Production of Hyper-Rec Genotypes in Brassicaceae crops | Approches translationnelles pour créer des lignées hyper-recombinogènes de colza

Inglés. Considering a growing world population and the increasing impact of global warming, major gains in crop improvement are required to ensure food security for future generations. Breeding programs rely on the variation generated by the genetic reshuffling that occurs during meiosis via the crossovers (CO, reciprocal exchanges of large DNA fragments between chromosomes). However, the genetic variation that can be captured by current breeding programs is limited by the low number of COs formed in wild-type meiosis. Therefore, increasing CO frequencies represents one avenue to overcome current limitations of breeding programs. The central question of my thesis was to investigate whether this goal could be achieved in a polyploid crop species without negatively affecting their fertility and genomic stability. The first part of my work consisted of targeting the anti-CO FIGL1 protein in oilseed rape (Brassica napus) to explore the effects of FIGL1 deficiency on CO frequencies in this polyploid crop. FIGL1 is encoded by two genes in B. napus, which were successfully edited using CRISPR/Cas technology. Unexpectedly, I observed the appearance of developmental defects in the progenies of plants featuring a combination of mutant and wild type alleles at both loci. Combining flow cytometry, pyrosequencing and SNP array genotyping, I showed that some of these progenies were aneuploids and/or contained a wide range of chromosomal rearrangements. These variants were observed in the progenies of different plant, indicating that FIGL1 is essential to ensure genome stability of B. napus. I also demonstrated that meiosis was impaired in figl1 knock-down mutants, leading to chromosome fragmentation and complete sterility. Interestingly, one functional FIGL1 allele was sufficient to maintain wild-type-like fertility levels. The second objective of my work was to test whether CO frequencies could be increased by overexpressing a gene encoding the CO promoting protein HEI10. I first observed that, unlike most other meiotic genes which tend to be present only as a single copy, many plants have retained multiple HEI10 copies, even if they are no longer extant polyploids. This observation, established early in my thesis, led me to explore the evolution of HEI10-encoding genes in the Brassiceae by combining bioinformatics and mutant analyses. My first results, which remain to be confirmed, indicate that one of the three genes encoding HEI10 in Brassica rapa is more conserved and has a more important functional role than the other two, making it a suitable candidate for overexpression. Lastly, I developed a survey to assess and compare the perception that public and private sector researchers have of the role of meiosis and its possible manipulation for the purpose of crop improvement. The survey responses revealed that while there appeared to be a consensus between both sectors regarding the importance of modifying meiosis to improve plant breeding programmes, there were some discrepancies in the prioritization of certain modification strategies over others, as well the desired outcomes of employing such strategies. Overall, private sector participants gave priority to reducing the size of pre-existing introgressions and promoting new introgressions of interspecific origin, while the public sector placed more importance on changing the recombination landscape and introducing COs in regions where they are lacking. In summary, my thesis has shown that translating basic research on meiosis into practice is not necessarily straightforward. My work has shown that inactivating FIGL1 is not an adequate strategy for raising CO frequencies in B. napus and that it is probably important to choose carefully which HEI10 copy to overexpress as they are unlikely to all be equivalent. These results open up avenues of reflection to accelerate plant breeding strategies by manipulating the mechanisms of meiosis.

Francés. L'augmentation de la population mondiale et l'impact croissant du réchauffement climatique imposent une accélération des programmes de sélection variétale qui reposent sur la variation générée au cours de la méoise par les crossing-overs (CO, échanges réciproques de fragments d'ADN entre chromosomes). Ce brassage génétique est limitée par le faible nombre de COs formés naturellement et l'efficacité des programmes de sélection pourrait donc être améliorée en augmentant la fréquence de COs. La question centrale de ma thèse était d'étudier si cet objectif pouvait être atteint chez une espèce cultivée polyploïde sans affecter négativement sa fertilité et sa stabilité génomique. La première partie de mon travail a consisté à inactiver la protéine anti-CO FIGL1 chez le colza (Brassica napus) pour en analyser les effets. FIGL1 est codée par deux gènes chez B. napus, qui ont été modifiés avec succès par la technologie CRISPR/Cas. De manière inattendue, j'ai observé des défauts de développement parmi les descendants de plantes présentant une combinaison d'allèles mutants et de type sauvage aux deux locus. J'ai combiné des approches de cytométrie en flux, de pyroséquençage et de génotypage SNP pour montrer que certaines de ces plantes étaient aneuploïdes et/ou contenaient une large gamme de remaniements chromosomiques. Ces variants ont été observés dans les descendances de plantes différentes, ce qui indique que FIGL1 est essentiel pour assurer la stabilité du génome du colza. J'ai aussi démontré que la méiose était altérée chez les mutants nuls pour FIGL1, qui montrent une fragmentation chromosomique et une stérilité complète. Toutefois, un seul allèle FIGL1 fonctionnel est suffisant pour restorer un niveau de fertilité normal. Mon deuxième objectif était de tester si les fréquences de CO pouvaient être augmentées en surexprimant un gène codant la protéine HEI10, qui favorise les COs. J'ai observé que, contrairement à la plupart des autres gènes méiotiques, de nombreuses angiospermes ont conservé plusieurs gènes codant HEI10, même si elles ne sont plus polyploïdes. Ce constat m'a amenée à explorer l'évolution des gènes HEI10 chez les Brassiceae en combinant des approches bio-informatiques et l'analyse de mutants. Mes premiers résultats, qui restent à confirmer, indiquent qu'un des trois gènes codant HEI10 chez B. rapa est plus conservé et a un rôle fonctionnel plus important que les deux autres, ce qui en fait un candidat approprié pour la surexpression. Enfin, j'ai élaboré une enquête pour évaluer et comparer la perception qu'ont les chercheurs des secteurs public et privé du rôle de la méiose et de sa manipulation possible à des fins d'amélioration des plantes. Les réponses à l'enquête ont révélé que, si les deux secteurs semblent s'accorder sur l'importance de la modification de la méiose pour améliorer les programmes de sélection végétale, il existe des divergences dans la priorité accordée à certaines stratégies de modification par rapport à d'autres, ainsi que dans les résultats souhaités de l'utilisation de ces stratégies. Dans l'ensemble, les participants du secteur privé ont donné la priorité à la réduction de la taille des introgressions préexistantes et à la promotion de nouvelles introgressions d'origine interspécifique, tandis que le secteur public a donné plus de poids à la modification du paysage de la recombinaison et à l'introduction des CO dans les régions où ils font défaut. En résumé, ma thèse a montré qu'il n'est pas toujours simple de mettre en pratique les résultats de la recherche fondamentale. Mon travail a montré que l'inactivation de FIGL1 n'est pas une stratégie viable pour augmenter la fréquence des CO chez le colza et qu'il sera probablement important de choisir avec soin la copie de HEI10 à surexprimer car elles ne sont pas toutes équivalentes. Ces résultats ouvrent des pistes de réflexion pour accélérer les stratégies d'amélioration des plantes en manipulant les mécanismes de la méiose.