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UMR GDEC

UMR 1095 Génétique Diversité et Ecophysiologie des Céréales

Quelques résultats majeurs de l'équipe

Introduction sur l’aspect structural

Chez le blé tendre, comme chez la plupart des espèces, la recombinaison apparaît à une fréquence assez faible (en moyenne 2,29 crossing over par chromosome soit un peu plus d’un par bras). De plus, son intensité est variable à l’échelle du chromosome où elle augmente graduellement avec la distance au centromère (Lukaszewski & Curtis,1993, Theor Appl Genet 85:121–127) et varie rapidement à l’échelle locale (Saintenac et al, 2010, Chromosoma sous presse). Cependant, cette propriété ne peut pas être généralisée et des forts taux de CO peuvent être identifiés ailleurs que dans les régions télomériques. Cependant, si ces données ont contribué à améliorer les connaissances sur l’aspect structural de la recombinaison, d’autres études doivent être faites pour continuer à éclaircir certains points, ce qui constituera la suite du projet de recherche.

a. Distribution des évènements de CO le long du chromosome 3B
Les principaux résultats (Saintenac et al (2009) Genetics 181: 393-403) sont résumés dans la figure ci-jointe. Le nombre de CO par gamète est de 1,6 ce qui est conforme aux données de la littérature connues pour ce chromosome. Le ratio moyen de distance génétique sur distance physique est de 0,18 cM/Mb ce qui est conforme à la moyenne du génome. Cependant, cette valeur est faible comparée à d’autres espèces comme l’humain (1,1 cM/Mb), le riz (4,1 cM/Mb), l’arabette (4,8 cM/Mb) ou l’abeille (19 cM/Mb). Le gradient attendu de recombinaison est bien confirmé avec 90% des CO dans seulement 40% du chromosome et 27% de la partie centromérique totalement dépourvue de recombinaison. Par contre, nous avons identifié un résultat original avec une décroissance de la recombinaison au niveau de la partie la plus distale, la recombinaison apparaissant vraisemblablement dans la partie sous-télomérique.

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b. Influence du sexe sur la recombinaison
L’hétérochiasmie c’est-à-dire la différence entre recombinaison mâle et femelle, est un phénomène commun chez les animaux et les végétaux, le cas le plus frappant étant l’absence de recombinaison chez la Drosophile mâle. Chez les mammifères, la recombinaison femelle est systématiquement plus importante. Au contraire, chez certaines espèces végétales comme l’arabette ou le pin, c’est la recombinaison mâle qui est prédominante. Chez les céréales, la situation est plus contrastée avec dans certains cas une absence de différence entre les deux sexes ou alors des exemples où la recombinaison est favorisée soit chez le mâle, soit chez la femelle.
Dans cette étude, nous avons analysé et comparé la distribution des CO sur deux populations différentes issues du même croisement entre les variétés Courtot (variété développée à l’INRA de Clermont-Ferrand de bonne qualité boulangère) et Chinese Spring (variété de référence internationale choisie pour le séquençage du génome). Ces deux populations sont dérivées soit par androgénèse (recombinaison dans les gamètes mâles) soit par gynogénèse (recombinaison dans les gamètes femelles). La distribution des CO a été analysée à l’aide de 32 marqueurs communs aux deux populations. Les principaux résultats (Saintenac et al (2009) Genetics 181: 393-403) sont résumés dans la figure ci-jointe. Au niveau du chromosome entier, il n’y a pas de différence entre la recombinaison mâle et femelle. Le nombre moyen de CO (1,82 chez le mâle et 1,87 chez la femelle) est quasiment identique et les deux cartes génétiques sont de taille équivalente. En revanche, une analyse statistique plus détaillée, intervalle par intervalle, a été conduite. Celle-ci montre que certains intervalles montrent une recombinaison mâle supérieure (en bleu) alors que d’autres montrent l’inverse (recombinaison femelle en rouge) ce qui explique l’absence de différence au niveau du chromosome entier. Ce résultat demande à être confirmé dans d’autres croisements ainsi qu’à la lumière de la séquence complète du chromosome.

c. Influence de l’interférence sur la recombinaison
Chez tous les eucaryotes, la distribution des CO n’est pas homogène et ils sont soumis à un facteur appelé « interférence » qui peu être défini comme une variation de la probabilité d’apparition d’un CO dû à la présence d’un autre CO dans son voisinage. Les CO sont donc espacés plus régulièrement qu’attendu s’ils étaient indépendants. L’existence du phénomène d’interférence a été confirmée chez toutes les espèces sauf chez une levure (Schizosaccharomyces pombe) et un champignon filamenteux (Aspergillus nidulans). L’interférence peut être négative ou positive selon qu’elle favorise ou défavorise l’apparition d’un nouveau CO.
Dans cette étude, nous avons exploité les cartes génétiques développées à partir des croisements entre Courtot et Chinese Spring pour étudier l’influence du sexe sur la recombinaison afin d’évaluer pour la première fois la présence et la force de l’interférence chez le blé. Cette analyse fait appel à des modèles mathématiques complexes développés en collaboration avec l’INRA du Moulon (O Martin et M Falque). Les principaux résultats (Saintenac et al (2009) Genetics 181: 393-403) sont résumés dans la figure ci-jointe. Les valeurs d’interférences varient entre 1,2 et 3,5 ce qui est similaire aux valeurs identifiées chez d’autres espèces comme la tomate (1,6), l’humain (2,3) ou l’arabette (4,6). Celle-ci est d’autant plus forte que les distances entre CO sont faibles (Figure). Elle est quasiment totale à des distances inférieures à 10 cM. En revanche, elle s’atténue au fur et à mesure que la distance s’accroît pour disparaître lorsque les distances sont supérieures à 45 cM. Un résultat original indique que ce paramètre agit même de part et d’autre du centromère, un CO sur un bras dans le voisinage du centromère pouvant inhiber la formation des CO sur l’autre bras. Cela suggère donc que la formation des CO sur les deux bras n’est pas indépendante.

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d. Influence du contenu de la séquence sur la recombinaison
Jusqu’à présent, aucune corrélation claire n’a été identifiée entre le taux de recombinaison et la composition de la séquence c’est-à-dire le contenu en gènes et en séquences répétées chez aucune espèce. Cette question a été soulevée chez l’humain où les taux de recombinaison sont significativement corrélés avec la structure cytogénétique de l’ADN et la composition de la séquence (contenu en GC en particulier). Chez le riz comme chez le maïs, les points chauds de recombinaison sont généralement associés à la densité en gènes. A contrario, chez l’arabette une analyse fine n’a pas permis de mettre en évidence le même type d’association.
Dans cette étude, nous avons profité du séquençage massif entrepris au laboratoire de 13 contigs soit plus de 18 Mb de séquence (Choulet et al (2010) Plant Cell 22: 1686–1701) pour analyser finement l’une d’entre elle (le contig 954 (ctg0954b), 3.110 Mb, FN564434) montrant un taux de recombinaison quatre fois supérieur à la moyenne dans la population issue du croisement entre Chinese Spring et Renan (CsRe) mais seulement deux fois supérieur dans la population issue du croisement entre Chinese Spring et Courtot (CsCt). La disponibilité de la séquence nous a permis de développer un grand nombre de marqueurs (plus de 300) de différents types (microsatellites, ISBP, SNP). Les principaux résultats (Saintenac et al (2010) Chromosoma DOI: 10.1007/s00412-010-0302-9) sont résumés dans les figures ci-jointes. Le criblage des deux populations F2 de grande taille (environ 2 000 individus chacune) à l’aide des deux marqueurs flanquant la séquence de ctg0954b a permis d’identifier 78 évènements de CO dans la population CsRe et 35 dans la population CsCt. L’analyse fine de la région avec une dizaine de marqueurs bien répartis (Figure 1) permet de constater que la recombinaison n’est pas homogène le long de la séquence mais qu’elle est néanmoins bien conservée entre les deux populations. La fréquence de recombinaison dans cette région est corrélée au contenu en gènes chez Chinese Spring ainsi qu’avec le taux de polymorphisme entre les parents respectifs des deux populations. La dissection fine de la région montrant le plus fort taux de recombinaison (Figure 1, région 9, 2.77 cM/Mb) montre que les évènements de CO sont localisés dans un espace restreint couvrant seulement 2.38 kb (Figure 2) et contenant un gène codant pour une glycosyl transférase (Hga3) ce qui suggère qu’il s’agit d’un point chaud de recombinaison, hypothèse confirmée par une analyse du déséquilibre de liaison (DL) au niveau de ce gène. Des données de séquençage de ce gène Hga3 nous ont également permis de caractériser le premier évènement de conversion génique chez le blé qui couvre entre 450 et 1 100 pb. Nos résultats suggèrent que le contenu en gènes pourrait être un facteur majeur pilotant la recombinaison chez le blé tendre.


e. Résultats préliminaires sur la famille Rad51

Nous avons réalisé quelques études préliminaires sur quatre gènes de la famille Rad51 (Rad51, Rad51B, Rad51C, Xrcc3) visant à étudier les différences de séquence entre les copies homéologues et les hypothèses d’évolution de ces gènes. Nous avons utilisé l’information des séquences provenant des espèces modèles pour définir des amorces et amplifier les trois copies homéologues de ces gènes. Les amplicons ont ensuite été séquencés et comparés afin d’identifier des mutations ponctuelles spécifiques de chacune des trois copies. Par la suite, des amorces spécifiques ont été définies afin d’amplifier chaque copie individuellement pour les assigner aux différents chromosomes à l’aide des lignées aneuploïdes de Chinese Spring. Une analyse phylogénétique des séquences d’arabidopsis, de vigne, de riz, de maïs et de blé issues des bases de données montre une dichotomie claire entre monocotylédones et dicotylédones ce qui suggère des copies très divergentes entre les deux familles. Au sein des monocotylédones, les quatre gènes se séparent en deux groupes : le gène Rad51 d’un côté et de l’autre, ses paralogues Rad51B, Rad51C et Xrcc3, Rad51B étant plus proche de Xrcc3 que ne l’est Rad51C. Pour le gène Rad51, la copie de blé trouvée dans les bases de données s’associe avec la copie B des gènes de riz et de maïs suggérant une origine commune. L’amplification de ces gènes sur les pools de la banque BAC de Chinese Spring donne un nombre de produits d’amplification correspondant à trois copies homéologues pour les gènes Rad51 et Xrcc3 et à six copies homéologues pour les gènes Rad51B et Rad51C. Ce résultat est original car il suggère que le gène Rad51 qui est présent en deux copies chez le riz et chez le maïs n’est présent qu’en une copie chez le blé. Une copie aurait donc été perdue chez le blé depuis la divergence de ces trois espèces. L’analyse des séquences partielles de ces quatre gènes montre une absence de divergence au niveau du gène Xrcc3 alors que les trois autres gènes présentent entre cinq et 20 SNP. A chaque fois, ces SNP permettent de différencier les trois copies homéologues. Cependant, ils ne sont localisés dans la séquence codante que pour Rad51 et Rad51C. Ces résultats suggèrent que pour Xrcc3 et Rad51B, les trois copies homéologues pourraient être fonctionnelles alors qu’il existe une diversité pour Rad51 et Rad51C qui pourrait être indicative d’une variabilité de fonction. L’assignation des copies des trois gènes présentant une variation des séquences homéologues sur chromosomes du blé montre que Rad51 n’est pas localisé en position synténique par rapport aux copies du riz et du maïs alors que c’est le cas pour Rad51B et Rad51C. Les résultats suggèrent même que Rad51B et Rad51C dériveraient d’un gène ancestral commun. Ces résultats sont particulièrement encourageant et justifie de poursuivre les études d’évolution et d’expression des gènes de méiose.