Polyploïdisation et évolution des génomes polyploïdes

Polyploidie chez les Plantes Processus très common : Associé à l’origine de nouvelles espèces L’évolution des plantes 70% des angiospermes ont eu au moins un évènement de polyploidisation

Une espèce/forme polyploïde contient plus de deux jeux complets de chromosomes Le nombre de chromosomes de l’organisme est un multiple (>2) du nombre chromosomique de base Haploïde x=5 Diploïde 2x=10 Triploïde 3x=15 Pentaploide (5x) Hexaploide (6x) Heptaploide (7x) Octaploide (8x) …. Tétraploïde 4x=20

Monoploidie Abeilles mâles, guèpes, fourmi Développement d’oeufs non fécondés un seul set de chromosomes production de gamètes par mitoses Généralement létal dans les autres systèmes si l’individu survit jusqu’à l’age adulte, pas de méiose, stérilité

Et en ce qui concerne les plantes ? Monoploidie est souvent utilisée : identification de gènes mutés

Sélection de plantes résistantes à un herbicide

Mitose normale (en haut) et sous l’influence de la colchicine (en bas) (Müntzing, 1961)

Comment se forment les espèces polyploides production de gamètes non réduites: doublement somatique

Formation des gamètes non réduites 1ére division méiotiqie 2éme division méiotiqie Gamètes d’après Bretagnolle & Thompson, 1995 pas de formation du cytosquelette à la télophase 1 ou à la fin de la deuxième division

Exemple de doublement somatique : Polyploïdisation induite: doublement de jeunes zygotes par endomitoses augmentée par *des agents physiques (choc thermique), *des agents chimiques (colchicine = agent mitoclasique qui inhibe la polymérisation des fibres du fuseau achromatique; caféine = inhibiteur de la cytokinèse)

Deux origines pour les polyploides AUTOPOLYPLOIDE : duplication des chromosomes au sein de la même espèce Pomme de terre - 4x - 48 chromosomes Banane – 3x – 33 chromosomes Cacahuète – 4x – 40 chromosomes Patate douce – 6x– 90 chromosomes ALLOPOLYPLOIDE : Hybridation entre deux ou plusieurs espèces Tabac – 4x – 48 chromosomes Coton – 4x – 52 chromosomes Blé tendre – 6x – 42 chromosomes Avoine – 6x – 42 chromosomes Canne à sucre – 8x – 80 chromosomes Fraise – 8x –56 chromosomes

Autopolyploide vs. Allopolyploide Espèce 2x AA 2n=2x=10 Espèce 2x AA 2n=2x=10 Espèce 2x AA 2n=2x=10 Espèce diploïde BB 2n=2x=12 + + Espèce autotétraploïde 2n=4x=20 Espèce allotétraploïde 2n=4x=22 AABB AAAA autoP = duplication du même génome Origine monophylétique alloP = association de génomes différents Origine polyphylétique

D’autres espèces allopolyploïdes cultivées : arbres fruitiers: prunier domestique céréales : blé tendre, blé dur, avoine, … colza, autres Brassica, D’autres espèces autopolyploïdes cultivées : arbres fruitiers: Orangers, citronniers, mandariniers Plantes fourragères : trèfles, luzerne, certaines fétuques, dactyle, ray-grass (forme naturelle = diploïde) betterave plantes ornementales: Forsythia

Formation des autopolyploides * Formation spontanée : Non-disjonction des chromosomes au moment de la méiose Formation artificielle : Plantes triploïdes produites par des croisement entre diploides et tétraploides 2x X 4x = descendance 3x (stérile, fruits sans graine) Plantes tétraploïdes produites par traitement à la colchicine

Formation de 2 classes d’autopolyploides Suivant le nombre de chromosomes homologues: Nb pair : organisme potentiellement fertile, car séggrégation égale des homologues pd la méiose Nb impair : organisme majoritairement stérile car la séggrégation est souvent inégale pd la méiose

La probabilité qu’une méiose génère des gamètes équilibrés est (½)x-1 Non équilibré La probabilité qu’une méiose génère des gamètes équilibrés est (½)x-1 où x = nombre de chromosome haploide

Formation des Allopolyploides Hybride produit entre 2 ou plus de 2 espèces proches Les chromosomes sont partiellement homologues (homéologues) Exemple : a. fusion entre 2 gamètes haploides entre l’espèce 1 et l’espèce 2 Production : plante hybride N1+N2 : stérile (pb méiose) b. Dans de rares cas, des erreurs de division ou des chocs thermiques produisent un doublement des chrs : 2(N1+N2) : méiose normale Production de plantes fertiles : allotétraploïdes

Karpechenko (1928) Espèces différentes Nb haploide (x) = 9 Chromosome non appariés 2 a ‘chance’ chromosome doubling Espèces différentes 1 2 Nb haploide (n) = 18 1 2 Amphidiploides = ensemble de chromosomes non identiques chez l’allopolyploide

L’histoire évolutive du blé Blé diploïde sauvage Triticum urartu Blé diploïde Sauvage Aegilops speltoides? 14 chrs AA 14 chrs BB

L’histoire évolutive du blé Blé diploïde sauvage Triticum urartu Blé diploïde Sauvage Aegilops speltoides? 14 chrs AA 14 chrs BB Hybridation suivie d’une endoréplication Blé tétraploïde Sauvage T. Turgidum 28 chrs AABB

L’histoire évolutive du blé Blé diploïde sauvage Triticum urartu Blé diploïde Sauvage Aegilops speltoides? 14 chrs AA 14 chrs BB Hybridation suivie d’un doublement chrs Blé tétraploïde Sauvage T. Turgidum 28 chrs AABB Blé dur cultivé T. Turgidum 28 chrs AABB Blé diploïde Sauvage T. Tauschii 14 chrs DD Hybridation suivie d’un doublement chrs 9000 ans avant JC Blé héxaploïde T. Aestivum 42 chrs AABBDD

Amphidiploidie in Brassica 3rd parental species 2 parental species

Différents types de variation du nombre de chromosomes Variations du nombre s’accompagnant d’une variation de la quantité d’ADN Aneuploïde: un ou quelques chromosomes en plus ou en moins Hypoaneuploïdes = des K en moins Nullisomie = une paire de K en moins (2n -2 K) Monosomie = un des K en un seul exemplaire (2n -1 K) Hyperaneuploïdes = des K en plus Trisomie = un des K en 3 exemplaires (2n +1 K) Tétrasomie = un des K en 4 exemplaires (2n +2 K)

GISH (genomic in situ hybridisation) Chromosomes of an intergeneric hybrid between S.officinarum and Erianthus arundinaceus after genomic in situ hibridization using S.officinarum total DNA detected in green and E.arundinaceus total DNA detected in red

Homologie vs Homéologie Autopolyploide vs. Allopolyploide Espèce autotétraploïde AAAA Espèce allotétraploïde AABB I II III IV V I II III IV V I II III IV V I’ II’III’IV’V’VI’ I II III IV V I II III IV V I II III IV V I’ II’III’IV’V’VI’ 2x2 K homologues 4 K homologues K homéologues à la méiose, multivalents (zygotène-pachytène) puis migration aléatoire (résultat varie selon parité du multivalent) à la méiose, bivalents entre les K homologues méiose régulière et fertilté réduction de fertilité en principe, mais… sélection de mécanismes de restauration de la fertilité

Homologues : Orthologues et Paralogues L’HOMOLOGIE : relation entre deux structures, régions chromosomiques, gènes, segment ADN ayant un ancêtre commun L’HOMEOLOGIE peut être définie comme l’état de génomes, chromosomes, régions chromosomiques ou gènes qui étaient homologues dans un ancêtre commun, qui ont divergé, et qui sont réunis au sein d’une même structure polyploïde Ancêtre commun Homologue Divergence (spéciation) Orthologue Duplication au sein du génome et évolution du segment = Paralogue Allopolyploïdisation Homéologue (même fonction)

Orthologues vs paralogues Quand on compare des séquences de gènes, il est important de distinguer entre les séquences identiques vs. similaires de différents organismes Les gènes orthologues sont des gènes homologues (descendance d’un ancêtre commun) d’espèces différentes et qui ont une même fonction analyse des gènes orthologues par microsynténie (sens strict et vs. Colinéarité = étude d’un ensemble de loci chez deux espèces différentes, loci qui sont sur le même K et dont l’ordre est conservé) Les gènes paralogues sont issus de duplication à l’intérieur d’un génome

Espèce octoploïde Espèce diploïde A4 A3 A2 A A1 X2 X1 B B1 C2 C1 C D2 Fc+r/Mc+r Fc+r/Mc+r Fc+r/Mc+r Fc+r/Mc+r A4 A A2 A3 A1 X2 X1 B B1 C2 C1 C D2 D1 D LG z LG w LG x LG y LG1 Groupe d’homéologie

Conséquences sur la méiose et la fertilité des polyploïdes Homologie vs Homéologie Au sein d’un génome diploïde, AA, les chromosomes homologues s’apparient à la méiose = recombinaison homologue K homologue = K présentant la même succession de gènes Chez un allopolyploïde AABB, les deux génomes A et B sont homéologues et ne présentent pas la même succession de gènes. Pas de recombinaison homéologue Cas intermédiaires entre ces deux extrêmes quand similarités entre A et B

Les polyploides selon leur comportement méiotique : formation de bivalents Gamètes Méiose Génome A Génome B chromosomes homologues chromosomes homéologues Exemple polyploïde 2n=4x AABB DISOMIE Génome A Appariement préférentiel Méiose Gamètes POLYSOMIE (bivalents) Appariement aléatoire appariement préférentiel = disomie appariement aléatoire = polysomie plus grand nombre de combinaisons possibles

Conséquences cytologiques et cytogénétiques Attendu (association possible des K hom(é)ologues) Observations – comportement méiotique

Contrôle Génétique de l’appariement des chromosomes Recombinaison homologue et homéologue La recombinaison homéologue est le plus souvent nuisible. Elle conduit à la formation de multivalents et univalents. Elle est observée chez les nouveaux polyploïdes et contribue probablement à la restructuration du génome. Elle contribue à la différentiation des génomes parentaux conduisant à terme à l’établissement d’un méiose type diploïde. Elle est rarement observée chez les allopolyploïdes établis.

Contrôle Génétique de l’appariement des chromosomes Presence de gènes contrôlant l’appariement préférentiel (pairing control genes, PCGs) chez de nombreuses espèces allopolyploides Processus assurant la diploïdisation cytologique

XY XY-1 Contrôle Génétique de l’appariement des chromosomes Exemple: Il y a plus d’appariements entre homéologues chez les plantes nullisomiques que chez leur correspondants euploides pcg XY XY-1 Faible appariement homéologue Appariement homéologue Euploïde : lorsque le caryotype est composé d'assortiments haploïdes complets de chromosomes. Nullisomique : lorsqu’il manque un chromosome

Triticum aestivum (AABBDD; 2n=42)  Un gène majeur PCG situé sur le groupe 5B = Ph1 A côté de ce gène majeur, il existe des gènes mineurs Molecular characterization of Ph1 as a major chromosome pairing locus in polyploid wheat Griffiths et al. 2006 Nature vol 439

La cartographie chez les polyploïdes

Rassemblement des groupes homéologues de la canne à sucre (HG3 et HG8) et leur alignement avec un groupe de liaison du sorgho (LG C) Sorgho Canne à sucre

Relation entre les homéologues chez le soja (soybean, Glycine max) soja, 2x=2n=40, paléo-tétraploid Lee et al 2001 TAG

Modèle d’un paléo-octoploide conduisant au soja actuel 4 blocks liés d’un point de vue évolution (correspondent à une seule région chez Arabidopsis) Pa2 A069 A069 Pa1 A162 A162 Duplication après divergence du soja des autres légumes Pa1 A069 A162 A069 A162 Pa2 A069 ancêtre légume A162 Duplication du génome (divergence, réarrangements) Pa

Comparative Mapping Between Arabidopsis thaliana (2n=10) and Brassica nigra 2n=16 Le génome de Brassica a évolué avec de nombreux évènements de duplication accompagnés de fusion de chromosome et de réarrangements fréquents

Démarche pour la cartographie génétique chez les polyploïdes Génome A Génome B chromosomes homologues chromosomes homéologues Exemple polyploïde 2n=4x AABB DISOMIE Méiose Appariement préférentiel POLYSOMIE (bivalents) Appariement aléatoire Gamètes plus grand nombre de combinaisons possibles Appariement des chromosomes à la méiose (quand il y a formation de bivalents)

Création de groupes d’homéologies Espèce diploïde LG1 F c+r/M c/r Espèce octoploïde LG w Fc+r/Mc+r LG x LG y LG z Groupe d’homéologie A B1 C1 A4 C2 A3 A2 A1 C B D D1 D2 X1 X2 Les groupes de liaison sont assemblés en groupe d’homéologie

deux chromosomes homologues Appariement des chromosomes à la méiose Disomie vs. Polysomie Conséquences en génétique Exemple chez un tétraploïde deux chromatides sœurs centromère A a deux chromosomes homologues un chromosome

Ségrégation chez une espèce tétraploïde Exemple d’un simplex Aaaa (Aa aa) A a a a K homologues K homologues 1- Ségrégation non aléatoire des chromosomes DISOMIE K homeologues A a Aa aa Aa aa Gamètes = 1/2 Aa 1/2 aa

Ségrégation chez une espèce tétraploïde 2- Ségrégation aléatoire des chromosomes POLYSOMIE Exemple d’un simplex Aaaa (single dose) A a a a A a K homeologues aa Aa Aa aa Gamètes = 1/2 Aa 1/2 aa Même proportion que disomique aa Aa

Ségrégation chez une espèce tétraploïde 1- Ségrégation non aléatoire des chromosomes DISOMIE Exemple d’un duplex AAaa (Aa Aa) A a A a K homologues K homologues A a K homeologues AA aa Aa aA Gamètes = 1/4 AA 1/2 Aa 1/4 aa

Ségrégation chez une espèce tétraploïde 2- Ségrégation aléatoire des chromosomes POLYSOMIE Exemple d’un duplex AAaa A A a a K homeologues A a aa AA Aa Aa Aa Aa Gamètes = 1/6 AA 4/6 Aa 1/6 aa

BILAN

Ségrégation chez une espèce tétraploïde. Marqueurs en couplage 1- Ségrégation non aléatoire des chromosomes DISOMIE Exemple de (AB ab ab ab) B A b a b a b a K homologues K homologues K homeologues K type parents K recombinés K type parental et recombinés AB ab Ab aB ab AB ab ab ab Ab ab aB ab

Conséquences instantanées de la polyploidisation Effets nucléotypiques (conséquences biophysiques) Augmentation de la taille de la cellule (effet de gigantisme) parfois, effet de compensation à l’échelle de l’organe avec une diminution du nombre de cellules par organe (intérêt chez les espèces fourragères polyploïdes: meilleure valeur nutritive et digestibilité car pour un même volume de tissus, moins de parois (lignine) et davantage de vacuoles (eau et composés solubles)) (2x < 4x naturels < 4x synthétiques) Modification du taux de diffusion d’un certain nombre de molécules à travers la membrane cellulaire et notamment les gaz Durée plus longue des cycles de la mitose et de la méiose. D’où une plus grande fréquence d’espèces annuelles diminue chez les polyploïdes

Feuilles de Trèfles violet diploïde (en haut) et tétraploïde (en bas) (Elliott, 1958) Effet du gigantisme Fleurs de Trèfle blanc diploïde (gauche) et tétraploïde (droite) (Elliott, 1958) Fruits diploïdes (en haut) et tétraploïdes (en bas) de pommes de la variété MacIntosh (Müntzig, 1961)

Effet du gigantisme limité à un certain degré de ploidie 6 à 10 Talles de Fléoles (Phleum pratense) de divers niveaux de ploïdie (3x à 13x) (Elliot, 1958) De gauche à droite: 3x=21, 4x=28, 5x=35, 6x=42, 7x=49, 8x=56, 9x=63, 10x=70, 11x=77, 12x=84, 13x=91)

Effets génétiques (liés à l’information contenue dans l’ADN multiplié) Effet dosage : Augmentation du nombre de copies d’un locus Un diploïde possède deux copies de chaque gène Un polyploïde possède p copies de chaque gène avec un effet additif possible des allèles codominants.

Effets génétiques (suite) Haut niveau d’hétérozygotie: Augmentation de la diversité allélique accompagnée de l’augmentation de l’hétérozygotie. Observation chez les néopolyP d’une grande diversité génétique par des restructurations internes telles que addition ou délétion d’ADN parental Masquage des allèles délétères : Possibilité d’expression des allèles délétères récessifs plus faible chez un polyP que chez un diP

Effets génétiques (liés à des modifications sur le génome qui interviennenent très rapidement dans les générations qui suivent la formation du polyploïde) Perte ou gain d’ADN Recombinaison homéologue Réarrangement d’ADN, points de mutations Elimination de séquences Ce mécanisme résulterait de délétions intrachromosomales et constituerait une étape vers la constitution de chromosomes homologues pour un appariement type diploïde (homoL/homoL)

Exemple de changement génomique: perte et acquisition de nouvelles bandes A B Croisement A. : Ae. sharonensis (TH) (S l S l ), Ae. umbellulata (TU) (UU), hybrids interspécifique F1 (S1U) et descendant de l’allotétraP S1 (S1S1UU) Croisement B. : Ae. longissima (TL) (S l S l ), T. urartu (TU) (AA), hybride interspécifique F1 (S1A) et descendant de l’allotétraP S1 (S1S1AA) disparition d’une bande chez l’allotetraploide; disparition d’une bande chez le F1 et maintien chez l’allotetraploide plant; évènement rare: apparition d’une bande chez l’hybride F1

Polyploïdie chez le Cotton Gossypium hirsutum et G. barbadense (AADD) Contribution inégales des gènes dupliqués par polyploïdie Gènes homéologues exprimés chez les diploïdes (A et D) et chez l’alloP (AADD) (g, contrôle) Adams et al, PNAS, 2003 cDNA SSCP: Expression similaire des homéologues A et D chez l’alloP pour fig C, D et E. Expression modifiée des homéologues A et D chez l’alloP pour fig F et G.

Effets épigénétiques (répression ou dérépression de l’expression de gènes, mouvements de transposons) Méthylation Histone acétylation

Exemple de changement épigénétiques: Modification du pattern de méthylation Ae. sharonensis (TH) (SlSl) T. monococcum ssp aegilopoides (TMB) (AmAm) F1 hybrid (F1) allotetraploid (S1) Utilisation de la technique de MSAP: Methylation-Sensitive Amplification Polymorphism, digestion avec des enzymes de restrictions isoschizomers (diffèrent par leur S à la méthylation) HpaII (H) and MspI (M) en combinaison avec EcoRI.

Changement épigénétiques Modifications des intéractions des facteurs de régulation AA et A'A' représentent deux génomes diploïdes qui ont contribué à la constitution du polyP AAA'A'. Les flèches représentent des facteurs de régulations, chacun codé par des gènes différents et qui interagiraient avec le gène X ou le gène X'.

Phenotypes intermediare chez l’hybride A. suecica (A. s. ) (A Phenotypes intermediare chez l’hybride A. suecica (A.s.) (A. thaliana (A.t.), A. arenosa (A.a)) Dominance nucléaire dûe à un silencing sélectif d’un des jeux des gènes d’ARNr. Expression chez l’alloP A. suecica, des gènes d’ADNr de A. arenosa (l5); les gènes d’ARNr d’A. thaliana sont silencés (l8) Gènes d’ARNr hérités des deux progéniteurs chez l’alloP, A. suecica.

Modification intervenant chez les polyploides (d’après Osborn et al., Trends in Genetics, 2003.

Evolution des polyploides nouvelle expression de gènes Création d’un nouveau polyploïde Problème de fertilité : Perte de chromosomes car pas ou trop de partenaires Le polyP est instable Analyse des allopolyploïdes naturels et des allopolyploïdes synthétiques sur plusieurs générations Rapides changements génétiques et épigénétiques Vers l’obtention d’un polyP stable