Projet ANR-13-JSV6-0005 – PHYTNESS : Mutation, Recombinaison et Fitness des Eucaryotes, Approches Génomiques sur les Microalgues du Phytoplankton
Programme : JCJC - SVSE 6 - Génomique, génétique, bioinformatique et biologie systémique (JCJC SVSE 6)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Madame Gwenael PIGANEAU (UMR7232 Biologie Integrative des Organismes Marins)
Partenaires : Biologie Intégrative des Organismes Marins
Montant : 224999.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : Estimer les facteurs clés de l’adaptabilité dans 5 microalgues marines du phytoplancton.L’objectif est l’estimation des deux variables déterminant la capacité d’adaptation du phytoplancton: le taux de mutation spontanée et la diversité génétique des populations.
Diversité et diversification du phytoplancton eucaryote.La diversité intraspécifique du phytoplancton eucaryote est encore largement inconnue alors qu’elle est fondamentale à la survie des espèces. Le séquençage haut débit permet l’obtention de données de souches de populations naturelles pour estimer cette diversité. Cette même approche est utilisée pour identifier les mutations spontanées qui sont à l’origine des nouvelles mutations et de leur diversification. Diversité et diversification sont fondamentales pour inférer l’adaptabilité des espèces, en milieu naturel ou artificiel (optimisation métabolique).
Expériences d’accumulation de mutations et analyses de génomique des populations.Pour estimer le taux de mutations spontanées, µ, il faut s’affranchir de la sélection naturelle qui éliminerait les mutations délétères. Le nombre de cellules par lignées est borné à 213 et est ramené à 1 cellule tous les 14 jours. La comparaison de la séquence du génome complet de la culture initiale avec celles des lignées ayant accumulé les mutations permet d’estimer µ dans son contexte nucléotidique. La diversité génomique des populations naturelles repose sur des analyses de bioinformatiques et de génétique des populations.
Résumé de la soumission : PHYTNESS repose sur la combinaison d’approches expérimentales et de génomique des populations pour comprendre deux mécanismes fondamentaux de la dynamique des génomes eucaryotes: la mutation et la recombinaison, en se basant sur les microalgues marines de la classe des Mamiellophyceae (phylum des Chlorophytes). Cette classe comprend trois genres ubiquistes dans les eaux de surface des océans : Ostreococcus, Micromonas et Bathycoccus, qui représentent une grande distance évolutive qui se reflète dans la diversité de leurs phénotypes, de leur contenu en gènes et de leur achitecture génomique. La mutation est la source ultime de diversité et la recombinaison permet le brassage génétique entre individus. La quantification de ces deux processus est fondamentale pour la génétique, l’évolution et l’étude de la diversité des espèces.Les approches de séquençage à haut débit ont révolutionnées les recherches sur le taux de mutations en permettant le suivi et l’observation directe des mutations au cours des divisions cellulaires. Peu d’estimation du taux de mutations spontanées sont actuellement disponibles et les algues vertes de la classe des Mamiellophyceae possèdent de nombreux atouts pour sa quantification et le test des mécanismes impliqués dans sa régulation. Nous proposons de réaliser des expériences d’accumulation de mutation dans quatre espèces dont le génome complet a été séquencé : O. tauri, O. mediterraneus and B. prasinos and M. pusilla.Le taux de recombinaison le long des chromosomes influence directement l’efficacité de la sélection sur les mutations. Une autre conséquence des crossing-over méiotiques est la possibilité de conversion génique biaisée, qui résulte d’un biais dans la correction des mésappariements entre chromatides. Plusieurs analyses de génomes de plantes et de vertébrés suggèrent que la conversion génique biaisée modèle le paysage nucléotidique des génomes eucaryotes. Nos connaissances sur le processus de recombinaison dans les génomes de ces microalgues sont quasi-inexistantes, alors qu’il s’agit du facteur essentiel pour comprendre l’origine de l’architecture des génomes et l’évolution du taux de mutations spontanées. Nous tirerons profit des projets de séquençage de génomes complets de populations pour réaliser la première estimation du taux de recombinaison génomique dans deux espèces d’Ostreococcus. L’analyse des corrélations entre les taux de recombinaison, la diversité génétique et la composition en base le long des chromosomes nous permettra d’élucider les mécanismes impliqués dans la dynamique de ces génomes.Relier la diversité génétique à la diversité phénotypique constitue le dernier objectif de notre projet. Nous allons dans ce but étudier les associations entre les haplotypes et les données phénotypiques préalablement obtenues sur les souches de ces populations, comme le spectre de sensibilité de ces souches aux virus du milieu marin, que nous compléterons par l’estimation des taux de croissance en fonction de différents paramètres environnementaux. Le déploiement de méthodes  d’estimations par maximum de vraisemblance nous permettra d’estimer la proportion de mutations neutres, délétères et avantageuses dans les régions codantes en confrontant les divergences inter- et intra-spécifiques. Les données génomiques et phénotypiques issues de ce projet seront intégrées dans une interface « web » pour faciliter leur accès par la communauté scientifique. Cette interface permettra de parcourir les génomes au sein d’une même espèce pour une famille de gènes et entre espèces. La combinaison d’approches expérimentales et bioinformatiques permettra de tirer des conclusions importantes sur les mécanismes impliqués dans l’évolution et la diversification des génomes de ces microalgues. Les résultats obtenus permettront une meilleure compréhension de la diversification des algues marines en général, qui représentent un réservoir encore sous-exploité de la biodiversité de notre planète.
Résultats : Les premiers résultats suggèrent un taux de mutation très hétérogène dans ces espèces pytoplanctoniques marines. Les expériences s’accumulation des mutations ont amené un résultat inattendu : la résistance aux herbicides dans deux lignées de Bathycoccus et d’une lignée d’Ostreococcus. L’analyse de génomique des populations, toujours en cours, a permis de décrire pour la première fois la diversité taxonomique du microbiome bactérien associée aux cultures d’Ostreococcus tauri, susceptibles d’influencer la croissance des microalgues.
Perspectives : La caractérisation des bactéries associées aux microalgues suggère des interactions symbiotiques qui font l’objet d’un nouveau projet en cours dans l’équipe en partenariat avec un laboratoire de bactériologie marine. Les expériences d’accumulation de mutations ont permis l’identification de souches résistantes aux herbicides, et l’analyse de leur génome permettra de comprendre les bases génétiques de la résistance aux herbicides. L’estimation du taux de mutation permettra d’inférer la capacité d’adaptation du phytoplancton face aux changements environnementaux.
Publications et brevets : La description des microbiomes associés aux cultures d’Ostreococcus a fait l’objet d’une publication en 2014 dans la revue Frontiers in Microbiology. Le manuscrit présentant l’estimation des effets des mutations spontanée sur la croissance de 3 espèces et leur résistance à des conditions de stress est en cours d’évaluation. Trois autres manuscrits sont en préparation.