Impact de la sélection sur l'expression et la variabilité de séquence de gènes de la voie de biosynthèse des carotenoïdes chez la carotte cultivée

English. Carrot domestication and breeding have led to a diversity of cultivated carrot types exhibiting a high variability for carotenoid content in the root. Carotenoid biosynthesis genes are probably involved in carotenoid level differences, and could have been a selection target for plant breeding. The objectives of this thesis were (i) to investigate the role of transcriptional variations for carotenoid biosynthesis genes on carotenoid accumulation during root development in variously coloured carrots, and (ii) to characterise the impact of selection and demographic history, particularly genetic structure, on carotenoid biosynthesis gene sequence variability in cultivated carrots. Root transcript levels for eight carotenoid biosynthesis genes (PSY1, PSY2, PDS, ZDS1, ZDS2, LCYB1, LCYE, ZEP) were measured by quantitative RT-PCR during root development of white, yellow, orange and red cultivars. Polymorphism for partial sequences of seven carotenoid biosynthesis genes (IPI, PDS, CRTISO, LCYB1, LCYE, CHXE, ZEP) and three anonymous sequences, as well as for 17 microsatellites, were obtained for 48 individuals maximising cultivated carrot diversity. The investigated genes were expressed very early in carrot root development, and transcript levels increased, at the same rate as carotenoid accumulation. Expression patterns were not very different between colour types, which did not help to explain the differential accumulation of some carotenoids. The investigated carotenoid biosynthesis genes showed a high degree of nucleotide diversity (1 SNP in 22 bp), whereas linkage disequilibrium did not decay over a 700-1,000bp length. Sequences and microsatellites showed differentiation between Western and Eastern individuals. CRTISO, LCYE and LCYB1 genes exhibited an excess of polymorphism throughout the sample, suggesting the signature of balancing selection. PDS showed a deficit of polymorphism, suggesting directional or negative selection. LCYE and CHXE may have undergone a selective sweep during breeding for red and orange colour types, respectively. Genes acting upstream in the carotenoid biosynthesis pathway had a higher evolutionary rate than downstream genes, suggesting differential constraints. As a whole, these results show that allelic variations, more than carotenoid biosynthesis gene expression, could explain carotenoid content determinism in the carrot root. The selection signatures evidenced here will be validated by association study strategies, which need to be considered in relation to the presented results for genetic structure and linkage disequilibrium.

French. La domestication puis la sélection de la carotte a abouti à une diversité de couleur des types variétaux cultivés associée à une grande variabilité de la teneur en caroténoïdes dans la racine. Les gènes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes sont donc susceptibles d’être impliqués dans les différences de teneur en caroténoïdes chez la carotte et d’avoir été la cible de la sélection au cours de l’amélioration variétale. Les objectifs de cette thèse sont (i) de connaître le rôle des variations transcriptionnelles des gènes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes dans l’accumulation de caroténoïdes au cours du développement de racines de différentes couleurs, et (ii) de déterminer l’impact de la sélection et de l’histoire démographique de l’espèce, notamment la structuration génétique, sur la variabilité de séquence des gènes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes chez la carotte cultivée. Le niveau de transcrits racinaires de huit gènes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes (PSY1, PSY2, PDS, ZDS1, ZDS2, LCYB1, LCYE, ZEP) a été mesuré par RT-PCR quantitative au cours du développement pour quatre cultivars à racine blanche, jaune, orange et rose. Le polymorphisme de portions de séquence de sept gènes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes (IPI, PDS, CRTISO, LCYB1, LCYE, CHXE, ZEP) et de trois séquences anonymes ainsi que le génotype de 17 microsatellites ont été obtenus pour 48 individus maximisant la diversité de la carotte cultivée. Les gènes étudiés sont exprimés précocement au cours du développement de la racine de carotte et le niveau de transcrits s’accroît au fur et à mesure, en parallèle de l'accumulation des caroténoïdes. Les profils d’expression de ces gènes sont peu différents entre les types colorés, ne permettant pas d’expliquer l’accumulation différentielle de certains caroténoïdes. Les gènes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes étudiés montrent une diversité nucléotidique élevée (1 SNP tous les 22 pb) mais présentent une absence de décroissance du déséquilibre de liaison sur 700-1000 pb. Le polymorphisme des gènes et des microsatellites montre une différenciation entre les individus issus de l’Occident et de l’Orient. Les gènes CRTISO, LCYE et LCYB1 présentent un excès de polymorphisme à l’échelle de l’espèce, ce qui suggère une sélection diversifiante. PDS présente un déficit de polymorphisme, ce qui suggère une sélection directionnelle ou négative. Les gènes LCYE et CHXE pourraient avoir subi un balayage sélectif lors de la sélection des types cultivés de couleur rose et orange, respectivement. Les gènes en fin de voie métabolique ont un taux d’évolution plus rapide que les gènes en début de voie, ce qui pourrait indiquer des différences de contrainte, selon la position des gènes le long de la voie. L’ensemble de ces résultats montre que les variations alléliques, davantage que l’expression des gènes de la voie de biosynthèse des caroténoïdes, permettraient d’expliquer le déterminisme de la teneur en caroténoïdes chez la carotte. Les signatures de sélection mises en évidence seront validées par des approches de génétique d’association, à raisonner en fonction des résultats présentés sur la structuration de la diversité génétique et l’étendue du déséquilibre de liaison.