Polyploïdie et adaptation des plantes : caractérisation et variation de l'expression des gènes homoélogues chez le caféier Coffea arabica

par Marie-Christine Combes Gavalda

Thèse de doctorat en Biologie intégrative des plantes

Sous la direction de Philippe Lashermes.


  • Résumé

    La plupart des espèces végétales sont des polyploïdes récents ou anciens. L’allopolyploïdisation qui résulte d’une hybridation interspécifique couplée à une duplication génomique joue un rôle fondamental dans l’évolution des plantes. Elle provoquerait des changements de l’organisation du génome et de la régulation de l’expression des gènes qui seraient à l’origine de nouvelles aptitudes de ces plantes. Dans ce contexte, l’étude des mécanismes de conciliation des réseaux parentaux de régulation des gènes semble essentielle pour définir leur rôle dans la variation de l’expression des gènes. Le genre Coffea, composé d’espèces diploïdes pouvant s’hybrider et d’une espèce allotétraploïde C. arabica, constitue un modèle approprié pour cette étude. L’allopolyploïde présente deux sous-génomes homéologues peu différenciés, provenant de l’hybridation de C. eugenioides et C. canephora. A l’inverse de ses espèces parentales qui se caractérisent par des écosystèmes différents et d’amplitude thermique faible, C. arabica se développe en tolérant des variations de température plus importantes. Ce travail a consisté à étudier chez C. arabica les conséquences de l’hybridation sur la variation de l’expression et de la régulation des gènes et à analyser la variation de l’expression des gènes homéologues et son implication dans les capacités adaptatives. L’expression et la régulation des gènes au sein d’hybrides F1 entre C. canephora et C. eugenioides ont été analysées en utilisant la technologie RNA-seq. L’étude de ces hybrides a montré que les espèces parentales se distinguent par une proportion importante de divergences de trans-régulation. Pour 77% des gènes différemment exprimés entre les espèces parentales et les hybrides, le niveau d’expression de l’hybride est comparable à celui de l’une des espèces parentales, c’est le phénomène de «level expression dominance». L’analyse de l’expression allélique spécifique a permis de caractériser la régulation de l’expression des gènes ; les deux allèles sont exprimés, avec exceptionnellement un biais en faveur d’un génome. L’expression des gènes est déterminée par des combinaisons complexes de divergences de cis-régulation des espèces parentales et des effets entrecroisés de leurs facteurs de trans-régulation. Le niveau d’expression des gènes dépend de la sur ou sous-régulation simultanée des deux allèles et en particulier, de l’asymétrie des effets des facteurs de trans-régulation qui semble être à l’origine du phénomène de «level expression dominance». Pour l’allopolyploïde, l’étude de l’expression relative des gènes homéologues à l’échelle du génome a révélé que les gènes homéologues des deux sous-génomes s’inter-régulent et contribuent au transcriptome. Le transcriptome de jeunes feuilles de C. arabica cultivés à deux conditions de températures, chacune convenant à l’une des espèces parentales a été analysé pour étudier la variation de l’expression des gènes homéologues chez C. arabica et son implication dans les capacités adaptatives. La contribution des sous-génomes au transcriptome est faiblement modifiée par les conditions de culture et n’apparait pas directement impliquée dans la capacité de C. arabica à tolérer des amplitudes thermiques plus élevées que les espèces parentales. Ces études ont permis de caractériser la réponse transcriptionnelle à un évènement d’hybridation récent et ancien. Elles mettent en évidence les bases génétiques de la variation de l’expression allélique suite à la fusion des réseaux divergents de régulation des gènes d’espèces parentales. Elles ont permis de proposer un modèle de la régulation de l’expression des gènes homéologues pour C. arabica.Mots clés : allopolyploïdie, hybridation, homéologue, expression allélique spécifique (ASE), cis- trans-régulation, transcriptome, RNA-seq, adaptation, caféier.

  • Titre traduit

    Polyploidy and adaptation of plant : characterization and variation of expression homoeologous genes in Coffee tree Coffea arabica


  • Résumé

    Polyploidy is a prominent mode of speciation and a recurrent process during plant evolution. Allopolyploidization, that involves inter-species hybridization and genome doubling, can induce an extensive array of genomic rearrangements and gene expression changes generating plants with new abilities to adaptation. The study of the merger of divergent gene expression regulatory networks seems fundamental to elucidate the role of conciliation processes in the gene expression variations.The genus Coffea that contains diploid species able to hybridize and C. arabica a recent allopolyploid between two low divergent diploid species C. eugenioides and C. canephora, represents an appropriate model for this study. Indeed C. arabica can be grown in regions with marked variations in thermal amplitude while the parental species are less adapted to temperature variations. The aims of the present work are, on one hand, the study of the effects of hybridization on the expression and regulation of genes and on the other hand, the analysis of homeologous gene expression variation in response to changing environment.To examine the immediate effects of hybridization, the expression and regulation of genes in F1 hybrids between C. canephora and C. eugenioides were analyzed by genome-wide RNA-seq technology. Parental species are distinguished by an important proportion of trans-regulatory divergences. In hybrids, among divergently expressed genes between parental species and hybrids, 77% are expressed like one parent (expression level dominance). Gene expression was shown to result from the expression of both alleles, with occasional bias toward one genome. The gene expression patterns appear determined by complex combinations of cis- and trans-regulatory divergences of parental species and by intertwined parental trans-regulatory factors. The gene expression level depends on the simultaneous up and down-regulation of both alleles and the observed biased expression level dominance seems to be derived from the asymmetric effects of trans-regulatory parental factors on regulation of alleles. In the allopolyploid, at the genomic scale, both homeologous genes are also inter-regulated and contribute to the transcriptome.The transcriptome of leaves from C. arabica cultivated at different growing temperatures suitable for one or the other parental species was examined to analyze the variation of homeologous gene expression in variable conditions. The relative subgenome contributions to the transcriptome appear to be only marginally altered by the growing conditions. C. arabica’s ability to tolerate a broader range of growing temperatures than its diploid parents does not result from differential use of homeologs. The transcriptional response after a recent or old hybridization event was characterized by these studies. The genetic bases of the variations in allelic expression after the merger of parental gene expression regulatory networks, were elucidated and a model of regulation of homeologous gene expression in C. arabica is proposed. Keywords : allopolyploidy, hybridization, homeolog, Allelic Specific Expression (ASE), cis- trans-regulation, transcriptome, RNA-seq, adaptation, coffee tree.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Bibliothèque interuniversitaire. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.