Variations structurales chez le bananier : Caractérisation et impact sur les ségrégations chromosomiques de deux translocations réciproques originaires du groupe M. acuminata burmannica

Dupouy Marion. 2019. Variations structurales chez le bananier : Caractérisation et impact sur les ségrégations chromosomiques de deux translocations réciproques originaires du groupe M. acuminata burmannica. Montpellier : Montpellier SupAgro, 148 p. Thèse de doctorat : Génétique et amélioration des plantes : Montpellier SupAgro

Titre anglais : Structural variations in banana˸ characterization and impact on chromosomal segregations of two reciprocal translocations from the M. acuminata burmannica Group

Encadrement : D'Hont, Angélique

Résumé : Les bananiers cultivés sont issus d'hybridations entre espèces et sous-espèce du genre Musa. L'espèce Musa acuminata (génome A, 2n=2x=22, 1C=500-600 Mbp) est impliquée dans l'ensemble des cultivars à quelques rares exceptions. L'observation des appariements chromosomiques lors de la méiose chez des bananiers sauvages (séminifères) et des hybrides cultivés (stériles ou à très faible fertilité) a montré de fréquentes irrégularités chez ces derniers avec la présence de multivalents et d'univalents. Ces irrégularités suggèrent une hétérogénéité des structures chromosomiques chez les bananiers sauvages impliqués dans les hybrides. Durant mes travaux de thèse, deux translocations réciproques ont été caractérisées chez l'accession 'Calcutta 4' (M. a. ssp. burmannicoides) une impliquant les chromosomes 2 et 8 générant les structure 2T8 et 8T2 et une impliquant les chromosomes 1 et 9 générant les structure 1T9 et 9T1. Ces deux variations structurales ont été repérées dans un premier temps par l'étude de la liaison génétique entre marqueurs SNP dans une population issue d'une autofécondation de l'accession 'Calcutta 4'. Elles ont ensuite été caractérisées par l'analyse de lectures pairées de 'Calcutta 4' alignées sur le génome de référence de Musa acuminata (sous-espèce malaccensis). Enfin, les bornes de réarrangements ont été précisées à la base près par comparaison entre le génome de référence et un assemblage préliminaire de 'Calcutta 4'. Une méthode de détection in silico des jonctions de segments génomiques spécifiques des structures chromosomiques recherchées à partir de données de séquençage paired-end a été développée pour étudier la distribution des translocations dans la diversité Musa. Ces deux translocations ont été détectées chez les accessions sauvages uniquement dans le groupe génétique burmannica (M. a. ssp. burmannica, burmannicoides et siamea). Ceci permet de proposer que ces deux réarrangements auraient émergé au sein de ce groupe. Seule la translocation 2/8 a été retrouvée à l'état hétérozygote chez deux accessions cultivés. Ce résultat confirme la faible implication du groupe burmannica dans le génome des bananiers cultivés. L'impact de ces deux variations structurales sur les ségrégations chromosomiques dans une population diploïde issue de parents hétérozygote de structure a ensuite été étudié. Des distorsions de ségrégations dans les régions impliquées dans ces deux variations structurales ont été observées dans cette population. Dans le cas de la translocation 1/9, les deux chromosomes transloqués (1T9 et 9T1) ou standard (1 et 9) sont systématiquement trouvées ensemble dans les descendants. De plus, les chromosomes transloqués sont préférentiellement transmis à la descendance par rapport aux structures standards. Dans le cas de la translocation 2/8, on observe également que les chromosomes transloqués (2T8 et 8T9) sont préférentiellement transmis ensemble à la descendance par rapport aux structures standards. Aucun descendant avec les chromosomes 2 et 8T2 n'a été observé, par contre on observe des descendants avec les chromosomes 8 et 2T8. Pour ces individus, il manque donc d'une copie d'un segment du chromosome standard 2, le segment de 240 kb impliqué dans la translocation 2/8. La taille réduite du segment impliqué (240 kb) pourrait expliquer que son absence dans un gamète ou sa présence en une seule copie dans un descendant soit non délétère contrairement au cas des autres fragments impliqués dans ces deux translocations (tous de l'ordre de 10Mb). Ces résultats améliorent notre connaissance de l'évolution des génomes des bananiers. Ils apportent d'autre part des informations importantes sur l'impact des translocations sur les ségrégations chromosomiques qui pourront être prises en compte pour exploiter ce groupe burmannica riche en résistances biotiques dans les programmes d'amélioration génétique.

Résumé (autre langue) : The cultivated bananas are derived from hybridization between species and subspecies of the Musa genus. The Musa acuminata species (genome A, 2n = 2x = 22, 1C = 500-600 Mbp) is involved in all cultivars with a few rare exceptions. The observation of chromosome pairings during meiosis in wild banana (seedy bananas) and cultivated hybrids (sterile or very low fertility) showed frequent irregularities in the latter with the presence of multivalents and univalents. These irregularities suggest a heterogeneity of chromosome structures in wild bananas involved in hybrids. During my thesis work, two reciprocal translocations were characterized in the accession 'Calcutta 4' (M. a. ssp burmannicoides) one involving chromosomes 2 and 8 generating the structure 2T8 and 8T2 and one involving chromosomes 1 and 9 generating the 1T9 and 9T1 structures. These two structural variations were first identified by studying the genetic linkage between SNP markers in a self-fertilizing population of 'Calcutta 4' accession. They were then characterized by the analysis of paired reads of 'Calcutta 4' aligned with the reference genome of Musa acuminata (subspecies malaccensis). Finally, the rearrangement breakpoints were specified at the nucleotide level by comparison between the reference genome and a preliminary assembly of 'Calcutta 4'. An in silico detection approach of genomic segment junctions specific for the desired chromosomal structures using paired-end sequencing data was developed to study the distribution of translocations in the Musa diversity. Both translocations were detected in wild-type accessions only in the burmannica genetic group (M. a. ssp burmannica, burmannicoides and siamea). This suggests that these two rearrangements would have emerged within this group. Only the 2/8 translocation was found heterozygous in two cultivated accessions. This result confirms the low involvement of the burmannica group in the genome of cultivated bananas. The impact of these two structural variations on chromosomal segregations in a diploid population with structurally heterozygous parents was then studied. Segregation distortions in the regions involved in these two structural variations were observed in this population. In the case of the 1/9 translocation, both translocated (1T9 and 9T1) or reference (1 and 9) chromosomes are systematically found together in the offspring. In addition, the translocated chromosomes are preferentially transmitted to the offspring with respect to the reference structures. In the case of translocation 2/8, we also observe that the translocated chromosomes (2T8 and 8T9) are preferentially transmitted together to the offspring in relation to the reference structures. No offspring with chromosomes 2 and 8T2 were observed, but descendants with chromosomes 8 and 2T8 were observed. For these individuals, therefore, a copy of a segment of reference chromosome 2 is missing, the 240 kb segment involved in translocation 2/8. The reduced size of the segment involved (240 kb) could explain that its absence in a gamete or its presence in a single copy in a descendant is not deleterious contrary to the case of the other fragments involved in these two translocations (all of the order of 10Mb ). These results improve our knowledge of the evolution of the genomes of provide important information on the impact of translocations on chromosomal segregations that could be taken into account to exploit this burmannica group rich in biotic resistance in breeding programs.

Mots-clés Agrovoc : Musa acuminata, marqueur génétique, résistance aux maladies, amélioration génétique, hybridation, variété, translocation réciproque, translocation chromosomique, recombinaison, bioinformatique, génomique

Mots-clés libres : Variations structurales, Musa acuminata, Génomique, Bioinformatique, Translocation, Distorsions de ségrégations

Classification Agris : F30 - Génétique et amélioration des plantes

Auteurs et affiliations

• Dupouy Marion, CIRAD-BIOS-UMR AGAP (FRA) ORCID: 0000-0002-5308-4557

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/606839/)

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