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Oilseed rape genome sequenced
Le génome du colza séquencé


France
August 22, 2014

An International consortium of more than 30 research institutes, coordinated by scientists at INRA and CEA-Genoscope and associating CNRS and University of Evry, just succeeded in deciphering the complex genome of the recent oilseed rape1 (Brassica napus L, also known as rapeseed, rape or canola), the most important oilseed crop in Europe, Canada, and Australia. This scientific breakthrough paves the way to a fundamental understanding of the origins of crop species through polyploidy (consisting in inter-species hybridization and association of several genomes) and provides a foundational resource for accelerating on-going breeding efforts in the crop. This work is published in Science on 22 August 2014.

A breakthrough achievement

In the framework of the Seq-Poly-Nap project, primarily financed by the French National Research Agency (ANR), scientists from INRA, CEA (Genoscope), CNRS, and University of Evry, in collaboration with International teams, achieved the sequencing of the reference genome of oilseed rape, along with genomes of a collection of varieties representing the diversity of the species. A reference genome is the assembled and ordered sequences of all genes, which will be invaluable for future research on the genetics of the species.“The main difficulty for oilseed rape has been to differentiate its different sub-genomes. This has been achieved by the development of an original sequencing strategy, bioinformatics tools and the analysis of duplicated gene expression and their regulation”, says Boulos Chalhoub who coordinated the research and federated research efforts within the International consortium.

It is the first time that a recent polyploid genome has been completely sequenced and compared to those of its relative parental species, the Mediterranean cabbage and Asian turnip (for which INRA contributed to the recent deciphering of their genomes).

Oilseed rape: a champion of recurring genome duplication

Researchers have shown that apart from the post-Neolithic hybridization that led to its formation, oilseed rape holds one of the most highly duplicated genome of all flowering plants (Angiosperms), because of numerous older polyploidizations that occurred during its evolution. This recurring phenomenon led to the accumulation of a great number of genes, 101,000 in total, the highest gene densities of any previously sequenced organism, more than four times more than the 20,000-25,000 genes of humans.

Subtle cohabitation and “cross-talk” between constituent sub-genomes

Because all flowering plants originated from polyploidization events, but in most cases millions of years ago, the post-Neolithic rapeseed genome provides unique insight into the early evolutionary processes of plant speciation. Interestingly, in its first few thousand years, B. napushas retained almost all of the genes of its two parental species. Scientists report that most of the genes in rapeseed are duplicated; in other words genes exist in two copies, with similar to almost identical sequences. Almost all these duplicated genes jointly participate in gene function.“We suggest that duplicated genes are an important reservoir for diversification, emergence of new functions, adaptation and improvement of the species”, says Boulos Chalhoub.”.

This “cross-talk” also occurs through exchanges of genes or DNA between the two rapeseed sub-genomes. Chalhoub explains“Thus, for a duplicated gene, normally present on both sub-genomes, one copy can be replaced by the sequence of its counterpart from the other sub-genome”. The mechanisms at work and the selective advantages still need to be determined, though it has already been shown that this phenomenon leads to diversification.

A unique resource for rapeseed improvement

Rapeseed is a fairly recent species with high potential for genetic improvement.“The sequencing of the genome is a unique resource in the world and offers great opportunities to identify genes of agronomic interest and rapidly use them in breeding programs”, predicts Chalhoub. It would therefore be possible to improve the content and composition of oil, resistance to pathogens, tolerance to cold, yield, or even nitrogen use efficiency.

Numerous projects referring to this resource for a sustainable agriculture are underway, notably at INRA.

[1] Oilseed rape is considered a recent species since its formation dates from the post-Neolithic era, around 5,500 B.C.

Reference

Chalhoub et al. Early allopolyploid evolution in the post-Neolithic Brassica napus oilseed genome. Science, 22 August 2014. DOI: 10.1126/science.1253435


A recent species with a high potential of diversification and adaptation

Oilseed rape is the first oil seed cultivated in Europe in terms of land use. It produces a “noble” healthy oil, given that it is rich in non-saturated fatty acids, vitamin D and omega 3. Rapeseed was initially cultivated in Europe during the Middle-Ages to produce oil for oil lamps. Only after the second half of the 20th century has it expanded as a main crop all around the world; Europe, China and Canada being the biggest producers.

This species belongs to the Crucifers (the four petals of the flower are in the shape of a cross) such as close species like mustard, cabbage, cauliflower, broccoli, Asian cabbage, turnip… It is a recent species, in terms of evolution history, which gathers two sub-genomes (polyploid) originating from unintentional hybridization between the two different species, Mediterranean cabbage and Asian turnip. The species rapidly diversified into various types as a result of continuous selection: Aside from oil types, largely cultivated for food and industrial purposes such as the winter oilseed rape mainly cultivated in Europe, canola cultivated in Canada, Australia and Argentina, and semi-winter cultivated in China; other members of this species are vegetable types such as Swedish turnip or kale.


Le génome du colza séquencé

Un consortium international d’une trentaine d’instituts de recherche, piloté par l’Inra et le CEA (Genoscope) et associant le CNRS et l’université d’Evry, vient de rendre publique la séquence de référence du génome complet du colza. Cette première mondiale ouvre la voie à la compréhension fondamentale des génomes complexes polyploïdes (associant plusieurs sous-génomes), ainsi qu’à l’amélioration variétale du colza, une grande culture récente1 en pleine expansion et à fort potentiel d’amélioration. Ces travaux sont publiés dans Science le 22 août 2014.

Une première mondiale

Dans le cadre du projet Seq-Poly-Nap, financé principalement par l'Agence nationale de la recherche (ANR), des chercheurs de l’Inra, du CEA (Genoscope), du CNRS, de l’Université d’Evry, en collaboration avec leurs collègues étrangers, ont produit la séquence de référence du génome du colza ainsi que celle d’une collection de variétés représentant la diversité de cette espèce. Une séquence de référence constitue la séquence assemblée et ordonnée de tous les gènes. La principale difficulté dans le cas du colza a été de séquencer les deux sous-génomes et de les distinguer. Ceci a été rendu possible par la mise au point d’une stratégie originale de séquençage, le développement d’outils bioinformatiques et d’analyse de l’expression des gènes dupliqués et de leur régulation.

C’est la première fois qu’un génome polyploïde récent est séquencé dans son intégralité et comparé à ceux de ses espèces parentales, le chou et la navette (dont l’Inra a également contribué aux déchiffrages récents).

Le colza: champion des duplications récurrentes des génomes par polyploïdie

Les chercheurs montrent qu’au-delà de l’hybridation post-néolithique ayant conduit à sa formation, le colza aurait accumulé au cours de son évolution 72 génomes ancestraux, résultat de nombreux cycles de polyploïdisation, faisant de son génome un des plus hautement dupliqués chez les plantes à fleurs (angiospermes). Ce phénomène récurrent, suivi par des restructurations du génome, a conduit à l’accumulation d’un grand nombre de gènes, soit plus de 101 000. Un nombre plus de quatre fois plus important que les 20 000-25 000 gènes de l’Homme par exemple.

Une cohabitation et un « dialogue » subtils entre les sous-génomes et gènes dupliqués

Les chercheurs ont observé que la grande majorité des gènes du colza sont dupliqués, existant donc en deux copies à séquences proches ou quasi-identiques. La quasi-totalité de ces gènes dupliqués sont exprimés ; pour un même gène, les deux copies participent conjointement à leur fonction. Les chercheurs suggèrent que ces gènes dupliqués confèrent un réservoir important de diversification, d’adaptation et d’amélioration; la fonction principale étant régie par une copie des gènes dupliqués, la deuxième copie peut se restructurer et muter pour l’émergence de nouvelle fonction.

Le dialogue se traduit également par des échanges de gènes et d’ADN entre les deux sous-génomes du colza. Ainsi, pour un gène dupliqué, normalement présent sur les deux sous-génomes, une copie peut être remplacée par la séquence de la deuxième copie du second sous-génome. Le mécanisme d’échange à l’œuvre ainsi que son avantage sélectif restent encore à déterminer, bien qu’il ait déjà été montré que ce phénomène conduit à une diversification.

Une ressource unique pour l’amélioration variétale du colza

Le colza est une espèce cultivée à grande échelle depuis peu, à laquelle il reste un fort potentiel d’amélioration génétique. Ainsi le séquençage de son génome constitue une ressource unique au monde car il ouvre de nouvelles potentialités pour l’identification des gènes d’intérêt agronomique et leur utilisation rapide dans les programmes de sélection variétale. Il serait par exemple possible d’améliorer la teneur et la composition en huile, la résistance à des pathogènes, la tolérance au froid, le rendement, ou encore l’efficacité d’utilisation des nitrates dans le sol.

De nombreux projets exploitant cette ressource pour une agriculture durable sont en cours, notamment à l’Inra.

1 L’apparition du colza est considérée comme « récente », c’est-à-dire qu’elle remonte à l’ère post-néolithique, soit environ 5 500 ans avant notre ère

Référence
Chalhoub et al. Early allopolyploid evolution in the post-Neolithic Brassica napus oilseed genome. Science, 22 août 2014. DOI: 10.1126/science.1253435


Une espèce récente à fort potentiel de diversification et d’adaptation

Le colza (Brassica napus L.) représente la première oléagineuse cultivée en Europe en termes de surfaces, produisant une huile ‘noble’, compte tenu de sa richesse, entre autre, en acide gras insaturés, Vitamine D et omega3. Le colza a été initialement cultivé en Europe au Moyen-Age pour produire de l’huile pour les lampes à huile. C’est seulement à partir de la deuxième moitié du 20e siècle que le colza a connu une forte expansion comme grande culture sur les 5 continents, la Chine et le Canada représentant les deux plus grand pays cultivant cette espèce.

Cette espèce appartient à la famille des Crucifères (les quatre pétales des fleurs en forme de croix) comme des espèces proches telles que la moutarde, le chou, le chou-fleur, le brocoli, le chou chinois, le navet, etc. Grâce au séquençage de son génome, les chercheurs acquièrent une meilleure compréhension de l’apparition du colza, il y a quelques milliers d’années (ère post-néolithique) et fruit du croisement interspécifique favorisé par l’homme de façon involontaire entre le chou et la navette. L’espèce s’est rapidement diversifiée en plusieurs types : outre les colzas à huile largement répandus pour les utilisations alimentaires et industrielles (diester, bioplastique, etc), diversifiés en colza d’hiver (principalement cultivé en Europe), colza de printemps (appelé aussi canola, Canadian oil), largement cultivé au Canada, Australie, Argentine, et le semi-hiver cultivé en Chine, il existe d’autres membres de l’espèce comme le navet suédois ou le chou frisé (kale).



More news from:
    . INRAE (Institut National de la Recherche Agronomique)
    . CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique)


Website: https://www.inrae.fr

Published: August 22, 2014

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