Cereal Domestication and Evolution of Branching: Evidence for Soft Selection in the Tb1 Orthologue of Pearl Millet (Pennisetum glaucum [L.] R. Br.)

BACKGROUND: During the Neolithic revolution, early farmers altered plant development to domesticate crops. Similar traits were often selected independently in different wild species; yet the genetic basis of this parallel phenotypic evolution remains elusive. Plant architecture ranks among these target traits composing the domestication syndrome. We focused on the reduction of branching which occurred in several cereals, an adaptation known to rely on the major gene Teosinte-branched1 (Tb1) in maize. We investigate the role of the Tb1 orthologue (Pgtb1) in the domestication of pearl millet (Pennisetum glaucum), an African outcrossing cereal. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: Gene cloning, expression profiling, QTL mapping and molecular evolution analysis were combined in a comparative approach between pearl millet and maize. Our results in pearl millet support a role for PgTb1 in domestication despite important differences in the genetic basis of branching adaptation in that species compared to maize (e.g. weaker effects of PgTb1). Genetic maps suggest this pattern to be consistent in other cereals with reduced branching (e.g. sorghum, foxtail millet). Moreover, although the adaptive sites underlying domestication were not formerly identified, signatures of selection pointed to putative regulatory regions upstream of both Tb1 orthologues in maize and pearl millet. However, the signature of human selection in the pearl millet Tb1 is much weaker in pearl millet than in maize. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: Our results suggest that some level of parallel evolution involved at least regions directly upstream of Tb1 for the domestication of pearl millet and maize. This was unanticipated given the multigenic basis of domestication traits and the divergence of wild progenitor species for over 30 million years prior to human selection. We also hypothesized that regular introgression of domestic pearl millet phenotypes by genes from the wild gene pool could explain why the selective sweep in pearl millet is softer than in maize

Dynamic evolution of pearl millet cycle length : effect of gene flow and farmers’ practices

La domestication du mil (Pennisetum glaucum), dans le Sahel, a engendré une large gamme de variétés, très diversifiées pour de nombreuses caractéristiques agronomiques. En particulier, la diversité de la durée du cycle des variétés locales de mil est une composante essentielle des stratégies mises en œuvre par les agriculteurs pour faire face aux fluctuations des précipitations et assurer une certaine stabilité de la production. Au cours des dernières décennies, des évolutions dans les pratiques agricoles ont été observées, en réponse à des changements écologiques et sociaux. Une des conséquences de ces évolutions pourrait être l’existence de flux de gènes entre variétés à cycle court et variétés à cycle long du fait de l’émergence de situations de parapatrie entre ces deux types de variétés, naguère isolées. Par ailleurs, l’existence de recouvrement des périodes des floraisons de ces deux types variétaux a déjà été préalablement observée. Une telle situation amène donc à s’interroger sur la dynamique évolutive passée et actuelle de la diversité de la longueur du cycle du mil dans le Sahel. Dans la première partie de ma thèse, j’ai évalué les possibilités d’occurrence de flux de gènes entre variétés précoces et tardives de mil dans le Sud-ouest du Niger, en utilisant une approche comparative entre situations contrastées pour la distribution spatiale de ces deux types de variétés. J’ai réalisé : 1) une étude des périodes de floraison de deux variétés de mil (précoce (Haïni Kiré) : 75 à 95 jours entre le semis et la maturité et tardive (Somno) : 105 à 125 jours de durée de cycle) dans plusieurs champs paysans, et dans deux villages. 2) une analyse moléculaire à l’aide de 15 marqueurs microsatellites qui a permis l’estimation des niveaux de différenciation génétique entre populations de mils précoces et tardifs échantillonnés dans 4 villages (incluant les deux villages déjà cités) de la même région.Les résultats ont montré la possibilité effective de flux de pollen et l’existence d’introgressions génétiques entre variétés précoces et tardives. Les mécanismes qui pourraient permettre un maintien sur le long terme d’une différenciation phénologique entre les deux types variétaux malgré l’existence de ces flux de gènes, sont discutés.Dans la deuxième partie, j’ai utilisé une approche « gène candidat » combinée à une démarche de génétique des populations, pour tenter d’identifier des gènes qui auraient pu contribuer à la diversité de la durée de cycle chez le mil. Je me suis focalisé sur trois gènes du contrôle de la transition florale PgHd3a, PgDwarf8 et PgPHYC. Leur implication dans la diversité de la durée de cycle chez plusieurs espèces a déjà été montrée. J’ai estimé les niveaux de différenciation génétique entre les mils domestiques et sauvages, précoces et tardifs pour ces trois gènes J'ai aussi cherché à mettre en évidence, au sein de ces gènes, les empreintes éventuelles d’évènements sélectifs passés. Afin de prendre en compte l’histoire démographique des mils dans les tests de neutralité sélective, j’ai utilisé les données de polymorphisme nucléotidiques de 8 séquences témoins dans le cadre d’une approche Bayésienne.Les résultats obtenus suggèrent fortement que PgHd3a et PgDwarf8 ont été ciblés par la sélection durant la domestication. Cependant, les données ne soutiennent pas l’hypothèse d’un rôle potentiel des trois gènes candidats dans la différenciation de la durée de cycle entre les variétés locales précoces et tardives. L’approcDomestication of pearl millet (Pennisetum glaucum) in the Sahel of Africa has produced a wide range of diversity in cycle duration of landraces. This diversity allows Sahelian farmers to outface the precipitation fluctuation and to ensure regularity in grain production. Due to ecological and social recent changes, modifications of farmer’s practices could be a factor promoting gene flow between the early and late flowering varieties by increasing the opportunity of neighboring and flowering overlap between them. Such a situation raises questions about the past and current evolutionary dynamics of phenological diversity in this crop.In the first part of my thesis I tried to evaluate the possibility of gene flow between pearl millet varieties in South-West Niger, through a comparative approach among contrasting situations pertaining to the spatial distribution of early and late landraces. Therefore I conducted: 1) a field study where we observed flowering periods, for two types of varieties (early type (Haïni Kiré): 75 to 95 days and late type (Somno): 105 to 125 days of cycle length) in several pearl millet fields, and in two villages 2) a molecular study that allows the assessment of the level of genetic differentiation between late and early flowering populations sampled from four villages (including the two where the field study was conducted) of the same region (Dallol Bosso), using microsatellite markers. I was able to demonstrate the occurrence of pollen flow between the two types of landraces and I also showed evidence of genetic introgression between early and semi-late landraces. Potential mechanisms that would allow for the maintenance of the phenological differentiation between these two varieties and despite the gene flow are discussed.In the second part of this work I used a candidate gene and a population genetics approach, to try to identify genes that may have contributed to the cycle length diversity in pearl millet. I focused on three flowering candidate genes, PgHd3a, PgDwarf8 and PgPHYC which have been shown to be involved in the cycle length genetic diversity in several species, in order to estimate the differentiation between wild and domestic pearl millets and between early and late landraces, on the basis of theses candidate genes. I also tried to track for the fingerprint of eventual past selective events within these candidate genes. To be able to distinguish the effects of selection from the effect of demographic events that occurred during the domestication process, I used 8 neutral STS loci and an Approximate Bayesian Computation approach.My results strongly suggest that PgHd3a and PgDwarf8 were likely targeted by selection during domestication. However, a potential role of any of the three candidate genes in the phenological differentiation between early and late landraces was not supported by our data. The Bayesian approach confirmed the idea, suggested by many authors, that the gene flow from the wild to the domestic genetic pool has contributed significantly to the genetic diversity of the domestic pearl millet

Dynamique évolutive de la durée du cycle de mil (effet des flux de gènes et des pratiques paysannes.)

La domestication du mil (Pennisetum glaucum), dans le Sahel, a engendré une large gamme de variétés, très diversifiées pour de nombreuses caractéristiques agronomiques. En particulier, la diversité de la durée du cycle des variétés locales de mil est une composante essentielle des stratégies mises en œuvre par les agriculteurs pour faire face aux fluctuations des précipitations et assurer une certaine stabilité de la production. Au cours des dernières décennies, des évolutions dans les pratiques agricoles ont été observées, en réponse à des changements écologiques et sociaux. Une des conséquences de ces évolutions pourrait être l existence de flux de gènes entre variétés à cycle court et variétés à cycle long du fait de l émergence de situations de parapatrie entre ces deux types de variétés, naguère isolées. Par ailleurs, l existence de recouvrement des périodes des floraisons de ces deux types variétaux a déjà été préalablement observée. Une telle situation amène donc à s interroger sur la dynamique évolutive passée et actuelle de la diversité de la longueur du cycle du mil dans le Sahel. Dans la première partie de ma thèse, j ai évalué les possibilités d occurrence de flux de gènes entre variétés précoces et tardives de mil dans le Sud-ouest du Niger, en utilisant une approche comparative entre situations contrastées pour la distribution spatiale de ces deux types de variétés. J ai réalisé : 1) une étude des périodes de floraison de deux variétés de mil (précoce (Haïni Kiré) : 75 à 95 jours entre le semis et la maturité et tardive (Somno) : 105 à 125 jours de durée de cycle) dans plusieurs champs paysans, et dans deux villages. 2) une analyse moléculaire à l aide de 15 marqueurs microsatellites qui a permis l estimation des niveaux de différenciation génétique entre populations de mils précoces et tardifs échantillonnés dans 4 villages (incluant les deux villages déjà cités) de la même région.Les résultats ont montré la possibilité effective de flux de pollen et l existence d introgressions génétiques entre variétés précoces et tardives. Les mécanismes qui pourraient permettre un maintien sur le long terme d une différenciation phénologique entre les deux types variétaux malgré l existence de ces flux de gènes, sont discutés.Dans la deuxième partie, j ai utilisé une approche gène candidat combinée à une démarche de génétique des populations, pour tenter d identifier des gènes qui auraient pu contribuer à la diversité de la durée de cycle chez le mil. Je me suis focalisé sur trois gènes du contrôle de la transition florale PgHd3a, PgDwarf8 et PgPHYC. Leur implication dans la diversité de la durée de cycle chez plusieurs espèces a déjà été montrée. J ai estimé les niveaux de différenciation génétique entre les mils domestiques et sauvages, précoces et tardifs pour ces trois gènes J'ai aussi cherché à mettre en évidence, au sein de ces gènes, les empreintes éventuelles d évènements sélectifs passés. Afin de prendre en compte l histoire démographique des mils dans les tests de neutralité sélective, j ai utilisé les données de polymorphisme nucléotidiques de 8 séquences témoins dans le cadre d une approche Bayésienne.Les résultats obtenus suggèrent fortement que PgHd3a et PgDwarf8 ont été ciblés par la sélection durant la domestication. Cependant, les données ne soutiennent pas l hypothèse d un rôle potentiel des trois gènes candidats dans la différenciation de la durée de cycle entre les variétés locales précoces et tardives. L approcDomestication of pearl millet (Pennisetum glaucum) in the Sahel of Africa has produced a wide range of diversity in cycle duration of landraces. This diversity allows Sahelian farmers to outface the precipitation fluctuation and to ensure regularity in grain production. Due to ecological and social recent changes, modifications of farmer s practices could be a factor promoting gene flow between the early and late flowering varieties by increasing the opportunity of neighboring and flowering overlap between them. Such a situation raises questions about the past and current evolutionary dynamics of phenological diversity in this crop.In the first part of my thesis I tried to evaluate the possibility of gene flow between pearl millet varieties in South-West Niger, through a comparative approach among contrasting situations pertaining to the spatial distribution of early and late landraces. Therefore I conducted: 1) a field study where we observed flowering periods, for two types of varieties (early type (Haïni Kiré): 75 to 95 days and late type (Somno): 105 to 125 days of cycle length) in several pearl millet fields, and in two villages 2) a molecular study that allows the assessment of the level of genetic differentiation between late and early flowering populations sampled from four villages (including the two where the field study was conducted) of the same region (Dallol Bosso), using microsatellite markers. I was able to demonstrate the occurrence of pollen flow between the two types of landraces and I also showed evidence of genetic introgression between early and semi-late landraces. Potential mechanisms that would allow for the maintenance of the phenological differentiation between these two varieties and despite the gene flow are discussed.In the second part of this work I used a candidate gene and a population genetics approach, to try to identify genes that may have contributed to the cycle length diversity in pearl millet. I focused on three flowering candidate genes, PgHd3a, PgDwarf8 and PgPHYC which have been shown to be involved in the cycle length genetic diversity in several species, in order to estimate the differentiation between wild and domestic pearl millets and between early and late landraces, on the basis of theses candidate genes. I also tried to track for the fingerprint of eventual past selective events within these candidate genes. To be able to distinguish the effects of selection from the effect of demographic events that occurred during the domestication process, I used 8 neutral STS loci and an Approximate Bayesian Computation approach.My results strongly suggest that PgHd3a and PgDwarf8 were likely targeted by selection during domestication. However, a potential role of any of the three candidate genes in the phenological differentiation between early and late landraces was not supported by our data. The Bayesian approach confirmed the idea, suggested by many authors, that the gene flow from the wild to the domestic genetic pool has contributed significantly to the genetic diversity of the domestic pearl millet.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Le développement a-t-il influencé l'agrobiodiversité dans le bassin tchadien au cours du XXe siècle ? Histoire d'une conservation par les échanges

no abstrac

Le développement a-t-il influencé l'agrobiodiversité dans le bassin tchadien au cours du XXe siècle ? Histoire d'une conservation par les échanges

no abstrac

La diversité des échanges de plantes : regards interdisciplinaires

no abstrac

Evolution of neutral and flowering genes along pearl millet ([i]Pennisetum glaucum[/i]) domestication

Background : Pearl millet landraces display an important variation in their cycle duration. This diversity contributes to the stability of crop production in the Sahel despite inter-annual rainfall fluctuation. Conservation of phenological diversity is important for the future of pearl millet improvement and sustainable use. Identification of genes contributing to flowering time variation is therefore relevant. In this study we focused on three flowering candidate genes, PgHd3a, PgDwarf8 and PgPHYC. We tested for signatures of past selective events within polymorphism patterns of these three genes that could have been associated with pearl millet domestication and/or landraces differentiation. In order to implement ad hoc neutrality tests, a plausible demographic history of pearl millet domestication was inferred through Approximate Bayesian Computation by using eight neutral STS loci.Results : Domesticated pearl millet exhibited 84% of the nucleotide diversity level found in the wild population. No specific polymorphisms were found either in the wild or in the domestic populations. The Bayesian approach and previous studies suggest that gene flow between wild relatives and domesticated pearl millets is a main factor explaining these results. Early and late landraces did not show significant genetic differentiation at both the neutral and the candidate loci. A positive selection was evidenced in PgHd3a and PgDwarf8 genes of domestic forms but not in the wild population.Conclusion: Our results strongly suggest that PgHd3a and PgDwarf8 were likely targeted by selection during domestication. However, a potential role of any of the three candidate genes in the phenological differentiation between early and late landraces was not supported by our data. Reasons why these results contrast with previous results that have shown a slight but significant association between PgPHYC polymorphisms and variation in flowering time in pearl millet are discussed

Data from: Polymorphism pattern at a Miniature Inverted-repeat Transposable Element locus downstream of the domestication gene Teosinte-branched1 in wild and domesticated pearl millet

Unraveling the mechanisms involved in adaptation to understand plant morphological evolution is a challenging goal. For crop species, identification of molecular causal polymorphisms involved in domestication traits are central to this issue. Pearl millet, a domesticated grass mostly found in semi-arid areas of Africa and India, is an interesting model to address this topic: the domesticated form shares common derived phenotypes with some other cereals such as a decreased ability to develop basal and axillary branches in comparison with the wild phenotype. Two recent studies have shown that the orthologue of the maize gene Teosinte-Branched1 in pearl millet (PgTb1) was likely involved in branching evolution during domestication and that a Miniature Inverted-repeat Transposable Element (MITE) of the Tuareg family was inserted in the 3'-untranslated region of PgTb1. For a set of 35 wild and domesticated populations, we compared the polymorphism patterns at this MITE and at microsatellite loci. The Tuareg insertion was nearly absent in the wild populations, whereas a strong longitudinal frequency cline was observed in the domesticated populations. The geographic pattern revealed by neutral microsatellite loci clearly demonstrated that isolation by distance does not account for the existence of this cline. However, comparison of population differentiation at the microsatellite and the MITE loci and analyses of the nucleotide polymorphism pattern in the downstream region of PgTb1 did not show evidence that the cline at the MITE locus has been shaped by selection, suggesting the implication of a neutral process. Alternative hypotheses are discussed