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Publication director :
Olivier Martin

Editorial manager :
Rozenn Le Guyader

Webmaster :
Thierry Balliau

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Sujet de thèse ouvert à GQE-Le Moulon

25/11/16

Titre

École doctorale

Encadrant(s)

"Augmenter la recombinaison génétique : facteurs génétiques et aneuploïdie"
Résumé - Contexte - Questions de recherche - Hypothèses de travail - Publications récentes

English version:
"Increasing crossover numbers: genetics and effects of aneuploidy"
Summary - Context - Objectives - Recent publications

SDSV

- O. Martin
- M. Falque

 

 

> Augmenter la recombinaison génétique : facteurs génétiques et aneuploïdie

Encadrants : This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it et This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it - Équipe RAMDAM

Résumé

L'amélioration des plantes dépend de la capacité à combiner, par le biais des crossovers (CO) méiotiques, des allèles favorables provenant de différentes ressources génétiques. Cette thèse étudiera des facteurs permettant d’augmenter le taux de crossovers. Deux axes expérimentaux seront développés qui exploiteront une approche que nous avons mise au point pour phénotyper très précisément à haut-débit les taux de recombinaison chez la levure S. cerevisiae : [1] Exploitation d’une population ayant été soumise à une sélection récurrente pour l’augmentation de la recombinaison (cf thèse X. Raffoux) pour découvrir des gènes contrôlant l’augmentation des crossovers, validation des candidats obtenus et caractérisation de mutants de ces gènes. Ces résultats pourront être transférés sur Arabidopsis par l’équipe recombinaison de l’IJPB. [2] Etude des effets de chromosomes surnuméraires. On ne savait quasiment rien sur l’influence de la polyploïdie ou de l’aneuploïdie sur le taux de recombinaison jusqu’aux travaux récents du groupe colza de Rennes et Versailles montrant que la présence de chromosomes additionnels voire d’un génome supplémentaire haploïde augmente de plus de 5 fois la recombinaison. Nous étudierons dans quelle mesure ce phénomène se produit chez la levure, car cela permettrait d’explorer des hypothèses émises par nos collègues sur le colza et qui ne sont actuellement pas abordables sur cette espèce.

Contexte

L’amélioration des plantes est une activité très ancienne, mais dont les enjeux sont de plus en plus pressants. Pour exemple, il est estimé qu'il faudrait augmenter le rendement mondial du blé de 1,7% tous les ans sur l'horizon 2050 pour maintenir le niveau actuel de consommation par habitant de la terre, alors que les rendements en France stagnent depuis plus d'une décennie. De plus, dans les pays développés, on va vers une agriculture plus durable avec moins d'entrants, ce qui exigera d'introgresser dans les variétés cultivées de nombreuses qualités dispersées dans différentes ressources génétiques. Ces transferts dépendent de la possibilité de brasser les gènes par la recombinaison génétique, brassage effectué lors de la méiose par la formation de crossing-overs. Il est aujourd'hui possible d'augmenter le nombre de crossing-overs en méiose de plusieurs façons : par knock-out de gènes anti-crossovers (cf. travaux de l’IJPB sur Arabidopsis et brevets INRA), par passage par des génomes triploïdes ou aneuploïdes (cf. travaux de l’IGEPP), et possiblement par génie génétique (manipulation de nucléases comme le font les entreprises Cellectis et Meiogenix). Le front des connaissances doit encore avancer pour développer ces différentes alternatives qui suivant le contexte sont susceptibles d’être transférées à différentes plantes cultivées. Ces transferts pourraient permettre :

  1. d'accélérer l'amélioration des plantes lors de la construction d’idéotypes ;
  2. de surmonter les difficultés d’introgression rencontrées en pre-breeding, un point d’achoppement empêchant d’exploiter de nombreux traits et gènes venant de matériels exotiques ;
  3. de raccourcir le nombre de générations à prévoir dans des programmes de sélection récurrente, permettant ainsi l’engagement de partenariats publics-privés sur ces approches aujourd’hui peu exploitées.

L’exploitation de la variabilité génétique (naturelle ou issue de sélection récente, en intra- ou aussi potentiellement en inter-spécifique) repose sur la possibilité d'avoir des crossing-overs aux endroits pertinents. Or la plupart des espèces de grande culture ont de larges portions de chromosomes qui recombinent très peu. De ce fait et avec les moyens actuels, ces régions sont pratiquement inaccessibles aux programmes de sélection. De plus, comme la base génétique des variétés élites s’est réduite avec le temps – et cela est d’autant plus vrai dans les régions à très faible recombinaison - il est de plus en plus urgent d’exploiter les gènes dans des ressources génétiques exotiques. Mais on se heurte alors à des mécanismes méiotiques qui empêchent le brassage génétique entre génomes trop distants. Plusieurs avancées récentes ont démontré qu’il est possible d’augmenter le taux de recombinaison et parfois d’induire des crossovers dans les régions peu recombinantes. En effet, dans la plante modèle Arabidopsis, une équipe de chercheurs de l'IJPB de Versailles a démontré qu'en désactivant des gènes suppresseurs de crossovers (gènes impliqués dans les voies de réparation des cassures double brin d’ADN en méiose), le nombre de crossovers par méiose peut être augmenté de plus d'un facteur 9. Ces travaux de génétique fondamentale ont conduit à des dépôts de brevets car cette ingénierie des crossing-overs ouvre la porte à des programmes de sélection (végétale ou animale) beaucoup plus performants. Une expérience de sélection récurrente va être réalisée à l’IJPB pour comparer le progrès génétique en présence ou pas de cette augmentation de recombinaison. En parallèle, les travaux réalisés à Rennes et Versailles ont découvert que la présence de chromosomes surnuméraires chez le colza permettait d’augmenter d’un facteur au moins deux le taux global de recombinaison et de même beaucoup plus que cela dans les régions peu recombinantes. Ces travaux continueront mais les enjeux et la compétition sont forts, en particulier au niveau du secteur privé, expliquant pourquoi des entreprises comme Meiogenix travaillent sur diverses méthodes pour augmenter le nombre de crossovers et si possible les cibler. Il nous semble donc essentiel d’accélérer les avancées en utilisant un modèle biologique plus simple, la levure. Non seulement son cycle de vie est beaucoup plus court que celui des plantes, mais aussi la mesure du taux de recombinaison (le phénotypage) est beaucoup plus rapide et précis. Il y a aussi d’autres avantages tels qu’une grande connaissance des gènes de méiose, la taille des populations (dizaines de millions d’individus), le faible coût en main d’œuvre et en matériel, etc... Dans notre équipe nous avons depuis plus d’un an les outils, la pratique et le matériel biologique pour réaliser chez S. cerevisiae les mesures et expériences nécessaires. De plus nos résultats pourront servir directement aux équipes de l’IJPB et IGEPP mentionnées ci-dessus. Etonnamment, il n’y a qu’une seule autre équipe dans le monde (celle de Scott Keeney, NY ; Thacker et al., 2011) qui a développé un outil comparable mais rien n’indique que cette équipe s’intéresse aux aspects de sélection récurrente ou de polyploidie. Néanmoins des travaux sur les effets méiotiques de manipulations de caryotypes sont en cours sur C. elegans (Roolens et al., 2015) et il est important que notre projet se fasse tant qu’il a l’originalité pour lui.

Questions de recherche

Il s’agit d’identifier des facteurs permettant d’augmenter la recombinaison méiotique chez la levure S. cerevisiae. Cette question sera déclinée sous deux formes :

  1. Quels facteurs génétiques sont en jeu ?
  2. La présence de chromosomes surnuméraires conduit-elle à une amplification du taux de recombinaison comme cela a été démontré chez le colza ?

Hypothèses de travail

  • Sachant qu’il existe une forte diversité naturelle pour le taux de recombinaison méiotique (X. Raffoux, article en préparation sur la levure), l’axe [1] de la thèse sera basé sur l’hypothèse qu’on peut obtenir de la transgression pour le niveau de recombinaison par sélection récurrente, sans affecter la viabilité. Nous sommes encouragés dans cette hypothèse par le constat fait par les collègues de l'IJPB de l'absence de perte de fertilité chez Arabidopsis lorsque le taux de recombinaison est augmenté d'un facteur 9.
  • Des résultats anciens chez S. cerevisiae montrent que la recombinaison est perturbée par certaines configurations de chromosomes surnuméraires (Riley et al. 1978, Charles et al. 2010). Nous ferons l’hypothèse que ces effets relèvent de mécanismes comparables à ceux responsables des résultats observés chez le colza (Suay et al. 2014)
  • Toujours pour la partie explorant les effets de l’aneuploïdie sur la recombinaison, on supposera  que chez la levure, ces effets affectent la méiose en trans sur les chromosomes non concernés par l’aneuploïdie, comme cela a été observé chez le Colza.

 

> Thesis proposal: Increasing crossover numbers: genetics and effects of aneuploidy

Doctoral school: Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
Thesis advisors: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it et This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it - Team "Recombination of Alleles in Meiosis: Determinism, Applications and Modeling"

Thesis summary

The crossovers formed during meiosis are at the heart of genetic adaptation, evolution and artificial selection. Indeed they allow for novel combinations of alleles or even changes in the copy numbers of genes. This thesis will study factors allowing one to increase crossover numbers, with implications for speeding up of breeding programs, be-they in plants or animals. Two experimental axes will be developed, exploiting a tool we have recently introduced which allows for phenotyping very precisely and at high throughput the rates of recombination in yeast (S. cerevisiae):

[1] Using a population that was subject to a recurrent selection for increasing recombination rates (cf. thesis X. Raffoux), we want to (i) discover genes controling the increase in numbers of crossovers, (ii) validate those candidate genes and (iii) characterize the meiotic behavior of mutants for those genes. Later these results will be transferred to Arabidopsis by our collaborators at Versailles.

[2] In this second axis, the Ph.D. student will study of the effect of having additional chromosomes on crossover numbers and distributions. Very little was known about the influence of polyploidy or aneuploidy on recombination rates until the recent work of the rapeseed group at Rennes and Versailles showing that the presence of additional chromosomes increases more than 5-fold the number of crossovers! The second part of this thesis will thus study to what extent such results arise in yeast. Indeed, this approach could lead to important biotechnological applications which escape the GMO class.

Context

Plant improvement is an ancient activity but with the growth of world population its importance is growing. For example, it is expected that the yield for wheat world-wide will have to increase by 1,7% annually till 2050 to maintain the current level of consumption per capita. Furthermore, developed countries are moving towards sustainable agriculture with less inputs, a move that will require introgression into elite cultivars new qualities dispersed in different genetic ressources. Such « transfers » depend on the shuffling of alleles during meiosis via the formation of crossovers. Today it is possible to increase the number of crossovers by several means : by knock-out of genes which are known to suppress crossover (cf. patents of INRA), by using triploids or aneuploids and lastly by using nucleases targeting specific locations in the genome. It is expected that these research initiatives will :

  1. accelerate programs of plant improvement building ideotypes and performing gene pyramiding ;
  2. overcome barriers to introgression encountered in pre-breeding, a major stumbling block in attemps to capture genes or traits from exotic genetic resources ;
  3. reduce the number of generations necessary in recurrent selection programs.

Objectives

We want to identify ways of increasing the number of meiotic crossovers in the yeast S. cerevisiae. Our two specific questions are :

  1. What are the main genetic factors controling numbers of crossovers?
  2. Does the presence of additional chromosomes (aneuploidy or polyploidy) amplify the rate of crossover formation?

 

Publications récentes des responsables de la thèse - Recent publications of the thesis advisors

Bauer *, E., Falque *, M., Walter, H., Bauland, C., Camisan, C., Campo, L., Meyer, N., Ranc, N., Rincent, R., Schipprack, W., Altmann, T., Flament, P., Melchinger, A.E., Menz, M., Moreno-González, J., Ouzunova, M., Revilla, P., Charcosset, A., Martin *, O.C. and C.C. Schön *. (2013). Intraspecific variation of recombination rate in maize. Genome Biology 14:R103. * these authors contributed equally to the work.

Anderson, L.K., Lohmiller, L.D., Tang,X., Hammond, D.B., Javernick, L., Shearer, L., Basu-Roy, S., Martin, O.C., and M. Falque (2014). Combined fluorescent and electron microscopic imaging unveils the specific properties of two classes of meiotic crossovers. Proceedings of the National Academy of Sciences 37: 13415–13420.

Jahns, M.T., Vezon, D., Chambon, A., Pereira, L., Falque, M., Martin, O.C., Chelysheva, L., and M. Grelon (2014). Crossover Localisation Is Regulated by the Neddylation Posttranslational Regulatory Pathway. PLoS Biology 12:  e1001930.

Suay, L., Zhang, D., Eber, F., Jouy, H., Lodé, M., Huteau, V., Coriton, O., Szadkowski, E., Leflon, M., Martin, O.C., Falque, M., Jenczewski, E., Paillard, S., and A.M. Chèvre (2014). Crossover rate between homologous chromosomes and interference are regulated by the addition of specific unpaired chromosomes in Brassica. New Phytologist 201: 645-656.

Sidhu, G.K., Fang, C., Olson, M.A., Falque, M., Martin, O.C., and W.P. Pawlowski (2015). Recombination patterns in maize reveal limits to crossover homeostasis. Proceedings of the National Academy of Sciences 112 (52), 15982-15987.