Identifier les gènes du déterminisme du sexe chez la plante dioïque Silene latifolia – PlantGenomYX

Nous avons suivi la stratégie suivante:

1. Obtenir un génome mâle XY de haute qualité grâce au séquençage long-read (ONT) et à des approches de cartographie Hi-C/optique.

2. Identifier des gènes candidats à partir de données de mutants porteurs de délétions sur le chromosome Y et d’analyses transcriptomiques comparant mâles, femelles et hermaphrodites naturels.

Tâche 1 – Génome male de haute qualité

Un génome mâle, indispensable pour ce projet, a été obtenu en combinant le séquençage long-read, short-read (pour corriger les erreurs), des données Hi-C/de cartographie optique et une carte génétique (pour l’assemblage). L’assemblage a été optimisé pour produire des séquences séparées pour les chromosomes X et Y. Pour identifier les pseudo-molécules correspondant aux chromosomes sexuels, nous avons utilisé notre carte génétique et l'ensemble des ensembles de gènes liés au sexe déjà connus chez S. latifolia.

Tâche 2 – Identification des gènes candidats

Nous avons utilisé deux approches complémentaires. La première repose sur l’analyse de mutants avec des phénotypes sexuels altérés porteurs de délétions sur le chromosome Y : les profils de présence/absence de gènes ont permis de cibler les régions critiques. La seconde repose sur l'utilisation de l'annotation fonctionnelle des gènes du génome obtenu et sur une étude transcriptomique comparant fleurs mâles et femelles à différents stades du développement floral (stades 5 et 8 critiques pour la détermination du sexe). En combinant ces deux approches, seuls quelques candidats avec un excellent profil de gènes du déterminisme du sexe ont été obtenus.

L'ensemble des résultats du projet ont été publiés dans un article du journal Science (Moraga et al. 2025).

Nous avons assemblé avec une haute résolution les chromosomes sexuels de Silene latifolia. Le chromosome X obtenu mesure 346 Mb, tandis que le Y atteint 485 Mb (hors région pseudo-autosomale, ou PAR). Les séquences montrent que le Y est fortement réarrangé et dégénéré, avec perte de plus de la moitié des gènes présents à l’origine, accumulation massive de séquences répétées et densité élevée de rétrotransposons, bien supérieure à celle des autosomes. L’étude comparative des gènes X-Y (gamétologues) révèle trois strates évolutives successives de suppression de recombinaison. La plus ancienne (S1) remonte à environ 11 millions d’années, date estimée de l’apparition des chromosomes sexuels de l’espèce. Deux autres strates plus récentes (S2 et S3), âgées de 5 millions d’années environ, se distinguent par leur degré de réarrangements et leur synténie. Le grossissement des chromosomes X et Y coincide avec la formation de S2 et l’accumulation d’elements transposables. L’analyse fonctionnelle de mutants portant des délétions sur le Y a permis d’identifier plusieurs gènes candidats au rôle de déterminants sexuels. Trois régions principales sont impliquées : (i) un facteur inhibant le développement du gynécée (GSF), (ii) un facteur favorisant la formation des étamines (SPF), et (iii) un facteur de fertilité mâle (MFF). Parmi eux, le gène slCLV3-Y apparaît comme un bon candidat GSF, tandis que slCyp704B1-Y et slTHI1-Y sont associés à la production de pollen (MFF). Un autre candidat (slSCL4-Y) pourrait jouer un rôle par l’expression d’un ARN non codant (SPF). Ces résultats montrent que la détermination du sexe dans S. latifolia résulte de l’accumulation de mutations dans plusieurs régions du Y, combinée à des inversions qui ont progressivement bloqué la recombinaison.

Notre travail est une avancée à double titre: (1) séquençage des chromosomes sexuels complexes par les technologies à lectures longues et (2) connaissance des chromosomes sexuels et des mécanismes de détermination du sexe des plantes.

Notre approche, originale, est transférable à toute plante dioïque, notamment cultivée. Elle pourra permettre d'identifier des gènes du déterminisme du sexe de manière fiable dans les plantes dioïques cultivées, notamment celles avec des chromosomes sexuels complexes. Cette connaissance permettra ensuite de contrôler la reproduction et le système sexuel de ces plantes. La dioécie permet en effet de contrôler les croisements et est très interessante quand on cherche à créer de nouvelles variétés. L'hermaphrodisme, quant à lui, est très utile pour maximiser les rendements et assurer que 100% des plantes sont productives (par ex de fruits).

Environ 15000 plantes à fleur sont dioïques (= sexes portés par des individus différents). Ces plantes sont sur-représentées dans les espèces cultivées (~17%). Il y a donc des enjeux fondamentaux et appliqués à comprendre le déterminisme du sexe chez les plantes dioïques. Néanmoins, malgré des avancées récentes, très peu de données sont disponibles sur la question. L’objectif de ce projet est d’identifier les gènes du déterminisme chez Silene latifolia, une des plantes dioïques les mieux étudiées. Il s’agira de séquencer et d’assembler un génome male XY de très grande qualité (grâce à des données de lectures longues), de combiner différentes approches (collection de mutants, transcriptomique) pour identifier des gènes candidats et de valider et caractériser ces candidats (avec Crispr-cas9). Sont réunit ici 2 partenaires (LBBE Lyon et IPS2 Saclay) avec une grande expertise en génomique, bioinformatique, études fonctionnelles et évolutives, qui est nécessaire pour mener à bien ce projet.