La polyploïdisation, e.g. l’augmentation du nombre de jeux de chromosomes chez un organisme, est un phénomène évolutif qui aurait contribué à l’avènement de grandes étapes évolutives, telles que l’apparition de la graine et de la fleur chez les plantes. La polyploïdisation peut être induite par des évènements environnementaux, et notamment par des variations thermiques entraînant la production de gamètes 2n. Il a été montré, chez le rosier, que l’application de températures élevées (dès 30°) lors de la gamétogénèse mâle, induisait une forte production de diplogamètes ainsi qu’une forte répression de l’expression du gène RhPS1, orthologue du gène AtPS1 d’A. thaliana. AtPS1 est impliqué dans la formation de diplogamètes, dont le mutant perte de fonction présente une forte production de diplogamètes mâles, issus d’anomalies méiotiques en Métaphase II. L’objectif de cette thèse est d’apporter des éléments permettant de mieux connaitre et de caractériser la fonction de RhPS1, par (i) l’analyse des phénotypes de lignées de rosier présentant une diminution de ces transcrits, (ii) en recherchant ces interactants protéiques potentiels et (iii) en recherchant les gènes potentiellement régulés par RhPS1. Les résultats de cette thèse montrent que RhPS1 aurait une fonction similaire à AtPS1 chez A. thaliana, qui induit, lors d’une baisse d’expression, des anomalies méiotiques uniquement lors des étapes de métaphase II ou lors de la transition Anaphase I/Métaphase II. Même si aucun interactant protéique n’a pu être trouvé, quelques gènes potentiellement régulés par RhPS1 ont pu être identifiés. / Polyploidization, e.g. the increase in the number of chromosomes sets in an organism, is a phenomenon that would have contributed to the advent of major evolutionary steps such as the emergence of the seed and the flower in plants.Polyploidization can be induced by environmental clues, more particularly by thermal variations resulting in the production of 2n. It has been shown, in roses, that the application of high temperatures (from 30°C) during male gametogenesis leads to a high production of diplogametes as well as a high repression of the expression of the gene RhPS1, orthologue of the A. Thaliana AtPS1 gene. AtPS1 is involved in the formation of diplogametes, whose loss of function mutant has a strong production of male diplogametes, resulting from meiotic abnormalities. This work aims at characterizing or providing elements allowing for better comprehension of the RhPS1 function, by (i) the analysis of the phenotypes of rose lines showing a decrease of these transcripts, (ii) by looking for these potential protein interactors and (iii) investigating genes potentially regulated by RhPS1. The results of this work show that RhPS1 has a similar function to AtPS1 in A. thaliana. Thus, when this gene has a lower expression, meiotic abnormalities are only observed during the metaphase II stages or during the transition of Anaphase I / Metaphase II. Even though no protein interactant could be found, some genes potentially regulated by RhPS1 have been identified.

Dans l’histoire évolutive des végétaux, la polyploïdisation a été un phénomène récurrent qui a façonné les génomes, aurait contribué à l’avènement de grandes étapes évolutives et aurait favorisé la survie de nombreuses lignées lors de crises écologiques majeures. Le principal mécanisme d’apparition d’espèces polyploïdes est la polyploïdisation sexuelle, qui implique la formation de gamètes 2n résultant de modifications de la division méiotique. Récemment plusieurs mutants produisant des taux élevés de gamètes 2n ont été identifiés chez A. thaliana. Chez cette espèce, la perte de fonction du gène AtPS1 conduit à la mise en place de fuseaux parallèles en méiose II et celle du gène AtCYCA1;2/TAM à l’omission de la seconde division méiotique. L’objectif de cette thèse a été de déterminer des facteurs et mécanismes responsables de la formation de gamètes 2n, en utilisant le rosier comme modèle végétal. Ces travaux ont permis : (i) d’identifier un facteur abiotique, la température élevée, comme inducteur de production de forts taux de gamètes 2n, (ii) de montrer que la fenêtre de sensibilité à ce facteur est restreinte à la méiose et (iii) de révéler que ces gamètes 2n produits sont principalement issus de la mise en place de fuseaux parallèles en méiose II. Afin de déterminer les mécanismes moléculaires à l’origine de leur formation, deux gènes candidats, RhPS1 et RhCYCA1 ont été identifiés chez Rosa. L’analyse de leur expression a révélé : (i) en condition non inductible, leur forte expression dans les étamines au stade méiose et (ii) la répression rapide de leurs niveaux de transcrits en condition d’induction de gamètes 2n. La fonction méiotique du gène RhPS1 a été validée par complémentation du mutant atps1-1 d’A. thaliana et par l’obtention d’une lignée rosier transgénique p35S::ARNi-RhPS1. Compte tenu de ces résultats, l’étude de la polyploïdisation et de ses mécanismes peut désormais être replacée dans le contexte actuel de changement climatique. / In the evolutionary history of plants, polyploidization has been a recurring phenomenon that has shaped the genomes, might have contributed to the occurrence of major evolutionary step and might have facilitated the survival of many plant families during major ecological crises. The main mechanism of polyploidization is sexual polyploidization, which involves the formation of 2n gametes resulting from meiotic division changes. Recently, mutants highly producing 2n gametes have been isolated in A. thaliana. Loss of AtPS1 gene function leads to parallel spindles orientation in meiosis II and loss of AtCYCA1;2/TAM gene function leads to the omission of the second meiotic division. The aim of this PhD project was to identify factors and mechanisms responsible for the 2n gametes formation, using Rosa as a model. This work permitted to: (i) discover an abiotic factor, high temperature, that can induce a high production of 2n gametes, (ii) show that the sensitivity window to this factor is narrow and restricted to meiosis and (iii) reveal that 2n gamete production in inductive condition, results from parallel spindle orientation in meiosis II. To determine molecular mechanisms responsible for their formation, two candidate genes, RhPS1 and RhCYCA1 were identified in Rosa. Analysis of their expression revealed: (i) their high expression level in stamens at meiosis stage in non-inductive condition and (ii) the rapid repression of their transcript levels under inductive condition. Meiotic gene function of RhPS1 was validated by complementation of atps1-1 mutant and by generating a rose transgenic line p35S:: RNAi-RhPS1. According to these results, polyploidization and its mechanisms can now be replaced in the context of the current climate.

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.