Mots-Clés

Biologie évolutive Evolution moléculaire Bioinformatique Intelligence artificielle Parasitisme

Description

Nous recherchons un(e) candidat(e) pour postuler à un contrat doctoral de l'Ecole Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé de Nice-Sophia Antipolis (ED 85) sur le sujet suivant :

Titre : Origine, histoire évolutive et prédiction des gènes orphelins dans les génomes d’organismes ravageurs de cultures.

Encadrant : 

- Colinet Dominique - MCU - UCA

Co-encadrants : 

- Bottini Silvia - Responsable MDLab - UCA

- Danchin Etienne - Responsable équipe GAME - INRAE

Résumé : 

Assurer la sécurité alimentaire d’une population qui dépassera les 9 milliards de personnes en 2050 tout en préservant l’environnement représente un défi majeur. Dans ce contexte, un enjeu primordial est de réduire les pertes agricoles provoquées par les parasites et pathogènes de plantes. En particulier, les nématodes phytoparasites et les oomycètes phytopathogènes sont responsables de pertes agricoles considérables dans le monde. L’interdiction progressive de certains produits chimiques nocifs pour l’environnement et la santé humaine et la capacité de contournement des résistances au champ rendent indispensable l’élaboration de nouvelles stratégies de lutte contre ces ravageurs. Cela nécessite d’approfondir nos connaissances fondamentales sur l’évolution des génomes de ces organismes en relation avec l’adaptation au parasitisme des plantes.
L’analyse comparative de génomes de nématodes et oomycètes a révélé la présence de gènes orphelins, n’ayant pas d’homologues identifiables en dehors des autres espèces phytopathogènes. Ces gènes orphelins, spécifiques aux phytophages, pourraient être impliqués dans la capacité à manipuler ou parasiter les plantes. Par exemple, la majorité des protéines effectrices du parasitisme chez les nématodes est codée par des gènes orphelins. L’origine, l’histoire évolutive et l’impact des gènes orphelins dans les génomes et la biologie de ces espèces restent peu connus. Différents mécanismes peuvent contribuer à la présence des gènes orphelins dans les génomes de nématodes et oomycètes parasites de plantes. Les transferts horizontaux de gènes peuvent expliquer l’absence d’homologue dans les espèces apparentées tandis que la duplication de gènes suivie de divergence peut contribuer à l’impossibilité de trouver des homologues dans l’ensemble du vivant. Il existe un troisième mécanisme dont l’importance est de plus en plus admise mais qui n’a pas encore été étudié chez les parasites de plantes : l’émergence de gènes de novo. Il s’agit du processus par lequel un nouveau gène est formé à partir de l’ADN non génique et pas à partir d’un gène existant. Longtemps considéré comme un événement improbable, ce mécanisme générant de la nouveauté et diversité protéique à partir du non génique a été mis en évidence chez de nombreux organismes, de la levure (84 gènes de novo spécifiques de Saccharomyces cerevisiae dans la dernière étude réalisée) jusqu’à l’homme (60 gènes émergés de novo depuis la séparation avec le chimpanzé).
Le premier objectif de la thèse sera d’identifier et de déterminer l’origine et l’histoire évolutive des gènes orphelins chez les nématodes du genre Meloidogyne et chez les oomycètes du genre Phytophtora, les plus dommageables en agriculture. Ces deux groupes de ravageurs constituent de très bons modèles pour étudier cette question car des génomes de bonne qualité pour plusieurs espèces de Meloidogyne et de Phytophtora sont disponibles. De plus, les données de transcriptomique également disponibles permettront de vérifier le caractère fonctionnel des gènes identifiés. Les principales étapes consisteront à (i) identifier les gènes orphelins chez les nématodes phytoparasites et oomycètes phytopathogènes par des approches de génomique comparative, (ii) reconstruire la chronologie d’émergence de ces gènes dans la phylogénie de ces organismes par des approches de parcimonie et (iii) déterminer l’origine de ces gènes orphelins (transfert horizontal, duplication et divergence ou émergence de novo) et leur histoire évolutive (mutations, expansions/réductions...).
Le second objectif de la thèse sera d’utiliser des méthodes d’apprentissage (IA) pour développer des prédicteurs des gènes orphelins à partir des caractéristiques qui auront été identifiées dans les étapes précédentes. Des travaux préliminaires réalisés dans l’équipe suggèrent un nombre très important de potentiels gènes orphelins (dont un grand nombre de potentiels gènes de novo) au sein du genre Meloidogyne ce qui permettra de disposer d’un dataset positif conséquent pour les méthodes d’IA. Les principales étapes consisteront à (i) tester différents algorithmes pour la sélection des caractéristiques (« feature selection »), (ii) entrainer des modèles d’apprentissage automatique basés sur des méthodes supervisées pour développer un outil de prédiction des gènes orphelins, (iii) évaluer les performances de cet outil sur un dataset test et estimer sa généralisation sur d’autres génomes.

L’ensemble de ces travaux nous permettront de déterminer quelle est la contribution des gènes orphelins à la composition des génomes de différents ravageurs de cultures parmi les plus dommageables et quels sont les mécanismes évolutifs ayant conduit à leur présence. Ces gènes étant spécifiques aux espèces phytoparasites et phytopathogènes, ces recherches amélioreront considérablement nos connaissances sur l’évolution des génomes en lien avec l’adaptation à ces modes de vie.

Publications en rapport :

- Grynberg P, Coiti Togawa R, Dias de Freitas L, Antonino JD, Rancurel C et al. (2020) Comparative genomics reveals novel target genes towards specific control of plant-parasitic nematodes. Genes 11, 1347.

- McGowan J, Byrne KP, Fitzpatrick DA (2018) Comparative analysis of oomycete genome evolution using the Oomycete Gene Order Browser (OGOB). Genome Biol Evol 11, 189-206.

- Mitchum MG, Hussey RS, Baum TJ, Wang X, Elling AA et al. (2013) Nematode effector proteins: An emerging paradigm of parasitism. New Phytol 199, 879‐94.

- Danchin EG, Rosso M-N, Vieira P, de Almeida-Engler J, Coutinho P et al. (2010) Multiple lateral gene transfers and duplications have promoted plant parasitism ability in nematodes. PNAS 107, 17651–17656

- McGowan J, Fitzpatrick DA (2020) Recent advances in oomycete genomics. Adv Genet 105, 175-228

- Abad P, Gouzy J, Aury J-M, Castagnone-Sereno P, Danchin EGJ et al. (2008) Genome sequence of the metazoan plant-parasitic nematode Meloidogyne incognita. Nat Biotechnol 26: 909-915

- Blanc-Mathieu R, Perfus-Babeoch L, Aury J-M, Da Rocha M, Gouzy J et al. (2017) Hybridization and polyploidy enable genomic plasticity without sex in the most devastating plant-parasitic nematodes. PLoS Genet 13, e1006777

- Van Oss SB, Carvunis, A-R (2019) De novo gene birth. PLoS Genet 15, e1008160.
- Wu B, Knudson A (2018) Tracing the de novo origin of protein-coding genes in yeast. mBio 9, e01024-18
- Wu D-D, Irwin DM, Zhang Y-P (2011) De novo origin of human protein-coding genes. PLoS Genet. 7, e1002379.

Profil souhaité pour le candidat : 

Le candidat devra posséder des compétences en bioinformatique et des connaissances avancées en génomique et évolution moléculaire. Le candidat doit connaitre au moins un langage de programmation.