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

Haploïdex=5

Diploïde2x=10

Triploïde3x=15

Tétraploïde4x=20

Le nombre de chromosomes de l’organisme est un multiple (>2) du

nombre chromosomique de base

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

1ére

div

isio

n

méio

tiq

ie

2ém

e

div

isio

n

méio

tiq

ieG

am

ète

s

d’après Bretagnolle & Thompson, 1995

Formation des gamètes non réduites

pas de formation du cytosquelette à la télophase 1 ou à la fin de la deuxième division

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 chromosomesBanane – 3x – 33 chromosomesCacahuète – 4x – 40 chromosomesPatate douce – 6x– 90 chromosomes

ALLOPOLYPLOIDE : Hybridation entre deux ou plusieurs espèces

Tabac – 4x – 48 chromosomesCoton – 4x – 52 chromosomesBlé tendre – 6x – 42 chromosomesAvoine – 6x – 42 chromosomesCanne à sucre – 8x – 80 chromosomesFraise – 8x –56 chromosomes

Autopolyploide vs. Allopolyploide

Espèce 2x AA

2n=2x=10

Espèce 2x AA

2n=2x=10

Espèce 2x AA

2n=2x=10

Espèce diploïde BB

2n=2x=12

Espèce autotétraploïde

2n=4x=20

Espèce allotétraploïde

2n=4x=22

+ +

AAAA AABBautoP = duplication du même génome

Origine monophylétique

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)

Espèces

différentes

Chromosome non appariés

a ‘chance’ chromosome doubling

Amphidiploides = ensemble de chromosomes non identiques chez l’allopolyploide

Nb haploide (x) = 9

Nb haploide(n) = 18

1

2

1 2

21

L’histoire évolutive du bléBlé diploïde

sauvageTriticum urartu

Blé diploïde Sauvage Aegilops

speltoides?14 chrs AA 14 chrs BB

L’histoire évolutive du bléBlé diploïde

sauvageTriticum urartu

Blé diploïde Sauvage Aegilops

speltoides?

Hybridation suivie d’une endoréplicationBlé tétraploïde

Sauvage T. Turgidum

28 chrs AABB

14 chrs AA 14 chrs BB

L’histoire évolutive du bléBlé diploïde

sauvageTriticum urartu

Blé diploïde Sauvage Aegilops

speltoides?

Hybridation suivie d’un doublement chrsBlé tétraploïde

Sauvage T. Turgidum

28 chrs AABB

Blé dur cultivé T. Turgidum

28 chrs AABB

Blé diploïde Sauvage

T. Tauschii14 chrs DD

Hybridation suivie d’un doublement chrs9000 ans avant JC

Blé héxaploïde T. Aestivum

42 chrs AABBDD

14 chrs AA 14 chrs BB

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 HoméologieAutopolyploide vs. AllopolyploideEspèce autotétraploïde

AAAA

4 K homologuesà la méiose, multivalents

(zygotène-pachytène) puis migration aléatoire (résultat

varie selon parité du multivalent)

I II III IV V

I II III IV V

I II III IV V

I II III IV V

réduction de fertilitésélection de mécanismes de

restauration de la fertilité

Espèce allotétraploïde

AABB

K homéologues

2x2 K homologues

à la méiose, bivalents entre les K homologues

I II III IV V

I II III IV V

I’ II’III’IV’V’VI’

I’ II’III’IV’V’VI’

méiose régulière et fertilté

en principe, mais…

Homologues : Orthologues et ParaloguesL’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

Ancêtre commun

Divergence

(spéciation)

Allopolyploïdisation

Homologue

Orthologue

Homéologue (même fonction)

Duplication au sein du génome et évolution du 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 diploïde

LG1

Espèce octoploïde

LG w

Fc+r/Mc+r

LG x

Fc+r/Mc+r

LG y

Fc+r/Mc+r

LG z

Fc+r/Mc+r

Groupe d’homéologie

A

B1

C1

A4

C2

A3A2A1

C

B

DD1

D2

X1 X2

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

appariement préférentiel = disomie appariement aléatoire = polysomie

Génome A Génome B

chromosomes homologues

chromosomes homéologues

Exemple polyploïde 2n=4x AABBDISOMIE

Méiose

Appariement préférentiel

POLYSOMIE (bivalents)

Méiose

Appariement aléatoire

Gamètes

Gamètes

plus grand nombre de combinaisons possibles

Génome A

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

Exemple: Il y a plus d’appariements entre homéologues chez les plantes nullisomiques que chez leur correspondants euploides

XY-1

Appariement homéologue

Faible appariement homéologue

pcg

XY

Euploïde : lorsque le caryotype est composé d'assortiments haploïdes complets de chromosomes.

Nullisomique : lorsqu’il manque un chromosome

Contrôle Génétique de l’appariement des chromosomes

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 majorchromosome 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

Duplication du génome (divergence, réarrangements)

ancêtre légume

4 blocks liés d’un point de vue évolution (correspondent à une seule région chez Arabidopsis)

Duplication après divergence du soja des autres légumes

A162

A162

Pa1

Pa2

A162

Pa

A162

Pa1

A162

Pa2

A069

A069

A069

A069A069

Modèle d’un paléo-octoploide conduisant au soja actuel

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

Appariement des chromosomes à la méiose (quand il y a formation de bivalents)

Génome A Génome B

chromosomes homologues

chromosomes homéologues

Exemple polyploïde 2n=4x AABB

DISOMIE

Méiose

Appariement préférentiel

POLYSOMIE (bivalents)

Méiose

Appariement aléatoire

Gamètes

Gamètes

plus grand nombre de combinaisons possibles

Démarche pour la cartographie génétique chez les polyploïdes

Les groupes de liaison sont assemblés en groupe d’homéologie

Création de groupes d’homéologies

Espèce diploïde

LG1

F c+r/M c/r

Espèce octoploïde

LG w

Fc+r/Mc+r

LG x

Fc+r/Mc+r

LG y

Fc+r/Mc+r

LG z

Fc+r/Mc+r

Groupe d’homéologie

A

B1

C1

A4

C2

A3A2

A1

C

B

D

D1D2

X1 X2

Appariement des chromosomes à la méiose

Disomie vs. Polysomie

Conséquences en génétique

Exemple chez un tétraploïde

deux chromatides sœurs

centromère

AA aa

deux chromosomes homologues

un chromosome

un chromosome

Ségrégation chez une espèce tétraploïde

AA aa aa aa

Exemple d’un simplex Aaaa (Aa aa)

K homologues K homologues

K homeologues

A a a a

Aa

Aa

aa

aa Gamètes = 1/2 Aa 1/2 aa

1- Ségrégation non aléatoire

des chromosomes DISOMIE

Ségrégation chez une espèce tétraploïde2- Ségrégation aléatoire des chromosomes POLYSOMIE

AA aa aa aa

Exemple d’un simplex Aaaa (single dose)

K homeologuesA a a a

Aaaa

Aa aa

aa AaGamètes = 1/2 Aa 1/2 aaMême proportion que disomique

AA aa AA aa

A a A a

Exemple d’un duplex AAaa (Aa Aa)

K homologues K homologues

K homeologues

AA

Aa

aa

aA Gamètes = 1/4 AA 1/2 Aa 1/4 aa

Ségrégation chez une espèce tétraploïde1- Ségrégation non aléatoire des chromosomes DISOMIE

AA AA aa aa

A A a a

Exemple d’un duplex AAaa

AAaa

Aa Aa

Aa Aa Gamètes = 1/6 AA 4/6 Aa 1/6 aa

K homeologues

Ségrégation chez une espèce tétraploïde

2- Ségrégation aléatoire des chromosomes POLYSOMIE

BILAN

Gamètes AA Aa aa

Simplex Aaaa

DISOMIE - 1/2 1/2

POLYSOMIE - 1/2 1/2

Duplex AAaa

DISOMIE 1/4 1/2 1/4

POLYSOMIE 1/6 4/6 1/6

Ségrégation chez une espèce tétraploïde. Marqueurs en couplage

AB ab Ab aB

Exemple de (AB ab ab ab)

K homologues K homologues

K homeologues

BAA

B baa

b baa

b baa

b

K type parents

K recombinés

ab

K type parental et recombinés

AB ab ab ab Ab ab aB ab

1- Ségrégation non aléatoire des chromosomes DISOMIE

DISOMIETableau 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)

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

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)

6 à 10

Effet du gigantisme limité à un certain degré de ploidie

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)

Croisement A. : Ae. sharonensis (TH) (S l S l ), Ae. umbellulata (TU) (UU), hybrids interspécifique F1 (S1U) et descendant de l’allotétraP S1 (S1S1UU)

A B

(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

Exemple de changement génomique: perte et acquisition de nouvelles bandes

Croisement B. : Ae. longissima (TL) (S l S l ), T. urartu (TU) (AA), hybride interspécifique F1 (S1A) et descendant de l’allotétraP S1 (S1S1AA)

Adams et al, PNAS, 2003

Polyploïdie chez le CottonGossypium 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)

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

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.

•Ae. sharonensis (TH) (SlSl)•T. monococcum ssp aegilopoides (TMB) (AmAm)•F1 hybrid (F1)•allotetraploid (S1)

Exemple de changement épigénétiques:

Modification du pattern de méthylation

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'.

Modifications des intéractions des facteurs de régulation

Changement épigénétiques

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.

Gènes d’ARNr hérités des deux progéniteurs chez l’alloP, A. suecica.

Expression chez l’alloP A. suecica, des gènes d’ADNr de A. arenosa (l5); les gènes d’ARNr d’A. thaliana sont silencés (l8)

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 partenairesLe 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