Mots-Clés

Chromosomes sexuels Phoenix Genomique NGS Gene Capture

Description

Contexte général du sujet: * Malgré l'importance des plantes avec des sexes séparés (= dioïques) pour étudier l'évolution des chromosomes sexuels et la détermination du sexe, on sait peu de choses sur les chromosomes sexuels de plantes. La famille des Arécacées ou Palmiers est à ce titre particulièrement intéressante puisque contrairement aux autres angiospermes qui portent majoritairement des fleurs hermaphrodites, elle présente une proportion importante d’espèces à fleurs unisexuées, monoïques ou dioïques. Ainsi, la séparation des sexes aurait évolué à plusieurs reprises de façon indépendante au cours de l’évolution de la famille des palmiers. Chez le palmier dattier (Phoenix dactylifera), espèce dioïque, un système de chromosomes sexuels de type XY a été établi avec une région non recombinante évaluée à 13 Mb soit 2% du génome (Al Dous et al., 2011 ; Cherif et al., 2013). La cartographie génétique du génome du palmier dattier a permis d’identifier les chromosomes sexuels (Mathew et al., 2014). L’analyse phylogénétique de séquences de gènes liées au sexe a montré que les espèces actuelles du genre Phoenix ont un ancêtre commun dioïque (Cherif et al., 2016 ; Torres et al., 2018). Cependant, très peu de connaissances sont disponibles sur l’évolution des gènes liés au sexe ainsi que sur la dégénérescence des régions non recombinantes. De plus, sur la base de l’étude de fossiles de fleurs, la dioécie dans le genre Phoenix est estimée à 40-50 Ma, mais aucune datation de l’âge des chromosomes sexuel n’a jusqu’à présent été inférée à partir de données de séquence. Des méthodes d’identification de gènes liés au sexe basées sur un modèle probabiliste à partir de données NGS d’individus mâles et femelles ont été développées (Muyle et al., 2016 ; Prentout et al., 2020 ; Kafer et al., 2021). Ces méthodologies ont permis d’identifier de nouveaux gènes présentant un polymorphisme de séquence lié au sexe chez des espèces de plantes dioïques (Silene latifolia, Cannabis sativa), permettant ainsi d’estimer la dégénérescence et l’âge des chromosomes sexuels.

Problématique : * L’objectif de ce stage est d’étudier l’évolution des chromosomes sexuels chez les palmiers du genre Phoenix en utilisant l’important volume de données de séquences NGS générées. Nous chercherons à comprendre quand et comment l’arrêt de la recombinaison a évolué dans les chromosomes sexuels de palmiers Phoenix. La reconstitution des séquences des allèles X et Y des gènes liés au sexe permettra d’étudier la divergence synonyme. La perte de gènes et la compensation de dosage seront recherchées afin de caractériser la dégénérescence des régions génomiques liées au sexe. Ces analyses permettront de rechercher des strates évolutives des chromosomes sexuels. L’identification de nouveaux gènes liés au sexe et la comparaison des séquences X et Y apportera des informations sur l’évolution des chromosomes sexuels et la détermination du sexe chez les palmiers. Déroulement du stage (acquisition de données, modélisation, résultats attendus etc.) : * Le travail reposera sur l’exploitation des données NGS préalablement générées au sein de l’équipe pour des individus mâles et femelles de plusieurs espèces de Phoenix (RNAseq, capture de séquences). Les ressources génomiques disponibles pour Phoenix dactylifera de type transcriptomes et génomes de référence et cartographie génétique seront également utilisées.

Le stage se déroulera en trois parties :

1) Identification des gènes liés au sexe Les gènes présentant un polymorphisme de séquence liés au sexe seront recherchés à l’aide du logiciel SD-pop. Nous identifierons des gènes XY et gènes X-hémizygotes (qui n’ont pas d’équivalent Y). La perte de gènes sera estimée. 2) Etude de la divergence entre les allèles X et Y La reconstitution des haplotypes X et Y des gènes liés au sexe permettra d’étudier la divergence synonyme (dS). Les séquences alléliques des espèces de Phoenix seront comparées par analyse phylogénétique. Les estimations de l'expression des allèles des gènes XY permettront d’étudier les ratios d’expression Y/X et la compensation de dosage. 3) Cartographie des régions liées au sexe Les niveaux de divergences des séquences X –Y des régions non recombinantes seront estimés afin de rechercher des strates évolutives. Ces régions seront positionnées sur la carte génétique.

Méthodes, techniques, outils à utiliser : *Analyse des gènes liés au sexe : Identification de gènes liés au sexe via les outils probabilistes SD-POP et SEX-DETector (développés par l’équipe du LBBE de Lyon). Ces méthodes se basent sur la transmission, mendélienne ou non, des allèles au sein d'une famille (parents et descendants) ou sur les équilibres de type Hardy-Weinberg dans les populations. Estimation de la divergence synonyme (dS) et datation de la divergence X-Y via des outils d’alignements multiples (MAFFT) et d’analyses phylogénétiques (PAML ; BEAST). Analyses statistiques avec le logiciel R ; gestion de fichiers et exécution de logiciels en ligne de commande (bash/unix). * Bioanalyse : Afin de compléter l’étude, le traitement de données de séquences (mapping/appel de SNPs) sera réalisé via un gestionnaire de workflow TOGGLe développé au sein de la plateforme bioinformatique SouthGreen (www.toggle.southgreen.fr). Le ou la candidate aura également à développer un outil permettant l’automatisation des différentes étapes. Des connaissances de base en bioinformatique et en bioanalyse de données génomiques est un prérequis.

Références: Cherif E, Zehdi S, Castillo K, Chabrillange N, Abdoulkader S, Pintaud J-C, Santoni S, Salhi-Hannachi A, Glémin S, Aberlenc-Bertossi F. 2013. Male specific DNA markers provide genetic evidence of an XY chromosome system, a recombination arrest and allow the tracing of paternal lineages in date palm. New Phytologist. 197(2):409-15 Cherif E., Zehdi-Azouzi S., Crabos A., Castillo K., Chabrillange N., Pintaud J.-C., Salhi-Hannachi A., Glémin S. and Aberlenc-Bertossi F. (2016) Evolution of sex chromosomes prior to speciation in the genus Phoenix. Journal of Evolutionary Biology, 29(8):1513-22. Muyle A, Käfer J, Zemp N, Mousset S, Picard F, Marais GA. 2016. SEX-DETector: A Probabilistic Approach to Study Sex Chromosomes in Non-Model Organisms. Genome Biol Evol. 8(8):2530-43. Prentout D, Razumova O, Rhoné B, Badouin H, Henri H, Feng C, Käfer J, Karlov G, Marais G A B. 2020. An efficient RNA-seq-based segregation analysis identifies the sex chromosomes of Cannabis sativa. Genome Res. 30(2):164-172. Käfer J, Lartillot N, Marais GAB, Picard F. 2021. Detecting sex-linked genes using genotyped individuals sampled in natural populations. Genetics. Jun 24;218(2). Al-Dous EK, George B, Al-Mahmoud ME, Al-Jaber MY, Wang H, Salameh YM, Al-Azwani EK, Chaluvadi S, Pontaroli AC, DeBarry J et al. 2011. De novo genome sequencing and comparative genomics of date palm (Phoenix dactylifera). Nature Biotechnology 29: 521–527. doi: 10.1038/nbt.1860. Charlesworth D. 2015. Plant contributions to our understanding of sex chromosome evolution. New Phytol 208:52–65. doi:10.1111/nph.13497 Mathew LS, Spannag lM, Al-Malki A, George B, Torres MF, Al-Dous EK, Al-Azwani EK, Hussein E, Mathew S, Mayer KFX, Mohamoud YA, Suhre K & Malek JA. 2014. A first genetic map of date palm (Phoenix dactylifera) reveals long-range genome structure conservation in the palms. BMC Genomics. 15: 285. http://www.biomedcentral.com/1471-2164/15/285 Torres MF, Mathew LS, Ahmed I, Al-Azwani IK, Krueger R, Rivera-Nuñez D, Mohamoud YA, Clark AG, Suhre K, Malek JA. 2018. Genus-wide sequencing supports a two-locus model for sex-determination in Phoenix. Nat Commun. 9(1):3969. doi: 10.1038/s41467-018-06375-y.