Bases évolutives de la diversification des glucosinolates chez les plantes de l'ordre des Brassicales
Institution:
Université Paris-Saclay (ComUE)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
In nature, plants are faced with a multitude of external attacks, they are constantly led to refine their defenses against these attacks. Plants of the order Brassicales are known by their capacity to synthesize secondary metabolites called glucosinolates, they are natural products rich in sulfur. After hydrolysis by thioglucosidases called myrosinases, they produce several degradation products that are toxic to parasites such as herbivorous insects or pathogens. The order Brassicales includes more than 130 molecules of glucosinolates, which have a common basic structure, but vary by their side chains. The composition of glucosinolates varies within a species, between species and between Brassicales families. The Arabidopsis thaliana species produces around 40 molecules of glucosinolates from three precursors of amino acids, phenylalanine, tryptophan and methionine. These three types of glucosinolates are generated by three linked and partially overlapping biosynthetic pathways. Glucosinolates synthesized from phenylalanine and from tryptophan are common in Brassicales families. On the other hand, the biosynthesis of glucosinolates derived from methionine is an evolutionary innovation in the youngest families of the order, these types of metabolites are found only in Brassicaceae and some Capparaceae. This new path has led to a large expansion of chemical structures of glucosinolates and is particularly important for the defense of cruciferous plants against their natural enemies. What are the genetic and evolutionary bases of such an adaptive innovation ? Based on a combined approach of comparative genomics, the reconstruction of gene phylogenies and selection tests, this thesis addresses these questions. The evolutionary history of glucosinolates shows multiple duplications of genes involved in glucosinolate biosynthesis, often targeted by the positive and indicative selection of neofunctionalizations. Notably, there were two massive waves of positive selection in the recent history of glucosinolate biosynthesis, one after the separation of the common ancestor Brassicaceae, Cleomaceae, and Capparaceae from an ancestor shared with Resedaceae. other at the base of Brassicaceae. These results show that adaptive innovations involving multiple genes can be established over a relatively short period of time and that full genome duplications may not be required for complex changes in secondary metabolism.
Abstract FR:
Dans la nature, les plantes sont confrontées à une multitude d’attaques extérieures, elles sont constamment menées à affiner leurs défenses contre ces attaques. Les plantes de l’ordre des Brassicales sont connues par leur capacité de synthétiser des métabolites secondaires appelés glucosinolates, ils sont des produits naturels riches en soufre. Après hydrolyse par des thioglucosidases appelées myrosinases, ils produisent plusieurs produits de dégradation qui sont toxiques pour des parasites comme les insectes herbivores ou les agents pathogènes. L’ordre des Brassicales regroupe plus de 130 molécules de glucosinolates, qui ont une structure de base commune, mais varient par leurs chaines latérales. La composition des glucosinolates varie au sein d’une espèce, entre espèces et entre les familles des Brassicales. L’espèce Arabidopsis thaliana produit environs 40 molécules de glucosinolates à partir de trois précurseurs d’acides aminés, phénylalanine, tryptophane et méthionine. Ces trois types de glucosinolates sont générés par trois voies de biosynthèse liées et se chevauchent partiellement. Les glucosinolates synthétisés à partir de la phénylalanine et à partir du tryptophane sont répandues chez les familles de Brassicales. Par contre, la biosynthèse des glucosinolates dérivés de la méthionine est une innovation évolutive chez les familles les plus jeunes de l’ordre, on trouve ces types de métabolites seulement chez les Brassicaceae et certaines Capparaceae. Cette nouvelle voie a conduit à une grande expansion de structures chimiques de glucosinolates et elle est particulièrement importante pour la défense des crucifères contre leurs ennemis naturels. Quelles sont les bases génétiques et évolutives d'une telle innovation adaptative ? Basée sur une approche combinant de la génomique comparative, de la reconstruction des phylogénies de gènes et des tests de la sélection, cette thèse s’inscrit à répondre à ces questions. L’histoire évolutive des glucosinolates montre de multiples duplications de gènes impliqués dans la biosynthèse des glucosinolates, souvent ciblées par la sélection positive et indicative des néofonctionnalisations. Notamment, il y avait deux vagues massives de la sélection positive dans l’histoire récente de la biosynthèse de glucosinolates, l’une après la séparation de l’ancêtre commun des Brassicaceae, Cleomaceae et Capparaceae d’un ancêtre partagé avec les Resedaceae, l’autre à la base des Brassicaceae. Ces résultats montrent que des innovations adaptives incluant de multiples gènes peuvent s’établir pendant une période relativement courte et que des duplications des génomes entiers ne sont pas forcément requis pour des changements complexes du métabolisme secondaire.