Transcript Polyploïdisation et évolution des génomes polyploïdes

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
Haploïde
x=5
Le nombre de chromosomes de l’organisme
est un multiple (>2) du nombre
chromosomique de base
Diploïde
2x=10
Triploïde
3x=15
Tétraploïde
4x=20
Pentaploide (5x)
Hexaploide (6x)
Heptaploide (7x)
Octaploide (8x) ….
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
2éme
Gamètes division
méiotiqie
1ére
division
méiotiqie
Formation des gamètes non réduites
pas de formation du
cytosquelette à la télophase 1
ou à la fin de la deuxième
division
d’après Bretagnolle &
Thompson, 1995
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
Espèce 2x AA Espèce 2x AA
2n=2x=10
+
2n=2x=10
vs.
Allopolyploide
Espèce 2x AA Espèce diploïde BB
2n=2x=10
+
2n=2x=12
Espèce autotétraploïde
Espèce allotétraploïde
2n=4x=20
2n=4x=22
AAAA
autoP = duplication du même
génome
Origine monophylétique
AABB
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
équilibré
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)
1
Nb haploide (x) = 9
Chromosome non appariés
2
a ‘chance’
chromosome
doubling
Espèces
différentes
1
2
1
2
Nb haploide
(n) = 18
Amphidiploides = ensemble de chromosomes non identiques
chez l’allopolyploide
L’histoire évolutive du blé
Blé diploïde
sauvage
Triticum urartu
14 chrs AA
Blé diploïde
Sauvage
Aegilops speltoides?
14 chrs BB
L’histoire évolutive du blé
Blé diploïde
sauvage
Triticum urartu
14 chrs AA
Blé diploïde
Sauvage
Aegilops speltoides?
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
14 chrs AA
Blé diploïde
Sauvage
Aegilops speltoides?
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
Espèce allotétraploïde
AAAA
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
à la méiose, bivalents entre
(zygotène-pachytène) puis
les K homologues
migration aléatoire (résultat varie
selon parité du multivalent)
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
Homologue
Ancêtre commun
Divergence
Orthologue
(spéciation)
Duplication au Allopolyploïdisation
sein du
Homéologue
génome et
(même
évolution du
fonction)
segment =
Paralogue
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
Fc+r/Mc+r
A2
A
B
Fc+r/Mc+r
A1
Fc+r/Mc+r
A3
Fc+r/Mc+r
A4
X2
X1
B1
C2
C1
C
D2
D1
D
LG w
LG x
LG y
LG1
Groupe d’homéologie
LG z
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
Exemple polyploïde 2n=4x AABB
DISOMIE
Génome
Génome
A A Génome B
Appariement
préférentiel
Méiose
chromosomes
homologues
Gamètes
POLYSOMIE
(bivalents)
chromosomes
homéologues
appariement préférentiel = disomie
appariement aléatoire = polysomie
Appariement
aléatoire
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
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
XY
XY-1
Faible
appariement
homéologue
Appariement
homéologue
pcg
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
Pa2
A069
liés d’un
A069
Pa1
point de
vue
A162
évolution
(corresponden
t à une seule
région chez
Arabidopsis)
A162
Duplication après divergence
du soja des autres légumes
Pa1
A069
A162
A069
A162
Pa2
A069
Duplication du génome
(divergence, réarrangements)
ancêtre
légume
A162
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 Méiose Gamètes
Exemple polyploïde 2n=4x AABB
Génome A Génome B
DISOMIE
Appariement
préférentiel
Méiose
chromosomes
homologues
chromosomes
homéologues
Gamètes
POLYSOMIE
(bivalents)
Appariement des chromosomes à la
méiose (quand il y a formation de bivalents)
Appariement
aléatoire
plus grand nombre de
combinaisons possibles
Création de groupes d’homéologies
Espèce octoploïde
Espèce
diploïde
Fc+r/Mc+
r
Fc+r/Mc+
r
Fc+r/Mc+
r
Fc+r/Mc+r
F c+r/M c/r
A2
A
A1
B
A3
A4
X2
X1
B1
C2
C1
D2
C
D1
D
LG w
LG x
LG y
LG z
LG1
Groupe d’homéologie
Les groupes de liaison sont assemblés en groupe d’homéologie
Appariement des chromosomes à la méiose
Disomie vs. Polysomie
Conséquences en génétique
Exemple chez un tétraploïde
deux chromatides sœurs
A
A
a
a
centromère
un
chromosome
un
chromosome
deux chromosomes
homologues
Ségrégation chez une espèce tétraploïde
Exemple d’un simplex Aaaa (Aa aa)
A
Aa
a
a
a a
K homologues
K homologues
K homeologues
a
1- Ségrégation non aléatoire
des chromosomes DISOMIE
A a
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
Aa
a a
a a
a
A
a
K homeologues
a
a
aa
Aa
Aa
aa
aa
Gamètes = 1/2 Aa 1/2 aa
Aa Même proportion que disomique
Ségrégation chez une espèce tétraploïde
1- Ségrégation non aléatoire des chromosomes DISOMIE
Exemple d’un duplex AAaa (Aa Aa)
A
Aa
K homologues
A
a
AA
a
A
Aa
a
K homologues
K homeologues
A
a
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
a
a
a
a
K homeologues
A
A
a
a
aa
AA
Aa
Aa
Aa
Aa
Gamètes = 1/6 AA 4/6 Aa 1/6 aa
BILAN
AA
Aa
aa
Simplex Aaaa
DISOMIE
POLYSOMIE
-
1/2
1/2
1/2
1/2
Duplex AAaa
DISOMIE
POLYSOMIE
1/4
1/6
1/2
4/6
1/4
1/6
Gamètes
Ségrégation chez une espèce tétraploïde. Marqueurs en
couplage
1- Ségrégation non aléatoire des chromosomes DISOMIE
Exemple de (AB ab ab ab)
A
B
A
B
a
b
K homologues
K type
parents
AB ab
AB ab
a
b
a
b
a
b
K homologues
K homeologues
K recombinés
K type parental et
recombinés
Ab aB
ab ab
a
b
ab
Ab ab
aB ab
a
b
DISOMIE
Tableau des gamètes possibles pour une conformation AB ab ab ab au départ
AB
ab
Ab
aB
(1/2-r/2)
(1/2-r/2)
r/2
r/2
ab
1
(1/2-r/2)
(1/2-r/2)
r/2
r/2
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)
(A) disparition d’une bande
chez l’allotetraploide;
(B) disparition d’une bande
chez le F1 et maintien chez
l’allotetraploide plant;
(C) 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. 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