Standing variation and new mutations both contribute to a fast response to selection for flowering time in maize inbreds

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>In order to investigate the rate and limits of the response to selection from highly inbred genetic material and evaluate the respective contribution of standing variation and new mutations, we conducted a divergent selection experiment from maize inbred lines in open-field conditions during 7 years. Two maize commercial seed lots considered as inbred lines, <it>F</it>252 and <it>MBS</it>847, constituted two biological replicates of the experiment. In each replicate, we derived an Early and a Late population by selecting and selfing the earliest and the latest individuals, respectively, to produce the next generation.</p> <p>Results</p> <p>All populations, except the Early <it>MBS</it>847, responded to selection despite a short number of generations and a small effective population size. Part of the response can be attributed to standing genetic variation in the initial seed lot. Indeed, we identified one polymorphism initially segregating in the <it>F</it>252 seed lot at a candidate locus for flowering time, which explained 35% of the trait variation within the Late <it>F</it>252 population. However, the model that best explained our data takes into account both residual polymorphism in the initial seed lots and a constant input of heritable genetic variation by new (epi)mutations. Under this model, values of mutational heritability range from 0.013 to 0.025, and stand as an upper bound compare to what is reported in other species.</p> <p>Conclusions</p> <p>Our study reports a long-term divergent selection experiment for a complex trait, flowering time, conducted on maize in open-field conditions. Starting from a highly inbred material, we created within a few generations populations that strikingly differ from the initial seed lot for flowering time while preserving most of the phenotypic characteristics of the initial inbred. Such material is unique for studying the dynamics of the response to selection and its determinants. In addition to the fixation of a standing beneficial mutation associated with a large phenotypic effect, a constant input of genetic variance by new mutations has likely contributed to the response. We discuss our results in the context of the evolution and mutational dynamics of populations characterized by a small effective population size.</p

Etude des bases (épi) génétiques de l'adaptation dans une expérience de sélection divergente pour la précocité de floraison chez le maïs

Quantitative variation results from the combined action of multiple genes and their environment. Two approaches are currently employed to gain insights into the link between genotype and phenotype and to dissect the genetic architecture of complex traits. On one hand, experimental evolution allows quantifying the number of mutations and their effect on the evolution of a phenotype subject to artificial selection. On the other hand, QTL (Quantitative Trait Locus) and association mapping are used to identify loci responsible for phenotypic variation. In this work, we have combined all 3 approaches in order to (1) evaluate the role of new mutations and standing genetic variation to the response to selection ; (2) to identify the genetic determinants underlying this response ; (3) to dissect at one candidate locus the genetic mechanisms of its contribution to phenotypic variation. We have used the material produced by a divergent selection experiment for flowering time conducted for over 10 years in the field. This experiment was conducted in parallel from two commercial maize inbred line, F252 and MBS847. From each initial seed lot, two populations, an early population and a late population, were created by selecting and selfing the earliest/latest individuals at each generation. We characterized the response to selection after 7 generations. The response was fast, asymmetric between populations and significant in 3 out of 4 populations. It was linear through time indicating that new mutations have generated new additive genetic variance at each generation. We identified a major locus contributing to 35% of the variation for flowering time in the late F252 population. At this locus, two alleles were present as residual heterozygocity in the initial seed lot. The two alleles exhibited haplotypes extending on a region around the eIF-4A (Eukaryotic Initiation Translation Factor 4A) that diverged drastically both at the nucleotide (5.7%) and structural level. We were able to confirm the association of the candidate locus to flowering time variation and other traits such as height and leaf number, first using an association panel containing 317 maize lines, second through the developmental characterization of early and late genotypes. In addition, to its pleiotropic effect, we have shown by developing a specific statistical framework that this locus exhibit pervasive epistatic interactions with other loci segregating in the population. Hence, its effect largely depended on the genetic background. We have finally applied methyl-sensitive AFLP (Amplified Frgament length Polymorphisms) to screen all genotypes in order to identify the polymorphisms potentially involved in the response to selection during the first 7 generations Our preliminary results indicate both a genetic and epigenetic differentiation between early and late populations. This differentiation seems however to be mainly driven by standing genetic variation.La variation quantitative résulte de l’action combinée des gènes et de leur environnement. Pour comprendre la relation génotype-phénotype et disséquer l’architecture des caractères complexes, deux approches sont couramment employées. D’une part l’évolution expérimentale qui permet de quantifier le nombre et l’effet des mutations dans la construction d’un phénotype soumis à une pression de sélection, d’autre part la cartographie de QTL (Quantitative Trait Loci) et/ou la génétique d’association qui permettent d’identifier les locus responsables de la variation phénotypique. Au cours de cette thèse, nous avons combiné l’ensemble de ces approches pour (1) évaluer le rôle relatif des nouvelles mutations et de la variabilité résiduelle dans la réponse à la sélection ; (2) identifier les déterminants génétiques sous tendant cette réponse ; (3) disséquer, pour un locus candidat, les mécanismes génétiques de sa contribution à la variation phénotypique. Pour cela, nous disposons d’un matériel génétique résultant d’une expérience de sélection divergente pour la date de floraison menée depuis plus de dix ans. Cette expérience a été conduite en parallèle à partir de deux lots de semences de lignées commerciales de maïs (F252 et MBS847). Pour chaque lignée de départ, deux populations ont été constituées, une population précoce et une population tardive produites en sélectionnant et autofécondant les génotypes les plus précoces/tardifs à chaque génération. Nous avons caractérisé la réponse à la sélection après 7 générations. Cette réponse est rapide, asymétrique entre populations et significative dans 3 des 4 populations. Elle est linéaire avec le temps ce qui indique que des nouvelles mutations contribuent à créer de la variance génétique à chaque génération. Nous avons identifié un locus majeur contribuant à 35% de la variation pour la date de floraison dans la population F252 tardive et pour lequel les deux allèles étaient présents dans le lot de semence initial sous forme d’hétérozygotie résiduelle. Les deux allèles présentent des haplotypes très divergents autant au niveau de leur variation nucléotidique (5.7%) que d’un point de vue structural (16 indels) sur une région proche du gène eIF-4A (Eukaryotic Initiation Translation Factor 4A). L’association de ce locus avec la date de floraison et d’autres caractères corrélés tels que la hauteur et le nombre de feuilles a été confirmée par une caractérisation développementale fine de génotypes précoces et tardifs et également dans un panel d’association comprenant 317 lignées de maïs cultivé. En plus d’un effet pléiotrope, nous avons montré grâce au développement de méthodes statistiques que ce locus présente des interactions épistatique fortes avec d’autres locus en ségrégation puisque son effet dépend largement du fond génétique. Nous avons finalement utilisé des AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphisms) sur tous les génotypes issus des 7 premières générations de sélection afin d’identifier d’autres polymorphismes potentiellement impliqués dans la réponse à la sélection. Nos résultats préliminaires montrent une différenciation génétique et épigénétique entre les populations sélectionnées qui semble être préférentiellement due à de l’hétérozygotie résiduelle

(Epi)-genetic basis of adaptation in a divergent selection experiment for flowering time in maize inbred lines

La variation quantitative résulte de l’action combinée des gènes et de leur environnement. Pour comprendre la relation génotype-phénotype et disséquer l’architecture des caractères complexes, deux approches sont couramment employées. D’une part l’évolution expérimentale qui permet de quantifier le nombre et l’effet des mutations dans la construction d’un phénotype soumis à une pression de sélection, d’autre part la cartographie de QTL (Quantitative Trait Loci) et/ou la génétique d’association qui permettent d’identifier les locus responsables de la variation phénotypique. Au cours de cette thèse, nous avons combiné l’ensemble de ces approches pour (1) évaluer le rôle relatif des nouvelles mutations et de la variabilité résiduelle dans la réponse à la sélection ; (2) identifier les déterminants génétiques sous tendant cette réponse ; (3) disséquer, pour un locus candidat, les mécanismes génétiques de sa contribution à la variation phénotypique. Pour cela, nous disposons d’un matériel génétique résultant d’une expérience de sélection divergente pour la date de floraison menée depuis plus de dix ans. Cette expérience a été conduite en parallèle à partir de deux lots de semences de lignées commerciales de maïs (F252 et MBS847). Pour chaque lignée de départ, deux populations ont été constituées, une population précoce et une population tardive produites en sélectionnant et autofécondant les génotypes les plus précoces/tardifs à chaque génération. Nous avons caractérisé la réponse à la sélection après 7 générations. Cette réponse est rapide, asymétrique entre populations et significative dans 3 des 4 populations. Elle est linéaire avec le temps ce qui indique que des nouvelles mutations contribuent à créer de la variance génétique à chaque génération. Nous avons identifié un locus majeur contribuant à 35% de la variation pour la date de floraison dans la population F252 tardive et pour lequel les deux allèles étaient présents dans le lot de semence initial sous forme d’hétérozygotie résiduelle. Les deux allèles présentent des haplotypes très divergents autant au niveau de leur variation nucléotidique (5.7%) que d’un point de vue structural (16 indels) sur une région proche du gène eIF-4A (Eukaryotic Initiation Translation Factor 4A). L’association de ce locus avec la date de floraison et d’autres caractères corrélés tels que la hauteur et le nombre de feuilles a été confirmée par une caractérisation développementale fine de génotypes précoces et tardifs et également dans un panel d’association comprenant 317 lignées de maïs cultivé. En plus d’un effet pléiotrope, nous avons montré grâce au développement de méthodes statistiques que ce locus présente des interactions épistatique fortes avec d’autres locus en ségrégation puisque son effet dépend largement du fond génétique. Nous avons finalement utilisé des AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphisms) sur tous les génotypes issus des 7 premières générations de sélection afin d’identifier d’autres polymorphismes potentiellement impliqués dans la réponse à la sélection. Nos résultats préliminaires montrent une différenciation génétique et épigénétique entre les populations sélectionnées qui semble être préférentiellement due à de l’hétérozygotie résiduelle.Quantitative variation results from the combined action of multiple genes and their environment. Two approaches are currently employed to gain insights into the link between genotype and phenotype and to dissect the genetic architecture of complex traits. On one hand, experimental evolution allows quantifying the number of mutations and their effect on the evolution of a phenotype subject to artificial selection. On the other hand, QTL (Quantitative Trait Locus) and association mapping are used to identify loci responsible for phenotypic variation. In this work, we have combined all 3 approaches in order to (1) evaluate the role of new mutations and standing genetic variation to the response to selection ; (2) to identify the genetic determinants underlying this response ; (3) to dissect at one candidate locus the genetic mechanisms of its contribution to phenotypic variation. We have used the material produced by a divergent selection experiment for flowering time conducted for over 10 years in the field. This experiment was conducted in parallel from two commercial maize inbred line, F252 and MBS847. From each initial seed lot, two populations, an early population and a late population, were created by selecting and selfing the earliest/latest individuals at each generation. We characterized the response to selection after 7 generations. The response was fast, asymmetric between populations and significant in 3 out of 4 populations. It was linear through time indicating that new mutations have generated new additive genetic variance at each generation. We identified a major locus contributing to 35% of the variation for flowering time in the late F252 population. At this locus, two alleles were present as residual heterozygocity in the initial seed lot. The two alleles exhibited haplotypes extending on a region around the eIF-4A (Eukaryotic Initiation Translation Factor 4A) that diverged drastically both at the nucleotide (5.7%) and structural level. We were able to confirm the association of the candidate locus to flowering time variation and other traits such as height and leaf number, first using an association panel containing 317 maize lines, second through the developmental characterization of early and late genotypes. In addition, to its pleiotropic effect, we have shown by developing a specific statistical framework that this locus exhibit pervasive epistatic interactions with other loci segregating in the population. Hence, its effect largely depended on the genetic background. We have finally applied methyl-sensitive AFLP (Amplified Frgament length Polymorphisms) to screen all genotypes in order to identify the polymorphisms potentially involved in the response to selection during the first 7 generations Our preliminary results indicate both a genetic and epigenetic differentiation between early and late populations. This differentiation seems however to be mainly driven by standing genetic variation

Etude des bases (épi) génétiques de l'adaptation dans une expérience de sélection divergente pour la précocité de floraison chez le maîs

La variation quantitative résulte de l action combinée des gènes et de leur environnement. Pour comprendre la relation génotype-phénotype et disséquer l architecture des caractères complexes, deux approches sont couramment employées. D une part l évolution expérimentale qui permet de quantifier le nombre et l effet des mutations dans la construction d un phénotype soumis à une pression de sélection, d autre part la cartographie de QTL (Quantitative Trait Loci) et/ou la génétique d association qui permettent d identifier les locus responsables de la variation phénotypique. Au cours de cette thèse, nous avons combiné l ensemble de ces approches pour (1) évaluer le rôle relatif des nouvelles mutations et de la variabilité résiduelle dans la réponse à la sélection ; (2) identifier les déterminants génétiques sous tendant cette réponse ; (3) disséquer, pour un locus candidat, les mécanismes génétiques de sa contribution à la variation phénotypique. Pour cela, nous disposons d un matériel génétique résultant d une expérience de sélection divergente pour la date de floraison menée depuis plus de dix ans. Cette expérience a été conduite en parallèle à partir de deux lots de semences de lignées commerciales de maïs (F252 et MBS847). Pour chaque lignée de départ, deux populations ont été constituées, une population précoce et une population tardive produites en sélectionnant et autofécondant les génotypes les plus précoces/tardifs à chaque génération. Nous avons caractérisé la réponse à la sélection après 7 générations. Cette réponse est rapide, asymétrique entre populations et significative dans 3 des 4 populations. Elle est linéaire avec le temps ce qui indique que des nouvelles mutations contribuent à créer de la variance génétique à chaque génération. Nous avons identifié un locus majeur contribuant à 35% de la variation pour la date de floraison dans la population F252 tardive et pour lequel les deux allèles étaient présents dans le lot de semence initial sous forme d hétérozygotie résiduelle. Les deux allèles présentent des haplotypes très divergents autant au niveau de leur variation nucléotidique (5.7%) que d un point de vue structural (16 indels) sur une région proche du gène eIF-4A (Eukaryotic Initiation Translation Factor 4A). L association de ce locus avec la date de floraison et d autres caractères corrélés tels que la hauteur et le nombre de feuilles a été confirmée par une caractérisation développementale fine de génotypes précoces et tardifs et également dans un panel d association comprenant 317 lignées de maïs cultivé. En plus d un effet pléiotrope, nous avons montré grâce au développement de méthodes statistiques que ce locus présente des interactions épistatique fortes avec d autres locus en ségrégation puisque son effet dépend largement du fond génétique. Nous avons finalement utilisé des AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphisms) sur tous les génotypes issus des 7 premières générations de sélection afin d identifier d autres polymorphismes potentiellement impliqués dans la réponse à la sélection. Nos résultats préliminaires montrent une différenciation génétique et épigénétique entre les populations sélectionnées qui semble être préférentiellement due à de l hétérozygotie résiduelle.Quantitative variation results from the combined action of multiple genes and their environment. Two approaches are currently employed to gain insights into the link between genotype and phenotype and to dissect the genetic architecture of complex traits. On one hand, experimental evolution allows quantifying the number of mutations and their effect on the evolution of a phenotype subject to artificial selection. On the other hand, QTL (Quantitative Trait Locus) and association mapping are used to identify loci responsible for phenotypic variation. In this work, we have combined all 3 approaches in order to (1) evaluate the role of new mutations and standing genetic variation to the response to selection ; (2) to identify the genetic determinants underlying this response ; (3) to dissect at one candidate locus the genetic mechanisms of its contribution to phenotypic variation. We have used the material produced by a divergent selection experiment for flowering time conducted for over 10 years in the field. This experiment was conducted in parallel from two commercial maize inbred line, F252 and MBS847. From each initial seed lot, two populations, an early population and a late population, were created by selecting and selfing the earliest/latest individuals at each generation. We characterized the response to selection after 7 generations. The response was fast, asymmetric between populations and significant in 3 out of 4 populations. It was linear through time indicating that new mutations have generated new additive genetic variance at each generation. We identified a major locus contributing to 35% of the variation for flowering time in the late F252 population. At this locus, two alleles were present as residual heterozygocity in the initial seed lot. The two alleles exhibited haplotypes extending on a region around the eIF-4A (Eukaryotic Initiation Translation Factor 4A) that diverged drastically both at the nucleotide (5.7%) and structural level. We were able to confirm the association of the candidate locus to flowering time variation and other traits such as height and leaf number, first using an association panel containing 317 maize lines, second through the developmental characterization of early and late genotypes. In addition, to its pleiotropic effect, we have shown by developing a specific statistical framework that this locus exhibit pervasive epistatic interactions with other loci segregating in the population. Hence, its effect largely depended on the genetic background. We have finally applied methyl-sensitive AFLP (Amplified Frgament length Polymorphisms) to screen all genotypes in order to identify the polymorphisms potentially involved in the response to selection during the first 7 generations Our preliminary results indicate both a genetic and epigenetic differentiation between early and late populations. This differentiation seems however to be mainly driven by standing genetic variation.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

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