Variabilité nucléotidique du gène de l'acétyl coenzyme A carboxylase et Signature de sélection par un herbicide chez la plante Alopecurus myosuroides (Huds.)

Introduction - La grande majorité des mutations qui apparaissent dans la nature sont des mutations neutres ou légèrement délétaires - Leur fréquence dépend principalement des phénomènes de dérive génétique - Peu d'études ont démontré l'existence d'une sélection positive à l'échelle locale. - Généralement, les pressions de sélection qui sont étudiées sont anciennes, d'où la difficulté de repérer leur influence au niveau moléculaire.

Introduction Cependant: - Dans les champs cultivés, les herbicides entraînent une pression de sélection puissante, récente, et ciblée sur un ou quelques génes métaboliques. - Les populations de mauvaises herbes sont donc des excellents candidats pour essayer de repérer au niveau moléculaire la signature d'évènements de sélection récents.

Introduction Les auteurs se sont intéressés au système suivant: - Plante Alopecurus myosuroides (« black grass »): - pousse dans les champs de céréales du nord-ouest de l'Europe - allogame et annuelle - Gène codant pour l'acétyl coenzyme A carboxylase (ACCase) - nucléaire - enzyme multidomaine de 250kDa (fonctions biotin-carboxylase, biotin-carboxyl carrier, carboxyl transferase (CT)) - présence d'introns - Herbicide ciblant l'ACCase - se lie au domaine CT (=> mort de l'individu) - utilisé massivement depuis les années 1980 - apparition récente d'allèles conférant une résistance à l'herbicide

Objectifs de l'article Détecter au niveau de la séquence du gène ACCase la signature de la sélection dûe à l'herbicide Pour cela, à travers l'étude de 18 populations de black grass en France: - Etude du polymorphisme du gène Diversité nucléotidique Π, biais de codons, Πa/Πs, « sliding window analysis » - Etude de la diversité inter- et intra-populations Fst, Snn, Test de Mantel - Tests d'écart à la neutralité sélective et à l'équilibre démographique D de Tajima, H de Fay & Wu Déséquilibre de liaison? ça va où ça? - Etude des relations phylogénétiques entre les haplotypes Minimum-spanning network

Résumé du polymorphisme du gène ACCase 1. Etude du polymorphisme du gène Résumé du polymorphisme du gène ACCase

1. Etude du polymorphisme du gène 86 individus 172 séquences 3396pb alignées 72 haplotypes identifiés 92 sites polymorphes Etude du biais de codon: ENC = 52,04 => pas de biais de codon Diversité nucléotidique globale : π = 0.00388 Mutations non synonymes / synonymes: πa/ πs = 0.0645 <1 -> Sélection purificatrice

1. Etude du polymorphisme du gène Analyse « Sliding-window » de la diversité CT Le domaine CT est très conservé entre les espèces (92.4% d’identité) et au sein de black grass. Concentrations des substitutions d’acides aminés dans le domaine CT. La majorité de ces substitutions sont connues pour conférer la résistance à l’herbicide. La séquence de ce gène est très conservée, ce qui est cohérant avec une sélection purificatrice en absence d’herbicide (l’ACCase est une enzyme vitale) Les rares mutations qui sont sélectionnées sont celles conférant la résistance à l’herbicide

2. Etude de la diversité intra- et inter-populations Etude sur 8 populations avec au moins 4 individus par population Diversité moyenne intra-population = 0.0228 (plus faible que la diversité globale) Fst = 0.416: Différenciation étonnamment importante pour une plante allogame et annuelle Snn = 0.6415 (significatif pour 27 paires sur 28) Test de Mantel: ne détecte pas de relation entre la différenciation génétique et la distance géographique. On a une forte différenciation des populations, ce qui est contradictoire avec la biologie de cette plante. Il semble qu’il existe donc une sélection diversifiante et/ou locale, qui pourrait s’expliquer selon 2 hypothèses: - Le gène ACCase est en déséquilibre de liaison avec un autre gène - Le gène ACCase est lui-même soumis à une sélection diversifiante/locale. Cette sélection agirait sur les mutations conférant la résistance à l’herbicide.

Objectif: chercher la signature d’un évènement de sélection 3. Tests d’écarts à la neutralité sélective et à l'équilibre démographique Objectif: chercher la signature d’un évènement de sélection - Test D de Tajima: (θπ = nombre moyen de différences entre 2 séquences θs = nombre de sites polymorphes) Si D<0  excès de mutations rares par rapport à un modèle d’évolution neutre et d’équilibre démographique, interprété comme de la sélection positive Si D>0  sélection balancée - Test H de Fay & Wu: (θH = estimateur de diversité nucléotidique basé sur la fréquence des allèles dérivés) Si H <0 et très différente de 0  excès d’allèles dérivés suite à sélection positive avec effet d’entraînement

3. Tests d’écarts à la neutralité sélective et à l'équilibre démographique D < 0 ou proche de 0 => Sélection positive, effet d’entraînement (hitchhiking) ou expansion démographique H < 0 (significatif pour 5 haplotypes sur 8) (séquence ancestrale = LF85) Sélection positive en cours avec effet d’entraînement De plus, ils détectent un déséquilibre de liaison chez 284 paires sur 2145 testées (significatif avec un test de Fischer). Ces tests permettent de conclure à une sélection positive avec effet d’entraînement récente et en cours.

4. Etude des relations phylogénétiques entre les haplotypes « Minimum spanning network » réalisé avec les 38 haplotypes non recombinants (après élimination de 34 recombinants) Obtention de 3 clusters centrés autour de 3 haplotypes: - 1 cluster regroupant la mutation Lys-to-Arg - Les mutations Ile-to-Leu et Ile-to-Asn se retrouvent dans les 3 clusters (ces 3 mutations confèrent la résistance) Les 3 mutations sélectionnées conférant la résistance à l’herbicide sont apparues de façon indépendante

Conclusions Le gène ACCase est soumis à une sélection purificatrice en raison de sa fonction vitale pour la plante. Suite à l’utilisation d’herbicide depuis 15 générations, les rares mutations qui sont sélectionnées sont celles conférant une résistance. Ces allèles sont apparus de façon indépendantes, soit par mutation de novo, soit par migration. Cet article met en évidence pour la première fois une sélection positive récente et en cours sur les haplotypes résistants. De plus, les populations sont très différenciées au niveau de ce gène, ce qui est contradictoire avec la biologie de la plante (allogame annuelle). Il semblerait qu’on ait donc une sélection diversifiante à l’échelle locale.