Etude des bases (épi) génétiques de l'adaptation dans une expérience de sélection divergente pour la précocité de floraison chez le maîs, (Epi)-genetic basis of adaptation in a divergent selection experiment for flowering time in maize inbred lines

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Sous la direction de Christine Dillmann
Thèse soutenue le 10 juin 2011: Paris 11
La variation quantitative résulte de l’action combinée des gènes et de leur environnement. Pour comprendre la relation génotype-phénotype et disséquer l’architecture des caractères complexes, deux approches sont couramment employées. D’une part l’évolution expérimentale qui permet de quantifier le nombre et l’effet des mutations dans la construction d’un phénotype soumis à une pression de sélection, d’autre part la cartographie de QTL (Quantitative Trait Loci) et/ou la génétique d’association qui permettent d’identifier les locus responsables de la variation phénotypique. Au cours de cette thèse, nous avons combiné l’ensemble de ces approches pour (1) évaluer le rôle relatif des nouvelles mutations et de la variabilité résiduelle dans la réponse à la sélection ; (2) identifier les déterminants génétiques sous tendant cette réponse ; (3) disséquer, pour un locus candidat, les mécanismes génétiques de sa contribution à la variation phénotypique. Pour cela, nous disposons d’un matériel génétique résultant d’une expérience de sélection divergente pour la date de floraison menée depuis plus de dix ans. Cette expérience a été conduite en parallèle à partir de deux lots de semences de lignées commerciales de maïs (F252 et MBS847). Pour chaque lignée de départ, deux populations ont été constituées, une population précoce et une population tardive produites en sélectionnant et autofécondant les génotypes les plus précoces/tardifs à chaque génération. Nous avons caractérisé la réponse à la sélection après 7 générations. Cette réponse est rapide, asymétrique entre populations et significative dans 3 des 4 populations. Elle est linéaire avec le temps ce qui indique que des nouvelles mutations contribuent à créer de la variance génétique à chaque génération. Nous avons identifié un locus majeur contribuant à 35% de la variation pour la date de floraison dans la population F252 tardive et pour lequel les deux allèles étaient présents dans le lot de semence initial sous forme d’hétérozygotie résiduelle. Les deux allèles présentent des haplotypes très divergents autant au niveau de leur variation nucléotidique (5.7%) que d’un point de vue structural (16 indels) sur une région proche du gène eIF-4A (Eukaryotic Initiation Translation Factor 4A). L’association de ce locus avec la date de floraison et d’autres caractères corrélés tels que la hauteur et le nombre de feuilles a été confirmée par une caractérisation développementale fine de génotypes précoces et tardifs et également dans un panel d’association comprenant 317 lignées de maïs cultivé. En plus d’un effet pléiotrope, nous avons montré grâce au développement de méthodes statistiques que ce locus présente des interactions épistatique fortes avec d’autres locus en ségrégation puisque son effet dépend largement du fond génétique. Nous avons finalement utilisé des AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphisms) sur tous les génotypes issus des 7 premières générations de sélection afin d’identifier d’autres polymorphismes potentiellement impliqués dans la réponse à la sélection. Nos résultats préliminaires montrent une différenciation génétique et épigénétique entre les populations sélectionnées qui semble être préférentiellement due à de l’hétérozygotie résiduelle.
-Zea mays
-Évolution expérimentale
-Mutations sélection
-Floraison
Quantitative variation results from the combined action of multiple genes and their environment. Two approaches are currently employed to gain insights into the link between genotype and phenotype and to dissect the genetic architecture of complex traits. On one hand, experimental evolution allows quantifying the number of mutations and their effect on the evolution of a phenotype subject to artificial selection. On the other hand, QTL (Quantitative Trait Locus) and association mapping are used to identify loci responsible for phenotypic variation. In this work, we have combined all 3 approaches in order to (1) evaluate the role of new mutations and standing genetic variation to the response to selection ; (2) to identify the genetic determinants underlying this response ; (3) to dissect at one candidate locus the genetic mechanisms of its contribution to phenotypic variation. We have used the material produced by a divergent selection experiment for flowering time conducted for over 10 years in the field. This experiment was conducted in parallel from two commercial maize inbred line, F252 and MBS847. From each initial seed lot, two populations, an early population and a late population, were created by selecting and selfing the earliest/latest individuals at each generation. We characterized the response to selection after 7 generations. The response was fast, asymmetric between populations and significant in 3 out of 4 populations. It was linear through time indicating that new mutations have generated new additive genetic variance at each generation. We identified a major locus contributing to 35% of the variation for flowering time in the late F252 population. At this locus, two alleles were present as residual heterozygocity in the initial seed lot. The two alleles exhibited haplotypes extending on a region around the eIF-4A (Eukaryotic Initiation Translation Factor 4A) that diverged drastically both at the nucleotide (5.7%) and structural level. We were able to confirm the association of the candidate locus to flowering time variation and other traits such as height and leaf number, first using an association panel containing 317 maize lines, second through the developmental characterization of early and late genotypes. In addition, to its pleiotropic effect, we have shown by developing a specific statistical framework that this locus exhibit pervasive epistatic interactions with other loci segregating in the population. Hence, its effect largely depended on the genetic background. We have finally applied methyl-sensitive AFLP (Amplified Frgament length Polymorphisms) to screen all genotypes in order to identify the polymorphisms potentially involved in the response to selection during the first 7 generations Our preliminary results indicate both a genetic and epigenetic differentiation between early and late populations. This differentiation seems however to be mainly driven by standing genetic variation.
-Zea mays
-Evolution experiment
-Mutations selection
-Flowering
Source: http://www.theses.fr/2011PA112078/document
Publié le : vendredi 4 novembre 2011
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Université Paris XI
UFR Scientifique d’Orsay

THÈSE DE DOCTORAT

Spécialité : Sciences de la Vie
École doctorale : Gènes, Génomes, Cellules



Présentée par

Eléonore DURAND

Pour obtenir le grade de Docteur en Sciences de l’Université Paris XI Orsay


Étude des bases (épi)génétiques de l'adaptation dans une expérience de
sélection divergente pour la précocité de floraison chez le maïs









Date de soutenance prévue le 10 juin 2011

Devant le jury composé de :

Pierre CAPY, professeur, Université Paris-Sud 11 Président
Thomas BATAILLON , associate professor, BiRC Rapporteur
Gilles CHARMET, directeur de recherche, INRA Rapporteur
Fabrice ROUX , chargé de recherche, Université de Lille 1 Examinateur
Yves VIGOUROUX , chargé de recherche, CNRS Examinateur
Christine DILLMANN, professeur, Université Paris-Sud 11 Encadrante
Maud TENAILLON, chargée de recherche, CNRS Encadrante



Travail réalisé à l’UMR de GENETIQUE VEGETALE
INRA/Univ. Paris XI/CNRS/AgroParisTech
Ferme du Moulon
91190 Gif-sur-Yvette, France
tel-00607712, version 1 - 11 Jul 2011
tel-00607712, version 1 - 11 Jul 2011Résumé

La variation quantitative résulte de l’action combinée des gènes et de leur environnement.
Pour comprendre la relation génotype-phénotype et disséquer l’architecture des caractères complexes,
deux approches sont couramment employées. D’une part l’évolution expérimentale qui permet de
quantifier le nombre et l’effet des mutations dans la construction d’un phénotype soumis à une
pression de sélection, d’autre part la cartographie de QTL (Quantitative Trait Loci) et/ou la génétique
d’association qui permettent d’identifier les locus responsables de la variation phénotypique. Au cours
de cette thèse, nous avons combiné l’ensemble de ces approches pour (1) évaluer le rôle relatif des
nouvelles mutations et de la variabilité résiduelle dans la réponse à la sélection ; (2) identifier les
déterminants génétiques sous tendant cette réponse ; (3) disséquer, pour un locus candidat, les
mécanismes génétiques de sa contribution à la variation phénotypique.
Pour cela, nous disposons d’un matériel génétique résultant d’une expérience de sélection
divergente pour la date de floraison menée depuis plus de dix ans. Cette expérience a été conduite en
parallèle à partir de deux lots de semences de lignées commerciales de maïs (F252 et MBS847). Pour
chaque lignée de départ, deux populations ont été constituées, une population précoce et une
population tardive produites en sélectionnant et autofécondant les génotypes les plus précoces/tardifs
à chaque génération.
Nous avons caractérisé la réponse à la sélection après 7 générations. Cette réponse est rapide,
asymétrique entre populations et significative dans 3 des 4 populations. Elle est linéaire avec le temps
ce qui indique que des nouvelles mutations contribuent à créer de la variance génétique à chaque
génération. Nous avons identifié un locus majeur contribuant à 35% de la variation pour la date de
floraison dans la population F252 tardive et pour lequel les deux allèles étaient présents dans le lot de
semence initial sous forme d’hétérozygotie résiduelle. Les deux allèles présentent des haplotypes très
divergents autant au niveau de leur variation nucléotidique (5.7%) que d’un point de vue structural (16
indels) sur une région proche du gène eIF-4A (Eukaryotic Initiation Translation Factor 4A).
L’association de ce locus avec la date de floraison et d’autres caractères corrélés tels que la hauteur et
le nombre de feuilles a été confirmée par une caractérisation développementale fine de génotypes
précoces et tardifs et également dans un panel d’association comprenant 317 lignées de maïs cultivé.
En plus d’un effet pléiotrope, nous avons montré grâce au développement de méthodes statistiques que
ce locus présente des interactions épistatique fortes avec d’autres locus en ségrégation puisque son
effet dépend largement du fond génétique. Nous avons finalement utilisé des AFLP (Amplified
Fragment Length Polymorphisms) sur tous les génotypes issus des 7 premières générations de
sélection afin d’identifier d’autres polymorphismes potentiellement impliqués dans la réponse à la
sélection. Nos résultats préliminaires montrent une différenciation génétique et épigénétique entre les
populations sélectionnées qui semble être préférentiellement due à de l’hétérozygotie résiduelle.

Mots clés: Zea mays, évolution expérimentale, mutations, sélection, floraison



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Abstract

Quantitative variation results from the combined action of multiple genes and their
environment. Two approaches are currently employed to gain insights into the link between genotype
and phenotype and to dissect the genetic architecture of complex traits. On one hand, experimental
evolution allows quantifying the number of mutations and their effect on the evolution of a phenotype
subject to artificial selection. On the other hand, QTL (Quantitative Trait Locus) and association
mapping are used to identify loci responsible for phenotypic variation. In this work, we have combined
all 3 approaches in order to (1) evaluate the role of new mutations and standing genetic variation to the
response to selection ; (2) to identify the genetic determinants underlying this response ; (3) to dissect
at one candidate locus the genetic mechanisms of its contribution to phenotypic variation.
We have used the material produced by a divergent selection experiment for flowering time
conducted for over 10 years in the field. This experiment was conducted in parallel from two
commercial maize inbred line, F252 and MBS847. From each initial seed lot, two populations, an early
population and a late population, were created by selecting and selfing the earliest/latest individuals at
each generation.
We characterized the response to selection after 7 generations. The response was fast,
asymmetric between populations and significant in 3 out of 4 populations. It was linear through time
indicating that new mutations have generated new additive genetic variance at each generation. We
identified a major locus contributing to 35% of the variation for flowering time in the late F252
population. At this locus, two alleles were present as residual heterozygocity in the initial seed lot. The
two alleles exhibited haplotypes extending on a region around the eIF-4A (Eukaryotic Initiation
Translation Factor 4A) that diverged drastically both at the nucleotide (5.7%) and structural level. We
were able to confirm the association of the candidate locus to flowering time variation and other traits
such as height and leaf number, first using an association panel containing 317 maize lines, second
through the developmental characterization of early and late genotypes. In addition, to its pleiotropic
effect, we have shown by developing a specific statistical framework that this locus exhibit pervasive
epistatic interactions with other loci segregating in the population. Hence, its effect largely depended
on the genetic background. We have finally applied methyl-sensitive AFLP (Amplified Frgament
length Polymorphisms) to screen all genotypes in order to identify the polymorphisms potentially
involved in the response to selection during the first 7 generations Our preliminary results indicate
both a genetic and epigenetic differentiation between early and late populations. This differentiation
seems however to be mainly driven by standing genetic variation.

Key words: Zea mays, evolution experiment , mutations, selection, flowering
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Remerciements


Je tiens à remercier dans un premier temps Christine Dillmann et Maud Tenaillon qui
m’ont encadrée tout au long de la thèse ; travailler avec vous a été une expérience très
enrichissante. Merci à Christine de m’avoir accueillie en stage de M1 dans l’équipe GQF et de
m’avoir permis de continuer à travailler en thèse sur un sujet aussi passionnant. Merci pour ta
disponibilité, pour toutes tes bonnes idées et ta patience, mais aussi pour m’avoir initiée aux
analyses statistiques et à la programmation. Merci Maud pour tes conseils, ton enthousiasme,
ta disponibilité et pour m’avoir donné gout aux manips de laboratoire. Merci aussi pour
m’avoir accueillie à Irvine ; j’en garde un excellent souvenir. Merci à Alain Charcosset pour
sa participation aux discussions et ses conseils.
Je tiens aussi à remercier Adrienne Ressayre pour son soutien et son aide à de
multiples reprises au cours de la thèse, aussi bien pour les relectures que pour les analyses.

Je remercie Thomas Bataillon et Gilles Charmet pour avoir accepté d’être les
rapporteurs de cette thèse. Je remercie également Pierre Capy, Fabrice Roux et Yves
Vigouroux pour avoir accepté de faire partie de mon jury de thèse. Merci à Marie-Anne Félix,
Jacques David et Fabrice Roux pour avoir participé à mon comité de thèse.

Merci à l’ensemble de l’équipe GQF pour la très bonne ambiance qui y règne:
Delphine Sicard, Dominique De Vienne, Olivier Martin et Matthieu Falque pour les
discussions, ainsi qu’à Aurélie Bourgais pour ses conseils et son aide au laboratoire. Un très
grand merci à Thibault pour son soutien, les discussions bien souvent en mode geek, et pour
ses gouts cinématographiques (si si !). Merci aux anciens thésards de l’équipe, Aymé et
Victor pour votre humour et tous les bons moments.

Un très grand merci à Xavier pour l’aide apportée au laboratoire (en particulier pour
tous les gels de séquence) ainsi que pour les conseils que ce soit au labo ou autre. Merci à
Céline dont la participation a rendu possible le développement du marqueur dont les étapes se
sont avérées assez épique. Merci à l’ensemble du laboratoire pour la très bonne ambiance qui
y règne : Carine, Valérie, Martine, Delphine et Fabrice pour ne citer que les habitués.
Je remercie également Sophie, Denis, Philippe, Cyril et Pascal pour leur implication
dans les expériences aux champs, ainsi que Cédric Dufour et tous les saisonniers qui ont
apporté leur aide.
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Un très grand merci à l’ensemble des personnes que j’ai côtoyé au cours de la thèse.
Julie, Marlène, Amandine, Marion et Sophie pour leur gentillesse et tous les échanges. Merci
à Pierre, Olivier, Fabio, Yannick, Franck, Nico et Raph pour votre bonne humeur permanente
et tous les très bons moments que j’ai passé avec vous. Je remercie également l’ensemble des
thésards rencontrés au cours de la thèse : Yves, Véro, Matthieu, Abdul, Jonathan, Florian etc,
et tous les nouveaux.

Enfin, j’adresse un énorme merci à mes parents et Emmanuel pour tout ce qu’ils m’ont
apporté et pour leur soutien.


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SOMMAIRE




CHAPITRE I : INTRODUCTION 8

I-1. Forces évolutives et adaptation des populations 10
I-1.1. Les forces évolutives agissent sur les fréquences alléliques 10
I-1.2. Définir l’adaptation 13
I-1.3. Quelques modèles théoriques pour comprendre l’adaptation 15
I-2. La date de floraison chez le maïs comme modèle de caractère adaptatif 21
I-2.1. Histoire du maïs cultivé 21
I-2.2. Développement et transition florale du maïs 26
I-2.3. Génome du maïs 28

I-3. Comment identifier les déterminants génétiques impliqués dans la variation de caractères adaptatifs ? 32
I-3.1. Déséquilibre de liaison 32
I-3.2. Dispositifs expérimentaux 34
I-3.2.1. Détection de QTL dans des descendances de croisements contrôlés 34
I-3.2.2. Génétique d'association 36
I-3.2.3. Approches intégratives 38
I-3.3. Impact du contexte génétique 42
I-3.3.1. L’épistasie 42
I-3.3.2. Corrélations génétiques et pléiotropie 44

I-4. Etudier la dynamique d'apparition de nouveaux génotypes par des approches expérimentales 47
I-4.1. A quelle vitesse apparaissent les mutations et quels sont leurs effets ? 47
I-4.2. A quelle vitesse apparaissent les mutations adaptatives ? 53
I-4.2.1. Les expériences de sélection à partir de lignées pures 54
I-4.2.2. Un exemple d’une expérience de sélection divergente historique chez le maïs 58
I-5. Présentation de la thèse 63


CHAPITRE II : DESCRIPTION DU MATERIEL VEGETAL 64

II-1. Expérience de sélection divergente pour la date de floraison à partir de deux lignées commerciales de
maïs 67

II-2. Croisements entre lignées évoluées 70

II-3. Dispositifs spécifiques à la généalogie F252 72
II-3.1. Populations dérivant d'un individu hétérozygote au marqueur candidat 72
II-3.2. Caractérisation à différents stades de développement chez F252 74

CHAPITRE III : REPONSE A LA SELECTION DIVERGENTE POUR LA DATE DE
FLORAISON A PARTIR DE LIGNEES COMMERCIALES DE MAÏS
76
III-1. Introduction 78

III-2. Standing variation and new mutations both contribute to a fast response to selection for flowering
time in maize inbreds (arti c l e ) 82

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CHAPITRE IV : CARACTERISATION PHENOTYPIQUE ET MOLECULAIRE DU LOCUS
CANDIDAT QCK5 E09 POUR LA DATE DE FLORAISON

IV-1. Introduction 107

IV-2. Epistasis, pleiotropy and maintenance of polymorphism at a locus associated with flowering time
variation in maize inbred lines 113




CHAPITRE V : RECHERCHE D E POLYMORPHISMES MOLECULAIRES PAR AFLP
DANS LES POPULATIONS EVOLUEES


V-1. Introduction 163

V-2. Protocole expérimental 165
V-2.1. Matériel végétal 169
V-2.2. Choix des combinaisons d’amorces 169
V-2.3. Génotypage en bulk 172
V-2.4. Digestion 172

V-2.5. Ligation 173
V-2.6. Amplifications 1 74
V-2.7. Migration sur gel d’acrylamide sur séquenceur Licor 176

V-3. Lecture des gels 178



V-4. Inférence du génotype à un locus AFLP en utilisant les généalogies 180

V-4.1. Vraisemblance des génotypes 180
V-4.1.1. Description du modèle 180
V-4.1.2. Vraisemblance des génotypes des enfants connaissant le parent 184
V-4.1.3. Vraisemblance de la généalogie 185
V-4.2. Enumération des combinaisons génotypiques possibles à l’aide d’un algorithme de
185
parcimonie

V-5. Résultats 189
V-5.1. Phénotypage AFLP 189
V-5.2. Etude par simulation de l’efficacité de la méthode d’inférence des génotypes 194
V-5.3. Structuration du polymorphisme génétique dans les populations de sélection divergente :
résultats préliminaires 197


V-6. Discussion 201


CHAPITRE VI : DISCUSSION GENERALE ET PERSPECTIVES 203


BIBLIOGRAPHIE 213


ANNEXES
Annexe 1. Modèles de génétique d’association
Annexe 2. Protocole de gel Licor pour les profils AFLP
Annexe 3. Protocole d’extraction d’ADN en plaques 96 Whatman
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Chapitre I

Introduction
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