Le développement de nouvelles techniques a accéléré l'exploration structurale et fonctionnelle des génomes des conifères et contribué à l’étude de leur physiologie et leur adaptation aux conditions environnementales. Cette thèse s’intéresse à l’évolution des gènes chez les conifères et (i) fait le point sur les facteurs génomiques qui ont influencé la structure des gènes et (ii) analyse une grande famille de gènes impliqués dans la tolérance à la sécheresse, les déhydrines. Notre étude de la structure génique s’est fait à partir de diverses séquences de l’épinette blanche (Picea glauca [Moench] Voss) provenant de clones BAC, de l'assemblage du génome et de l’espace génique obtenu à partir de la technologie de «sequence capture». Par le biais d’analyses comparatives, nous avons observé que les conifères présentent plus de séquences introniques par gène que la plupart des plantes à fleurs (angiospermes) et que la longueur moyenne des introns n'était pas directement corrélée à la taille du génome. Nous avons constaté que les éléments répétitifs qui sont responsables de la très grande taille des génomes des conifères affectent également l'évolution des exons et des introns. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons entrepris la première analyse exhaustive de la famille des gènes des déhydrines chez les conifères. Les analyses phylogénétiques ont indiqué l'apparition d'une série de duplications de gènes dont une duplication qui a provoqué l'expansion de la famille génique spécifiquement au sein du genre Picea. L’analyse démontre que les déhydrines ont une structure modulaire et présentent chez les conifères des agencements variés de différents motifs d'acides aminés. Ces structures sont particulièrement diverses chez l'épinette et sont associées à différents patrons d'expression en réponse à la sècheresse. Dans l’ensemble, nos résultats suggèrent que l'évolution de la structure génique est dynamique chez les conifères alors que l'évolution des chromosomes est largement reconnue comme étant lente chez ceux-ci. Ils indiquent aussi que l'expansion et la diversification des familles de gènes liés à l'adaptation, comme les déhydrines, pourraient conférer de la plasticité phénotypique permettant de répondre aux changements environnementaux au cours du long cycle de vie qui est typique de plusieurs conifères. / Technical advances have accelerated the structural and functional exploration of conifer genomes and opened up new approaches to study their physiology and adaptation to environmental conditions. This thesis focuses on the evolution of conifer genes and explores (i) the genomic factors that have impacted the evolution of gene structure and (ii) the evolution of a large gene family involved in drought tolerance, the dehydrins. The analysis of gene structure was based on white spruce (Picea glauca [Moench] Voss) sequence data from BAC clones, the genome assembly and the gene space obtained from sequence capture. Through comparative analyses, we found that conifers presented more intronic sequence per gene than most flowering plants (angiosperms) and that the average intron length was not directly correlated to genome size. We found that repetitive elements, which are responsible for the very large size of conifer genomes, also affect the evolution of exons and introns. In the second part of the thesis, we undertook the first exhaustive analysis of the dehydrin gene family in conifers. The phylogenetic analyses indicated the occurrence of a series of gene duplications in conifers and a major lineage duplication, which caused the expansion of the dehydrin family in the genus Picea. Conifer dehydrins have an array of modular amino acid structures, and in spruce, these structures are particularly diverse and are associated with different expression patterns in response to dehydration stress. Taken together, our findings suggest that the evolution of gene structure is dynamic in conifers, which contrast with a widely accepted slow rate of chromosome evolution. They further indicate that the expansion and diversification of adaptation-related genes, like the dehydrins in spruce, may confer the phenotypic plasticity to respond to the environmental changes during their long life span.

Un enjeu actuel en biotechnologie est d'obtenir des plantes haploïdes doublées par la technique de la culture de microspores isolées (CMI). Pourtant, la CMI génère parfois une proportion importante de plantes albinos, laquelle peut atteindre 100 % chez certains cultivars. Des travaux antérieurs ont indiqué que des remaniements du génome chloroplastique seraient à l'origine de cet albinisme. Afin de mieux comprendre ce processus menant à l'albinisme, nous avons entrepris d'étudier l'intégrité du génome chloroplastique au sein de microspores d'orge et de plantes albinos via une approche de séquençage à grande échelle. L'ADN total extrait de microspores à un stade précoce de la CMI, d'une feuille de la plante-mère (témoin), et de feuilles albinos, a été séquencé et les séquences chloroplastiques ont été analysées. Ceci nous a permis de documenter pour la première fois une diminution de l'ADN chloroplastique chez les microspores. De plus une étude de variations structurales a démontré un abaissement généralisé de la quantité de génomes chloroplastiques chez les microspores. Enfin, d'importants remaniements du génome chloroplastique ont été observés chez les plantes albinos, révélant une forte abondance de génomes chloroplastiques altérés de forme linéaire.

L’androgenèse est une biotechnologie végétale utilisée pour fixer le bagage génétique des plantes en une seule génération. Elle repose sur la capacité d’un grain de pollen immature, la microspore, à restaurer sa totipotence cellulaire végétale et se dédifférencier puis s’engager dans la voie de l’embryogenèse. Or, on observe que la capacité de la microspore à s’engager dans l’embryogenèse est génétiquement variable. En dépit des nombreux avantages qu’elle présente, l’androgenèse entraîne souvent une conséquence indésirable, soit une distorsion de la ségrégation (DS) chez les populations issues de cette biotechnologie. Ma thèse porte sur l’étude (i) du transcriptome de la microspore en transition entre la voie de développement du grain de pollen et celle de l’androgenèse et (ii) de la DS pour déterminer quand la DS survient dans le processus et où elle affecte le génome. J’ai utilisé l’orge comme espèce modèle pour mon étude. L’analyse transcriptomique a été réalisée sur la microspore isolée de l’anthère à trois stades, soit avant (jour 0) et immédiatement après (jours 2 et 5) l'application d'un traitement de stress visant à induire la voie de l’androgenèse. Je me suis intéressé à deux catégories de gènes; soit les gènes exprimés exclusivement à un stade précis et les gènes exprimés différemment lors de l’initiation de l’androgenèse. J’ai pu identifier des gènes exprimés exclusivement dans la microspore au jour 0 (11), 2 (34) ou 5 (367). Au jour 5, j’ai constaté l’induction de nombreux gènes codant pour des FT et des gènes impliqués dans la synthèse ou la transduction du signal de nombreux régulateurs de croissance. L’analyse des gènes exprimés différemment m’a permis d’identifier certains processus métaboliques qui sont activés/réprimés lors du passage de la microspore du jour 0 au jour 2 et du jour 2 au jour 5. Les gènes exprimés exclusivement à un stade précis du développement pourraient servir de marqueurs moléculaires indicateurs de la performance en androgenèse pour optimiser les protocoles de culture. Ensuite, la DS a été étudiée par une approche de génotypage à l’échelle génomique. J’ai d’abord développé une méthodologie d’analyse génotypique novatrice, reproductible et précise pour étudier la fréquence allélique sur un échantillon en composite. Cette méthode m’a permis d’étudier la fréquence allélique chez 1) des échantillons de microspores (avant et après l’application d’un stress), 2) des embryons et 3) des plantes régénérées. J’ai montré que la DS survenait à la fois lors du développement des embryons et la régénération des plantes. Aucune DS n’a été observée chez les échantillons de microspores. Mes résultats montrent que la sélection engendrant la DS s’opère au cours de la culture in vitro. Toujours à l’aide de cette méthode de génotypage en composite, j’ai identifié et comparé la fréquence et l’étendue de la DS chez 12 populations de lignées haploïdes doublées (HD). Dans cette seule étude, un plus grand nombre de populations de lignées HD (12) ont été caractérisées que ce qui avait été fait dans la somme de toutes les études antérieures dans la littérature scientifique. Nous avons montré que les régions de distorsion de ségrégation différaient beaucoup quant à leur position, leur étendue et l’amplitude de la distorsion d’un croisement à l’autre. La connaissance de ces allèles permettrait de prédire le potentiel androgénique des génotypes dans un programme de sélection. Mes travaux de thèse élèvent à l’ère des «omics» la recherche chez la microspore d’orge dans le système de l’androgenèse. À une échelle sans précédent, mon étude transcriptomique explore et décrit les changements d’expression génique au cours de la transition développementale de la microspore. Mon étude génomique identifie quand s’exerce la sélection engendrant la distorsion de la ségrégation des allèles dans ce système et décrit quelles régions chromosomiques sont affectées par cette distorsion. À la lumière de mes résultats, dans le dernier chapitre, je propose certaines pistes de recherche pour poursuivre l’étude des mécanismes moléculaires dirigeant la transition développementale de la microspore en androgenèse et pour développer des outils de génotypage afin d’utiliser la DS comme un outil d’amélioration génétique. / Androgenesis is a plant biotechnology used to fix the genetic background of plants in a single generation. This is based on the ability of an immature pollen grain, the microspore, to restore its totipotency, to dedifferentiate and then to engage in the path of embryogenesis. However, it is observed that the ability of the microspore to engage in embryogenesis is genetically variable. Despite the many desirable attributes of androgenesis, an undesirable side - effect is the segregation distortion (SD) encountered in populations resulting from this biotechnology. My thesis focuses on (i) the study of the transcriptome of microspores undergoing a developmental transition from the pollen - grain pathway towards embryogenesis and (ii) to identify when SD arises in the process and in which genomic regions it occurs. I used barley as a model species for my studies. Transcriptomic analysis was performed on microspores isolated from anthers at three stages corresponding to the microspore before (day 0) and immediately after (days 2 and 5) the application of a stress treatment aimed at inducing embryogenesis. I was interested in two categories of genes: those expressed exclusively at a specific stage of microspore development and those that were differentially expressed during the initiation of androgenesis. I was able to identify genes expressed exclusively in the microspore on day 0 (11), 2 (34) or 5 (367). On day 5, I found the induction of many genes encoding transcription factors (T Fs) in addition to genes involved in the synthesis or signal transduction of many growth regulators. The analysis of differentially expressed genes allowed me to identify certain metabolic processes that were activated/repressed during microspore development from day 0 to 2 and from day 2 to 5. Genes expressed exclusively at a specific stage of development could serve as molecular markers indicative of the performance in androgenesis to optimize isolated microspore culture protocols. Then, SD was studied using a whole - genome genotyping approach. I first developed an innovative, reproducible and accurate genotypic analysis methodology to determine allelic frequency on pooled samples. This method was then used to estimate allelic frequencies in samples of microspores (before and after the application of stress), embryos and regenerated plants. I showed that SD arises during both the development of embryos and the regeneration of plants. No SD was observed in samples of microspores. My results show that the selective forces promoting SD act during in vitro culture. Still using the same genotyping method performed on pooled samples, I identified and compared the frequency and extent of SD in 12 populations of doubled haploid lines (DH). A greater number of DH (12) populations were characterized in my study alone than the sum of all previous studies in barley. I showed that segregation distortion regions greatly differ in their position, extent, and magnitude in different DH populations. Knowledge of these alleles would be useful to predict the androgenic potential of a genotype in a breeding program. My dissertation has allowed research into barley microspores, or more widely androgenesis, to enter into the “omics” era. On an unprecedented scale, my transcriptomic study explores and describes the gene expression changes that occur during the developmental transition that the microspore undergoes in the course of androgenesis. My genomic study identifies when the selection (producing SD) arises in this system and describes which chromosomal regions are affected by this distortion. In light of my findings, in the final chapter I propose some lines of research to further study the molecular mechanisms driving the developmental transition from microspores to embryos and to develop genotyping tools to use SD as a genetic improvement tool.