar der Genome mehrerer Arten eine anspruchsvolle Aufgabe. Moderne zytogenetische und computergestützte Ansätze ermöglichen die Untersuchung von Genomen von der Nukleotidsequenz bis hin zu den Chromosomen. Trotzdem ist es alles andere als trivial, daraus Rückschlüsse auf evolutionäre und mechanistische Prozesse zu ziehen. Die Zuckerrübe (<i>Beta vulgaris</i> subsp. <i>vulgaris</i>) und ihre wilden Verwandten stellen eine Pflanzengruppe aus der Familie der Amaranthaceae dar, die sich gut dafür eignet, Möglichkeiten und Grenzen der zytologischen sowie computergestützten Genomik aufzuzeigen. Bei der Beantwortung offener Fragen zum Genom in einem phylogenetischen Kontext werden dabei all seine Ausprägungen in Betracht gezogen: von der Genomorganisation in Chromosomen bis hin zum Verlust und Erhalt von Genen und der Zusammensetzung repetitiver DNA-Sequenzen. Da die beiden Rübengattungen <i>Beta</i> und <i>Patellifolia</i> sowohl diploide als auch polyploide Arten umfassen, beruht die genomische Variabilität zwischen den Rübengenomen nicht nur auf Unterschieden in der DNA-Sequenz, sondern auch auf Veränderungen in der Chromosomenzahl. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe mikroskopischer Methoden (siehe Kapitel II) festgestellt, dass alle Rüben eine Basischromosomenzahl von n = 9 aufweisen. Unterschiedliche Eigenschaften zwischen kultivierten und wilden Rüben-Akzessionen sind das Ergebnis von Polyploidisierung und Veränderungen in der DNA-Sequenz und nicht von chromosomalen Umstrukturierungen. In Kapitel III liegt der Fokus auf der tetraploiden Wildrübe <i>Beta corolliflora</i>, deren Polyploidisierung wahrscheinlich zahlreiche Toleranzen gegenüber widrigen Umweltbedingungen bedingt. Da ihre Abstammung lange Zeit ungeklärt blieb, wurden fünf verschiedene bioinformatische Methoden entwickelt und zytogenetisch komplementiert, um die Elternspezies zu entschlüsseln. So handelt es sich bei <i>B. corolliflora</i> wahrscheinlich um eine „autopolyploide“ Hybride, die von eng verwandten <i>Beta macrorhiza</i>-Akzessionen abstammt und eine Zwischenform im Spektrum der Polyploidie darstellt. Heutige Züchtungsansätze zielen auf die (Wieder-)Einführung von Genen aus Wildrüben in kultivierte Rübensorten ab, um die Kulturarten angesichts der sich ändernden Anbaubedingungen widerstandsfähiger und/oder ertragreicher zu machen. Solche Bemühungen werden jedoch durch Kreuzungsbarrieren eingeschränkt, die sich in der Gruppierung der Rübenarten in drei verschiedene Genpools widerspiegeln. Kapitel IV zielt darauf ab, repetitive DNA-Sequenzen zu identifizieren, die möglicherweise an Adaption und Artbildung beteiligt sind. Genomdaten wurden für 17 verschiedene Rüben-Akzessionen generiert und sowohl bioinformatisch als auch experimentell mittels Fluoreszenz-<i>in situ</i>- und Southern-Hybridisierung analysiert. Der Gesamtgehalt an repetitiven DNA-Sequenzen korreliert mit der Genomgröße der Rübenakzessionen. Während einige repetitive DNA-Sequenzen zwischen den Rübenarten konserviert sind, spiegelt die Spezifität anderer die Aufteilung in die drei Rübengenpools wider. Insbesondere die Satelliten-DNA variiert beträchtlich zwischen den Rübengenomen, was zur Entwicklung unterschiedlicher chromosomaler Strukturen in den drei Genpools geführt hat: Der primäre und tertiäre Genpool sind hierbei durch einheitlichen Zentromere gekennzeichnet, während sich der sekundäre Genpool durch eine individuelle Zentromerzusammensetzung auszeichnet, die von Chromosom zu Chromosom verschieden sein kann. Dies trägt wahrscheinlich zu den Hindernissen im Zuge der Rübenzucht bei. Außerdem wurden in allen Rübengenomen endogene Sequenzen viralen Ursprungs nachgewiesen, die für die verschiedenen Rübengenpools spezifisch sind. Für <i>B. vulgaris</i> wurde festgestellt, dass diese endogenen Pararetroviren zur Verteidigung gegen andere (ggf. schädliche) Viren beitragen (Kapitel V). Zusammenfassend zeigt diese Arbeit das synergistische Potenzial einer Integration der computergestützten und zytologischen Genomik für eine umfassende Genomanalyse von Rüben auf, die auf jedes andere Artenpanel übertragen werden kann. Die Kombination beider Ansätze ermöglicht ein tieferes Verständnis des Genoms und der Evolution der betreffenden Art, insbesondere in Hinblick auf den Einfluss repetitiver DNA-Sequenzen.
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Régulation transcriptionnelle du gène SRY humain et porcin par le facteur de transcription GATA-4

Hamel, Frédéric 11 April 2018 (has links)
Chez les mammifères euthériens, la détermination du sexe est étroitement contrôlée par l'expression d'un gène clé, appelé SRY, présent sur le chromosome Y. Une étude d'inactivation génique chez la souris a démontré que la protéine Gata-4, un membre de la famille de facteurs de transcription GATA, est essentielle pour la différentiation testiculaire ainsi qu'à l'expression de Sry. Ceci suggère que GATA-4 régule le développement testiculaire via l'activation de SRY. En accord avec cette hypothèse, les promoteurs SRY de porc, de souris et d'humain arborent tous plusieurs sites de liaison pour les facteurs GATA. Le but de mon étude est de vérifier le rôle de GATA-4 dans la régulation transcriptionnelle de SRY du porc et de l'humain par transfections transitoires de différentes constructions promotrices SRY délétées ou mutées dans les sites GATA. Mes résultats démontrent que GATA-4 active le promoteur SRY porcin mais pas celui de l'humain. Donc, malgré la conservation de fonction de SRY entre les espèces, sa régulation génique diffère.
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Analyses génétiques et moléculaires du locus SKr impliqué dans l'aptitude du blé (Triticum aestivum L.) au croisement avec le seigle (Secale cereale L.)

Alfares, Walid 04 December 2009 (has links) (PDF)
La plupart de variétés élites de blé tendre ne peuvent pas être croisées avec des espèces apparentées ce qui restreint considérablement la base génétique qui peut être utilisée pour l'introgression de nouveaux allèles dans les programmes de sélection. L'inhibition de l'hybridation entre le blé et les espèces apparentées (e.g. seigle, orge) est génétiquement contrôlée. Un certain nombre de QTLs ont été identifiés à ce jour, y compris les gènes Kr1 sur le chromosome 5BL et SKr, un QTL majeur identifié au laboratoire en 1998 sur le bras court du chromosome 5B, tous deux impliqués dans l'inhibition du croisement entre le blé tendre et le seigle. Dans cette étude, nous avons utilisé une population recombinante SSD provenant d'un croisement entre la variété Courtot non croisable et la lignée MP98 croisable pour caractériser l'effet majeur dominant de SKr. Le gène a ensuite été cartographié génétiquement sur la partie distale du chromosome 5BS à proximité du locus GSP (Grain Softness Protein) dont l'homéologue sur le chromosome 5D est impliqué dans la dureté du grain (locus Ha). Les relations de colinéarité avec l'orge et le riz ont été utilisées pour saturer la région de SKr par de nouveaux marqueurs et établir des relations orthologues avec une région de 54 kb sur le chromosome 12L de riz. Au total, 6 marqueurs moléculaires ont été cartographiés dans un intervalle génétique de 0,3 cM, et 400 kb de contigs physiques de BAC ont été établis des deux cotés du gène afin de jeter les bases du clonage positionnel de SKr. De nouvelles populations de grands effectifs ont été développées pour la localisation précise du gène SKr sur les cartes génétiques et physiques. 223 individus d'une population HIF (SSD254.14) ont été testés pour leur aptitude au croisement avec le seigle et génotypés avec les marqueurs proches du gène pour confirmer les données obtenues dans la population de départ. Les résultats montrent que SKr est localisé dans une région hautement recombinante et que les relations entre distances génétiques et distances physiques sont favorables aux dernières étapes de clonage positionnel du gène. Enfin, deux marqueurs SSR complètement liés au gène SKr ont été utilisés pour évaluer une collection de descendances de blé aptes au croisement avec le seigle originaires d'un programme de sélection de triticale primaire. Les résultats confirment l'effet majeur de SKr sur l'aptitude au croisement et l'utilité des deux marqueurs pour introgresser l'aptitude au croisement interspécifique dans des variétés élites de blé tendre.
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Development of bioinformatics algorithms for trisomy 13 and 18 detection by next generation sequencing of maternal plasma DNA.

January 2011 (has links)
Chen, Zhang. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2011. / Includes bibliographical references (p. 109-114). / Abstracts in English and Chinese. / ABSTRACT --- p.I / 摘要 --- p.III / ACKNOWLEDGEMENTS --- p.IV / PUBLICATIONS --- p.VI / CONTRIBUTORS --- p.VII / TABLE OF CONTENTS --- p.VIII / LIST OF TABLES --- p.XIII / LIST OF FIGURES --- p.XIV / LIST OF ABBREVIATIONS --- p.XVI / Chapter SECTION I : --- BACKGROUND --- p.1 / Chapter CHAPTER 1: --- PRENATAL DIAGNOSIS OF FETAL TRISOMY BY NEXT GENERATION SEQUENCING TECHNOLOGY --- p.2 / Chapter 1.1 --- FETAL TRISOMY --- p.2 / Chapter 1.2 --- CONVENTIONAL PRENATAL DIAGNOSIS OF FETAL TRISOMIES --- p.3 / Chapter 1.3 --- CELL FREE FETAL D N A AND ITS APPLICATION IN PRENATAL DIAGNOSIS --- p.5 / Chapter 1.4 --- NEXT GENERATION SEQUENCING TECHNOLOGY --- p.5 / Chapter 1.5 --- SUBSTANTIAL BIAS IN THE NEXT GENERATION SEQUENCING PLATFORM --- p.9 / Chapter 1.6 --- PRENATAL DIAGNOSIS OF TRISOMY BY NEXT GENERATION SEQUENCING --- p.10 / Chapter 1.7 --- AIMS OF THIS THESIS --- p.11 / Chapter SECTION I I : --- MATERIALS AND METHODS --- p.13 / Chapter CHAPTER 2: --- METHODS FOR NONINVASIVE PRENATAL DIAGNOSIS OF FETAL TRISOMY MATERNAL PLASMA DNA SEQUENCING --- p.14 / Chapter 2.1 --- STUDY DESIGN AND PARTICIPANTS --- p.14 / Chapter 2.1.1 --- Ethics Statement --- p.14 / Chapter 2.1.2 --- "Study design, setting and participants" --- p.14 / Chapter 2.2 --- MATERNAL PLASMA D N A SEQUENCING --- p.17 / Chapter 2.3 --- SEQUENCING DATA ANALYSIS --- p.18 / Chapter SECTION I I I : --- TRISOMY 13 AND 18 DETECTION BY THE T21 BIOINFORMATICS ANALYSIS PIPELINE --- p.21 / Chapter CHAPTER 3: --- THE T21 BIOINFORMATICS ANALYSIS PIPELINE FOR TRISOMY 13 AND 18 DETECTION --- p.22 / Chapter 3.1 --- INTRODUCTION --- p.22 / Chapter 3.2 --- METHODS --- p.23 / Chapter 3.2.1 --- Bioinformatics analysis pipeline for trisomy 13 and 18 detection --- p.23 / Chapter 3.3 --- RESULTS --- p.23 / Chapter 3.3.1 --- Performance of the T21 bioinformatics analysis pipeline for trisomy 13 and 18 detection --- p.23 / Chapter 3.3.2 --- The precision of quantifying chrl 3 and chrl 8 --- p.27 / Chapter 3.4 --- DISCUSSION --- p.29 / Chapter SECTION IV : --- IMPROVING THE T21 BIOINFORMATICS ANALYSIS PIPELINE FOR TRISOMY 13 AND 18 DETECTION --- p.30 / Chapter CHAPTER 4: --- IMPROVING THE ALIGNMENT --- p.31 / Chapter 4.1 --- INTRODUCTION --- p.31 / Chapter 4.2 --- METHODS --- p.32 / Chapter 4.2.1 --- Allowing mismatches in the index sequences --- p.32 / Chapter 4.2.2 --- Calculating the mappability of the human reference genome --- p.33 / Chapter 4.2.3 --- Aligning reads to the non-repeat masked human reference genome --- p.34 / Chapter 4.2.4 --- Trisomy 13 and 18 detection --- p.34 / Chapter 4.3 --- RESULTS --- p.34 / Chapter 4.3.1 --- Increasing read numbers by allowing mismatches in the index sequences --- p.34 / Chapter 4.3.2 --- Increasing read numbers by using the non-masked reference genome for alignment . --- p.38 / Chapter 4.3.3 --- Allowing mismatches in the read alignment --- p.42 / Chapter 4.3.4 --- The performance of trisomy 13 and 18 detection after improving the alignment --- p.47 / Chapter 4.4 --- DISCUSSION --- p.50 / Chapter CHAPTER 5: --- REDUCING THE GC BIAS BY CORRECTION OF READ COUNTS --- p.53 / Chapter 5.1 --- INTRODUCTION --- p.53 / Chapter 5.2 --- METHODS --- p.54 / Chapter 5.2.1 --- Read alignment --- p.54 / Chapter 5.2.2 --- Calculating the correlation between GC content and read counts --- p.55 / Chapter 5.2.3 --- GC correction in read counts --- p.55 / Chapter 5.2.4 --- Trisomy 13 and 18 detection --- p.56 / Chapter 5.3 --- RESULTS --- p.56 / Chapter 5.3.1 --- GC bias in plasma DNA sequencing --- p.56 / Chapter 5.3.2 --- Correcting the GC bias in read counts by linear regression --- p.59 / Chapter 5.3.3 --- Correcting the GC bias in read counts by LOESS regression --- p.65 / Chapter 5.3.4 --- Bin size --- p.72 / Chapter 5.4 --- DISCUSSION --- p.75 / Chapter CHAPTER 6: --- REDUCING THE GC BIAS BY MODIFYING THE GENOMIC REPRESENTATION CALCULATION --- p.77 / Chapter 6.1 --- INTRODUCTION --- p.77 / Chapter 6.2 --- METHODS --- p.78 / Chapter 6.2.1 --- Modifying the genomic representation calculation --- p.78 / Chapter 6.2.2 --- Trisomy 13 and 18 detection --- p.78 / Chapter 6.2.3 --- Combining GC correction and modified genomic representation --- p.78 / Chapter 6.3 --- RESULTS --- p.79 / Chapter 6.3.1 --- Reducing the GC bias by modifying genomic representation calculation --- p.79 / Chapter 6.3.2 --- Combining GC correction and modified genomic representation --- p.86 / Chapter 6.4 --- DISCUSSION --- p.89 / Chapter CHAPTER 7: --- IMPROVING THE STATISTICS FOR TRISOMY 13 AND 18 DETECTION --- p.91 / Chapter 7.1 --- INTRODUCTION --- p.91 / Chapter 7.2 --- METHODS --- p.92 / Chapter 7.2.1 --- Comparing chrl 3 or chrl8 with other chromosomes within the sample --- p.92 / Chapter 7.2.2 --- Comparing chrl 3 or chrl 8 with the artificial chromosomes --- p.92 / Chapter 7.3 --- RESULTS --- p.93 / Chapter 7.3.1 --- Determining the trisomy 13 and 18 status by comparing chromosomes within the samples --- p.93 / Chapter 7.3.2 --- Determining the trisomy 13 and 18 status by comparing chrl3 or chrl 8 with artificial chromosomes --- p.97 / Chapter 7.4 --- DISCUSSION --- p.100 / Chapter SECTION V : --- CONCLUDING REMARKS --- p.102 / Chapter CHAPTER 8: --- CONCLUSION AND FUTURE PERSPECTIVES --- p.103 / Chapter 8.1 --- THE PERFORMANCE OF THE T21 BIOINFORMATICS ANALYSIS PIPELINE DEVELOPED FOR TRISOMY 21 DETECTION IS SUBOPTIMAL FOR TRISOMY 13 AND 18 DETECTION --- p.103 / Chapter 8.2 --- THE ALIGNMENT COULD BE IMPROVED BY ALLOWING ONE MISMATCH IN THE INDEX AND USING THE NON-REPEAT MASKED HUMAN REFERENCE GENOME AS THE ALIGNMENT REFERENCE --- p.104 / Chapter 8.3 --- THE PRECISION OF QUANTIFYING CHR13 AND CHR18 COULD BE IMPROVED BY THE G C CORRECTION OR THE MODIFIED GENOMIC REPRESENTATION --- p.104 / Chapter 8.4 --- THE STATISTICS FOR TRISOMY 13 AND 18 DETECTION COULD BE IMPROVED BY COMPARING CHR13 OR CHR18 WITH ARTIFICIAL CHROMOSOMES WITHIN THE SAMPLE --- p.105 / Chapter 8.5 --- PROSPECTS FOR FUTURE WORK --- p.106 / REFERENCE --- p.109
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Coordination entre les microtubules et le complexe Smc5-Smc6 dans le maintien de l'intégrité génomique

Laflamme, Guillaume 02 1900 (has links)
No description available.
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Étude de la fonction de l’histone méthyltransférase SET-2 et de ses interacteurs dans le maintien de la lignée germinale de Caenorhabditis elegans / Study of the Caenorhabditis elegans SET-2 histone methyltransferase and its interactors in germline maintenance

Herbette, Marion 28 June 2019 (has links)
Les modifications post-traductionelles des histones contribuent à l’expression génique et à la stabilité du génome. La méthylation de la lysine 4 de l’histone H3 (H3K4me), une marque associée aux promoteurs de gènes transcrits, est déposé par les methyltransferases hautement conservées de la famille SET1, dans le contexte du complexe COMPASS. SET-2, l’homologue de SET1 chez Caenorhabditis elegans, est responsable de la déposition de H3K4me dans la lignée germinale, et son inactivation provoque une perte progressive de la fertilité. Le but de mon travail de thèse a été d’étudier comment SET-2 et la méthylation de H3K4 contribuent au maintien de la lignée germinale. J’ai montré que l’absence de SET-2 provoque une sensibilité accrue aux dommages à l’ADN. Cependant, les voies de signalisation et de réparation de ces dommages sont fonctionnelles dans le mutant set-2. Par séquençage de l’ADN, j’ai par ailleurs montré que la stérilité progressive observée en l’absence de set-2 n’est pas due à une capacité de réparation réduite. L’ensemble de mes résultats suggère que H3K4me pourrait agir en aval de la signalisation de dommages à l’ADN, en influençant l’organisation de la chromatine aux sites des cassures double brin. J’ai d’autre part mis en évidence une nouvelle fonction pour la méthylation de H3K4 dans l’organisation de la chromatine en montrant que set-2 interagit génétiquement avec le complexe Condensine II et la Topoisomérase II, facteurs clefs de l’organisation mitotique des chromosomes. Des expériences de microscopie par FLIM-FRET ont d’ailleurs validé une fonction de H3K4 méthylée dans l’organisation de la chromatine dans la lignée germinale. Enfin, j’ai montré par analyses transcriptomiques que la protéine CFP-1 du complexe COMPASS est impliquée dans la régulation du programme transcriptionnel de la lignée germinale et que cette fonction est indépendante de SET-2. L’ensemble de mes résultats montre comment la régulation chromatinienne impacte le maintien d’une lignée germinale fonctionnelle à plusieurs niveaux. / Post-translational modifications of histones contribute to gene expression and genome stability. Methylation of lysine 4 of histone H3 (H3K4me), a mark associated with actively transcribed genes, is deposited by the highly conserved SET1 family methyltransferases acting in COMPASS related complexes. SET-2, the SET1 homologue in Caenorhabditis elegans, is responsible for the deposition of H3K4me in the germ line, and its inactivation causes progressive loss of fertility. The purpose of my PhD work was to study how SET-2 and the methylation of H3K4 contribute to the maintenance of the germ line. I have shown that the absence of SET-2 causes increased sensitivity to DNA damage. However, the DNA damage-induced signaling and repair pathways are functional in the set-2 mutant. By DNA sequencing, I have also shown that the progressive sterility observed in the absence of set-2 is not due to a reduced repair capacity. Together, my results suggest that H3K4 methylation may act downstream of DNA damage signaling, potentially by influencing the organization of chromatin at the sites of double-strand breaks. I have also described a new function for H3K4 methylation in the organization of chromatin by showing that set-2 genetically interacts with the Condensitin II complex and Topoisomerase II, key factors in mitotic chromosome organization. Moreover, FLIM-FRET microscopy experiments have validated a role for H3K4 methylation in germline chromatin organization. Finally, using transcriptomic analyses, I have described a function for CFP-1, a component of the COMPASS complex, in the regulation of the germline transcriptional program independent of SET-2. Altogether, my results show how chromatin regulation affects the maintenance of a functional germline through multiple mechanisms.
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Etude de la plasticité évolutive et structurale des génomes de plantes / Study of evolutionary and structural plasticity of plant genomes

Murat, Florent 22 July 2016 (has links)
Les angiospermes (ou plantes à fleurs) regroupent environ 350 000 espèces ayant divergé il y a 150 à 200 millions d’années en deux familles botaniques principales, les monocotylédones (les orchidées, les palmiers, les bananiers, les joncs, les graminées...) et les eudicotylédones (les Brassicaceae, les Rosaceae, les légumineuses...) représentant respectivement 20% et 75% des plantes à fleurs. Les angiospermes font l’objet de nombreux travaux de recherche, en particulier en génomique depuis 2000 avec le séquençage du premier génome de plantes (Arabidopsis thaliana) qui a précédé le décryptage des génomes d’un nombre important d’autres espèces modèles et/ou d’intérêt agronomique (environ 100 aujourd’hui). L’accès croissant à la séquence des génomes de plantes a permis de mettre à jour une importante diversité structurale de leur génome, en termes de taille physique, de nombre de chromosomes, de nombre de gènes et de richesse en éléments transposables. Les forces évolutives ayant permis une telle diversité structurale des génomes au cours de l’évolution sont au cœur des travaux de cette thèse. La paléogénomique se propose d’étudier à travers la reconstruction de génomes ancestraux, comment ces espèces ont divergé à partir d’ancêtres communs et quels mécanismes ont contribué à une telle plasticité de structure génomique. Dans cet objectif, les travaux de cette thèse ont mis en œuvre des méthodes basées sur la génomique comparée permettant l’étude de l’évolution structurale des génomes via la reconstruction des génomes ancestraux fondateurs des espèces modernes. Ainsi, un génome ancestral des angiospermes a été reconstruit constitué de 5 chromosomes et porteur de 6707 gènes ordonnés sur ceux-ci, permettant d’intégrer dans un même modèle les monocotylédones et les eudicotylédones et élucider leur histoire évolutive, notamment pour les espèces d’intérêt agronomique majeur telles que les céréales, les rosids et les Brassicaceae. L’inférence de ces génomes ancestraux des plantes modernes a permis l’identification et l’étude de l’impact des évènements de polyploïdie (doublement génomique), ubiquitaires chez les plantes. Nous avons montré que les génomes tendent à revenir à une structure diploïde suite à un évènement de polyploïdie. Cette diploïdisation structurale se fait au niveau caryotypique (par le biais de réarrangements chromosomiques impliquant la perte des centromères et télomères ancestraux) mais aussi géniques (par le biais de pertes de gènes ancestraux en double copies). Il a été montré que cette perte se faisait préférentiellement sur un des sous-génomes post-polyploïdie, menant au phénomène de « dominance des sous-génomes ». Ces biais de plasticité structurale (on parle de compartimentation de la plasticité) se font différentiellement entre les espèces, les chromosomes, les compartiments chromosomiques mais aussi les types de gènes, aboutissant à la diversité structurale observée entre les génomes modernes de plantes. Ces travaux qui rentrent dans le cadre de la recherche fondamentale ont également un fort aspect appliqué à travers la recherche translationnelle en ayant permis de créer des passerelles entre les différentes espèces travaillées en agriculture. Le passage d’une espèce à une autre via les génomes ancestraux fondateurs reconstruits permet notamment le transfert de connaissances des gènes ou de régions d’intérêt des espèces modèles aux espèces cultivées. Les travaux de thèse, par la reconstruction d’ancêtres, permettent une comparaison de haute-résolution des génomes de plantes et in fine l’étude de leur plasticité acquise au cours de l’évolution, et revêtent donc à la fois un aspect fondamental (pour comprendre l’évolution des espèces) mais aussi appliqué (pour l’amélioration des espèces d’intérêt agronomique à partir des modèles). / Angiosperms (or flowering plants) consist in approximatively 350 000 species that have diverged 150 to 200 million years ago in two main families, monocots (orchids, palm trees, banana, bulrushes, grasses...) and dicots (Brassicaceae, Rosaceae, legumes...) representing respectively 20% and 75% of flowering plants. Angiosperms are the subject of intense researches, in particular in genomics since 2000 with the sequence release of the first plant genome (Arabidopsis thaliana) preceding a large number of genomes of plant models and/or species of agronomical interest (around 100 today). Increasing access to plant genome sequences has allowed the identification of their structural diversity, in terms of genome size, number of chromosomes and genes as well as transposable element content. The evolutionary forces that have shaped such structural genomic divergence are at the center of this thesis. Our paleogenomics approach will investigate, through ancestral genome reconstructions, how modern species have diverged from common ancestors and which mechanisms have contributed to such present-day genome plasticity. In this thesis, we have developed methods based on comparative genomics to study plant genome evolution and reconstruct ancestral genomes, extinct progenitors of the modern angiosperm species. An ancestral angiosperm genome has been reconstructed made of 5 chromosomes and 6707 ordered genes allowing the integration in the same model of monocots and eudicots and finally elucidating evolutionary trajectories for species of major agricultural interest such as cereals, rosids and Brassicaceae. The reconstructed paleohistory of modern flowering plants enabled the identification as well as the investigation of the impact of polyploidy events (WGD, whole genome duplications), ubiquitous in plants, as a major driver of the observed structural plasticity of angiosperms. We established that genomes tend to return to a diploid status following a polyploidy event. This structural diploidization is performed at the karyotypic level through chromosomal rearrangements (involving ancestral centromeres and telomeres losses) as well as the gene level (through ancestral duplicates loss). It has been shown that this diploidization is preferentially done on one of the post-polyploidy subgenome, leading to the "sub-genome dominance" phenomenon. This structural plasticity bias (also referenced as plasticity partitioning) is acting differentially between species, chromosomes, chromosomal compartments, gene types, resulting in the structural diversity observed between the present-day plant genomes. This thesis is clearly within the scope of fundamental researches but also has a strong applied objective through translational research in creating bridges between species of major relevance for agriculture. The comparison of one species to another through the reconstructed ancestral genomes allows transferring knowledge gained on genes or any region of interest from model species to crops. Paleogenomics, in reconstructing ancestral genome and unveiling the forces driving modern plant genome plasticity, is therefore of fundamental (toward understanding species evolution) but also applied (toward improving orphan species from knowledge gained in models) objectives.
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Étude des chromosomes sexuels et du déterminisme du sexe chez les plantes : comparaison des systèmes Silene et Coccinia / A study of sex chromosomes and sex determination in plants : Silene and Coccinia systems comparison

Fruchard, Cécile 09 July 2018 (has links)
Bien que les sexes séparés (dioecie) soient plus rares que chez les animaux, ∼15 600 espèces dioiques ont évolué chez les angiospermes (∼6% de l'ensemble des espèces). La manière dont le sexe de ces plantes est contrôlé est une question centrale de la biologie végétale, mais également de l'agronomie car de nombreuses plantes cultivées sont des plantes dioiques (∼20% des espèces cultivées) mais dont un seul sexe (généralement les femelles) présente un intérêt agronomique. Pourtant, seulement trois gènes du déterminisme du sexe ont été identifiés à ce jour chez les plantes dioiques, chez le kaki, l'asperge et la fraise. La dioecie a vraisemblablement évolué plusieurs fois chez les angiospermes et il est possible que les gènes du déterminisme du sexe soient divers. Deux voies principales d'évolution vers la dioecie ont été identifiées. Les deux partent d'une espèce dont les fleurs sont hermaphrodites, le régime de reproduction ancestral chez les angiospermes, puis passent soit par un intermédiaire monoique (espèce avec des fleurs unisexuées mâles et femelles sur le même individu), soit par un intermédiaire gynodioique (espèce avec des femelles et des individus avec des fleurs hermaphrodites). Cette thèse a pour objet la comparaison de deux systèmes de plantes représentant ces deux voies. Chez Coccinia grandis, une cucurbitacée ayant également des chromosomes XY, l'évolution de la dioecie est passée par la monoecie. Chez Silene latifolia, une plante dioique bien étudiée avec des chromosomes sexuels XY, l'évolution de la dioecie s'est faite à partir de la gynodioecie. Trois gènes contrôlant la monoecie ont été identifiés chez le melon et il a été proposé que ces gènes soient les gènes du déterminisme dans les espèces dioiques proches du melon comme C. grandis. Nous avons donc opté pour une approche gène candidat dans cette espèce. Très peu de ressources génétiques et génomiques sont disponibles chez C. grandis, et nous avons choisi d'utiliser SEXDETector, une méthode probabiliste qui utilise des données RNA-seq pour génotyper des parents et leurs descendants, et qui infère les gènes lies au sexe sans génome de référence. Cette méthode m'a permis d'identifier 1 364 gènes présents sur les chromosomes sexuels de C. grandis. J'ai établi que les gènes differentiellement exprimés entre les sexes étaient plus abondants sur chromosomes sexuels que sur les autosomes. J'ai également observé des marques de la dégénérescence du chromosome Y chez cette plante, comme des diminutions d'expression ou des pertes de gènes. Enfin, mes résultats démontrent la présence de compensation de dosage chez C. grandis. Le test des gènes candidats est en cours. Chez S. latifolia, 3 grandes régions liées au déterminisme ont déjà été identifiées sur le chromosome Y. Pour identifier les gènes du déterminisme, nous avons choisi de séquencer ce chromosome. Le séquençage des chromosomes Y est encore un défi pour la génomique. La phase d'assemblage est très difficile à cause des répétitions présentes en grand nombre sur ces chromosomes. En conséquence, les séquences complètes de chromosome Y sont très rares, et principalement disponibles chez les animaux. Afin de minimiser les problèmes d'assemblage dus aux répétitions, nous avons utilisé des techniques dites de 3eme génération (avec de grandes lectures). J'ai moi-même généré des données MinION (Oxford Nanopore) à partir d'ADN de chromosome Y. L'assemblage a été réalisé en combinant des données Illumina, PacBio et MinION. Notre assemblage final fait une taille de 563 Mb pour un N50 de 6 114 pb, et contient 16 219 gènes annotés de novo / Although rarer than in animals, separate sexes (dioecy) have evolved in ∼15,600 angiosperm species (∼6% of all angiosperm species). How sex is controlled is a central question in plant sciences and also in agronomy as many crops are dioecious (∼20% of crops) with only one useful sex (usually female). Only three master sex-determining genes have been identified in dioecious plants so far, namely in persimmons, asparagus and strawberry. Dioecy likely evolved several times independently in angiosperms, suggesting that sex-determining genes are of diverse origins. Hermaphroditism is the predicted ancestral state of the angiosperm flower. Two main pathways have been identified that explain the evolution of hermaphroditism towards dioecy: either through a monoecious state (with both unisexual male and female flowers on the same individual) or a gynodioecious state (with females and individuals having hermaphroditic flowers). My aim is to compare two plant systems representing each one of these two pathways. In Coccinia grandis, a Cucurbitaceae with an XY chromosome system, dioecy evolved through monoecy. In Silene latifolia, a well-studied dioecious plant with XY sex chromosomes, dioecy evolved through gynodioecy. Three genes controlling monoecy have been identified in melon, and it was suggested that these genes act as sex-determining genes in closely related dioecious species such as C. grandis. I therefore chose a candidate gene approach in this species. Very few genetic and genomic data are available in C. grandis, and we chose to use SEX-DETector, a probabilistic method that uses RNA-seq data to genotype parents and their offspring, and infers sex-linked genes with no need for a reference genome. This method allowed me to identify 1,364 genes that are present on the sex chromosomes of C. grandis. I found that the sex chromosomes are enriched in sex-biasedgenes when compared to autosomes and I characterized Y chromosome degeneration in terms of decreased expression and gene loss. Finally, I showed that dosage compensation occurs in C. grandis. Testing for the three candidates genes is ongoing. In S. latifolia 3 regions involved in sex determination have already been identified on the Y chromosome. We chose to sequence this chromosome to identify sex-determining genes. The sequencing of Y chromosomes remains one of the greatest challenges of current genomics. The assembly step is very difficult because of their highly repeated content. Consequently, fully sequenced Y chromosomes are rare and mainly available for research in animals. To overcome the difficulty of assembling reads with many repeats, I used third generation sequencing (TGS, producing long reads). I produced a dataset using the Oxford Nanopore MinION sequencer with Y chromosome DNA. Assembling was performed using a combination of Illumina, MinION and PacBio sequencing data. The final assembly had a total length of 563 Mb with a scaffold N50 of 6,114 bp, and contained 16,219 de novo annotated genes
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Évolution des chromosomes sexuels chez les plantes : développements méthodologiques et analyses de données NGS de Silènes / Sex chromosome evolution in plants : methodological developments and NGS data analysis in the Silene genus

Muyle, Aline 03 September 2015 (has links)
Malgré leur importance dans le déterminisme du sexe chez de nombreux organismes, les chromosomes sexuels ont été étudiés chez quelques espèces seulement du fait du manque de séquences disponibles. En effet, le séquençage et l'assemblage des chromosomes sexuels est rendu très difficile par leurs abondantes séquences répétées. Durant cette thèse, une méthode probabiliste a été développée pour inférer les gènes liés au sexe à partir de données RNA-seq chez une famille. Des tests de cette méthode appelée SEX-DETector sur des données réelles et simulées suggèrent qu'elle fonctionnera sur une grande variété de systèmes. La méthode a inféré ∼1300 gènes liés au sexe chez Silene latifolia, une plante dioïque qui possède des chromosomes sexuels XY pour lesquels quelques données de séquence sont disponibles (dont certaines obtenues lors de cette thèse par séquençage de BACs). Les gènes du Y sont moins exprimés que ceux du X chez S. latifolia, mais le statut de la compensation de dosage (un mécanisme qui corrige la sous-expression des gènes liés au sexe chez les males) est encore controversé. L'analyse des nouveaux gènes liés au sexe inférés par SEX-DETector a permis de confirmer la compensation de dosage chez S. latifolia, qui est effectuée par la surexpression du X maternel, possiblement via un mécanisme epigénétique d'empreinte. Les données ont également été utilisées pour étudier l'évolution de l'expression biaisée pour le sexe chez S. latifolia et ont révélé que la majorité des changements de niveaux d'expression ont eu lieu chez les femelles. Les implications de nos résultats concernant l'évolution de la dioécie et des chromosomes sexuels sont discutés / In many organisms, sexes are determined by sex chromosomes. However, studies have been greatly limited by the paucity of sex chromosome sequences. Indeed, sequencing and assembling sex chromosomes are very challenging due to the large quantity of repetitive DNA that these chromosomes comprise. In this PhD, a probabilistic method was developed to infer sex-linked genes from RNA-seq data of a family (parents and progeny of each sex). The method, called SEX-DETector, was tested on simulated and real data and should performwell on a wide variety of sex chomosome systems. This new method was applied to Silene latifolia, a dioecious plant with XY system, for which partial sequence data on sex chromosomes are available (some of which obtained during this PhD by BAC sequencing), SEX-DETector returned ∼1300 sex-linked genes. In S. latifolia, Y genes are less expressed than their X counterparts. Dosage compensation (a mechanism that corrects for reduced dosage due to Y degeneration in males) was previously tested in S. latifolia, but different studies returned conflicting results. The analysis of the new set of sex-linked genes confirmed the existence of dosage compensation in S. latifolia, which seems to be achieved by the hyperexpression of the maternal X chromosome in males. An imprinting mechanism might underlie dosage compensation in that species. The RNAseq datawere also used to study the evolution of differential expression among sexes in S. latifolia, and revealed that in this species most changes have affected the female sex. The implications of our results for the evolution of dioecy and sex chromosomes in plants are discussed
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Réplication, condensation et division des chromosomes parentaux dans le zygote de drosophile / Replication, condensation and division of parental chromosomes in the Drosophila zygote

Delabaere, Laetitia 08 December 2014 (has links)
Chez les animaux, la conformation unique du noyau du spermatozoïde dont la chromatine est organisée avec des protéines chromosomiques spécifiques telles que les protamines le rend totalement inactif. Le remodelage de la chromatine paternelle à la fécondation par des activités d'origine maternelle sont donc des processus essentiels à la formation d'un embryon diploïde, dont les mécanismes restent très mal connus. Lors de ma thèse j'ai essayé de mieux comprendre ces processus par l'étude, chez la drosophile, d'un mutant létal embryonnaire à effet maternel : maternal haploid (mh). Ce mutant affecte l'incorporation des chromosomes paternels à la première division zygotique menant à la formation d'embryons haploïdes gynogénétiques. L'identification du gène de mh comme CG9203 m'ont permis de caractériser sa fonction. Dans les œufs mh, les chromosomes paternels se condensent anormalement et ne parviennent pas à se diviser correctement lors de la première mitose de l'embryon. Récemment, des études sur son orthologue humain, appelé Spartan/DVC1, ont montré qu'il était impliqué dans la synthèse translésionnelle (TLS), un mécanisme de tolérance aux dommages d'ADN. J'ai pu démontrer que dans les cellules somatiques, la fonction de Spartan dans le TLS est conservée chez la drosophile. Cependant, la fonction maternelle de MH ne relève pas du TLS canonique, mais permet de maintenir l'intégrité de l'ADN paternel avant la réplication. Ensemble, mes travaux soulignent la singularité du pronoyau mâle et la complexité que présente le maintien de son intégrité à la fécondation / In animals, sexual reproduction requires the union between two distinct parental gametes: the spermatozoon and the oocyte. The unique nuclear conformation of the sperm, in which the chromatin is organized with sperm-specific chromosomal protein like protamines, abolishes its activity. The paternal chromatin remodeling and the maintenance of its integrity at fertilization by maternal activities are therefore essential processes for zygote formation. However, although their mechanisms are crucial, they remain poorly understood. During my thesis, I tried to better understand the processes involved during de novo paternal chromatin assembly in Drosophila through the study of a maternal embryonic lethal mutation: maternal haploid (mh). The mutant affects the incorporation of paternal chromosomes during the first zygotic division, leading to the development of gynogenetic haploid embryos. The identification of the mh gene as CG9203, and the generation of the null allele mh2 allowed me to characterize its function. In eggs led by mh mutant females, paternal chromosomes abnormally condense and fail to divide leading to the formation of chromatin bridges at the first embryonic division. Recently, its human ortholog Spartan/DVC1, has been described to be involved in translesion synthesis (TLS), a DNA damage tolerance pathway that ensures replication fork progression. Combining genetic and cytological approaches, I demonstrated that the Spartan function in TLS is conserved in Drosophila. However, I discovered that the critical function of MH during the first embryonic division, was not consistent with a canonical TLS. Alternatively, it is specifically required to maintain paternal integrity and to allow its proper replication at the first cycle. The mh phenotype characterization, led me to compare it with others phenotypes induced by the knock-down of replication factors and to study parental chromosome condensation in the zygote. Surprisingly, one of the proteins allowing the establishment of the pre-replication complex is dispensable for the proper paternal chromosome segregation contrarily to the maternal counterpart. Altogether, these works highlight the difference that exists between the two parental pronuclei and the complexity of maintaining their integrity at fertilization

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