Characterization of genes expression reprogramming in allopolyploid wheats
Caractérisation de la reprogrammation de l'expression des gènes chez les blés allopyloïdes
Résumé
Polyploidy is a major evolutionary force, especially in angiosperms, all of which species have undergone recurrent polyploidization events during their evolution.In order to understand reprogramming of gene expression in response to polyploidy in the economically important wheat species (genera Triticum and Aegilops), I used an original model that consists in decreasing and reincreasing ploidy levels. Thus, the allotetraploid T. turgidum (BBAA) is extracted from the allohexaploid bread wheat T. aestivum (BBAADD), consisting in decreasing ploidy level. This extracted allotetraploid is crossed with the diploid species Ae. tauschii (DD) to synthesize an allohexaploid wheat, consisting in re-increasing ploidy level.The characterization of reprogramming of gene expression in response to decreasing and re-increasing ploidy levels was done here using first microarray technologies and then massive parallel mRNA sequencing (RNA-Seq), that has been rendered possible by the recent ‘draft' hexaploid wheat genome sequencing and subsequently the availability of the three homoeologs sequences (Ah, Bh, Dh) of 8605 genes. Adequate bioinformatics and statistics methods have been adopted and/or developed and used.My work reveals a partitioning of global expression of genes into that of their constituent homoeologs in different wheats allopolyploids. Most of homoeologs contribute equally to the overall gene expression and a low proportion reveals a bias towards one homoeolog, without showing a global dominance of a specific sub-genome. The partitioning and concerted expression of homoeologs is also established in wheat. Most homoeologs increase their expression when separated and reduce their expression levels when joined together in a higher ploidy level. For most genes, Ah and Bh homoeolog expression in allohexaploid wheat is equal to 2/3 of their expression level in the extracted allotetraploid wheat whereas the Dh homoeolog expression level is equal to 1/3 of that in the wheat diploid genome. This concerted change in homoeolog expression maintains the global gene expression at nearly similar levels in different ploidy levels.Results obtained in this work contribute to our understanding of global gene expression regulation and its partitioning between constituent homoeologs at different ploidy levels. Functional analysis of the different gene expression categories would reveal important gene functional categories that are regulated in response to polyploidy.
La polyploïdie ou la duplication des génomes est une force majeure dans l'évolution et l'adaptation des espèces, notamment des angiospermes qui ont tous eu des évènements de polyploïdisation réccurrents au cours de leur évolution. Afin de comprendre la reprogrammation de l'expression des gènes en réponse à la polyploïdie chez les espèces économiquement importantes du blé (genres Triticum et Aegilops), j'ai utilisé un modèle original, qui consiste à caractériser les réponses à la diminution puis la ré-augmentation du niveau de ploïdie. Ainsi, le blé allotétraploïde (T. turgidum, BBAA) est extrait à partir du blé naturel allohexaploïde (T. aestivum, BBAADD). Ce blé allotétraploïde extrait est hybridé à son tour à l'espèce diploïde Ae. tauschii (DD) pour synthétiser un blé allohexaploïde.J'ai utilisé des méthodes d'analyse de l'expression des gènes basées sur les microarrays ainsi que le séquençage massif des ARN (RNA-Seq), basé sur les outils de nouvelles générations de séquençage (NGS) et rendu possible par la récente mise à disposition des séquences de trois copies homéologues (Ah, Bh, Dh) de 8605 gènes. Les méthodes bioinformatiques et statistiques appropriées ont été développées et/ou utilisées.Mes travaux révèlent un partitionnement de l'expression des gènes en celles des homéologues qui les composent dans les différents allopolyploïdes étudiés. La majorité des homéologues contribuent à l'expression globale des gènes de manière équivalente (1/3 chacun), d'autres présentent un biais d'expression spécifique vers un des homéologues, sans montrer de dominance d'un des sous-génomes. Une concertation dans le partitionnement et le niveau d'expression des homéologues est bien établie dans le blé: la majorité des homéologues augmentent leur expression lorsqu'ils sont séparés et la diminuent lorsqu'ils sont rassemblés dans un niveau de ploïdie supérieur. Ainsi, dans le blé allohexaploïde, pour la majorité des gènes, l'expression des homéologues Ah et Bh est égale au 2/3 de leur niveau d'expression dans le blé allotétraploïde extrait, et l'expression de l'homéoallèle Dh est égale au 1/3 du niveau d'expression dans le blé diploïde donneur du génome D. Cette concertation de l'expression des homéologues maintiendrait l'expression globale des gènes à des niveaux similaires dans les différentes espèces de blé de différents niveaux de ploïdie.Les résultats obtenus contribuent à la compréhension de la régulation de l'expression des gènes dans les polyploïdes du blé et la contribution des homéologues qui les composent. Les analyses futures des fonctions des différentes catégories d'expression des gènes permettraient d'identifier des fonctions particulières régulées en réponse à la polyploïdie.
Domaines
Sciences agricoles
Origine : Version validée par le jury (STAR)