Caractérisation de génomes mosaïques de plantes cultivées : évaluation méthodologique et application aux bananiers

Cottin Aurélien. 2020. Caractérisation de génomes mosaïques de plantes cultivées : évaluation méthodologique et application aux bananiers. Montpellier : Montpellier SupAgro, 167 p. Thèse de doctorat : Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau : Montpellier SupAgro

Encadrement : Yahiaoui, Nabila ; Gautier, Mathieu

Résumé : De nombreuses plantes cultivées sont issues d'évènements d'hybridations intersubspécifiques qui sont associés à leur processus de domestication et leur diversification. C'est, par exemple, le cas des bananiers cultivés qui sont des hybrides diploïdes ou triploïdes, propagés par multiplication végétative et issus d'hybridations entre des sous-espèces et des espèces du genre Musa, réparties dans différentes régions et îles du Sud-Est asiatique. Les génomes résultant de ces hybridations ont une structure en mosaïque de séquences d'origines ancestrales différentes qui peut être caractérisée par des méthodologies d'inférence locale des états ancestraux (ILEA). Ces méthodologies ont été développées principalement dans le cadre de la génétique humaine, pour des contextes qui ne sont pas forcément compatibles avec ceux de certaines plantes cultivées. L'objectif des travaux de thèse était d'évaluer et d'appliquer des méthodologies pour élucider les structures mosaïques de génomes de plantes cultivées avec le bananier en tant que cas d'étude. Un programme permettant de simuler des données de génotypage et de comparer des résultats d'inférence locale a été mis en place pour évaluer l'impact de différentes caractéristiques possibles de jeux de données de plantes non modèles sur les performances de méthodes d'ILEA. Trois méthodes d'ILEA publiées ont été comparées via les simulations. Cela a montré que des niveaux élevés de différenciation entre les populations ancestrales ainsi qu'un nombre limité de générations après les évènements d'hybridation permettent une inférence ancestrale plus exacte par les méthodes d'ILEA. Par ailleurs, l'exactitude de l'inférence par ces méthodes a été modérément affectée par un faible nombre de représentants de populations ancestrales, la variation du nombre de populations ancestrales, par l'autofécondation chez une population ancestrale et la multiplication végétative chez les individus hybrides. Ces méthodes peuvent donc être utilisées pour l'inférence ancestrale chez des plantes cultivées si toutes les populations ancestrales sont représentées dans les jeux de données. Dans un second temps, des données SNP obtenues à partir du reséquençage de 115 accessions de bananiers diploïdes ont été analysées. Ces accessions comprennent des bananiers sauvages de diverses espèces et sous-espèces du genre Musa et des bananiers cultivés. Une approche basée sur la détermination de ratios de couverture allélique a été utilisée pour sélectionner des individus non ou peu introgréssés, représentants de groupes génétiques ancestraux connus des bananiers cultivés. Cette approche permet de visualiser une origine ancestrale locale à partir de groupes génétiques représentés et a permis aussi la détection de zones du génome des bananiers qu'il n'a pas été possible d'assigner à une origine et qui pourraient être issues de groupes génétiques inconnus. Cela confirme des travaux récemment publiés sur l'existence d'un ou deux contributeurs ancestraux des bananiers cultivés pour lesquels des représentants n'ont pas encore été identifiés. Un sous-jeu de données de 14 accessions cultivées, sans introgressions visibles de contributeurs inconnus, a été analysé par les trois méthodes d'ILEA. Deux d'entre elles ont montré des résultats d'inférence fortement corrélés et des profils de mosaïques similaires à ceux obtenus avec les ratios alléliques. Cela tend à montrer que parmi les méthodes d'ILEA testées, les méthodes basées sur les HMM sont utilisables sur des jeux de données de plantes non modèles si les groupes ancestraux sont caractérisés et ce même avec peu de représentants disponibles. Les 14 accessions étudiées sont majoritairement issues de Nouvelle-Guinée, zone d'origine des pôles M. a. ssp. banksii et M. schizocarpa. Les mosaïques obtenues illustrent une contribution plus répandue que prévu de M. schizocarpa aux génomes de bananiers cultivés.

Résumé (autre langue) : Many cultivated plants went through intersubspecific hybridization events that are associated to their domestication and diversification processes. This is for example the case of cultivated bananas that are diploid or triploid hybrids, multiplied through vegetative propagation and deriving from different hybridization events between subspecies and species of the Musa genus, that are spread through different regions and islands in South-East Asia. The genomes resulting from these hybridizations have a mosaic structure of sequences from different origins. This mosaic can be characterized by local ancestry inference (LAI) methods. These methods have been, for the most of them, developed in the framework of human genetic studies, for situations with implicit assumptions that may not always fit plant models. The objective of this thesis was to evaluate and apply LAI methods to elucidate crop plant mosaic genome structures, with a specific focus on banana. A program allowing simulation of genotyping data and comparison of local ancestry inference results was set up to evaluate the impact of different characteristics that can be found in non model crop plant datasets, on LAI method performances. Three published LAI methods were compared through simulations. The results have shown that elevated differentiation levels between ancestral populations and small numbers of generations after hybridization events allow a more accurate inference. Moreover, inference accuracy was moderately affected by a relatively small number of representatives of ancestral populations, by the variation of the number of ancestral populations, by selfing in one ancestral population or vegetative propagation for admixed individuals. When one ancestral population was not represented in the dataset, the genome regions contributed by this missing population were here variably assigned by the methods to one or the other represented ancestral population. These methods may thus be used for local ancestry inference in cultivated plants but only if all ancestral populations are sampled. In a second part, SNP data obtained from resequencing of 115 diploid banana accessions were analyzed. These accessions included wild individuals from diverse Musa species and subspecies and diploid cultivars. An approach based on the determination of ratios of allele sequence coverage was used to select representatives of banana known genetic groups with no or low levels of introgression. This approach allowed the visualization of local ancestry from ancestral groups represented in the dataset and also allowed the detection of banana genome regions that could not be assigned to a known origin and that may derive from unknown ancestors. This supports recently published work on the existence of one or two ancestral groups contributing to banana cultivars and for which no wild representatives are yet identified. A dataset from 14 cultivated banana accessions without unknown ancestry was analyzed by the three evaluated LAI methods. Two of these methods have shown highly correlated inference results and mosaic profiles very similar to those obtained with the allelic ratios approach for the 14 accessions. This tends to show that among the LAI methods tested, HMM-based methods can be used on non-model plant datasets as long as ancestral groups are characterized, even with few available representatives. The 14 accessions studied mainly originate from New Guinea, the native area of M. a. ssp. banksii and M. schizocarpa. The inferred mosaics illustrate a more widespread contribution than previously shown of M. schizocarpa to cultivated banana genomes.

Mots-clés Agrovoc : génome, Musa (bananes), hybridation, génotype

Classification Agris : F30 - Génétique et amélioration des plantes

Auteurs et affiliations

• Cottin Aurélien, CIRAD-BIOS-UMR AGAP (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/600395/)

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