Recombination landscapes and genome evolution in flowering plants

par Thomas Brazier

Thèse de doctorat en Écologie, évolution

Sous la direction de Sylvain Glémin.

Soutenue le 13-12-2022

à Rennes 1 , dans le cadre de EGAAL , en partenariat avec UMR 6553 - ECOBIO (Rennes) (laboratoire) .

Le président du jury était Anne-Marie Chèvre.

Le jury était composé de Carina Farah Mugal, Laurent Duret.

Les rapporteurs étaient Christine Mézard, Adam Eyre-Walker.

mots clés

• Brassage génétique
• Crossover
• Déséquilibre de liaison
• Génomique comparative
• Méiose
• Liaison génétique
• Recombinaison génétique
• Génomique comparative
• Méiose
• Angiospermes

Titre traduit

Paysages de recombinaison et évolution des génomes chez les plantes à fleurs

Résumé

La recombinaison méiotique est une caractéristique universelle des espèces à reproduction sexuée durant laquelle les crossovers jouent un rôle fondamental pour la ségrégation des chromosomes et le brassage des allèles. Une question centrale pour la compréhension des conséquences génomiques de la recombinaison est de savoir comment varie la recombinaison au sein d'un génome et entre espèces. Nous avons caractérisé et comparé les patrons de recombinaison chez un large nombre de plantes à fleurs dans un contexte de génomique comparative. À une large échelle, nous avons trouvé deux patrons principaux (et quelques exceptions) associés à la taille de chromosome et la densité en gènes. Dans les chromosomes les plus larges les crossovers sont redistribués vers la périphérie du chromosome, ce qui correspond globalement à la distribution sous-jacente des gènes, influençant ainsi l'efficacité du brassage génétique. À une échelle plus fine, nous avons détecté des gradients de recombinaison 5'-3' dans les régions codantes chez une dizaine d'espèces couvrant une bonne diversité phylogénétique et de caractéristiques génomiques. Les gradients de recombinaison sont principalement organisés par la position et l'intensité des hotspots ainsi que la structure des gènes. Les deux extrémités des régions codantes ont un taux de recombinaison globalement plus fort que le milieu des gènes, ce qui implique que les gènes les plus courts recombinent plus. Ces résultats mettent en avant de nouvelles questions sur l'évolution des taux de recombinaison mais aussi sur l'impact de la recombinaison sur la diversité des patrons génomiques tels que le polymorphisme ou la composition en bases des génomes.

mots clés

• Comparative genomics
• Crossover
• Genetic shuffling
• Linkage disequilibrium
• Meiosis

Résumé

Meiotic recombination is a universal feature of sexually reproducing species during which crossovers play a fundamental role for the proper segregation of chromosomes and reshuffling alleles among chromosomes. How much variation in recombination is expected within a genome and among different species remains a central question for understanding the genomic consequences of recombination. We characterised and compared patterns of recombination at a broad scale in a comparative context amongst a large set of flowering plant species. We found two main patterns (with a few exceptions) associated with chromosome length, chromosome structure and gene density. As chromosome size increases, crossovers are distributed towards the periphery which globally corresponds to the underlying gene distribution and affects how efficiently genes are shuffled at meiosis. At a fine scale, we detected 5'-3' gradients of recombination within coding regions in several species presenting a diversity in genomic characteristics and covering a broad phylogenetic scale. Recombination gradients were mainly shaped by the location and intensity of recombination hotspots in 5' and 3' ends of genes and by gene structure itself. Both ends of the transcribed region experience more recombination than the middle of genes which implies more recombination in shorter genes. These results raise new questions on the evolution of recombination rates but also on the impact of recombination on the diversity of genomic patterns such as polymorphism and base composition across and among species.