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

Eléonore Durand

Description

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

Sujets

• Maïs
• Évolution expérimentale

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 70
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

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



tel-00607712, version 1 - 11 Jul 2011

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
3

tel-00607712, version 1 - 11 Jul 2011

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 sta