PhD defense - Benoit Madec (eq. Espagne - Genome Biology dpt)

“Caractérisation de l’impact du polymorphisme sur la distribution des crossovers méiotiques chez Arabidopsis thaliana.”.

Résumé: Au cours de la méiose, des crossovers se forment entre chromosomes homologues, ce qui entraîne le réassortiment des allèles parentaux, maintenant et générant ainsi de la diversité génétique chez la descendance. La répartition des crossovers le long des chromosomes n’est ni uniforme ni aléatoire, mais les mécanismes et les forces évolutives qui régissent cette répartition restent mal compris. Peu d’informations sur l’interaction entre le polymorphisme de séquence et la répartition des crossovers le long des chromosomes. À l’échelle locale, il a été montré que la recombinaison et les crossovers ont tendance à éviter les régions polymorphes. Cependant, à une échelle plus globale, des études suggèrent que les crossovers pourraient se former préférentiellement dans les régions hétérozygotes.

Afin de tester spécifiquement l’effet du polymorphisme sur la distribution des crossovers à l’échelle du génome, indépendamment des autres caractéristiques chromosomiques, j’ai utilisé des lignées recombinantes (RILs) d’A. thaliana. Le génome des RILs est un patchwork des deux génomes parentaux ; le rétrocroisement de la RIL avec l’un ou l’autre des parents permet d’obtenir des individus F1 dans lesquels chaque chromosome contient des régions hétérozygotes et homozygotes réparties dans tout le génome. En utilisant ces RILs rétrocroisées (bRILs), j’ai pu analyser chaque locus dans un état polymorphe (hétérozygote) ou non polymorphe (homozygote), et tester si les crossovers se formaient préférentiellement dans les régions polymorphes ou non polymorphes.

J’ai développé des outils bioinformatiques pour détecter les crossovers en utilisant deux niveaux de divergence : faible et fort. Le niveau de divergence élevé (1 SNP tous les 250 pb) est présent dans les régions hétérozygotes et provient de la divergence naturelle entre deux écotypes d’A. thaliana : Columbia-0 et Catania-1. Le faible niveau de divergence (1 SNP tous les 200 000 kb) est présent dans les régions homozygotes et résulte d’un traitement EMS.

J’ai démontré que le polymorphisme peut modeler de manière extensive la distribution des crossovers dans tout le génome et entrer en compétition avec les caractéristiques du paysage de recombinaison, en les modifiant chez les mâles et chez les femelles d’A. thaliana. Le polymorphisme a été capable de déplacer les crossovers de régions riches en crossovers vers des régions pauvres en crossovers. J’ai aussi démontré un effet homogène du polymorphisme le long des intervalles hétérozygotes et polymorphes. Dans l’ensemble, mes résultats soutiennent un rôle majeur du polymorphisme dans la formation des crossovers chez A. thaliana. Le polymorphisme constitue un outil permettant d’explorer des questions anciennes, telles que les mécanismes de l’hétérochiasmie et de l’interférence.

Title: Impact of polymorphism on meiotic crossover distribution in Arabidopsis thaliana.

Abstract: During meiosis, crossovers form between homologous chromosomes, leading to the reassortment of parental alleles, thereby maintaining and generating genetic diversity in the offspring. The distribution of crossovers along chromosomes is neither uniform nor random, but the mechanisms and evolutionary forces that govern this distribution remain poorly understood. Little is known about the interaction between sequence polymorphism and the distribution of crossovers along chromosomes. At the local scale, recombination and crossovers have been shown to avoid polymorphic regions. However, at a more global scale, studies suggest that crossovers might preferentially form in heterozygous regions.

To specifically test the effect of polymorphism on the genome-wide distribution of crossovers, independently of other chromosomal features, I used recombinant inbred lines (RILs) of A. thaliana. The genome of RILs is a mosaic of the two parental genomes; backcrossing an RIL with either parent produces F1 individuals in which each chromosome contains both heterozygous and homozygous regions scattered throughout the genome. Using these backcrossed RILs (bRILs), I was able to analyze each locus in a polymorphic (heterozygous) or non-polymorphic (homozygous) state, and test whether crossovers formed preferentially in polymorphic or non-polymorphic regions.

I developed bioinformatics tools to detect crossovers using two levels of divergence: low and high. The high level of divergence (1 SNP every 250 bp) is present in heterozygous regions and comes from natural divergence between two A. thaliana ecotypes: Columbia-0 and Catania-1. The low level of divergence (1 SNP every 200,000 kb) is present in homozygous regions and results from EMS treatment.

I demonstrated that polymorphism can extensively shape the distribution of crossovers throughout the genome and compete with recombination landscape features, modifying them in both male and female A. thaliana. Polymorphism was able to shift crossovers from crossover-rich regions toward crossover-poor regions. I also demonstrated a consistent effect of polymorphism along heterozygous and polymorphic intervals. Overall, my results support a major role of polymorphism in crossover formation in A. thaliana. Polymorphism provides a tool to explore long-standing questions, such as the mechanisms of heterochiasmy and interference.