Natural variation for growth in Arabidopsis thaliana

Francés. La variabilité naturelle dans le règne végétal est représentée par une très grande diversité de forme, couleur, taille et fonction caractéristique de chaque espèce. Au sein des espèces aussi, les individus peuvent varier au niveau morphologique, développemental et physiologique. La variabilité naturelle émergeante a permis la sélection dans le processus de domestication des espèces cultivées, sur des aspects développementaux et d’adaptation aux milieux agricoles. Cette variabilité est d’un grand intérêt évolutif et sans doute la ressource la plus importante pour la biologie végétale. L'étude de la variabilité pour les espèces cultivées a révélé une source importante d'allèles utiles pour améliorer les caractéristiques des cultures. Comprendre les mécanismes qui expliquent la variabilité phénotypique et comment elle est corrélée avec le génotype reste un défi majeur tant pour les études d'évolution que pour la recherche appliquée à l'amélioration des cultures. Néanmoins, afin d'exploiter l'immensité de la variabilité phénotypique nous devons d'abord la relier aux variations génétiques sousjacentes et, peut-être aussi à des variations épigénétiques. La connexion entre la variabilité naturelle et sa cause moléculaire ne peut être réalisée qu’en isolant les gènes qui causent cette variabilité naturelle. La plupart de la variabilité naturelle observable est quantitative, due aux effets combinés de plusieurs loci, qui sont appelés des loci quantitatifs (QTL) ou des gènes de caractères quantitatifs (QTG) selon le niveau de résolution. Ces loci affectent les caractères à des degrés divers et souvent en interaction avec l'environnement. Par conséquent, les populations en ségrégation vont souvent afficher une distribution phénotypique continue (quantitative) des caractères car plusieurs loci parentaux ont été associés aléatoirement par recombinaison résultant en des combinaisons avec des effets différents. Relier les données phénotypiques à la fonction des gènes individuels exige des approches quantitatives de la génétique. La cartographie de QTL et les études d'association sont couramment utilisées afin d'examiner les bases génétiques de la variabilité naturelle pour différents traits. La cartographie des QTL est largement utilisée pour la dissection des caractères complexes chez de nombreuses espèces, facilitée aujourd'hui par la disponibilité croissante de marqueurs moléculaire, les avancées récentes dans les projets de séquençage et l'amélioration des méthodes statistiques. Le choix des méthodes de cartographie et de la population variera selon les caractéristiques de l'espèce utilisée, par exemple la durée d’une génération et la stérilité des descendants. Un choix approprié pour les études de génétique quantitative est la crucifère sauvage Arabidopsis thaliana. Ses avantages comme espèce modèle, l'importante diversité génétique et phénotypique qui peut être observée entre les accessions ainsi que les nombreuses populations RIL développées, a conduit à son ample utilisation dans des études de génétique quantitative. Au cours des 10 dernières années, l'identification des variants de séquence qui modulent des traits physiologiques et de développement a prouvé que la variabilité naturelle d’Arabidopsis peut être utilisée avec succès et qu'elle représente une ressource utile pour l'analyse fonctionnelle des gènes. Le but de mon travail était de contribuer à l'analyse de l'architecture génétique et de la base moléculaire de la croissance des plantes. Importante sur le plan agricole autant que d’un point de vue évolutif, la croissance des plantes est un processus extrêmement complexe influencé par de nombreux facteurs sous pratiquement tous les aspects de la biologie végétale. Pour tenter de répondre aux questions concernant l'architecture génétique de la croissance, nous avons réalisé une étude de génétique quantitative (cartographie de QTL) dans une population de lignées recombinantes (RIL) Bur-0 x Col-0, afin d'identifier de nouveaux gènes responsables de la variabilité naturelle pour la croissance de la partie aérienne. Cette analyse a conduit à l'identification de deux loci, SG1 (Shoot Growth-1) détecté sur le chromosome 5 et SG3 (Shoot Growth -3) qui est le résultat d’une variation allélique dans la région génomique sous-jacente à un QTL détecté entre 14 et 15 Mb sur le chromosome 4. La première partie de cette thèse décrit le clonage de SG3, un QTL qui affecte fortement la croissance de la partie aérienne. Au départ, nous nous sommes concentrés sur la région génomique entre 14 et 15 Mb sur le chromosome 4 afin d'étudier un QTL préalablement cartographié sans avoir connaissance de SG3. Shoot Growth -3 serait indétectable par la cartographie de QTL car les plantes montrant le phénotype causées par SG3 sont sous-représentées dans la population à cause d'une interaction épistatique avec un autre locus, SG3i (SG3-interactor) et parce que les allèles néfastes pour la croissance ont probablement été contre-sélectionnés lors de la fixation des RILs. La cartographie fine et la complémentation a révélé le gène responsable du phénotype, une oxidoreductase putative qui affecte le taux de transfert d'électrons photosynthétiques, gène dupliqué chez Bur-0, mais pas chez Col-0. Nous avons montré que la cause des différences phénotypiques observées à SG3 est un polymorphisme de structure provenant de cette duplication qui a été suivie par la perte du gène paralogue. L’évolution divergente du gène dupliqué implique la transposition de la copie fonctionnelle du gène chez Bur par rapport à Col. Chez Arabidopsis, outre les SNPs et les InDels courts, des polymorphismes comme des variations génomiques structurales peuvent représenter une importante source de variation naturelle. Des variations structurales avec des conséquences phénotypiques causant épistasie sont détectables dans les populations de RILs. Même si la distorsion de ségrégation due a la létalité ou à la réduction de fitness peuvent gêner la cartographie de QTL dans les populations de RIL, l'hétérozygotie résiduelle dans certains jeux de RIL peut être utile pour restaurer et étudier les combinaisons nocive (mais récessives) a partir de leurs états hétérozygotes «latents». De nombreuses duplications segmentales de chromosomes et des duplications dispersés de gènes ont été détectées chez Arabidopsis, donc on peut s'attendre à un impact considérable de ce phénomène sur la variabilité phénotypique chez les plantes. La deuxième partie de mon travail présente la cartographie ‘haute résolution’ de SG1 en haut du chromosome 5 et discute l'identification présumée des epiallèles naturels provoquant une variation de croissance dans une population RIL. La présence de l'allèle Col à SG1 a d'importantes conséquences phénotypiques. Les plantes présentent de graves anomalies du développement et une fertilité réduite, mais la sévérité des phénotypes varie entre les différentes plantes. La cartographie fine de SG1 a été compliquée, d'abord par la présence d’un (pseudo) effet maternel nécessitant une génération supplémentaire de fixation à chaque étape de cartographie fine, d'autre part par une approche gène candidat sans succès et aussi par l'absence de polymorphismes majeurs. La région candidate pour SG1 à été délimitée à un intervalle d’environ 8 kb contenant seulement un gène sans fonction connue et aucun polymorphisme majeur. D'autre part, les deux allèles à SG1 montrent un contraste important de méthylation de l'ADN. La variabilité naturelle épigénétique a été signalée chez Arabidopsis, mais sa relation avec les variations phénotypiques reste inconnue. L'hypothèse selon laquelle des epiallèles pourraient contribuer à la variance génétique additive et affecter les estimations de l'héritabilité suggère que les variants épigénétiques pourraient aussi être identifiés par la cartographie de QTL. Les changements de méthylation à SG1 pourraient expliquer l'héritabilité des caractères qui ne peut pas être expliquée par des changements de séquence d'ADN, bien que nous ne puissions pas exclure formellement la possibilité que les quelques polymorphismes trouvés à SG1 pourraient être causaux. Si notre hypothèse se confirme ce sera un cas très intéressant de variation naturelle épigénétique cartographié dans une population RIL. Même si nous pensons que SG1 est l'effet d'une epi-allèle, jusqu'à présent le mécanisme génétique n'est pas encore élucidé. L’héritabilité stable de l’état de méthylation et son impact sur la variation phénotypique commence à être démontrée dans des epiRILs. Néanmoins, dans le cas d’une epiallèle naturel, il est difficile de comprendre si les effets phénotypiques ont été déterminés par les différences dans l'état de méthylation ou par les éventuels polymorphismes de séquence. Les méthodes actuelles d’estimation de la variation génétique basée sur la variation de séquence n’incluent pas la variation épigénétique. Comprendre les effets phénotypiques des epiallèles permettra le développement de nouveaux modèles d'évolution. La grande plasticité d'une epiallèle et son état potentiellement réversible, permettrait une évolution phénotypique et une adaptation plus réactives aux conditions environnementales, ce qui peut être significatif pour l'évolution face à des changements environnementaux drastiques, parfois aussi soudains que temporaires. Ce travail présente le clonage de deux loci intéressants, réalisé par clonage positionnel jusqu'aux gènes, et révèle de nouveaux gènes qui affectent la croissance des plantes. Il nous permet de conclure que l’architecture génétique de caractères quantitatifs peut être plus complexe que ne le laissaient penser la plupart des exemples qui ont été décrits jusqu’à présent.