Impact de la structure du génome sur l'organisation, la régulation et la fonction des gènes sur le chromosome 3B du blé hexaploïde (Triticum aestivum L.)

par Camille Rustenholz

Thèse de doctorat en Physiologie et Génétique Moléculaires

Sous la direction de Catherine Feuillet.

Le président du jury était Saïd Mouzeyar.

Le jury était composé de Thierry Heulin, Hadi Quesneville, Olivier Panaud, Nabila Yahiaoui, Etienne Paux.

Les rapporteurs étaient Thierry Heulin, Hadi Quesneville, Olivier Panaud.


  • Résumé

    Du fait de sa taille (17 Gb), de sa nature allohexaploïde et de son fort taux de séquences répétées (>80%), le génome du blé tendre a toujours été considéré comme trop complexe pour des analyses moléculaires efficaces. En conséquence, la connaissance de la structure de son génome reste limitée. Utilisant une approche chromosome-spécifique, la carte physique du chromosome 3B du blé a récemment été établie et a permis le développement de ressources génomiques uniques. Pendant ma thèse, la mise en oeuvre d‟approches transcriptomiques utilisant ces ressources m‟a permis d‟analyser les relations entre la structure du génome, l‟évolution, la fonction et la régulation des gènes le long du chromosome 3B de blé. Tout d‟abord, des filtres portant les BAC du « Minimal Tiling Path » (MTP) du chromosome 3B ont été hybridés avec 15 échantillons d‟ARNm pour identifier les BAC portant des gènes. Ensuite, des puces Agilent 15K d‟expression d‟orge ont été hybridées avec les pools tridimensionnels (3D) du MTP du chromosome 3B pour localiser les gènes plus précisément sur la carte physique. Afin de construire la première carte transcriptionnelle d‟un chromosome de blé, ces mêmes pools 3D ainsi que les 15 échantillons d‟ARNm ont été hybridés sur des puces NimbleGen 40K d‟expression de blé. Les résultats obtenus à partir de ces expériences ont permis de tirer des conclusions quant à l‟organisation de l‟espace génique sur le chromosome 3B. Ainsi les gènes sont répartis tout le long du chromosome 3B selon un gradient de densité de gènes du centromère vers les télomères avec une plus forte proportion de gènes regroupés en îlots au niveau des télomères. Une analyse évolutive a montré que les îlots seraient essentiellement constitués de gènes ayant subi des réarrangements dans le génome du blé. De plus, la carte transcriptionnelle a également mis en évidence qu'une part significative des gènes organisés en îlot présentent des profils d‟expression similaires et / ou ont la même fonction et / ou interviennent dans le même processus biologique. De plus, à l‟échelle du chromosome 3B entier, des mécanismes de régulation à longue distance entre îlots de gènes ont été suspectés. En conclusion, cette étude a permis pour la première fois de mettre en évidence des relations entre la structure du génome, l‟évolution, la fonction et la régulation des gènes à l‟échelle d‟un chromosome de blé. Le séquençage et l‟annotation du chromosome 3B ainsi que l'utilisation de technologies telles que le RNAseq permettront d‟analyser ces relations de façon encore plus précise et exhaustive.


  • Résumé

    Because of its size (17 Gb), allohexaploid nature and high repeat content (>80%), the bread wheat genome has always been perceived as too complex for efficient molecular studies. As a consequence, our knowledge of the wheat genome structure is still limited. Following a chromosome-specific approach, the physical map of wheat chromosome 3B has recently been constructed and allowed the development of unique genomic resources. During my PhD the use of transcriptomic approaches based on these resources allowed me analysing the relationships between the structure of the genome, the evolution, the function and the regulation of the genes along wheat chromosome 3B. First macroarrays carrying the BACs of the chromosome 3B “Minimal Tiling Path” (MTP) were hybridised with 15 mRNA samples to identify the BACs carrying genes. Then barley Agilent 15K expression microarrays were hybridised with the MTP of chromosome 3B pooled in three-dimension (3D) to precisely locate the genes on the physical map. To build the first transcription map of a wheat chromosome, the 3D pools as well as the 15 mRNA samples were hybridised onto wheat NimbleGen 40K expression microarrays. The results from these experiments allowed drawing some conclusions about gene space organisation on chromosome 3B. Thus the genes are spread all along chromosome 3B with a gradient of the gene density from the centromere to the telomeres with a higher proportion of genes organised in islands at the telomeres. An evolutionary analysis demonstrated that the islands would essentially be composed of genes that have undergone rearrangements in the wheat genome. Furthermore the transcription map also showed that a significant fraction of the genes organised in islands display similar expression profiles and / or share the same function and / or play a role in the same biological process. Moreover, at the scale of the whole chromosome 3B, mechanisms of long distance regulation between gene islands were suspected. In conclusion this study allowed for the first time to find relationships between the genome structure, the evolution, the function and the regulation of the genes at a wheat chromosome scale. The sequencing and the annotation of chromosome 3B as well as the use of technologies like RNAseq will enable to analyse these relationships in an even more precise and exhaustive way.

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