Organisation du complexe d’espèce et décryptage des structures des génomes en mosaïque interspécifiques chez les agrumes cultivés

par Franck Curk

Thèse de doctorat en Biologie intégrative des plantes

Sous la direction de Patrick Ollitrault et de Luis Navarro.

Le président du jury était Perla Hamon.

Le jury était composé de Patrick Ollitrault, Luis Navarro, Perla Hamon, Karine Alix-Jenczewski, Thierry Robert.

Les rapporteurs étaient Karine Alix-Jenczewski, Thierry Robert.


  • Résumé

    Les études préexistantes identifient quatre taxons de base (C. reticulata les mandariniers, C. maxima les pamplemoussiers, C. medica les cédratiers et C. micrantha) à l'origine de l'ensemble des formes cultivées suite à des événements de réticulations. Il en résulte des structures génotypiques complexes, généralement fixées par l'apomixie, fortement hétérozygotes et formées d'une mosaïque de grands fragments chromosomiques d'origines phylogénétiques différentes. La structuration de la variabilité phénotypique suggère que la différenciation initiale des taxons ancestraux est à l'origine d'une part importante de la variabilité utile des agrumes. La connaissance de l'origine des formes cultivées et de leurs structures phylogénomiques est donc indispensable à la bonne gestion des collections et à l'optimisation des programmes d'amélioration génétique. A cette fin, cette thèse explore différentes approches d'analyse de la diversité des génomes. Elle a bénéficié de l'évolution rapide des NGS et propose une utilisation raisonnée des outils disponibles en fonction des questions de recherches. Une analyse plus poussée a été conduite sur les limettiers et citronniers. Le pyroséquençage 454 (Roche) d'amplicons a été utilisé pour décrypter la structure en mosaïque interspécifique du chromosome 2 de 50 variétés à partir d'une information haplotypique multiloci et pour identifier des marqueurs diagnostiques des taxons ancestraux. Ces marqueurs ont permis, en association avec des SSR et indels, d'apporter un nouvel éclairage sur l'origine des limettiers et citronniers, par un génotypage exhaustif des collections Inra/Cirad et Ivia. Enfin, les données de re-séquençage complet Illumina de sept variétés de limettiers et de citronniers comparées à celles de représentants des taxons ancestraux nous ont permis de reconstituer la structure interspécifique de leurs génomes et de schématiser leurs caryotypes phylogénomiques. Les différentes approches ont conduit à des conclusions convergentes. Nos résultats confirment les hypothèses concernant la séquence évolutive à l'origine des bigaradiers (C. aurantium), des orangers (C. sinensis) et des pomelos (C. paradisi) à partir des pools géniques de C. maxima et C. reticulata. Ils mettent en évidence de fréquentes introgressions de C. maxima dans le génome de mandariniers considérées comme représentatifs de C. reticulata. Les contributions relatives de ces deux taxons ancestraux aux génomes de nombreuses variétés de petits agrumes (mandariniers, tangors et tangelos) ont pu être estimées. Les limettiers et citronniers résultent de multiples évènements de réticulation et C. medica est identifié comme parent mâle de la majorité des variétés diploïdes. Deux grands groupes de citronniers, sont différenciés, ceux issus d'hybridations directes C. reticulata × C. medica et ceux impliquant trois taxons ancestraux (C. maxima, C. reticulata et C. medica). Le bigaradier serait le parent femelle à l'origine des citronniers type Lisbonne (C. limon). Les limettiers de type Mexicain (C. aurantifolia) seraient issus d'une hybridation directe C. micrantha × C. medica. Enfin, les limes à gros fruits, triploïdes, ont deux origines. Les types Tahiti résulteraient probablement de la fécondation d'un ovule de citronnier type Lisbonne par un gamète diploïde de limettier type Mexicain. L'autre grand type serait issu d'un backcross entre C. aurantifolia (gamète diploïde) et C. medica. Ces connaissances sur la structure génomique des espèces secondaires permettent d'envisager une reconstruction d'idéotypes à partir du germplasm des taxons ancestraux. Elles ouvrent également la voie à des études de génétique d'association s'appuyant sur la phylogénomique des gènes impliqués dans l'élaboration des caractères de qualité, de résistance et d'adaptation. Enfin, les marqueurs diagnostiques d'espèces développés trouveront de nombreuses applications pour la caractérisation des collections et diverses études de génétiques.

  • Titre traduit

    Species complex organization and deciphering the interspecific mosaic genome structure of cultivated citrus


  • Résumé

    Citrus fruit, the most important fruit crop in the world, show a wide phenotypic diversity. Previous studies (molecular markers) identified four ancestral taxa (Citrus reticulata Blanco, mandarins; C. maxima (Burm.) Merr., pummelos; C. medica L., citrons; C. micrantha Wester, papedas) as the ancestors of all cultivated Citrus after reticulate evolutions. As a result, modern citrus varieties have complex and highly heterozygous genotypic structures, generally fixed by apomixis, and formed by a mosaic of large chromosomal fragments of different phylogenetic origins. Furthermore, the structuration of the phenotypic variability suggests that the initial differentiation of the basic taxa is the main source of most of the variability of the useful citrus phenotypic diversity. A thorough knowledge of the origin of cultivated citrus and their phylogenomic structure are essential for the management of biological resources and breeding program optimization. This thesis explores different approaches for analyzing genome diversity in order to identify the phylogenetic origins of the various horticultural citrus groups and to decipher their phylogenomic genome's structures. We focused on limes and lemons. This thesis takes advantage of the rapid evolution of NGS and proposes a rational use of available tools, based on research questions. Roche 454 parallel sequencing of amplicons provides multi-loci haplotype information on 500 base fragments. It was used to decipher the interspecific mosaic structure of chromosome 2 for fifty varieties and to identify ancestral taxa diagnostic SNP markers. The genotyping of all limes and lemons of the Inra/Cirad and Ivia germplasms with these markers, in association with SSR and indel markers, allowed to propose new hypothesis on the origins of limes and lemons. Data from Illumina whole genome re-sequencing of 7 varieties of limes and lemons, compared to those of representatives of the ancestral taxa, allowed to infer the interspecific structure of their genomes and to map out, for the first time, their phylogenomic karyotypes. The different approaches led to similar conclusions. Our results confirm previous hypothesis about the evolutionary steps at the origin of sour orange (C. aurantium), sweet orange (C. sinensis) and grapefruit (C. paradisi) involving C. maxima and C. reticulata gene pools. They highlight frequent introgressions of C. maxima in the genome of mandarin varieties despite the fact they were considered as representative of C. reticulata. We were also able to quantify the relative proportions of these two ancestral taxa in the genome of many varieties of small citrus fruit (mandarin hybrids, tangors and tangelos). Our work on limes and lemons demonstrate that C. medica is the male parent of this varietal group at the diploid level. Two groups of lemons are clearly differentiated: one from direct hybridizations between C. reticulata and C. medica, and one from crosses between hybrids (C. maxima × C. reticulata) and C. medica. Sour orange seems to be the female parent of ‘Eureka' type lemons (C. limon). The ‘Mexican' limes (C. aurantifolia) seems to come from a direct hybridization C. micrantha × C. medica. Finally, triploid big fruit limes have two major origins. The ‘Tahiti' type probably results from an ‘Eureka' type lemon (C. limon) ovule fecundated by a diploid gamete of a ‘Mexican' type lime (C. aurantifolia), while the other type would come from a back-cross between C. aurantifolia (diploid gamete) and C. medica. This new insights in genomic structure of secondary species makes to consider possible a reconstruction of these ideotypes from ancestral taxa germplasm. They also open new ways for association genetic studies based on phylogenomics of genes involved in the development of quality, resistance and adaptation traits. Finally, developed specific taxa diagnostic markers will find many applications for the characterization of collections and further genetic studies.


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