Study of the transpositional activity in the genus Oryza in the era of next-generation sequencing technologies
Etude de l’activité transpositionnelle chez le genre Oryza à l’ère des nouvelles technologies de séquençage
Résumé
Transposable elements (TEs) are ubiquitous components of eukaryotic genomes. They are mobile DNA sequences, which have the ability to multiply and move within the chromosomes of most living organisms. They belong to two classes: class I, retrotransposons and class II, transposons. Retrotransposons are predominant in plants.With the advancement of new sequencing technologies in the last decades, it is now possible to study the structural and functional impact of these elements in natural populations. Nevertheless, due to their repeated nature, the detection of polymorphisms associated with the activity of these elements is conceptually and technically challenging.During my PhD, I developed a pipeline (TRACKPOSON) allowing the detection of polymorphic insertions of transposable elements (in particular retrotransposons) in large datasets that I applied to the 3,000 available rice genomes.This study revealed a very dynamic transpositional landscape within the species. Based on these results, an association analysis (GWAS) was conducted to identify possible genetic factors related to transpositional activity. This analysis revealed the presence of a "master" copy of the element itself, a copy necessary for the activation of transposition in the family.The TE insertion polymorphisms for all 3000 genomes also enabled us to elucidate the origin of rice domestication. We were able to identify at least three distinct genetic origins of the cultivated species.In a second step, we studied the impact of insertions of these transposable elements on certain agronomic traits (TE-GWAS). We found that an insertion of the retrotransposon rn215-125 had a significant impact on grain width in Indica rice varieties. Using Nanopore long-read sequencing technology, we were able to characterize the region into which the insertion is located and propose that the allele conferring a wider grain is more likely to result from an introgression event from a donor yet to be identified, although our initial results suggest that it may be the wild relative O. rufipogon.The analyses conducted during my thesis show the strong contribution of transposable elements to genome dynamics in the population of 3000 rice varieties. Moreover, the constant evolution of sequencing technologies and the development of associated bioinformatics tools now open new perspectives for the analysis of structural variations and in particular the impact of transposable elements on the evolution of genomes within populations.Keywords : transposable elements, Oryza sativa, genomics, bioinformatics, big data, next generation sequencing technologies, genome-wide association studies (GWAS)
Les éléments transposables (ET) sont des composants ubiquitaires des génomes eucaryotes. Ce sont des séquences d’ADN mobile, qui ont la capacité de se multiplier et de se déplacer au sein des chromosomes de la plupart des organismes vivants. Ils appartiennent à deux classes : la classe I, des rétrotransposons et la classe II, des transposons. Les rétrotransposons sont prédominants chez les plantes.Avec l’avancée des nouvelles technologies de séquençage ces dernières décennies, il est maintenant possible d’étudier l’impact structural et fonctionnel de ces éléments au sein de populations naturelles. Néanmoins par leur nature répétée, la détection des polymorphismes associés à l’activité de ces éléments est un défi conceptuel et technique.Au cours de ma thèse, j’ai développé un pipeline (TRACKPOSON) permettant la détection des insertions polymorphiques d’éléments transposables (en particulier les rétrotransposons) au sein de grand jeux de données que j’ai appliqué aux 3,000 génomes de riz disponibles.Cette étude a permis de mettre en évidence un paysage transpositionnel très dynamique au sein de l’espèce. A partir de ces résultats, afin d’identifier d’éventuels facteurs génétiques liés à l’activité transpositionnelle, une analyse d’association (GWAS) a été conduite. Celle-ci a permis de mettre en évidence la présence d’une copie « maître » de l’élément lui-même, copie nécessaire à l’activation de la transposition de la famille. Les données de polymorphismes d’insertion des ETs pour l’ensemble des 3000 génomes nous ont également permis d’élucider l’origine de la domestication du riz. Nous avons en effet pu mettre en évidence au moins trois origines génétiques distinctes de l’espèce cultivée.Dans un second temps, nous avons étudié l’impact des insertions de ces éléments transposables sur certains caractères agronomiques (TE-GWAS). Nous avons mis en évidence qu’une insertion du rétrotransposon rn215-125 avait un impact significatif sur la largeur des grains des variétés de riz Indica. Grâce à l’utilisation de la technologie de séquençage longues lectures Nanopore, nous avons pu caractériser la région dans laquelle se trouve l’insertion et proposons que l’allèle conférant un grain plus large proviendrait plutot d’un évènement d’introgression à partir d’un donneur qui reste à identifier, bien que nos premiers résultats suggèrent qu’il pourrait s’agir de l’espèce sauvage apparentée O. rufipogon.Les analyses conduites au cours de ma thèse permettent de mettre en évidence la forte contribution des éléments transposables sur la dynamique des génomes au sein de la population de 3000 variétés de riz. De plus, l’évolution constante des technologies de séquençage et le développement des outils bioinformatique associés, ouvrent maintenant de nouvelles perspectives pour l’analyse des variations structurales et en particulier l’impact des éléments transposables sur l’évolution des génomes au sein des populations.Mots-clés : éléments transposables, Oryza sativa, génomique, bio-informatique, grand jeux de données, nouvelles technologie de séquençage, étude génomique d’association (GWAS)
Origine : Version validée par le jury (STAR)