Projet ANR-11-BSV6-0009 – GENOAK : Séquençage du génome du chêne et identification de gènes d’intérêt adaptatifs chez les arbres forestiers
Programme : Blanc - SVSE 6 - Génomique, génétique, bioinformatique et biologie systémique (Blanc SVSE 6)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Christophe PLOMION (INSTITUT NATIONAL DE LA RECHERCHE AGRONOMIQUE - CENTRE DE RECHERCHE DE BORDEAUX)
Partenaires : Institut de Génomique; Biodiversité, Gènes et Communautés; Génétique, Diversité et Écophysiologie des Céréales; IAM INSTITUT NATIONAL DE LA RECHERCHE AGRONOMIQUE - CENTRE DE RECHERCHE DE NANCY; Unité de Recherche Génomique-Info
Montant : 664000.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 48 mois
Résumé : Identification des gènes de l'adaptation chez les chênesLa question de recherche porte sur la compréhension des bases génétiques et moléculaires de l'adaptation des arbres à leur environnement, une problématique d'autant plus d'actualité que ces espèces pérennes devront faire face à des changements climatiques brutaux à l'échelle de quelques, voire une génération d'arbre!
Quand l'adaptation et la spéciation s'entremêlentL'adaptation des arbres au changement climatique va dépendre  à la fois de leur plasticité phénotypique mais aussi en grande partie de la diversité génétique adaptative présente dans les populations. L'objectif du projet est d'identifier les gènes de l'adaptation en combinant les approches holistiques de l'écologie évolutive aux technologies de la génomique à haut débit. Il s'agira dans un premier temps de décrypter le code génétique du chêne pédonculé (Quercus robur, 2n=2x=24, 740Mb/C) en établissant une séquence de référence de son génome. Dans un second temps ce génome sera annoté au niveau de sa structure et de la fonction des gènes, puis mis à disposition de la communauté scientifique grâce à des plateformes bioinformatiques et des bases de données ad hoc. Enfin, le reséquençage de plusieurs individus du complexe d'espèce des chênes blancs Européens (pédonculé, sessile, tauzin, pubescent) adaptés à des conditions pédo-climatiques très différentes, devrait permettre d'identifier les gènes soumis à la sélection naturelle et impliqués dans leur divergence écologique. Ce modèle où la spéciation est un sous-produit de l'adaptation à des niches écologiques différentes, propose que l'hybridation inter-spécifique contribue à homogénéiser les génomes des espèces sympatriques, alors que les gènes cibles de l'adaptation au milieu sont sous forte pression de sélection divergente et montrent donc des fréquences alléliques déséquilibrées entre espèces. L'étude sur 4 espèces devrait également mettre en évidence des mécanismes communs, certainement impliqués dans l'isolement reproducteur non écologique.
Les outils et méthodes de la génomique au service d'une question d'écologie évolutiveLe séquençage à haut débit du génome d'un génotype de chêne pédonculé permettra d'obtenir une quantité d'information compatible avec les critères d'assemblage bioinformatique des séquences d'ADN, afin d'établir un génome dit de référence. En parallèle, une carte génétique sera construite sur la base de quatre descendances de plein-frères génotypés à l'aide de 9000 marqueurs SNP. Elle sera alignée au génome de référence ce qui permettra, modulo une annotation fonctionnelle, d'associer les zones chromosomiques (QTL) impliqués dans le contrôle génétique de caractères adaptatifs (efficience d'utilisation de l'eau, phénologie du débourrement du bourgeon apical...) à des séquences d'ADN de fonction connue. Enfin, le reséquençage d'individus de quatre espèces sympatriques adaptées à des niches écologiques différentes, couplé à l'alignement de ces séquences au génome de référence et à l'analyse de la divergence interspécifique au niveau nucléotidique devrait permettre d'identifier des îlots de divergence génomique entre ces espèces inter-fertiles. Ces îlots de spéciation porteraient, selon nos hypothèses, des allèles conférant une adaptation à des conditions environnementales différentes. L'intérêt d'étudier quatre espèces porte sur l'analyses croisées entre espèces ce qui devrait permettre de distinguer les gènes impliqués dans l'isolement reproducteur de ceux qui sont réellement impliqués dans la divergence écologique.
Résumé de la soumission : Les arbres constituent une composante majeure de l’écosystème. Ce sont des espèces dominantes dans de nombreuses régions du monde, présentent sous diverses formes : des forêts naturelles aux plantations industrielles, en passant par des forêts gérées de façon plus  extensives. La famille des Fagacées tient une place particulière. Elle comprend environ 1000 espèces, réparties sur l'ensemble de l'hémisphère nord et dont la moitié appartient au genre Quercus. Ces chênes sont des espèces à fort intérêt culturel et social et jouent un rôle important au niveau économique, assurant des fonctions de production de bois pour de nombreuses filières industrielles et offrant des aménités souvent non marchandes. Comme les autres formations forestières, les forêts de chêne présentent également une fonction écologique, qu’il s’agisse de son rôle de protection de la biodiversité (en offrant un habitat voire un refuge pour la faune et la flore), ou de son rôle dans le cycle du carbone (séquestration du CO2 et régulation de l’effet de serre) dans la purification de l’eau et la protection des sols.  Enfin les chênes constituent d’excellents modèles d’étude des mécanismes d’adaptation aux contraintes biotiques et abiotiques qui sont notamment associées aux changements climatiques. La communauté scientifique internationale s’est récemment fédérée afin de coordonner les efforts de la recherche pour séquencer le génome de plusieurs espèces de Fagacées. Ces ressources génomiques permettront d’accélérer l’identification des gènes impliqués dans l’adaptation  des ces organismes à leur environnement, et plus particulièrement d’étudier le potentiel adaptatif des arbres dans le cadre des changements climatiques. En Europe, de nombreuses ressources génomiques ont été développées pour le chêne dans le cadre du réseau d’excellence EVOLTREE. Aux Etats-Unis, ces développements ont surtout concernés le châtaignier (genre Castanea), dont le génome est maintenant en cours de séquençage. Enfin, en Chine, ces efforts portent sur les genres Lithocarpus et Castanopsis. Ce projet vise à soutenir la participation française au décryptage du code génétique de ces espèces. Il s’appuie sur une collaboration entre six unités de recherche de l’INRA et le Genoscope (CEA). Il présente trois objectifs majeurs. Il s’agira tout d’abord d’obtenir une séquence de référence du génome du chêne pédonculé (Quercus robur). L’utilisation des nouvelles technologies de séquençage et des méthodes bioinformatiques associées permet de relever ce défit à un coût raisonnable, d’autant plus que la taille physique du génome du chêne est relativement modeste (740 Mb/C). Dans un second temps, l’ensemble du code génétique sera annoté puis mis à disposition de la communauté scientifique. Enfin, le reséquençage de plusieurs individus du complexe d’espèces des chênes blancs Européens (pédonculé, sessile, voire tauzin et pubescent) permettra d’identifier les gènes soumis à la sélection naturelle et impliqués dans leur divergence écologique, et de développer des outils moléculaires permettant de quantifier le potentiel adaptatif de ces espèces via l’analyse de leur diversité nucléotidique.
Résultats : Les travaux et résultats atteints pendant les 30 premiers mois portent sur 4 volets. Il s'agissait dans un premier temps d'obtenir une séquence de référence du génome d'un génotype de chêne pédonculé. Pour ce faire, le génome a été découpé en fragments de taille variables qui ont été séquencés en masse par pyroséquençage «454« d'une part et par synthèse «illumina« d'autre part. L'assemblage de cette information a été réalisé, fournissant une première version  du génome du chêne en 16000 fragments dont 4500 contiennent la majorité des gènes. En parallèle, le transcriptome du chêne a été séquençé et assemblé. Cet unigène annoté a permis  de répondre à des questions de recherche en génomique fonctionnelle et évolutive. Il est également d'une importance capitale pour valider les gènes prédis issus de l'annotation fonctionnelle de la séquence du génome . Nous avons également terminé la construction d'une carte génétique de quelques 11000 locus géniques qui à son tour a permis d'acquérir des résultats novateurs sur la localisation génomique de l'incompatibilité à la reproduction et l'étendue de la macro-synténie avec d'autres génomes d'eudicot séquencés. La question centrale sur l'identification des zones génomiques impliquées dans la spéciation écologique a été traitée au niveau de la métrique du centiMorgan et est actuellement abordée au niveau génomique, les 4 espèces cibles de notre étude (4 espèces de chênes blancs européens vivant en sympatrie) ayant été reséquencées.
Perspectives : A terme, ce projet devrait apporter les bases scientifiques  à la mise en place d'outils diagnostiques du potentiel adaptatif des chênaies via l'analyse de la diversité nucléotidique des gènes ainsi identifiés.
Publications et brevets : •	Petit RJ, Carlson J, Curtu L, Loustau ML, Plomion C, Rodriguez AG, Sork V, Ducousso A (2013). Fagaceae trees as models to integrate ecology, evolution and genomics. New Phytol 197: 369-371
•	Plomion C, Fievet V (2013) Oak genomics takes off and enters the ecological genomics era. New Phytol 199: 308-310