Genetic and phenotypic diversification of yeast upon meiotic reversion : ubiquity, mechanism and applications

Les hybrides constituent une source de variabilité génétique et phénotypique importante qui résulte de combinaisons alléliques uniques issues du mélange de génomes distincts. L'humanité a exploité pendant des milliers d'années l’hybridation des plantes, des animaux et des microbes pour leurs performances améliorées par rapport à celles des espèces endogènes. Cependant, les hybrides sont dans la plupart des cas des « impasses » évolutives en raison de la très faible viabilité de leur progéniture, empêchant de ce fait l'amélioration des caractéristiques d’intérêt industriel par croisements. Dans cette thèse, j'ai profité de la capacité de la levure bourgeonnante Saccharomyces cerevisiae à interrompre la méiose et à restaurer la croissance mitotique - par l’ajout soudain de nourriture abondante - pour palier à la stérilité des hybrides. Ce processus, dénommé « Return to Growth » (RTG), induit des cassures double-brin d’ADN générant des régions de perte d'hétérozygotie (LOH), et mène à la recombinaison du génome et à la création de variabilité phénotypique sans avoir recours à la reproduction sexuée. Bien qu'il ait déjà été démontré que des hybrides fertiles dérivés de souches de laboratoire peuvent effectuer le RTG, on ne connaît pas le degré d’application de celui-ci chez des souches d’origines diverses présentant des structures génomiques et un niveau de stérilité différents. Pour aborder ce problème, j'ai soumis plusieurs hybrides artificiels et industriels au RTG et j'ai caractérisé son impact au niveau génomique et phénotypique.Dans la première partie de ma thèse, j'ai déterminé dans quelle mesure le RTG peut aider à surmonter les barrières de stérilité post-zygotiques décrites dans les espèces de Saccharomyces. Tout d'abord, j'ai analysé des données de séquençage d'échantillons issus d’une souche hybride stérile soumise au RTG, et j'ai confirmé que le génome était recombiné, bien que la machinerie méiotique soit défectueuse. Ensuite, j’ai mis au point un système génétique permettant de mesurer le taux de recombinaison du génome à un locus donné et j’ai séquencé plusieurs individus afin de démontrer l’efficacité du RTG chez plusieurs hybrides présentant une stérilité aiguë. De plus, j'ai caractérisé l’impact de fortes divergences génomique sur le RTG en étudiant des hybrides entre S. cerevisiae et S. paradoxus, et j'ai observé que le système de réparation des mésappariements de l’ADN inhibait la recombinaison génétique induite par le RTG. Enfin, j'ai mis en évidence la capacité du RTG à générer de la diversité phénotypique que j’ai utilisée pour décortiquer l’architecture génétique des caractères complexes de lignées isolées sur le plan reproductif. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai testé l’efficacité du RTG sur deux souches hybrides polyploïdes stériles de S. cerevisiae utilisées dans le domaine industriel. En utilisant le système génétique mis au point dans la première partie, j’ai pu démontrer que ces souches étaient compétentes au RTG et j’ai mis en évidence la présence de nombreux événements de recombinaison génétique après séquençage du génome. Ensuite, j'ai développé une méthode n’impliquant pas de modifications génétiques pour sélectionner les cellules soumises au RTG et j’ai généré deux bibliothèques d'échantillons recombinants. L'analyse de leurs génomes a révélé une grande variabilité, comprenant de vastes régions de LOH. Finalement, j'ai mesuré la variabilité phénotypique existante au sein de ces bibliothèques et j'ai trouvé que certaines souches recombinantes étaient plus performantes que les souches industrielles originales dans des environnements spécifiques. Dans l'ensemble, mes travaux présentent le RTG comme une nouvelle stratégie permettant de surmonter la stérilité post-zygotique et offrant la possibilité de développer des souches hybrides de Saccharomyces d’intérêt industriel sans avoir recours à des modifications génétiques.Hybrids are a source of genetic and phenotypic variability as they derive from the merging of two different genomes producing new allelic combinations. Humankind exploited for thousands of years hybrid plants, animals and microbes for their improved performances compared to those of the respective parental species. However, often hybrids represent evolutionary dead ends because of the extremely low viability of their offspring. Thus, hybrid sterility is a significant issue because it limits the improvement of relevant hybrids through classical breeding approaches and more broadly, it hampers hybrid evolution. In this thesis, I took advantage of the remarkable property of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae to abort meiosis and Return-To-Growth (RTG) when starved cells in the early meiotic phase encounter a rich nutrient environment. This process induces a reshuffle of the genome generating genome-wide regions of loss-of-heterozygosity (LOH). LOH regions can have a substantial impact on hybrid fitness and can also drive adaptation to stressful conditions. While it was already shown that fertile hybrids derived from the mating of lab strains could perform RTG, we do not know whether strains with different ecological origins, genome structures and level of sterility can evolve through RTG, and if so, to what extent. To answer these questions, I applied the RTG paradigm to several artificial and industrial hybrids and characterized its impact at the genomic and phenotypic level.In the first part of my thesis, I determined to what extent RTG can overcome common post-zygotic sterility barriers described in Saccharomyces. First, I re-analyzed sequencing data of RTG samples derived from a sterile hybrid with defective meiotic machinery and confirmed that the hybrid recombined its genome through RTG despite being incapable of completing meiosis. Following, to explore RTG recombination in different hybrids, I took advantage of a genetic system to measure recombination rates at a single locus during RTG and to isolate samples for whole-genome-sequencing. By using this approach, I showed that intraspecific hybrids with different ecological origins and extreme sterility due to genome structure variation could evolve through RTG. Then, I explored how extreme sequence divergence between S. cerevisiae/S. paradoxus hybrids affects RTG recombination, and I found that recombination is mostly reduced by the mismatch repair system, whose inactivation partially increased the recombination efficiency. Finally, I showed that RTG induced phenotypic diversity in the evolved samples, and I used the phenotypic variability generated for dissecting complex traits between reproductively isolated lineages.In the second part of my thesis, I worked with two industrial polyploid S. cerevisiae intraspecific hybrids and explored RTG in an industrial setting. To demonstrate that these strains were RTG competent, I engineered their genome with the genetic system developed in the first project using CRISPR-Cas9 technology. By analyzing whole-genome-sequencing of the evolved genomes, I found that also industrial polyploid genomes recombine through RTG. Then, I developed a GMO-free method for selecting RTG strains and generated two RTG libraries of recombinant samples. Analysis of their genomes revealed high variability between samples with some having vast regions of LOH. Last, I measured phenotypic variability in the RTG libraries and found that some RTG recombinants were fitter than the original industrial strains in specific environments. This proof of concept showed that RTG represents a new avenue for inducing genetic and phenotypic novelty in sterile industrial hybrids.Overall, my work proved that RTG represents a novel path through which Saccharomyces hybrids can evolve and overcome common post-zygotic sterility barriers and that RTG constitutes a novel GMO-free strategy to generate improved industrial hybrid strains