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Publication director :
Olivier Martin

Editorial manager :
Rozenn Le Guyader

Webmaster :
Thierry Balliau

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Propositions de sujets de thèse ouvertes à GQE-Le Moulon

Titre

École doctorale

Encadrant(s)

"Déterminisme génétique de l’hétérosis chez le maïs: génétique d’association au sein de deux panels d’hybride"
Résumé - Contexte - Méthodologie - Résultats attendus

Publiée 31/03/2017

ABIES - A. Charcosset
- J. Fiévet

"Origine moléculaire de la diversité des pétales : investigation au niveau des séquences et de la régulation de gènes de développement"
Résumé

English version:
"Diversity in petal form: what matters, changes in amino acid sequences or regulation of gene expression ?"
Abstract

Publiée 10/03/2017

Sc. du Végétal : du gène à l'écosystème C. Damerval

"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

Publiée 25/11/ 2016

SDSV

- O. Martin
- M. Falque

 

 

> Déterminisme génétique de l’hétérosis chez le maïs: génétique d’association au sein de deux panels d’hybride

Encadrants : This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it (01 69 33 23 35) et This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it (01 69 33 23 58) -  équipe GQMS

Résumé

Défini comme la supériorité de l’hybride relativement au meilleur de ses parents, l’hétérosis est un phénomène propre aux caractères quantitatifs. Il a conduit aux méthodes de sélection hybride actuelles, basées sur une structuration de la variabilité en groupes génétiques complémentaires. Depuis quelques années, les rendements des céréales tendent à stagner malgré l'intensification des efforts en sélection. Le projet proposé a pour objectif de contribuer à de nouveaux schémas de sélection hybride, centrés sur l'évaluation de couples entre lignées candidates des différents groupes plutôt que sur une évaluation séparée intra-groupe de la valeur hybride et sur la mise en place de flux de gènes entre groupes génétiques pour mieux valoriser la variabilité génétique. Pour cela, nous étudierons le phénomène d’hétérosis dans des panels hybrides par une démarche de génétique d’association basée sur des polymorphismes d’origines différentes tels que les SNPs et les Variants Structuraux. Les objectifs seront (i) de mettre en évidence/préciser les régions du génome impliquées dans l’hétérosis, (ii) de préciser les rôles joués par les interactions génétiques (dominance, superdominance et épistasie), (iii) de proposer une stratégie de génétique d’association permettant de gérer la diversité génétique dans des dispositifs hybrides (iv) d’évaluer l'implication relative de différentes sources de polymorphisme (SNP et variations structurales dans les phénomènes d’hétérosis et de dépression de consanguinité.

Introduction et contexte permettant de cadrer le sujet

La vigueur hybride - ou hétérosis - entre parents d’origines différentes est un phénomène majeur du monde vivant. Déjà en 1876, C. Darwin avait remarqué que les hybrides entre plantes de maïs étaient plus grands et plus résistants aux faibles températures que les individus issus d’autofécondations. L’utilisation de ce phénomène a permis des avancées majeures en amélioration des plantes, avec le développement des maïs hybrides dans la première moitié du 20ème siècle, puis le développement de variétés hybrides pour d’autres espèces telles que le tournesol, le colza, le riz, etc. Le rendement du maïs est en augmentation en France alors que celui d'autres espèces a tendance à stagner. Cependant, au cours des 10 dernières années, l’augmentation du rendement a été plus lente, notamment pour les variétés tardives. De plus ce gain a été obtenu avec des investissements en sélection en augmentation et est donc plus difficile à obtenir par les sélectionneurs. Il apparaît donc plus que jamais important d'améliorer l'efficacité des programmes de sélection pour apporter les gains de rendement nécessaires.

Les programmes de sélection hybride sont généralement structurés en groupes hétérotiques complémentaires, sélectionnés en parallèle pour que les croisements entre lignées d’un groupe conduisent à de bons hybrides en croisement avec celles de l’autre groupe. Cette stratégie permet d’éviter la consanguinité des hybrides et de développer des complémentarités (notamment pour l’adaptation à des environnements différents) mais limite fortement les flux de gènes et donc la possibilité de découvrir des recombinaisons innovantes. De plus, les individus d’un groupe sont généralement évalués  sur la valeur de leur descendants hybrides obtenus après croisement avec un individu (souvent une lignée pure appelée « testeur») issu du groupe hétérotique complémentaire. Cette évaluation permet d’améliorer les lignées pour la valeur moyenne de leurs hybrides (AGC ou aptitude générale à la combinaison) mais ne prend pas en compte les complémentarités spécifiques entre lignées de groupes complémentaires (ASC ou aptitude spécifique à la combinaison).

Le développement de la cartographie génétique basée sur des marqueurs moléculaires a permis des avancées dans la localisation de facteurs impliqués dans le phénomène d’hétérosis (Stuber et al, 1992 ; Frascaroli et al. 2007, Schön et al, 2010 ; Larièpe et al. 2012) mais de nombreuses questions restent ouvertes (Lippman and Zamir 2007). Depuis quelques années, la comparaison de séquences génomiques entre différentes lignées de maïs permis de développer des outils de génotypage dense permettant de caractériser des lignées pour une très grand nombre de marqueurs SNP. Elle a également mis en évidence un nombre important de réarrangements chromosomiques qui ont induit des variations structurales telles que les Copy-Number-Variants (CNV) et les présence/absence (PAV) de régions entières du génome dont certaines sont porteuses de gènes (Springer et al., 2009; Belo et al., 2010).

Notre hypothèse est que ces avancées dans l’analyse des polymorphismes permettent aujourd’hui de nouvelles approches expérimentales pour mieux comprendre le phénomène d’hétérosis et augmenter l’efficacité des programmes de sélection par une gestion plus souple de la diversité génétique et un poids plus important donné à l’ASC. Cette thématique constitue l’axe central de  l’équipe GQMS, en collaboration avec d’autres équipes de l’unité pour l’étude des polymorphismes et la bioinformatique. Une thèse est en cours dans l’équipe GQMS en collaboration avec l’équipe de mathématiques de MIA Paris afin d’étendre les modèles statistiques de génétique d’association et de prédiction génomique aux dispositifs hybrides (thèse F. Laporte). Dans le cadre du projet Investissement d’Avenir Amaizing (www.amaizing.fr), nous développons de nouvelles populations d’étude de l’hétérosis dont l’objectif est d’identifier par génétique d’association les locus impliqués dans la vigueur hybride afin de mieux la prédire et de mieux gérer la diversité génétique. Nous cherchons à préciser (i) les rôles respectifs de la dépression de consanguinité et de la combinaison de facteurs d'adaptation environnementale et (ii) à évaluer l'implication relative de différentes sources de polymorphisme : SNP et variations structurales.

Méthodologie

Notre hypothèse est que l'hétérosis chez le maïs résulte essentiellement de la combinaison de deux types de phénomènes: (i) la non expression chez l'hybride de l'effet défavorable d'allèles récessifs rares et (ii) la combinaison de facteurs d'adaptation environnementale apportés par les deux parents conférant une plus grande stabilité des performances. Des avancées dans la compréhension de ces phénomènes ont pu être réalisées par des approches de cartographie au sein de populations recombinantes. Plusieurs études  (Stuber et al, 1992 ; Frascaroli et al. 2007, Schön et al, 2010 ;  Larièpe et al., 2012) mettent en évidence (i) un nombre important de locus (QTL) impliqués dans l’hetérosis pour les caractères de productivité et (ii) des effets de superdominance (avantage de l’état hétérozygote) au niveau de ces QTL. Le fait que ces phénomènes apparaissent essentiellement dans des régions peu recombinantes suggère qu’ils sont dus en grande partie à la présence dans les lignées parentales de liaisons en répulsion entre allèles récessifs et dominants à des QTL proches (pseudo-superdominance). Toutefois la précision de cartographie relativement faible de l’approche ne permet pas de conclure définitivement sur ce point, et ne permet pas d’identifier les principaux types de polymorphismes impliqués.

Pour gagner en précision dans l’étude de l’hétérosis, nous mettons en œuvre des approches de  génétique d’association basées sur le marquage à haute densité de populations cumulant un grand nombre d’évènements de recombinaison. L’objectif est de réduire l’intervalle de confiance de la position des QTL et donc (i) de distinguer les cas de pseudo-superdominance (liaison en répulsion) avec les cas de superdominance vraie et (ii) identifier les types de polymorphismes impliqués. Pour ce faire, des hybrides ont été produits à partir de collections de lignées provenant des deux grands groupes hétérotiques travaillés par les sélectionneurs pour la zone nord Europe: les Dentés et les Cornés (Camus-Kulandaivelu et al., 2006). Ces groupes sont complémentaires en termes de productivité / adaptation environnementale. Deux plans de croisement hybrides originaux dans lesquels les lignées ont des contributions équilibrées (diallèle et factoriel) ont été développés:

Hétérosis#1: un plan de croisement factoriel de 360 hybrides issus du croisement entre 310 lignées Cornées (C) et 310 lignées Dentées (D). 50 lignées de chaque groupe hétérotique interviennent dans deux croisements afin de pouvoir estimer les composantes de la variance. Ces hybrides permettront d’analyser les effets des locus polymorphes au sein de chaque groupe, et l’ampleur de leurs effets d’interaction, pour mieux comprendre la nature des effets d’AGC et ASC pour des hybrides intergroupes.

Hétérosis#2: À partir de ces 360 hybrides CD nous avons développé 429 lignées haploïdes doublés (HD), dont les génomes sont des « mosaïques » de génome corné et de génome denté (situation dite d’admixture). Le dispositif Hétérosis#2 correspond à 405 hybrides fabriqués en suivant un plan de croisement diallèle incomplet mais équilibré entre les 429 lignées HD. Ces hybrides admixés nous permettront d’avoir accès aux états homozygotes (denté ou corné) ou hétérozygotes (corné x denté) pour des locus qui ont été fixés pour des allèles différents chez les deux groupes, et qui présentent donc un intérêt majeur pour comprendre les bases génétiques de l’hétérosis.

Chaque dispositif a été ou sera évalué dans au moins 5 environnements pour des caractères liés à la productivité et à la phénologie, avec une caractérisation des conditions environnementales. Le marquage génétique des lignées parentales cornées et dentées a été réalisé avec une  puce haute densité de 50 000 SNP et complété par une approche de génotypage par séquençage (GBS, coll. Univ. Cornell, 600.000 SNP). 600.000 marqueurs SNP supplémentaires obtenus avec une autre puce seront disponibles au début de la thèse (génotypage en cours de finalisation) portant le total des SNP disponibles à plus de un million. Le marquage génétique des lignées HD a été réalisé avec une puce moyenne densité de 16 000 SNP. Ce marquage à moyenne densité permet de localiser très précisément les points de recombinaisons et donc d’identifier l’origine des segments chromosomiques hérités par chaque lignée de ses deux parents. Cela permettra d’imputer pour chaque lignée HD l’ensemble des polymorphismes étudiés chez les parents (plus de un million). Une plus grande densité de marquage sera obtenue si nécessaire avec une approche comparable intégrant les données de séquençage  du génome entier d'individus représentatifs de la diversité étudiée (données d’ores et déjà disponibles et qui seront vraisemblablement enrichies par le séquençage de nouvelles lignées au cours de la thèse)  Enfin un typage de CNV a été réalisé sur les 310 lignées dentées et la moitié des lignées cornées à l’origine des dispositifs hybrides. Celui nous permettra, en combinaison avec le génotypage SNP, d’imputer les génotypes des hybrides Heterosis#1 et Heterosis#2 pour ces marqueurs de type CNV.

Le travail de thèse portera essentiellement sur l’analyse de ces deux dispositifs et l’interprétation des résultats par rapport aux questions posées ci-dessus. Pour chacun, il s’agira tout d’abord de réaliser l’analyse statistiques des données phénotypiques pour estimer les composantes d’additivité, de dominance et d’épistasie au niveau de la performance moyenne et de l'interaction génotype x environnement, puis de mettre en œuvre pour les différents types de polymorphismes analysés, des modèles de génétique d’association appropriés. Pour cela, l’étudiant s’appuiera sur les modèles statistiques pour les études d’association qui sont développés dans l’équipe GQMS. Ceux-ci visent à étendre à l’étude de l’hétérosis, l’approche développée  par Rincent et al. (2014), qui permet de gagner en puissance de détection par la prise en compte d’un apparentement calculé spécifiquement pour chaque chromosome.

Résultats attendus et Perspectives

La cartographie fine en génétique végétale a pendant longtemps été essentiellement envisagée à travers la sélection d’individus recombinants au sein de populations de grande taille crées par croisements contrôlés entre deux lignées. Bien que très lourde, cette approche a permis des avancées importantes et le clonage de locus ayant des effets phénotypiques majeurs (Salvi and Tuberosa 2005, Ducrocq et al., 2009). Elle est toutefois difficilement applicable pour des caractères complexes contrôlés par plusieurs locus (QTL) d’effet modéré, ce qui est très souvent le cas des caractères présentant de l’hétérosis. La génétique d’association est une alternative à l’approche précédente et permet d’étudier l’association entre polymorphisme moléculaire et variation des caractères au sein de collections représentant une diversité large. L’application d’études d’association à l’étude de l’hétérosis a été encore peu mise en œuvre et est aujourd’hui un enjeu majeur. Il nous semble donc particulièrement intéressant de développer une étude de génétique d’association dans un contexte hybride pour étudier le phénomène d’hétérosis, et d’étudier la contribution des polymorphismes complémentaires (SNP et VS).

Nous investissons dans l’équipe sur les aspects théoriques et statistiques de l’approche et la thèse proposée est stratégique pour évaluer expérimentalement l’intérêt de ces approches.Le travail de thèse permettra d’identifier des régions du génome impliquées dans l’hétérosis et d’étudier le rôle de différents polymorphismes, dans le phénomène d’hétérosis.

L’ensemble des résultats obtenus devrait permettre d’identifier des régions clés du génome dont l’hétérozygotie est indispensable. L’utilisation d’individus admixés entre les deux groupes génétiques majeurs permettra d’évaluer l’intérêt d’organiser des flux de gènes entre groupes hétérotiques et donc de mieux exploiter la diversité génétique ce qui devrait permettre d’envisager de nouveaux schémas de sélection hybrides plus efficaces.

 

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> Origine moléculaire de la diversité des pétales : investigation au niveau des séquences et de la régulation de gènes de développement

Encadrante : This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it , équipe GE2Morf (01 69 33 23 66)

Résumé

Le projet de thèse vise à comprendre l’origine de la diversité morphologique d’organes impliqués dans les interactions plantes-pollinisateurs, les pétales. Il se situe dans le contexte d’une question majeure en biologie évolutive, celle de l’origine moléculaire de la diversité morphologique : les forces évolutives  agissent-elles  au  niveau  de  séquences  codantes  et/ou  de  séquences  régulatrices contrôlant les profils d’expression des gènes ? La réponse dépend-elle du type de gène considéré ? Pour un ensemble de gènes de développement potentiellement impliqués dans la formation des pétales (facteurs de transcriptions, gènes de signalisation, du métabolisme hormonal), il s’agira de caractériser  d’une  part  la  diversité  des  patrons  d’expression  et  d’autre  part  la  diversité  des séquences codantes et de leurs régions régulatrices. Les résultats seront interprétés en relation avec le profil de développement des pétales et leur diversité morphologique, et en tenant compte des relations phylogénétiques entre les espèces choisies. Notre modèle d’étude principal sera un groupe d’espèces de la famille des Ranunculaceae, une famille remarquable par la diversité morphologique des  pétales.  De  plus,  sa  position  phylogénétique  par  rapport  aux  espèces  modèles  comme Arabidopsis permettra une analyse comparative éclairante sur les mécanismes de morphogenèse de ces organes. Les gènes de développement seront sélectionnés à partir de l’analyse comparative de données RNA-seq obtenues au laboratoire et de données bibliographiques. L’analyse des résultats permettra d’évaluer 1) la conservation entre plusieurs espèces des gènes intervenant dans la formation des pétales, et 2) la part de la diversification de leur régulation (appréciée par la diversité des séquences promotrices et des patrons d’expression) et de leurs séquences codantes dans la diversification morphologique, et cela selon la fonction des gènes considérés. Ce travail apportera des réponses nouvelles à la question de l’origine de la diversité morphologique, concernant des organes à forte valeur adaptative car impliqués dans l’attraction des pollinisateurs et donc la reproduction.

Mots clefs
Evolution, régulation génique, protéine, RNA-seq, développement, pétale

Profil candidat

  • Expérience en biologie moléculaire de base et si possible en bioinformatique.
  • Bonnes connaissances en génétique et évolution.
  • Intérêt pour le développement floral, la systématique des Angiospermes, la génétique fonctionnelle.

 

> Thesis proposal: Diversity in petal form: what matters, changes in amino acid sequences or regulation of gene expression ?

Director: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it , team GE2Morf - 33 (1) 69 33 23 66

Summary

The project aims at understanding the origin of the morphological diversity of organs involved in plant-pollinating interactions, the petals. It takes place in the context of a major issue in evolutionary biology, that of the molecular origin of morphological diversity: are coding sequences and/or regulatory sequences controlling expression profiles preferentially targeted by evolutionary forces ? Does it depend on the type of gene? For a set of developmental genes potentially involved in petal development (transcription factors, signaling genes, hormonal metabolism genes), the PhD student will characterize on the one hand, the diversity of expression patterns and on the other hand, the diversity of the coding sequences and their regulatory regions. The results will be interpreted in relation to the developmental profile of the petals and their morphological diversity, and taking into account the phylogenetic relationships between the selected species. Our main study model will be a group of species from the Ranunculaceae, a family exhibiting a remarkable diversity in petal form. Additionally, the phylogenetic position of this family relative to model species like Arabidopsis will enable interesting comparative analyses on petal key morphogenetic genes and processes. The developmental genes will be selected from the analysis of RNA-seq data available in the laboratory and from bibliographic data. Results will make it possible to evaluate i) the conservation of the developmental gene set intervening in petal formation between different species, ii) the relative importance of their regulation (evaluated by promoter sequences and expression patterns) vs their coding sequences for morphological diversification, according to the function of the genes under study. This work will bring new answers to the question of the origin of morphological diversity, concerning organs  of  high  adaptive  value  since  they  are  involved  in  pollinator  attraction  and therefore plant reproduction.

Key words
Evolution, gene regulation, protein, RNA-seq, development, petal

Profile of the candidate

  • Basic experience in molecular biology and if possible in bioinformatics.
  • Good knowledge in genetics and evolution.
  • Interest in floral development, the systematics of Angiosperms, functional genetics.

 

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> 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.

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