Evolutionary history of a plant root parasite : Meloidogyne graminicola

Meloidogyne graminicola (Mg), communément appelé nématode à galles du riz, est un ravageur dévastateur dans le monde entier, causant de graves dommages à la production de riz et à d'autres cultures. Malgré l'énorme impact du Mg sur l'agriculture, les moyens de contrôler ce pathogène restent limités. Il est clair que le manque de connaissances sur l'adaptabilité du Mg à son environnement reste à résoudre. Les travaux menés et présentés dans ce manuscrit de thèse se sont concentrés sur l'étude génomique de ce nématode se reproduisant par parthénogenèse méiotique facultative en reconstruisant les génomes mitochondriaux et nucléaires de plusieurs isolats de Mg. En utilisant une approche génomique comparative au sein de l'espèce et avec d'autres espèces apparentées, ce travail vise à retracer l'évolution moléculaire et le cycle biologique du Mg. Les résultats de cette étude peuvent être décomposés en quatre parties principales: Premièrement, une analyse comparative entre Mg et les espèces phylogénétiquement apparentées, M. oryzae, a montré des séquences mitochondriales et nucléaires très similaires. Fait intéressant, ces deux espèces trouvées dans les rizières en Amérique du Sud partageaient l'une des deux copies divergentes de plusieurs régions nucléaires. Cela suggère que Mg et M. oryzae ont probablement un ancêtre commun et qu'ils pourraient tous deux être le résultat d'une hybridation interspécifique. Deuxièmement, une séquence de référence haploïde de haute qualité du génome nucléaire de Mg a été assemblée et annotée. La teneur totale en ADN d'une cellule somatique, probablement à l'état diploïde, est d'environ 82 Mo et le génome a une hétérozygotie d'environ 2%. Les gènes codant pour les protéines, les éléments transposables et les transferts de gènes horizontaux ont été annotés dans tout le génome et le rôle potentiel de ces éléments dans le parasitisme a été discuté. Troisièmement, l'étude génomique comparative d'isolats de 13 Mg collectés à grande échelle géographique a permis d'émettre des hypothèses sur l'histoire évolutive de l'espèce: i) L'analyse du déséquilibre de liaison et le test des quatre gamètes utilisant des variants mononucléotidiques (SNV ) a révélé l'existence d'une recombinaison homologue, susceptible de se produire lors de la méiose ii) Le faible niveau de variantes géographiques et l'étude phylogénétique de ces 13 isolats révèlent un manque de structure de population collectée en Asie du Sud-Est suggérant une dispersion récente de ce pathogène dans ce région du monde iii) Différentes pertes d'hétérozygotie (LoH) et une hétérogénéité dans les variations du nombre de copies (CNV) ont été observées entre les isolats. Ceci suggère un mécanisme évolutif potentiel basé sur des réarrangements génomiques importants qui contribueraient à apporter de la plasticité dans le génome de cet organisme polyploïde se reproduisant par parthénogenèse méiotique. pathotype virulent et donc potentiellement avec le processus d'adaptation des espèces à un génotype de riz résistant. Les gènes codant pour les effecteurs potentiels ont été identifiés comme la cible de ces modifications génétiques et leur rôle dans l'acquisition de la virulence est discuté.Dans l'ensemble, ces travaux ont abordé certains points clés de l'histoire évolutive de M. graminicola: i) HGT, TE, RE , LoH et CNV représentent les principaux éléments qui semblent avoir été responsables de la formation du génome du Mg et continuent pour certains d'entre eux (ex: CNV, LoHs) à participer à l'adaptation de l'espèce à des environnements changeants ii) Modèles spécifiques impliquant LoHs, CNVs , et les SNV ont été observés et semblent coïncider avec l'adaptation de l'espèce à des stress importants tels que l'acquisition de la virulence iii) Cette étude émet l'hypothèse de l'origine hybride de MgMeloidogyne graminicola (Mg), commonly known as the rice root-knot nematode, is a devastating pest worldwide, causing severe damages to rice production and other crops. The success of parasitism of this species in different rice-growing agrosystems raises questions about the origin, propagation, reproductive strategies and evolution of the genome in relation to adaptation processes linked to changes in environments and hosts. Due to the lack of genetic information, a comparative genomic and phylogenetic study at the whole genome level is not yet available. The work carried out and presented in this thesis manuscript focused on the genomic study of this nematode reproducing by facultative meiotic parthenogenesis by reconstructing the mitochondrial and nuclear genomes of several Mg isolates. Using a comparative genomic approach within the species and with other related species, this work aims to trace the molecular evolution and life history of Mg. The results of this study can be decomposed into four main parts: First, comparative analysis between Mg and the phylogenetically related species, M. oryzae, showed very similar mitochondrial and nuclear sequences. Interestingly, these two species found in rice fields in South America shared one of the two divergent copies of several nuclear regions. This suggests that Mg and M. oryzae probably have a common ancestor and that they could both be the result of interspecific hybridization. Second, a high quality haploid reference sequence of the Mg nuclear genome was assembled and annotated. The total DNA content of a somatic cell, probably in the diploid state, is ~82 Mb and the genome has a heterozygosity of ~2%. Genes encoding proteins, transposable elements and horizontal gene transfers were annotated throughout the genome and the potential role of these elements in the parasitism discussed. Third, the comparative genomic study of 13 Mg isolates collected on a large geographical scale has allowed to put forward hypotheses on the evolutionary history of the species: i) The analysis of the binding disequilibrium and the four-gamete test using single nucleotide variants (SNV) revealed the existence of homologous recombination, which is likely to occur during meiosis ii) The low level of geographical variants and the phylogenetic study of these 13 isolates reveal a lack of population structure collected in Southeast Asia suggesting a recent dispersion of this pathogen in this region of the world iii) Different loss of heterozygosity (LoH) and heterogeneity in copy number variations (CNVs) were observed between isolates suggests a potential evolutionary mechanism based on important genomic rearrangements that would contribute to bring plasticity in the genome of this polyploid organism reproducing by meiotic parthenogenesis. Finally, comparative genomic analysis between virulent and avirulent pathotypes revealed SNVs, LoHs and CNVs specifically associated with the virulent pathotype and thus potentially with the process of species adaptation to a resistant rice genotype.Overall, this work addressed some key points in the evolutionary history of M. graminicola: i) HGT, TE, RE, LoH and CNV represent the main elements that appear to have been responsible for shaping the Mg genome and continues for some of them (e.g. CNVs, LoHs) to participate in the adaptation of the species to changing environments ii) Specific patterns involving LoHs, CNVs, and SNVs have been observed and seem to coincide with the adaptation of the species to important stresses such as the acquisition of virulence iii) This study hypothesizes the hybrid origin of Mg.These results could open new perspectives and provide molecular material for further in-depth studies to understand the evolutionary history of this parasite and the molecular mechanisms governing the adaptation of the parasite during plant-pathogen interactions