A high‐quality functional genome assembly of delia radicum L. (diptera: anthomyiidae) annotated from egg to adult

Abstract Belowground herbivores are overseen and underestimated, even though they can cause significant economic losses in agriculture. The cabbage root fly Delia radicum (Anthomyiidae) is a common pest in Brassica species, including agriculturally important crops, such as oilseed rape. The damage is caused by the larvae, which feed specifically on the taproots of Brassica plants until they pupate. The adults are aboveground‐living generalists feeding on pollen and nectar. Female flies are attracted by chemical cues in Brassica plants for oviposition. An assembled and annotated genome can elucidate which genetic mechanisms underlie the adaptation of D . radicum to its host plants and their specific chemical defences, in particular isothiocyanates. Therefore, we assembled, annotated and analysed the D . radicum genome using a combination of different next‐generation sequencing and bioinformatic approaches. We assembled a chromosome‐level D . radicum genome using PacBio and Hi‐C Illumina sequence data. Combining Canu and 3D‐DNA genome assembler, we constructed a 1.3 Gbp genome with an N50 of 242 Mbp and 6 pseudo‐chromosomes. To annotate the assembled D . radicum genome, we combined homology‐, transcriptome‐ and ab initio‐prediction approaches. In total, we annotated 13,618 genes that were predicted by at least two approaches. We analysed egg, larval, pupal and adult transcriptomes in relation to life‐stage specific molecular functions. This high‐quality annotated genome of D . radicum is a first step to understanding the genetic mechanisms underlying host plant adaptation. As such, it will be an important resource to find novel and sustainable approaches to reduce crop losses to these pests

Multi-scale characterization of symbiont diversity in the pea aphid complex through metagenomic approaches

International audienceMost metazoans are involved in durable symbiotic relationships with microbes which can take several forms, from mutualism to parasitism. The advances of NGS technologies and bioinformatics tools have opened new opportunities to shed light on this hidden but very influential diversity.The pea aphid is a model insect system for symbiont studies. It harbors both an obligatory symbiont supplying key nutrients and several facultative symbionts bringing some novel functions to the host, such as protection against natural enemies and thermal stress. The pea aphid is organized in a complex of biotypes, each adapted to a specific host plant of the legume family and having its own symbiont composition. Yet, the metagenomic diversity of the biotype-associated symbiotic community is still largely unknown. In particular, little is known on how the symbiotic genomic diversity is structured at different scales: across host biotypes, amongst individuals of the same biotype, or within individual aphids.We used high throughput whole genome metagenomic sequencing to characterize with a fine resolution the metagenomic diversity of both individual resequenced aphids and biotype specific pooled aphids. By a reference genome mapping approach, we first assessed the taxonomic diversity of the samples and built symbiont specific read sets. We then performed a genome-wide SNP-calling, to examine the differences in bacterial strains between samples. Our results revealed different diversity patterns at the three considered scales for the pea aphid symbionts. At the inter-biotype and intra-biotype scales, the primary symbiont Buchnera and some secondary symbionts such as Serratia showed a biotype specific diversity. We showed evidence for horizontal transfer of a Hamiltonella strain between biotypes, and found two distinct strains of Regiella symbionts within some biotypes. At the finest intra-host diversity scale, we also showed that these two strains of Regiella may coexist inside the same aphid host. This study highlights the huge potential of bioinformatics analyses of metagenomic dataset in exploring microbiote diversity in relation with host variation

Développement et applications d'outils d'analyse métagénomique des communautés microbiennes associées aux insectes

The aim of this PhD thesis is to develop innovative approaches to characterize host-microbiota relationships, and to apply them to finely explore the pea aphid microbiota using metagenomic data. Symbiotic relationships play a major role in the life and evolution of all organisms, but are imperfectly described, essentially because of the difficult characterization of the genomic diversity of the microbial partners. The rise of high throughput metagenomic sequencing is a game changer for the study of those systems, but also raises methodological issues to analyze large metagenomic datasets. Metagenomic is here applied to the pea aphid holobiont, a model system for the study of symbiotic relationships, sheltering a moderately complex microbial community. This level of complexity seems to be ideal to develop new approaches for the strain-resolved characterization of host-microbiota relationships. This thesis aims at a better description of this symbiotic community by distinguishing several scales of metagenomic diversity. In a first part, we present a framework for the metagenomic analysis of holobionts, relying first on the taxonomic assignation of reads by alignment to reference or newly assembled genomes, and then on the detection of genomic variants. Whole genome variant profiles make possible to track the evolutionary history of host-microbiota associations with a high resolution. In the case of the pea aphid, we highlight different scales and structures for the metagenomic diversity of the different symbionts, accounting for different transmission modes or evolutionary histories specific to each microbial partner. This framework is based on the availability of a suitable reference genome, that may be hard to obtain in a metagenomic context. In a second part, we therefore present a novel method for reference guided genome assembly from metagenomic data. This method is based on two steps. First, the recruitment and assembly of reads by mapping metagenomic reads on a distant reference genome, and second, the de novo assembly of the missing regions, allowed by the development of an improved version of the software MindTheGap. Compared to a standard metagenomic assembler, this methods makes possible to assemble a single genome in a reasonable time, and allows to detect eventual structural variations within the targeted genome. When applied to the pea aphid holobiont, MindTheGap yielded single contig assemblie of the obligatory symbiont Buchnera aphidicola, and helped to identify different structural variants of the bacteriophage APSE. This works paves the way to a finer characterization of host-microbiota interactions, and to the application of the presented approaches to more complex systems.Ces travaux de thèse reposent sur le double objectif de proposer des approches innovantes pour l’étude des relations entre un hôte et son microbiote, et de les appliquer à la description fine de l’holobionte du puceron du pois par des données métagénomiques. Les relations symbiotiques façonnent le fonctionnement et l’évolution de tous les organismes, mais restent décrites de manière imparfaite, notamment à cause de la difficulté à caractériser la diversité génomique des partenaires microbiens constitutifs des holobiontes. L’essor des technologies de séquençage métagénomique révolutionne l’étude de ces systèmes, mais pose également des problèmes méthodologiques pour analyser les jeux de données métagénomiques. La métagénomique est ici appliquée au puceron du pois, un modèle d’étude des relations symbiotiques qui abrite une communauté bactérienne d’une complexité modérée, idéale pour développer de nouvelles approches de caractérisation de la diversité microbienne. Cette thèse vise à mieux décrire la communauté de symbiotes qu’abrite cet holobionte, notamment en distinguant les différents niveaux de variabilité génomique en son sein. Nous présentons une démarche pour l’analyse métagénomique d’holobiontes, qui repose d’abord sur l’assignation taxonomiques des lectures par alignement à des génomes de référence ou préalablement assemblés, puis sur la recherche de variants génomiques. L’étude de génotypes complets de symbiotes permet de retracer l’histoire évolutive des relations hôte-microbiote avec une résolution élevée. Chez le puceron du pois, nous mettons en évidence des niveaux et structures de diversité génomique différents selon les symbiotes, que nous proposons d’expliquer par les modalités de transmission ou l’histoire évolutive propre à chacun des partenaires microbiens. Cette approche repose sur la disponibilité d’un génome de référence adapté, qui est souvent difficile à obtenir en métagénomique. Dans un second temps, nous présentons donc une méthode d’assemblage guidé par référence en contexte métagénomique. Cette méthode se déroule en deux temps : le recrutement et l’assemblage de lectures par alignement sur un génome de référence distant, puis l’assemblage de novo ciblé des régions manquantes, permis par des développements complémentaires apportés au logiciel MindTheGap. Comparativement à un assembleur métagénomique, cette méthode permet l’assemblage d’un seul génome en un temps réduit, et permet de détecter d’éventuels variants structuraux sur le génome ciblé. Appliqué au puceron du pois, MindTheGap a réalisé l’assemblage du symbiote obligatoire Buchnera en un seul contig, et a permis d’identifier différents variants structuraux du bactériophage APSE. Ces travaux ouvrent la voie à la fois à une caractérisation plus précise des relations hôte-microbiote chez le puceron du pois par des approches fonctionnelles et métaboliques, ainsi qu’à l’application des outils présentés à des systèmes plus complexes

Development and application of bioinformatic tools for the metagenomic analysis of insect associated microbial communities

Ces travaux de thèse reposent sur le double objectif de proposer des approches innovantes pour l’étude des relations entre un hôte et son microbiote, et de les appliquer à la description fine de l’holobionte du puceron du pois par des données métagénomiques. Les relations symbiotiques façonnent le fonctionnement et l’évolution de tous les organismes, mais restent décrites de manière imparfaite, notamment à cause de la difficulté à caractériser la diversité génomique des partenaires microbiens constitutifs des holobiontes. L’essor des technologies de séquençage métagénomique révolutionne l’étude de ces systèmes, mais pose également des problèmes méthodologiques pour analyser les jeux de données métagénomiques. La métagénomique est ici appliquée au puceron du pois, un modèle d’étude des relations symbiotiques qui abrite une communauté bactérienne d’une complexité modérée, idéale pour développer de nouvelles approches de caractérisation de la diversité microbienne. Cette thèse vise à mieux décrire la communauté de symbiotes qu’abrite cet holobionte, notamment en distinguant les différents niveaux de variabilité génomique en son sein. Nous présentons une démarche pour l’analyse métagénomique d’holobiontes, qui repose d’abord sur l’assignation taxonomiques des lectures par alignement à des génomes de référence ou préalablement assemblés, puis sur la recherche de variants génomiques. L’étude de génotypes complets de symbiotes permet de retracer l’histoire évolutive des relations hôte-microbiote avec une résolution élevée. Chez le puceron du pois, nous mettons en évidence des niveaux et structures de diversité génomique différents selon les symbiotes, que nous proposons d’expliquer par les modalités de transmission ou l’histoire évolutive propre à chacun des partenaires microbiens. Cette approche repose sur la disponibilité d’un génome de référence adapté, qui est souvent difficile à obtenir en métagénomique. Dans un second temps, nous présentons donc une méthode d’assemblage guidé par référence en contexte métagénomique. Cette méthode se déroule en deux temps : le recrutement et l’assemblage de lectures par alignement sur un génome de référence distant, puis l’assemblage de novo ciblé des régions manquantes, permis par des développements complémentaires apportés au logiciel MindTheGap. Comparativement à un assembleur métagénomique, cette méthode permet l’assemblage d’un seul génome en un temps réduit, et permet de détecter d’éventuels variants structuraux sur le génome ciblé. Appliqué au puceron du pois, MindTheGap a réalisé l’assemblage du symbiote obligatoire Buchnera en un seul contig, et a permis d’identifier différents variants structuraux du bactériophage APSE. Ces travaux ouvrent la voie à la fois à une caractérisation plus précise des relations hôte-microbiote chez le puceron du pois par des approches fonctionnelles et métaboliques, ainsi qu’à l’application des outils présentés à des systèmes plus complexes.The aim of this PhD thesis is to develop innovative approaches to characterize host-microbiota relationships, and to apply them to finely explore the pea aphid microbiota using metagenomic data. Symbiotic relationships play a major role in the life and evolution of all organisms, but are imperfectly described, essentially because of the difficult characterization of the genomic diversity of the microbial partners. The rise of high throughput metagenomic sequencing is a game changer for the study of those systems, but also raises methodological issues to analyze large metagenomic datasets. Metagenomic is here applied to the pea aphid holobiont, a model system for the study of symbiotic relationships, sheltering a moderately complex microbial community. This level of complexity seems to be ideal to develop new approaches for the strain-resolved characterization of host-microbiota relationships. This thesis aims at a better description of this symbiotic community by distinguishing several scales of metagenomic diversity. In a first part, we present a framework for the metagenomic analysis of holobionts, relying first on the taxonomic assignation of reads by alignment to reference or newly assembled genomes, and then on the detection of genomic variants. Whole genome variant profiles make possible to track the evolutionary history of host-microbiota associations with a high resolution. In the case of the pea aphid, we highlight different scales and structures for the metagenomic diversity of the different symbionts, accounting for different transmission modes or evolutionary histories specific to each microbial partner. This framework is based on the availability of a suitable reference genome, that may be hard to obtain in a metagenomic context. In a second part, we therefore present a novel method for reference guided genome assembly from metagenomic data. This method is based on two steps. First, the recruitment and assembly of reads by mapping metagenomic reads on a distant reference genome, and second, the de novo assembly of the missing regions, allowed by the development of an improved version of the software MindTheGap. Compared to a standard metagenomic assembler, this methods makes possible to assemble a single genome in a reasonable time, and allows to detect eventual structural variations within the targeted genome. When applied to the pea aphid holobiont, MindTheGap yielded single contig assemblie of the obligatory symbiont Buchnera aphidicola, and helped to identify different structural variants of the bacteriophage APSE. This works paves the way to a finer characterization of host-microbiota interactions, and to the application of the presented approaches to more complex systems

Métagénomique et métatranscriptomique

National audienceCe chapitre propose une étude de la métagénomique, en présentant les méthodes répondant à la question de l'identification des organismes présents dans des communautés microbiennes, avec ou sans références, ainsi qu'à la détermination de l'aspect fonctionnel (métatranscriptomique, inférence de réseaux métaboliques) ou encore à la comparaison d'échantillons métagénomiques

Metagenomics and Metatranscriptomics

International audienc

Metagenomics and Metatranscriptomics

International audienc

Metagenomics and Metatranscriptomics

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Métagénomique et métatranscriptomique

National audienceCe chapitre propose une étude de la métagénomique, en présentant les méthodes répondant à la question de l'identification des organismes présents dans des communautés microbiennes, avec ou sans références, ainsi qu'à la détermination de l'aspect fonctionnel (métatranscriptomique, inférence de réseaux métaboliques) ou encore à la comparaison d'échantillons métagénomiques

Génomique fonctionnelle du déterminisme maternel du neurodéveloppement et du comportement chez les vertébrés

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