From the genome to the transcriptome for the characterization of networks controlling the expression of hydrolytic enzymes in a fungus of industrial interest.

par Agustina Llanos

Thèse de doctorat en Ingénierie Microbienne et Enzymatique

Sous la direction de Jean-Luc Parrou et de Virginie Neugnot.

Soutenue le 24-09-2014

à Toulouse, INSA , dans le cadre de École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire d'ingénierie des systèmes biologiques et des procédés (Toulouse) (laboratoire) et de Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés [LISBP] (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Marie François.

Le jury était composé de Jean-Luc Parrou, Virginie Neugnot, David Archer.

Les rapporteurs étaient Arthur Ram, Thierry Rouxel, Markku Saloheimo.

  • Titre traduit

    Du génome au transcriptome pour la caractérisation des réseaux de régulation contrôlant l'expression d'enzymes hydrolytiques chez un champignon d'intérêt industriel


  • Résumé

    Talaromyces versatilis est un champignon filamenteux d’intérêt industriel grâce à sa capacité deproduction d’enzymes hydrolytiques. La Société Adisseo commercialise un cocktail enzymatiqueproduit par fermentation à partir de T. versatilis, sous le nom de Rovabio™. Ce cocktail est utilisé entant qu'additif alimentaire en nutrition animale, car la grande variété d'enzymes hydrolytiques qu’ilcontient peut dégrader les polysaccharides présents dans l’enveloppe des céréales, améliorant ainsila digestibilité la valeur nutritionnelle des matières premières agricoles. Malgré les efforts consentispour mieux connaître la biologie de T. versatilis, très peu est connu sur ce champignon.L’étudeprésentée ici vise à décrire les réseaux de régulation qui contrôlent l’expression des gènes codantpour ces enzymes hydrolytiques, en utilisant des approches génomiques et transcriptomiques.Avoir accès à une annotation correcte de la séquence génomique et posséder les outilsnécessaires pour l'ingénierie génétique sont essentiels pour réaliser des études de génomiquefonctionnelle. Donc, le premier volet de cette thèse a été l’analyse de la séquence génomique et lacuration manuelle de l'annotation, ce qui nous a conduits à évaluer le vaste potentiel génétique de T.versatilis pour la production et la sécrétion d'enzymes hydrolytiques impliquées dans la dégradationde la lignocellulose. Deuxièmement, un système de délétion des gènes initialement conçu pourAspergillus niger a été adapté à T. versatilis. Cette méthode permet le recyclage du marqueur desélection et est efficace dans des souches dont le système NHEJ est actif (Delmas, et al., 2014, AEM).Au cours de ce travail, deux mutants de délétion de T. versatilis ont été obtenus: ΔxlnR et ΔclrA.La première approche mise en place pour avoir une meilleure compréhension des réseaux derégulation via une vue globale du transcriptome, fut l’utilisation de la technique de RNAseq sur troiséchantillons issus de la souche sauvage de T. versatilis exposée au glucose, à la paille de blé et auglucose et paille de blé simultanément comme sources de carbone, respectivement. Les données ontmontré une augmentation massive des niveaux d’expression de nombreux gènes, en particulier ceuxcodant pour des enzymes hydrolytiques, lorsque le mycélium est exposé à la lignocellulose. Enfin, la dernière partie du projet s’est appuyée sur la la RT-qPCR, technique appropriée pourétudier un nombre limité de gènes dans une grande variété de conditions. Toutefois la normalisationdes données est une étape essentielle du flux de travail qui peut conduire à une interprétationbiologique incorrecte de la régulation des gènes. Le travail effectué sur les données de RNAseq nousa amené à reconsidérer la nature des gènes de référence classiquement utilisés, puisque la plupartd'entre eux présentaient des changements d'expression considérables en présence de lignocellulose.En conséquence, un nouvel ensemble de gènes de référence putatifs a été identifié et la stabilité deleur expression validée par RT-qPCR chez T. versatilis cultivé dans plus de 30 conditions différentes.Des jeux de données de RNAseq de 18 champignons filamenteux phylogénétiquement éloignés ontpar ailleurs été collectés, afin de démontrer que la sélection des gènes candidats pour lanormalisation des données de RT-qPCR chez T. versatilis peut être étendue à d'autres champignons(Llanos et al., 2014, BMC Genomics). Ces aspects méthodologiques validés, nous avons enfin réaliséune étude plus détaillée de la transcription d'un groupe de gènes d'intérêt par RT-qPCR, dans unegrande variété de conditions et 2 souches différentes, la souche sauvage et la mutante ΔxlnR.L'analyse de ces données a permis d'identifier des gènes aux profils d'expression similaires, quirépondent de la même façon aux substrats inducteurs et qui partagent probablement les mêmesmécanismes de régulation.


  • Résumé

    Talaromyces versatilis is an industrially important enzymes producing filamentous fungus.Adisseo Company commercializes the enzymatic cocktail, produced from T. versatilis fermentation,with the name of Rovabio™. This cocktail is applied as an animal feed additive as it contains a widevariety of hydrolytic enzymes that can degrade the polysaccharides present in the seed-coat and thusimproves the digestibility and increases the nutritional value of the agricultural raw materials.Although efforts have been done to study different aspects of the biology of T. versatilis, very little isknown about this fungus. This study aimed to describe the regulatory networks of genes encodingplant cell wall-degrading enzymes from this biotechnologically important fungus using genomic andtranscriptomic approaches.Having a correct annotation of the genomic sequence together with efficient tools for genomeengineering are essential for downstream functional genomics works and characterization of theregulatory networks. Therefore, the first task carried out an analysis of the genomic sequence and amanual curation of the annotation, which led us to assess the vast genetic potential of T. versatilis forthe production and secretion of hydrolytic enzymes involved in the degradation of lignocellulosicmaterials. Secondly, I adapted a gene deletion system initially designed for Aspergillus niger. Thismethod allows recycling of the selection marker and is efficient in a non-homologous end-joining(NHEJ)-proficient strain (Delmas, Llanos et al., 2014, AEM). During this work, two deletion mutants ofT. versatilis were obtained: ΔxlnR and ΔclrA.Towards better understanding of the regulatory network, I first contributed to an RNAseq-basedtranscriptomic study that was performed on the wild type strain of T. versatilis exposed to glucoseand wheat straw as carbon sources. The data showed a massive increase in transcript levels ofnumerous genes, in particular those encoding hydrolytic enzymes, when the mycelium wasincubated with lignocellulose.If RT-qPCR is indeed a suitable technique to study a limited number of genes in a large variety ofconditions, data normalisation is a critical step of the workflow that can lead to incorrect biologicalinterpretation of gene regulation. The work done on the RNA-seq data led me to reconsider the useof the classical reference genes, since most of them exhibited expression changes in the presence oflignocellulosic substrate. I therefore identified a new set of putative reference genes and validatedtheir expression stability by RT-qPCR in T. versatilis cultivated under more than 30 differentconditions. Then, I collected about a hundred RNA-seq datasets from 18 phylogenetically distantfilamentous fungi, to demonstrate that the use of the suitable candidates for RT-qPCR datanormalisation in T. versatilis can be extended to other fungi (Llanos et al., 2014 BMC genomics (minorrevisions)). Thereafter, I performed a more detailed RT-qPCR based transcriptional study of a groupof genes of interest, in a wide variety of conditions and in 2 strains, the wild-type and the ΔxlnRmutant. The analysis of expression data of the genes of interest allowed to identify genes with similarexpression patterns, which probably share the same regulatory mechanisms and also the substratesthat act as inducers for their expression



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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2014 par INSA à Toulouse

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Informations

  • Sous le titre : From the genome to the transcriptome for the characterization of networks controlling the expression of hydrolytic enzymes in a fungus of industrial interest.
  • Détails : 1 vol. (328 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 283-310
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