Organisation, évolution et fonctionnement des gènes majeurs de domestication (Q/q) chez les blés polyploïdes

by Harry Belcram

Doctoral thesis in Bioinformatique et génomique

Under the supervision of Boulos Chalhoub.

defended on 16-06-2014

in Evry-Val d'Essonne , under the authority of Ecole doctorale des Génomes aux organismes (2000-2015 ; Versailles) , in a partnership with Unité de recherche en génomique végétale (Evry) (laboratoire) .

Thesis committee President: Sarah Samadi.

Thesis committee members: Pierre Roumet, Jérôme Salse.

Examiners: Malika Ainouche, Marie-Angèle Grandbastien.

  • Alternative Title

    Organization, evolution and function of the major wheat domestication (Q/q) gene and its homoeologs in polyploid wheat


  • Abstract

    In 2006, and after a century of investigations, the major domestication gene in polyploid wheat (5AQ), involved in non free threshing and spike easy beating, among many other traits, has been identified as a homolog of Apetala2 gene of Arabidopsis. While this represents an important breakthrough, nothing was yet known about the role of other homoeologs of the Q/q gene present in tetraploid (Triticum turgidum) and hexaploid (T. aestivum) wheat. In this context, my PhD thesis consists in characterizing organization, evolution and function of the major wheat domestication (Q/q) gene and its homoeologs in polyploid wheat. I realized first comparative sequencing and analysis of 11 genomic regions (BAC clones) spanning the Q/q gene homolog’s in different hexaploid, tetraploid and diploid wheat; constituting the most important comparative analysis done for this group of species. Comparisons show that only Q/q gene homologs are conserved in different genomes and across different ploidy levels and that the 5Bq homoeolog is pseudogenized in hexaploid wheat. The remaining genomic sequences, constituted of ~80% of transposable elements (TEs) are completely different when comparing A, B, D and S genomes between each others. On the contrary, TEs are more conserved between different haplotypes of a same genome and continue their active insertion and deletion dynamic, leading to 19 identified synteny breaks. Among these, I identified the first active Hélitron in wheat inserted into the 5Bq pseudogene of a hexaploid wheat cv. Renan. The Hélitron insertion was subsequently retraced as recently occurring whereas it could have been originated from the wild wheat Aegilops ventricosa which has been introgressed into hexaploid wheat. Functional analysis comparing phenotype, domestication traits, expression and interaction between different Q/q homoeologs was rendered possible using series of “deletion lines”, where one or several homoeologs were deleted. This allows determining the hyper-functionalization of 5AQ and the subfunctionalization of 5Dq and more interestingly the subfunctionalization of the pseudogene 5Bq. All three homoeologs were shown to contribute to the domestication traits and regulate each others.Precise sequence comparison of 5AQ and 5Aq alleles from different domesticated and wild genotypes allow identification of a SNP mutation, associated with domestication, in the target site of a micro RNA (miR172). Using an adapted semi-quantitative RACE-PCR, I showed that the mutation leads to less cleaved mRNA of the 5AQ gene by the miR172 and consequently its higher expression than the 5Aq allele. This also suggests a general role of miR172 in regulating the different homoeologs of the Q/q gene.


  • Abstract

    En 2006, après un siècle d’investigations, le gène majeur de domestication 5AQ, conférant de nombreux caractères comme la non-déhiscence et un battage facile des épillets des blés polyploïdes, a été identifié comme un facteur de transcription homologue au gène Apetala2 d’Arabidopsis. Bien que ceci représente une avancée importante, le rôle des autres homéologues de ce gène, présents dans le blé tétraploïde (Triticum turgidum) et le blé hexaploïde (T. aestivum), reste à élucider. Dans ce contexte mon sujet de recherche porte sur l’appréciation de l’organisation, l’évolution et le fonctionnement du gène majeur de domestication (Q) et de ses homéologues chez les blés polyploïdes. J’ai tout d’abord séquencé et analysé 11 régions génomiques (clones BAC) portant les copies du gène Q/q dans différents génomes de blés polyploïdes et diploïdes; constituant ainsi la plus grande analyse comparative réalisée aujourd’hui chez le blé. Les comparaisons entre les différents génomes et différents niveaux de ploïdie montrent que le gène Q/q est la seule séquence conservée, en commun dans les régions génomiques comparées, et que l’homéologue 5Bq est pseudogénéisé dans les blés hexaploïdes. Les comparaisons montrent que le reste des séquences génomiques sont constituées d’environ 80% d’éléments transposables (TEs) qui sont entièrement différents quand on compare les génomes A, B, D et S entre eux. A l’inverse, les TEs sont relativement mieux conservés entre haplotypes du même génome et continuent leurs dynamiques d’insertions et de délétions différentielles, conduisant à 19 événements de rupture de synténie. Parmi ces événements, j’ai pu identifier le premier Hélitron actif du blé, inséré dans le pseudogène 5Bq du cultivar Renan. La recherche de son origine par comparaison de séquences et l’étude de la variabilité haplotypique m’ont permis de confirmer l’insertion récente et l’origine commune de cet élément au blé sauvage Aegilops ventricosa. Cette espèce a été introgressée dans certaines variétés de blés hexaploïdes. L’analyse fonctionnelle comparant les caractères de domestication ainsi que l’expression et les interactions entre les différents homéologues du gène Q/q dans le blé hexaploïde a été rendue possible par la caractérisation des « lignées de délétion », où une ou plusieurs copies homéologues ont été perdues ou substituées. J’ai pu ainsi caractériser l’hyper-fonctionalisation de l’homéologue 5AQ, et la sous-fonctionalisation des homéologues 5Dq et plus étonnamment 5Bq, pseudogénéisé ; les trois homéologues contribuent aux caractères de domestication et se régulent entre eux. Les comparaisons précises des séquences des allèles 5AQ et 5Aq pour plusieurs génotypes domestiqués et sauvages m’ont permis d’identifier une mutation SNP associée, dans le site d’adressage d’un micro RNA (miR172). L’utilisation d’une technique RACE-PCR semi-quantitative montre que la mutation dans l’allèle 5AQ conduit à moins d’ARNm clivés par les miR172 et donc à sa plus forte expression ; comparée à celle de l’allèle 5Aq. Ceci suggère un rôle des miR172 dans la régulation des différents homéologues du gène Q/q.


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  • Details : 1 vol. (276 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 259-276.

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