Mots-Clés

Biologie de l'évolution, Génomique, Agronomie

Description

Ceci est un sujet de thèse sur concours proposé à l'ED Structure et dynamique des systèmes vivants (SDSV), Université Paris-Saclay

Résumé

Le transfert horizontal de gènes (HGT) est un moteur de l'évolution et de l'adaptation chez les procaryotes. Il joue également un rôle dans l'évolution des eucaryotes, bien qu’il soit moins répandu et que les mécanismes sous-jacents restent largement inconnus. Le HGT est un processus fascinant assimilé à une transgénèse naturelle, par lequel des fonctions établies dans un organisme sont transmises à un autre, parfois avec des conséquences biologiques profondes. Chez les plantes, le HGT a été documenté à de nombreuses reprises et il a été démontré qu'il pouvait conférer des fonctions avantageuses en milieu sauvage et pour l'amélioration des espèces cultivées. Cependant, la présence de gènes issus de HGT n’a pas encore été analysée dans la plupart des espèces végétales dont le génome a été assemblé. Dans ce projet, nous visons à identifier les événements HGT dans une collection large et diversifiée de génomes de plantes afin d'évaluer l’étendue et les patrons du HGT, et de recenser de nouveaux gènes candidats qui pourraient être utiles en sélection végétale.

Contexte

L'évolution et de l'adaptation des espèces à de nouvelles conditions demeure une problématique centrale dans le domaine de la biologie. L'essor des technologies de séquençage des génomes a permis des avancées significatives dans ce domaine de recherche, offrant un accès à des génomes complets dont la comparaison révèle des similitudes et des différences entre les espèces ainsi qu'en leur sein. Outre les mutations de leur ADN, ces comparaisons ont révélé que les espèces évoluent également par l'acquisition latérale de gènes en dehors de la reproduction, un processus connu sous le nom de transfert horizontal de gènes (HGT). Les patrons, les mécanismes et les vecteurs du transfert horizontal de gènes sont bien caractérisés chez les procaryotes, chez qui ces transferts sont omniprésents et constituent une source majeure d'innovation. En revanche, l’existence du HGT chez les eucaryotes a longtemps été considérée comme anecdotique en raison des multiples barrières qui devraient empêcher ces transferts, ou controversée, car résultant d'artefacts phylogénétiques ou de séquences contaminantes. Néanmoins, des dizaines d'études récentes, tirant parti d'un nombre croissant de génomes et de transcriptomes de haute qualité, ont rapporté de nombreux cas solides de transfert de gènes et d'éléments transposables dans divers organismes eucaryotes unicellulaires et multicellulaires. Ces résultats ont apporté la preuve indéniable que les événements de HGT se produisent également chez les espèces eucaryotes et contribuent à des transitions évolutives rapides en conférant de nouvelles fonctions aux espèces receveuses [1]. Par conséquent, l'étude des événements de HGT chez les eucaryotes et leur impact constitue un domaine de recherche très prolifique.

Chez les plantes, plusieurs études montrent que le transfert de matériel génétique s'est produit à de nombreuses reprises au cours de l'évolution. Les évènements de HGT entre les plantes parasites et leurs hôtes et entre graminées sont les mieux documentés [2]. Les plantes ont également acquis à plusieurs reprises des gènes provenant de champignons et de bactéries, dont les fonctions ont contribué à l'évolution précoce des plantes terrestres [3]. Le transfert de gènes bactériens et fongiques aux plantes s'est également produit plus récemment, leur conférant des caractères agronomiques d’intérêt tels que l'adaptation à de nouveaux environnements et la résistance à certains agents pathogènes. Par exemple, un gène fongique confère une résistance à la fusariose chez une espèce de graminée sauvage, et ce caractère a été introgressé avec succès dans le blé [4]. Par conséquent, la caractérisation du HGT chez les plantes permet de mieux comprendre l'évolution de ces dernières et d'identifier des gènes aux fonctions potentiellement utiles pour l'amélioration des plantes, qui sont autrement absents du répertoire génétique transmis verticalement au sein d'une lignée de plantes. Malgré cette importance, l'étendue du HGT chez les plantes et ses implications ne sont que partiellement comprises, en raison du nombre limité de génomes de plantes et de la diversité des taxons dans lesquels le HGT a été étudié, ainsi que par la rapidité et la précision des approches bioinformatiques permettant de les détecter.

Objectifs

Ce projet de doctorat entreprendra une étude à grande échelle visant à examiner les patrons de HGT chez les plantes de manière plus générale et comparative. Grâce à de nouvelles approches bioinformatiques, nous identifierons des événements de HGT dans un grand nombre de génomes représentant toutes les divisions des plantes terrestres (lycophytes, fougères, gymnospermes et angiospermes) et leur phylum sœur, les algues charophytes. Nous y rechercherons des gènes échangés entre plantes ainsi que des gènes provenant d’autres d'organismes (par exemple, procaryotes, champignons, ou oomycètes). La validation des évènements de HGT sera réalisée par analyse phylogénétique et en filtrant les séquences contaminantes potentielles des assemblages de génomes de plantes. L'annotation des gènes transférés confirmés permettra d'en déduire leur fonction potentielle et de les assigner à des familles de gènes et à des voies métaboliques.

Ces analyses permettront la caractérisation de transferts anciens qui se sont produits au cours de l'évolution des plantes, soit à la base des grandes divisions botaniques, soit au sein de celles-ci, et de comparer les patrons et l’étendu du HGT entre ces divisions. Elles nous offriront également la possibilité d'étudier le degré d'innovation inhérent à chaque transfert, en distinguant le remplacement de gènes et le gain de fonction, ce qui permettra de mesurer l'avantage sélectif véhiculé par chaque HGT. Enfin, ce travail révélera l'étendue des transferts récents au niveau des familles botaniques et des espèces, qui peuvent avoir été sélectionnés pour s'adapter à de nouvelles conditions (par exemple le froid ou le stress hydrique) ou pour fournir de nouvelles défenses contre les ravageurs et les herbivores. Ces gènes représenteront de nouveaux candidats dont la fonction pourra être étudiée dans le cadre de collaborations et qui pourraient apporter des connaissances utiles pour l'amélioration des plantes.

References

1.            Van Etten, J.; Bhattacharya, D. Horizontal Gene Transfer in Eukaryotes: Not if, but How Much? Trends Genet 2020, 36, 915-925, doi:10.1016/j.tig.2020.08.006

2.            Chen, R.; Huangfu, L.; Lu, Y.; Fang, H.; Xu, Y.; Li, P.; Zhou, Y.; Xu, C.; Huang, J.; Yang, Z. Adaptive innovation of green plants by horizontal gene transfer. Biotechnol Adv 2021, 46, 107671, doi:10.1016/j.biotechadv.2020.107671

3.            Ma, J.; Wang, S.; Zhu, X.; Sun, G.; Chang, G.; Li, L.; Hu, X.; Zhang, S.; Zhou, Y.; Song, C.P.; et al. Major episodes of horizontal gene transfer drove the evolution of land plants. Mol Plant 2022, 15, 857-871, doi:10.1016/j.molp.2022.02.001

4.            Wang, H.; Sun, S.; Ge, W.; Zhao, L.; Hou, B.; Wang, K.; Lyu, Z.; Chen, L.; Xu, S.; Guo, J.; et al. Horizontal gene transfer of Fhb7 from fungus underlies Fusarium head blight resistance in wheat. Science 2020, 368, doi:10.1126/science.aba5435