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