Les Poaceae aussi appelées Graminées forment une importante famille botanique regroupant près de 12 000 espèces en plus de 700 genres dont les céréales. Cette famille présente un intérêt économique majeur car elle est importante dans la nutrition humaine et animale. De ce fait, cette famille a été très étudiée en génomique comparée depuis les années 1990 révélant une grande conservation de la structure de leur génome depuis leur divergence d’un ancêtre commun. Avec le séquençage de Brachypodium distachyon en 2009, nous avons réalisé l’analyse de son génome par l’identification de douze blocs de synténie avec les génomes séquencés du riz, du sorgho et du maïs ainsi que sept blocs de duplications partagées entre ces graminées. Ces données nous ont permis de suggérer que les cinq chromosomes modernes de Brachypodium sont issus de l’ancêtre commun des graminées constitué de douze chromosomes et ayant subi sept fusions au cours de l’évolution. Ces travaux nous ont permis de confirmer un possible génome ancêtre des graminées constitué de cinq chromosomes porteurs de près de 10 000 gènes et d’une taille minimale de près de 35Mb. Ensuite, sur la base des résultats de génomique comparée, nous nous sommes intéressés à l’évolution des différentes familles de micro-ARN (miARN). La comparaison de ces ARN non-codants réalisée pour le riz, le sorgho, le maïs et Brachypodium montre une conservation de cette famille chez les graminées avec 50% d’orthologues et 20% de paralogues. Sur la base des résultats de paléogénomique, nous avons proposé une modélisation de l’évolution des miARN qui corrobore l’hypothèse d’une origine très ancienne de ce mécanisme de « gene silencing ». Au-delà des nouvelles connaissances fondamentales générées au cours de ce travail de thèse sur l’évolution des génomes de graminées, les résultats que nous avons obtenus ont des applications potentielles dans le domaine de l’amélioration variétale, comme avec par exemple la possibilité de définir des marqueurs moléculaires de type COS (Conserved Orthologous Set). Ces marqueurs COS ont été mis en oeuvre pour l’étude de caractères agronomiques d’intérêt dans des espèces dont le génome n’est pas encore complètement séquencé comme le blé. / Poaceae also called Grasses are an important botanical family consisting in nearly 12,000 species in over 700 genres including cereals. This family is of major economic interest because it comprises cereals that are among the most important crops for human and animal nutrition. This family has been extensively studied in comparative genomics since the 1990s and showed a high degree of gene conservation among species since they diverged from a common ancestor. With the sequencing of Brachypodium distachyon in 2009, we performed an analysis of its genome by the identification of twelve synteny blocks with the sequenced genomes of rice, sorghum and maize and seven duplications blocks shared with these last grass species. These data allowed us to suggest the five chromosomes of Brachypodium are from the common ancestor composed of twelve chromosomes and having undergone seven fusions during the evolution. This work allowed us to confirm a possible grass ancestor with five chromosomes carrying almost 10,000 genes with a size of 35Mb. Then, based on these comparative genomics results, we studied more particularly the evolution of different families of microRNAs (miRNAs). The comparison of non-coding RNA from rice, sorghum, maize and Brachypodium showed conservation into this family for the grass species with 50% of orthologs and 20% of paralogs. Based on the paleogenomics results, we proposed an evolutionary scenario of miRNA genes, which supports the hypothesis of an ancient origin of this gene silencing mechanism in plants. Beyond the fundamental knowledge generated on the evolution of grass genomes during this PhD, these results have potential applications in breeding, for example with the possibility to identify COS (Conserved Orthologous Set) molecular markers. Such COS markers have been used for the study of agronomic traits in species not completely sequenced as wheat.

Les levures oléagineuses ascomycètes font partie des productrices de lipides les plus connus de notre époque. Elles peuvent produire des lipides, des molécules chimiques dérivées et des acides organiques à partir de sucres simples ou complexes. Nous avons choisi les levures du genre Blastobotrys afin de définir un nouvel organisme modèle pour la production d'acides gras et de lipides, car ces levures sont capables de synthétiser et de stocker naturellement 15 à 25% de lipides dans leur biomasse sèche à partir de glucose et xylose, soit plus que Yarrowia. lipolytica dans les mêmes conditions. La plupart des études d'ingénierie métabolique connues ont utilisé les levures du genre Blastobotrys dans une logique de production de molécules différentes des lipides. Nous avons caractérisé les traits oléagineux de deux souches appartenant à deux espèces du genre Blastobotrys, en utilisant comme substrats du glucose, xylose, glycérol, fructose, cellobiose, saccharose, galactose avec un rapport C/N de 60. La plus forte production de lipides vient du cellobiose (35%) et du glucose (32%).Ensuite, afin de mieux comprendre le métabolisme des lipides des levures du genre Blastobotrys, nous avons exploré l'effet de la température sur leur physiologie, production de lipides et le profil lipidique en utilisant un milieu YNB contenant 30 g/L de glucose. Nous n'avons pas trouvé de différence marquée de transition de formes entre les formes hyphes et les levures en milieu YNB sous l’effet de quatre températures (28°C, 37°C, 42°C, 45°C), mais la production des lipides est favorisée à 28°C et le C18:1 est l'acide gras le plus abondant dans le profil lipidique. Nous avons transformé avec succès l’espèce B. raffinosifermentans grâce au système Xplor2. Nous avons pu augmenter l'accumulation de lipides en sur-exprimant deux diacylglycérol acyltransférase endogènes, DGA1 et DGA2. Le niveau d’expression élevé de DGA1 dans nos mutants n’est pas corrélé à une production élevée de lipides alors que celui de DGA2 l’est. Notre meilleure souche, dérivée de la souche parentale G1212, a produit 26,5% de lipides à partir de 30 g/L de glucose en culture en flasque. Ce travail représente l’une des premières ingénieries métaboliques de souches de Blastobotrys pour la production de lipides. Ce sont donc des levures oléagineuses comme Y. lipolytica avec un potentiel biotechnologique avéré. / Ascomycetous oleaginous yeasts are among the highest known producers of lipids of our era that may supply lipids compounds, derived chemicals and organic acids from simple or complex carbon sources. We chose oleaginous yeasts species of Blastobotrys genus for defining a new model organism for fatty acid production and lipids, because these oleaginous yeasts natively produce higher lipids rate than Yarrowia lipolytica in the same conditions and can metabolize glucose and xylose. Most of the metabolic engineering studies on these yeast species focused on other molecules compounds than lipids. We characterized the oleaginous traits of two strains belonging to two different species of genus Blastobotrys, using glucose, xylose, glycerol, fructose, cellobiose, sucrose, galactose, starch and oleic acid as substrates with a C/N ratio of 60. We found the higher lipid production (35%) on cellobiose and glucose (32%).Next, in order to further understand the lipid metabolism in Blastobotrys, we explored the effect of temperature on cell physiology, lipid production and lipid profile using YNB medium with 30 g/L glucose. No markedly transition were found from the hyphae to budding form or reversely on YNB medium under four temperatures (28°C, 37°C, 42°C, 45°C). The lipids production is favored at 28°C and C18:1 is the most abundant fatty acid in the lipid profile. We successfully transformed the yeast species B. raffinosifermentans using the Xplor2 system. We increased lipid accumulation by over-expressing two native diacylglycerol acyltransferase genes, DGA1 and DGA2. Our best strain, derived from the parental strain G1212, produced 26.5 g/L lipid from 30g/L glucose in shake-flask experiments. This strain also produced citric acid like Y. lipolytica. We didn’t find significant overall elevated expression in lipid synthesis pathway for DGA1 gene when lipid production was favored on contrary to DGA2 gene. This work represents one of the first metabolic engineering of B. adeninivorans for lipid production.

Les réarrangements chromosomiques sont des mutations qui modifient la structure et l'organisation des génomes. Ils sont ici étudiés dans le cadre de l'évolution des génomes de mammifères. L'objectif de ces travaux est de caractériser les régions du génome qui ont subi de tels évènements; elles sont appelées des points de cassure. Dans un premier temps, nous avons développé une méthode permettant d'identifier précisément ces régions sur un génome par comparaison avec un génome d'espèce différente. Nous montrons qu'elle améliore nettement la résolution par rapport aux méthodes existantes. Cela permet, dans un deuxième temps, d'analyser le contenu des séquences de points de cassure et leur répartition le long du génome. Plusieurs caractéristiques de séquences ont ainsi été identifiées dans les points de cassure chez l'homme, comme la perte de similarité avec les génomes comparés et la présence de duplications et d'éléments transposables. Enfin, nous montrons que les points de cassure ne sont pas répartis uniformément le long du génome, mais leur localisation serait fortement influencée par l'organisation des gènes et la structuration du génome en isochores.

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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