Long non-protein coding RNAs (lncRNAs) represent a diverse and enigmatic classification of RNA. With roles associated with development and stress responses, these non-coding gene regulators are essential, and yet remain understudied in plants. Thus far, of just over 430 experimentally validated lncRNAs, only 13 are derived from plant systems and many of which do not meet the classic criteria of the RNA class. Without a solid definition of what makes a lncRNA, and few empirically validated transcripts, methods currently available for prediction fall short. To address this deficiency in lncRNA research, we constructed and applied a machine learning-based lncRNA prediction protocol that does not impose predefined rules, and utilises only experimentally confirmed lncRNAs in its training datasets. Through model evaluation, we found that our novel lncRNA prediction tool had an estimated accuracy of over 96%. In a study that predicted lncRNAs from transcriptomes of evolutionary diverse plant species, we determined that molecular features of lncRNAs display different phylogenetic signal patterns compared to protein-coding genes. Additionally, our analyses suggested that stress-resistant species express fewer lncRNAs than more stress sensitive species. To expand on these results, we used the prediction tool in concert with a transcriptomic study of two natural accessions of the drought tolerant species Eutrema salsugineum. Previously reported to show little physiological differences in a first drought, but differ significantly in a second, we instead demonstrated that the two ecotypes displayed vastly different transcriptomic responses, including the expression of lncRNAs, to a first and second drought treatment. In conclusion, the prediction tool can be applied to studies to further our knowledge of lncRNA evolution and as an additional tool in classic transcriptomic studies. The suggested importance of lncRNAs in drought resistance, and evidence of expression in two natural E. salsugineum accessions, merits further studies on the molecular and evolutionary mechanisms of these putatively regulatory transcripts. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Dans cette étude, nous nous sommes intéressés aux modulations du transcriptome de l’ovocyte bovin en lien avec son potentiel à produire un embryon. Nous avons tout d’abord utilisé un modèle où la qualité des ovocytes a pu être modulée in vivo dans un contexte de stimulation ovarienne. Nous avons pu observer que la qualité des ovocytes acquise au cours de cette période avait une durée limitée et qu’un possible mécanisme de dégradation des ARN messagers pouvait être impliqué dans cette diminution de la qualité. Afin de mieux définir l’importance de la LH pour l’ovocyte lors de sa croissance finale dans le follicule, un antagoniste de la GnRH a été utilisé durant la période cruciale où la qualité des ovocytes est acquise. La suppression dela sécrétion de LH n’a pas eu d’impact significatif sur le potentiel de l’ovocyte à produire un embryon, bien que des fonctions cellulaires importantes, telles que la régulation de la traduction semble avoir été affectéedans l’ovocyte par le traitement. Le transcriptome des ovocytes récupérés à partir de follicules de taille spécifique nous a permis de mieux définir les changements qui surviennent de façon séquentielle au cours de la croissance normale du follicule. Une modulation importante et graduelle de plusieurs transcrits impliqués dans le remodelage de la chromatine a d’ailleurs été observée, ce qui illustre l’importance de cette modification au cours de l’acquisition graduelle de la compétence au développement. Compte tenu de l’importante des changements qui surviennent au cours de la croissance finale de l’ovocyte au niveau de la configuration de la chromatine de la vésicule germinale, nous avons analysé le transcriptome des ovocytes au cours des différents stades de condensation de la chromatine. Malgré la diminution importante de la transcription qui se produit en parallèle à la compaction de la chromatine, nous avons pu observer une augmentation de plusieurs ARN messagers d’histones au cours de cette période, ce qui suggère uneaccumulation en vue d’assurer les premiers cycles cellulaires. Ce projet nous a donc permis de mieux définir les changements qui surviennent dans l’ovocyte au cours de sa croissance finale, au moment où la qualité ovocytaire est significativement modulée. Nous avons également proposé certaines hypothèses afin d’expliquer cette diminution de la qualité. / In this study, we specifically looked at the mRNA modulations observed in the bovine oocyte in regard of its potential to produce an embryo. We first used a model where the oocyte quality could be modulated in vivo, using ovarian stimulation. We were able to show that the oocyte quality acquired during that period will not last and we proposed a possible mechanism of RNA degradation that could be implicated in the decrease of oocyte quality. In order to better understand the importance of the LH support for the oocyte at the end of follicle growth, a GnRH antagonist was used during the period where the oocyte quality is gained. Although the suppression of the LH secretion did not have a significant impact on the potential of the oocyte to produce an embryo, important cellular functions such as translation regulation were affected in the oocyte by the treatment. The transcriptome analysis of the oocyte collected from follicles of gradually increasing sizes has allowed us to better understand the sequential changes undergoing in the oocyte during the follicular growth. An important and gradual modulation of several transcripts involved in chromatin remodeling was also identified, illustrating the importance of this process in the gradual developmental potential acquisition. Considering the major chromatin remodeling of the germinal vesicle that is known to occur towards the end of oocyte growth, we decided to analyse the transcriptome of these oocytes, grouped according to their degree of chromatin compaction. Although an important decrease of the transcriptional activity will occur in parallel with the chromatin condensation, we were able to observe the accumulation of several histone mRNA over this period, suggesting a potential storage to fulfill the first few cell cycles. This project has allowed us to better define the molecular changes undergoing in the oocyte during its growth, where the oocyte quality is significantly modulated. It was also possible to propose different hypothesis in order to explain the underlying biological causes of this decrease quality.

La qualité embryonnaire est un concept en pleine évolution. Depuis quelques années, plusieurs caractéristiques morphologiques ont été étudiées dans le but de définir la qualité des embryons bovins produits in vitro en fonction de ceux produits in vivo. Plus récemment, l'évaluation de l'expression génique embryonnaire a été utilisée comme un nouvel outil pour caractériser un embryon de qualité. Plusieurs facteurs ont potentiellement la capacité de faire fluctuer le niveau d'expression génique des quelques 16 121 gènes connus à ce jour pour être impliqués dans le développement embryonnaire précoce. Parmi ceux-ci, notons la source des complexes ovocytes-cumulus mis en maturation (ponction à partir d'ovaires d'abattoir, ponction transvaginale in vivo, etc.), les milieux de développement (SOF avec ou sans sérum, avec ou sans support cellulaire, etc.), l'environnement de culture embryonnaire (conditions de laboratoire, expérience du manipulateur, etc.) ainsi que la qualité de l'ARN utilisé pour hybrider les biopuces. L'objet de nos démarches expérimentales a été de déterminer la variation de la qualité de l'embryon bovin produit in vitro entre deux laboratoires pour évaluer l'impact de l'environnement de culture ainsi que d'observer la variation d'expression génique présente chez les embryons produits selon différents systèmes de production in vitro. Bien que peu de variations furent observées entre les blastocystes en expansion produits sur deux sites, la proportion de cellules apoptotiques et l'expression génique pour certains gènes liés à l'apoptose se sont avérées être significativement différentes d'un laboratoire à l'autre. Des variations significatives ont également été observées entre la production in vivo et certains systèmes in vitro, où les gènes impliqués dans le métabolisme, la synthèse et la modification des lipides et du cholestérol, ainsi que dans le facteur de transcription Aryl Hydrocarbon Receptor, sont exprimés de façon beaucoup plus marquée. Un nombre imposant de nouveaux transcrits non caractérisés a également été affecté par l'environnement de culture in vitro. Sur le plan du taux de blastocyste, le système in vitro-SOF avec ponction transvaginale des ovocytes a produit les meilleurs résultats, sans engendrer les phénotypes anormaux de la co-culture.

En début de lactation, la vache subit un stress important occasionné par l’impossibilité de combler l’ensemble de ses besoins énergétiques par sa consommation exogène. Cette période spécifique se caractérise par une balance énergétique négative, entraîne une utilisation excessive des réserves corporelles de l’animal et représente un défi métabolique important. Ironiquement, depuis maintenant plus de 40 ans, le système incite les producteurs laitiers à effectuer l’insémination au jour 60 post-partum, c’est-à-dire au moment où la vache rencontre un déficit métabolique. Ce déficit au moment de la conception aurait un impact chez la progéniture, notamment au niveau épigénétique. Ce projet consiste à documenter l’effet de la balance énergétique négative sur la qualité de l’embryon et, en l’occurrence, à proposer des pistes afin d’améliorer la fertilité des bovins laitiers. La mesure du bêta-hydroxybutyrate (BHB) a été effectuée à partir d’échantillons sanguins entre 45 et 60 jours post-partum sur dix-huit vaches de race Holstein. Selon la mesure obtenue, la vache fut classée comme étant faible ou élevée en BHB, afin d’avoir au moins six vaches par groupe. Après un processus de stimulation ovarien, chaque vache fut inséminée et les embryons, récoltés. Pour chaque vache, deux embryons ont été transférés dans deux primipares, afin de déterminer subséquemment la persistance des marqueurs dans le matériel biologique. Grâce à la plate-forme EmbryoGENE, il fut possible de déterminer l’expression génique ainsi que l’état de méthylation de l’ADN des embryons récoltés. Les résultats obtenus soutiennent l’existence d’une altération du métabolisme énergétique au niveau embryonnaire, notamment par la modification de la voie de signalisation de mTOR ainsi que celle des sirtuines. Cette altération semble se traduire par une dysfonction mitochondriale et une inhibition de la transcription, entraînant un freinage au niveau cellulaire, probablement dû à la programmation de l’embryon à utiliser ses réserves lipidiques lors de conditions importantes de stress. / In early lactation, the cow undergoes an important stress generated by the impossibility of filling its entire energetic needs by exogenous consumption. This is characterized by a negative energy balance, excessive use of animal body reserves and represents an important metabolic challenge. Ironically, for more than 40 years now, the system has been encouraging dairy farmers to inseminate on day 60 postpartum, when the cow has a metabolic deficit. This deficit at the time of conception could impact the offspring, especially at the epigenetic level. This project is meant to document the effect of the negative energy balance on the quality of the embryo and to identify ways to improve the fertility of dairy cows. The beta hydroxybutyrate (BHB) measure was done from blood samples between day 45 and 60 postpartum on eighteen Holstein cows. According to the measure obtained, each cow was classified as low or high in BHB, so as to have at least six cows per group. After an ovarian stimulation process, each cow was inseminated and the embryos were harvested. For each cow, two embryos were transferred in two primiparous cows in order to subsequently determine the persistence of the markers in the biological material. With the EmbryoGENE platform, it was possible to determine the gene expression as well as the methylation status of DNA embryos. The results obtained support the existence of an alteration of the energetic metabolism at the embryonic level, especially by the modification of the signaling pathway of mTOR as well as those of the sirtuins. This alteration appears to result in mitochondrial dysfunction and inhibition of transcription, leading to a reduced activity at a cellular level, probably due to programming of the embryo to use its lipid reserves during severe stress conditions.

Durant la croissance, les ovocytes emmagasinent des quantités importantes d’ARNm maternel dans leur cytoplasme. Ces ARNm pourront plus tard être traduit en protéines afin de soutenir la maturation ovocytaire et le développement précoce et ce, jusqu’à l’activation du génome de l’embryon qui est une étape cruciale du développement. Trois catégories d’ARNm peuvent être distinguées durant cette période : les ARNm emmagasinés, les ARNm en voie de traduction (ARNm polyribosomaux) et les ARNm voués à la dégradation. De ces trois catégories, seuls les ARNm polyribosomaux ont un impact direct sur la physiologie cellulaire sous-jacente. Dans cet ouvrage, j’ai développé une méthode permettant d’isoler les ARN polyribosomaux afin de faciliter l’étude de la physiologie de l’ovocyte et de l’embryon précoce. Cette méthodologie a permis de découvrir plusieurs faits très intéressants portant sur le métabolisme énergétique et la synthèse protéique durant la maturation ovocytaire. Les cinq complexes mitochondriaux ainsi que la production énergétique sont fortement diminués durant la maturation ovocytaire. L’impact direct d’une telle inhibition se traduit par une réduction de la production d’ATP par la mitochondrie et l’initiation d’une quiescence dans l’ovocyte entraînant une diminution importante des capacités traductionnelles. Ces découvertes m’ont amenés à m’enquérir de la présence de mécanismes alternatifs dans l’ovocyte permettant de soutenir les besoins énergétiques durant la maturation. Le transfert de molécules telles que l’AMP et l’AMPc provenant des cellules du cumulus ainsi que la récupération des AMP libérés au moment de la dégradation de la queue poly(A) des ARNm maternels semblent être deux mécanismes d’importance permettant de soutenir les besoins énergétiques de l’ovocyte. Il semble donc que la maturation ovocytaire représente une période de préparation à la fécondation caractérisée par une maturation nucléaire, cytoplasmique et moléculaire mais également une période d’entrée en quiescence et de ralentissement métabolique afin de survivre aux nombreuses heures d’attentes précédent la fécondation et avant l’activation du génome embryonnaire. / During growth, oocytes store large quantities of maternal mRNAs within their cytoplasm. These mRNAs can then be translated into proteins at different times to sustain oocyte maturation and early development, up until a crucial step in development: the embryonic genome activation. Three categories of mRNAs can be identified during this period: stored mRNAs, mRNAs in the process of being translated (polyribosomal mRNAs) and mRNAs fated for decay. Of these three categories, only polyribosomal mRNAs have an impact on the underlying cell physiology. Within this text, we have developed a method to isolate polyribosomal mRNAs to facilitate the study of oocyte and early embryo physiology. This methodology allowed us to investigate the energetic metabolism of mitochondria and protein synthesis during oocyte maturation. All five mitochondrial complexes as well as energy production are strongly incapacitated during oocyte maturation. The direct impact of such an incapacitation is a limitation of ATP production by mitochondria and the initiation of quiescence within the oocyte which results in an important diminution of translational potential. These discoveries caused us to start inquiring about the presence of alternative mechanisms which could sustain the energetic needs of the oocyte during maturation. The transfer of molecules such as AMP and AMPc from the cumulus and the salvage of AMPs freed during the degradation of the poly(A) tail of maternal mRNAs appear to be two important mechanisms which could sustain the energetic needs of the oocyte. Thus, it seems that oocyte maturation represents not only a period of preparation for fertilization through a nuclear, cytoplasmic and molecular maturation but also a period of entry into quiescence and metabolic slow down in order to survive the long wait before fertilization and subsequent embryonic genome activation.

Les UDP-glucuronosyltransférases (UGT), enzymes catalysant la réaction de glucuronidation, sont impliquées dans le métabolisme de nombreux substrats endogènes (p. ex. bilirubine et hormones stéroïdiennes) et exogènes (p. ex. agents anticancéreux et médicaments d’autres classes) grâce à leur expression, entre autres, dans les tissus du métabolisme des médicaments tels que le foie, les reins et le tractus gastro-intestinal. Ainsi, une vue d’ensemble et détaillée du transcriptome des UGT humaines apparait comme une condition importante à l’établissement de la signature métabolique d’un individu. Dans le cadre de mon projet de recherche de doctorat, nous avons mis à jour le transcriptome des dix gènes UGT humains dans des tissus normaux et tumoraux du métabolisme par séquençage de nouvelle génération d’ARN ciblés (Capture-Seq). Pour cela, des tissus de foie, de rein, d’intestin et de côlon ainsi que des tissus d’endomètre, de sein et de prostate ont été analysés. Après alignement sur le génome de référence humain (hg19), 234 nouveaux évènements d’épissage ont été identifiés. Tous les transcrits codants pour les enzymes UGT1 et UGT2 déjà connues ont été observés, ainsi que plus de 130 nouveaux transcrits présentant des structures variables et des fonctions biologiques potentiellement diverses. Ainsi, nos travaux révèlent que l’ensemble des gènes UGT est sujet à l’épissage alternatif. Ces résultats ont permis de proposer une structure génomique révisée des locus UGT ainsi que d’établir le vaste répertoire des transcrits pour chaque gène UGT dans les tissus étudiés. Enfin, l’ensemble du transcriptome des gènes UGT a été quantifié dans les principaux tissus du métabolisme des médicaments. Les résultats indiquent que les transcrits alternatifs représentent une part non négligeable et très variable du transcriptome UGT, c’est-à-dire de 6 à 100 % de l’expression génique, et qu’ils sont exprimés de façon tissu spécifique. De plus, ces données suggèrent un remodelage du transcriptome UGT en présence de néoplasie pouvant affecter la capacité de glucuronidation tumorale comparativement au tissu sain. Le programme complexe d’épissage alternatif régulant l’expression et la fonction des protéines alternatives UGT jouerait un rôle important dans la détermination de la capacité de détoxification d’un organe, affectant potentiellement la réponse aux médicaments et à d’autres composés éliminés par cette voie métabolique. La connaissance approfondie du transcriptome des UGT est cruciale afin de mieux comprendre les éléments fonctionnels des locus UGT et d’établir leur rôle dans le métabolisme des médicaments et dans la réponse à divers composés endogènes. / UDP-glucuronosyltransferases (UGT) catalyze the reaction of glucuronidation. These enzymes are involved in the metabolism of many endogenous (e.g. bilirubin and steroid hormones) and exogenous substrates (e.g. many anticancer agents and drugs of other classes). They are expressed, among others, in the tissues of drug metabolism of such as the liver, kidneys and gastrointestinal tract tissues. A comprehensive and detailed view of the human UGT transcriptome emerges as a key condition for the establishment of the metabolic signature of an individual. As part of my PhD research project, we uncover the transcriptome landscape of the 10 human UGT gene loci in normal and tumoral metabolic tissues by targeted RNA next-generation sequencing (Capture-Seq). For this, liver tissues, kidney, small intestine and colon as well as endometrial tissues, breast and prostate were analyzed. Alignment on the human hg19 reference genome identifies 234 novel exon-exon junctions. We recover all previously known UGT1 and UGT2 enzyme-coding transcripts and identify over 130 structurally and functionally diverse novel UGT variants. Our work establish for the first time that all UGT genes are subject to alternative splicing. We further expose a revised genomic structure of UGT loci and provide a comprehensive repertoire of transcripts for each UGT gene. Finally, the entire transcriptome of UGT genes was quantified in the major drugs metabolism tissues (liver, kidney and intestine). The results indicate that alternative transcripts represent a significant part of the UGT transcriptome varying from 6-100% of UGT gene expression. Data also uncover a remodelling of the UGT transcriptome occurring in a tissue- and tumor-specific manner. The complex alternative splicing program regulating UGT expression and protein functions is likely critical in determining detoxification capacity of an organ and stress-related responses, with significant impact on drug responses and diseases.

The well-known high species richness of the tropical forests is not uniform through its different regions; Africa is species-poor when compared to Southeast Asia and the Neotropical region. One of the hypotheses for differences between the richness in the Neotropics and Africa points to the importance of recent speciation in the Neotropics. This is considered in particular in Andean-centred taxa that probably diversified in response to the opportunities for speciation offered by the final uplift of the tropical Andes (during the past c. 25 million years [Ma] to the present, with higher rates on the past 10 Ma to the present). The aim of this thesis is to test this hypothesis in the genus Renealmia L.f. (Zingiberaceae), an Andean centred lineage (c. 64 Neotropical spp.) that also occurs in Africa (c. 17 spp.). A taxonomic account of the Colombian species (c. 32; the country with the most species) is presented, and three species new to science were discovered and are described in an updated revision. I designed a new approach for obtaining nuclear phylogenetic markers for estimating species-level phylogenies using transcriptomes for recent diversification that could be applied to samples from herbarium specimens. I generated de-novo transcriptomes for two Renealmia species and a relative in the subfamily Alpinioideae that were combined with data available in repositories to target low copy number and potentially orthologous genes with short introns. I obtained sequence data for eight introns (ranging from 219 to 924 bp) and an rRNA (ITS1 & ITS2) marker for 40 species and at least one marker for 64 species, comprising a total of 137 accessions of which 67.9%(93) were sampled from herbarium specimens. Gene and species-trees were estimated for the genus. I found that most of the subgroups based on morphological characters are supported by the molecular data but a possible combination of incomplete lineage sorting (related to recent radiations or large population sizes) and/or introgression through hybridisation makes difficult to solve the relationships among these subgroups. Finally I estimated and compared diversification rates of the Neotropical and African lineages using dated phylogenies based on the trees estimated. I used available and customized methods that take into account incomplete taxon sampling, the uncertainty in the phylogenetic relationships and the stochasticity inherent to diversifications processes. Differences in diversification rates between Africa and the Neotropics indicate increased speciation attributable to the Andean orogeny in the Neotropical lineages of Renealmia.

Submitted by Alison Vanceto (alison-vanceto@hotmail.com) on 2017-03-02T12:11:42Z No. of bitstreams: 1 TeseCAS.pdf: 3874357 bytes, checksum: 0bd0fdf47146d9a5d45f62a5203ac011 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-03-20T20:12:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseCAS.pdf: 3874357 bytes, checksum: 0bd0fdf47146d9a5d45f62a5203ac011 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-03-20T20:12:33Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseCAS.pdf: 3874357 bytes, checksum: 0bd0fdf47146d9a5d45f62a5203ac011 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-20T20:29:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseCAS.pdf: 3874357 bytes, checksum: 0bd0fdf47146d9a5d45f62a5203ac011 (MD5) Previous issue date: 2016-11-28 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / The present work had as general objective to perform the genomic annotation of Expressed Sequences (ESTs) of Litopenaeus vannamei shrimp, available in the database of Project ShEST and to evaluate the polymorphism of mined SSR and SNP tags. These markers were located in the main chain of protein genes with function related to performance traits and were validated in SPF (Specific Pathogen Free) shrimp families submitted to selection for rapid growth and survival. In addition to the EST-SSR and EST-SNP loci, obtained by Sanger sequencing, Next Generation Sequencing (NGS) analyzes were included in the initial proposal of work with the objective of expanding the set of SNPs available and verifying the differential gene expression. The new assembly of ESTs was performed and produced a set of 2.984 unigenes with protein products for 41% of them, with 1.983 SSRs and 3.472 SNPs being identified. Among the loci with gene product identified, 231 were enzymes with 127 unique EC numbers inserted in 94 KEGG metabolic pathways. Loci validation showed that the loci of the 60S ribosomal (SSR-EST) and crustacyanin (SNP-EST) proteins were polymorphic in the animals sampled from Genearch. Statistical analyzes were conducted to verify the existence of a possible association between the genotypes and the analyzed weight phenotypes, although no association was observed. In addition, cross-species amplification tests were performed on seven species of marine and two freshwater prawns, demonstrating successful transferability for these species. The RNAseq approach was included in the present work with the purpose of increasing the number of SNPs detected in candidate genes with performance-related function and identifying differentially expressed (DE) genes in animals under experimental conditions. A second transcriptome was assembled from the muscle and hepatopancreas tissues of L. vannamei individuals (i) evaluated for rapid growth and survival and (ii) exposed to the White Spot Syndrome Virus (WSSV). A total of 63.105 transcripts were generated, with an average size of 2.511 bp and N50 of 3.464 bp. More than 15.500 SNPs were identified (frequency > 50%). Functional annotation was also performed on the bases of SwissProt, Gene Ontology (GO) and KEGG. Differential gene expression analyzes were performed on the animal samples evaluated for growth and response to WSSV infection. The data generated showed differences in the expression profile between the genes of (i) high and low growth animals, (ii) the hepatopancreas and muscle and (iii) the uninfected (healthy) and infected (ill) animals by WSSV, considering the effect of the tissue. Two-hundred and seven DE genes were identified for growth, 5.816 for hepatopancreas and muscle and 1.017 for ill and healthy animals. / O presente trabalho teve como objetivo geral realizar a anotação genômica de sequências expressas (ESTs) de Litopenaeus vannamei, disponíveis no banco de dados do Projeto ShEST e avaliar o polimorfismo de marcas SSR e SNP mineradas. Esses marcadores estavam localizados na cadeia principal de genes de proteínas com função relacionada a traços de desempenho e foram validados em famílias de camarões SPF (Specific Pathogen Free) submetidas à seleção para rápido crescimento e sobrevivência. Adicionalmente aos locos SSR-EST e SNP-EST, obtidos por sequenciamento Sanger, análises de Sequenciamento de Próxima Geração (NGS) foram incluídas na proposta inicial de trabalho com o objetivo de ampliar o conjunto de SNPs disponíveis e verificar a expressão gênica diferencial. A montagem de novo das ESTs foi realizada e produziu um conjunto de 2.984 unigenes com produtos proteicos para 41% destes, sendo identificados 1.983 SSRs e 3.472 SNPs. Dentre os locos com produto gênico identificado, 231 eram enzimas com 127 EC numbers únicos inseridos em 94 vias metabólicas do KEGG. A validação dos locos SSR-EST e SNP-EST mostrou que os locos das proteínas 60S ribossomal (SSR-EST) e crustacianina (SNP-EST) apresentaram-se polimórficos nos animais amostrados da Genearch. Análises estatísticas foram conduzidas para verificação da existência de uma possível associação entre os genótipos e os fenótipos de peso analisados, embora não tenha sido observada associação. Além disso, testes de amplificação heteróloga foram realizados em sete espécies de camarões marinhos e duas de água doce, demonstrando sucesso na transferabilidade para estas espécies. A abordagem de RNA-seq foi incluída no presente trabalho com o propósito de ampliar o número de SNPs detectados em genes candidatos com função relacionada a traços de desempenho e identificar genes diferentemente expressos (DE) em animais sob condições experimentais. Foi realizada a montagem de novo de um segundo transcriptoma, dos tecidos músculo e hepatopâncreas de indivíduos de L. vannamei (i) avaliados para rápido crescimento e sobrevivência e (ii) expostos ao vírus da Síndrome da Mancha Branca ou White Spot Syndrome Virus (WSSV). Foram gerados 63.105 transcritos, com tamanho médio de 2.511 pb e N50 de 3.464 pb. Foram identificados mais de 15.500 SNPs (frequência > 50%). Também foi realizada a anotação funcional nas bases do SwissProt, Gene Ontology (GO) e KEGG. Análises de expressão diferencial gênica foram realizadas nas amostras dos animais avaliados para crescimento e resposta a infecção pelo WSSV. Os dados gerados demonstraram diferenças no perfil de expressão entre os genes (i) de animais de alto e baixo crescimento, (ii) do hepatopâncreas e músculo e (iii) dos animais não-infectados (saudáveis) e infectados (doentes) pelo WSSV, considerando-se o efeito do tecido. Foram identificados 207 genes DE para crescimento, 5.816 para a comparação entre os tecidos e 1.017 para os animais doentes e saudáveis. / FAPESP: 2012/13069- 6 / FAPESP: 2012/17322-8

Anopheles stephensi is a potent vector of malaria throughout the Indian subcontinent and Middle East. An. stephensi is emerging as a model for molecular and genetic studies of mosquito-parasite interactions. Here we conducted a series of genomic and transcriptomic studies to improve the understanding of the biology of Anopheles stephensi and mosquito in general. First we reported the genome sequence and annotation of the Indian strain of the type form of An. stephensi. The 221 Mb genome assembly was produced using a combination of 454, Illumina, and PacBio sequencing. This hybrid assembly method was significantly better than assemblies generated from a single data source. A total of 11,789 protein-encoding genes were annotated using a combination of homology and de novo prediction. Secondly, we demonstrated the presence of complete dosage compensation in An. stephensi by determining that autosomal and X-linked genes have very similar levels of expression in both males and females. The uniformity of average expression levels of autosomal and X-linked genes remained when An. stephensi gene expression was normalized by that of their Ae. aegypti orthologs, strengthening the conclusion of complete dosage compensation in Anopheles. Lastly, we investigated trans-splicing events in Anopheles stephensi. We identified six trans-splicing events and all the trans-splicing sites are conserved and present in Ae. aegypti. The proteins encoded by the trans-spliced mRNAs are also highly conserved and their orthologs are co-linearly transcribed in out-groups of family Culicidae. This finding indicates the need to preserve the intact mRNA and protein function of the broken-up genes by trans-splicing during evolution. In summary, we presented the first genome assembly of Anopheles stephensi and studied two interesting evolution events" dosage compensation and trans-splicing - via transcriptomic analysis. / Ph. D.

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.