A scenario of mitochondrial genome evolution in maize based on rearrangement events

Background: Despite their monophyletic origin, animal and plant mitochondrial genomes have been described as exhibiting different modes of evolution. Indeed, plant mitochondrial genomes feature a larger size, a lower mutation rate and more rearrangements than their animal counterparts. Gene order variation in animal mitochondrial genomes is often described as being due to translocation and inversion events, but tandem duplication followed by loss has also been proposed as an alternative process. In plant mitochondrial genomes, at the species level, gene shuffling and duplicate occurrence are such that no clear phylogeny has ever been identified, when considering genome structure variation. Results: In this study we analyzed the whole sequences of eight mitochondrial genomes from maize and teosintes in order to comprehend the events that led to their structural features, i.e. the order of genes, tRNAs, rRNAs, ORFs, pseudogenes and non-coding sequences shared by all mitogenomes and duplicate occurrences. We suggest a tandem duplication model similar to the one described in animals, except that some duplicates can remain. Thi

Extensive variation in synonymous substitution rates in mitochondrial genes of seed plants

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>It has long been known that rates of synonymous substitutions are unusually low in mitochondrial genes of flowering and other land plants. Although two dramatic exceptions to this pattern have recently been reported, it is unclear how often major increases in substitution rates occur during plant mitochondrial evolution and what the overall magnitude of substitution rate variation is across plants.</p> <p>Results</p> <p>A broad survey was undertaken to evaluate synonymous substitution rates in mitochondrial genes of angiosperms and gymnosperms. Although most taxa conform to the generality that plant mitochondrial sequences evolve slowly, additional cases of highly accelerated rates were found. We explore in detail one of these new cases, within the genus <it>Silene</it>. A roughly 100-fold increase in synonymous substitution rate is estimated to have taken place within the last 5 million years and involves only one of ten species of <it>Silene </it>sampled in this study. Examples of unusually slow sequence evolution were also identified. Comparison of the fastest and slowest lineages shows that synonymous substitution rates vary by four orders of magnitude across seed plants. In other words, some plant mitochondrial lineages accumulate more synonymous change in 10,000 years than do others in 100 million years. Several perplexing cases of gene-to-gene variation in sequence divergence within a plant were uncovered. Some of these probably reflect interesting biological phenomena, such as horizontal gene transfer, mitochondrial-to-nucleus transfer, and intragenomic variation in mitochondrial substitution rates, whereas others are likely the result of various kinds of errors.</p> <p>Conclusion</p> <p>The extremes of synonymous substitution rates measured here constitute by far the largest known range of rate variation for any group of organisms. These results highlight the utility of examining absolute substitution rates in a phylogenetic context rather than by traditional pairwise methods. Why substitution rates are generally so low in plant mitochondrial genomes yet occasionally increase dramatically remains mysterious.</p

Apport de l'electrophorèse bidimensionnelle de protéines dans l'analyse du genome de Zea mays

*INRA, Station de Génétique et Amélioration des Plantes, route de St Cyr, 78026 Versailles Cedex Diffusion du document : INRA, Station de Génétique et Amélioration des Plantes, route de St Cyr, 78026 Versailles Cedex Diplôme : Dr. Ing

Cytoplasmic male sterility and mitochondrial metabolism in plants

International audienceCytoplasmic male sterility (CMS) is a common feature encountered in plant species. It is the result of a genomic conflict between the mitochondrial and the nuclear genomes. CMS is caused by mitochondrial encoded factors which can be counteracted by nuclear encoded factors restoring male fertility. Despite extensive work, the molecular mechanism of male sterility still remains unknown. Several studies have suggested the involvement of respiration on the disruption of pollen production through an energy deficiency. By comparing recent works on CMS and respiratory mutants, we suggest that the "ATP hypothesis" might not be as obvious as previously suggested. © 2014 Elsevier B.V. All rights reserved

The Effect of Breeding System on Polymorphism in Mitochondrial Genes of Silene

Gynodioecy is a breeding system characterized by the co-occurrence of hermaphrodite and female individuals, generally as the result of nuclear–cytoplasmic interactions. The question remains whether the genetic factors controlling gynodioecy are maintained in species over long evolutionary timescales by balancing selection or are continually arising and being replaced in epidemic sweeps. If balancing selection maintains these factors, then neutral cytoplasmic diversity should be greater in gynodioecious than hermaphroditic species. In contrast, epidemic sweeps of factors controlling gynodioecy should decrease cytoplasmic diversity in gynodioecious relative to hermaphroditic species. We took a comparative approach in which we sequenced two mitochondrial genes, cytochrome b (cob) and cytochrome oxidase (cox1), for multiple populations of several hermaphroditic, gynodioecious, and dioecious species in the genus Silene. Breeding system was predictive of polymorphism. Gynodioecious species harbor many old haplotypes while hermaphroditic and dioecious species have little to no nucleotide diversity. The genealogical structure of neither gene departed from neutral expectations. Taken together, our results suggest that balancing selection acts on cytoplasmic male-sterility factors in several gynodioecious species in the genus

Caractérisation moléculaire du cytoplasme G induisant la stérilité mâle chez la betterave (Beta vulgaris)

LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Histoire évolutive de la section Beta (mise en évidence des phénomènes d'hybridation et de spéciation au sein de la section dans le bassin méditerranéen)

B.v. maritima, B.v. adanensis, B. macrocarpa 2X et B. macrocarpa 4X appartiennent à la section Beta, genre Beta (Amaranthaceae) dont l'aire de diversification s'est concentrée dans le bassin méditerranéen. La diversité des répartitions géographiques et des traits d'histoire de vie au sein de cette section engendre la possibilité d'étudier la phylogénie d'espèces proches, les effets des oscillations climatiques du Pléistocène et les événements de spéciation en sympatrie et en système insulaire. Une phylogénie de la section a été construite afin d'appréhender la diversité génétique de chaque espèce et sous-espèce et les relations qu'elles partagent. De grandes différences de niveaux de diversité entre les taxons autogames (B.v. adanensis et B. macrocarpa 2X) et allogame (B.v. maritima) et une relation étroite entre B.v. maritima et B.v. adanensis ont été observés. Les patrons de variabilité intraspécifique ont été examinés en détail chez l'espèce cosmopolite côtière B.v. maritima et des hypothèses quant à la localisation et au nombre de zones refuges ont été testées. Les résultats indiquent que B.v. maritima a probablement subi une contraction de son aire de distribution qui s'est ainsi restreinte à trois principales zones refuges puis s'est étendue vers le Nord, pour s'établir dans les régions qu'elle occupe actuellement. Dans un de ces refuges potentiels, sur la péninsule ibérique, deux espèces diploïdes de la section, B. macrocarpa et B.v. maritima, sont trouvées en sympatrie. L'espèce allogame montre une structure génétique de ses populations très faible et de hauts niveaux de diversité génétique comparativement à l'espèce autogame chez laquelle la structuration génétique est très marquée et la diversité génétique très faible. II a d'autre part été montré l'existence de plantes intermédiaires génétiquement entre les deux espèces, suggérant des événements rares d'hybridation en conditions naturelles. Enfin, l'étude suggère une origine multiple de la forme allotétraploïde de Beta macrocarpa, une espèce de betterave endémique des Canaries qui dérive d'un croisement naturel entre ces deux espèces diploïdes continentales : B.v. maritima et B. macrocarpa.LILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Combined genetic and physiological analysis of a locus contributing to quantitative variation

International audienc

Évolution des génomes mitochondriaux de plantes (approche de génomique comparative chez Zea mays et Beta vulgaris)

L'étude de l'évolution des génomes peut être aborde e par différentes stratégies. Généralement, les analyses reposent sur les polymorphismes de séquences. Cependant, il existe des génomes dont le taux de mutation est très faible et dont la principale source de polymorphisme provient de l'arrangement différent de leurs gènes le long des chromosomes. Les évènements de réarrangements chromosomiques deviennent alors les seuls marqueurs utilisables pour retracer l'évolution de ces génomes. Nous nous sommes intéressés dans ce travail à l'analyse de l'évolution des génomes mitochondriaux d'espèces végétales au niveau de leur structure. En effet, ces génomes sont caractérisés par un faible taux de mutation et un taux élevé de réarrangements. Cette étude s est portée à un niveau intraspécifique afin de limiter le nombre de réarrangements à analyser et sur deux espèces : Zea mays, le maïs, et Beta vulgaris, la betterave. Il s'avère, qu'en plus du polymorphisme de structure, ces génomes contiennent un grand nombre d'éléments dupliqués. Or les outils d'analyse d'évènements de réarrangements ne permettent pas d'inclure les évènements de duplication autrement qu'en distinguant les paralogues des orthologues, ce qu'il est particulièrement difficile à réaliser ici, du fait que les dupliqués sont identiques en séquence. Nous avons ici établi une stratégie basée sur l'hypothèse que les éléments dupliqués proviennent de duplications en tandem, permettant la reconnaissance, le tri et la distinction des éléments dupliqués. Cette méthode nous a conduits à proposer une histoire évolutive basée sur des réarrangements congruente avec les phylogénies de séquences. Les comparaisons entre génomes mitochondriaux de maïs et betteraves nous ont permis de montrer que des mécanismes évolutifs différents sont à l origine de la diversité génomique observée. Nous avons également observé des différences évolutives entre les génomes à un niveau intraspécifique soulevant le problème d'échantillonnage lorsque l'on veut comparer des génomes à un niveau interspécifique.Several methods can be used to study genome evolution. Most of the time, genome evolution isstudied through nucleotide sequence polymorphism. However, in some species, mutation rate is lowand polymorphisms are mainly caused by chromosomal rearrangements. In such a case, chromosomalrearrangement is the only informative marker to study genome evolution. In this study, we focused onplant mitochondrial genome evolution at the structural level. Plant mitochondrial genomes have beendescribed as highly rearranged, but no study has been conducted on their rearrangement evolution.We chose to analyze the diversity of plant mitochondrial genomes at the intraspecific level to workon a short evolutive scale, limiting rearrangement events among genomes. The study was conductedon two species : Zea mays and Beta vulgaris . Moreover, besides structural polymorphisms, plantmitochondrial genomes contain large number of duplicated elements which are not taken into accountby rearrangement tools if orthologous and paralogous relations are not established. Based on thehypothesis that the duplicated elements were caused by tandem duplication events, we proposed anew approach to find, sort and differentiate duplicated elements. This method led to phylogenies basedon rearrangement events consistent with phylogenies based on nucleotide sequences. The comparisonof genome evolution between maize and beet allowed us to show the existence of different evolutionhistories and mechanisms between these two species. We also observed evolutionary differences atthe intraspecific level, raising the question of sampling strategy when genomes are compared at theinterspecific level.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF