Lire l’ADN nucléaire et l’ADN chloroplastique à partir des mêmes lectures de séquençage

Avec Mme Eranga Pawani Witharana comme première auteure, un groupe de recherche centré dans notre laboratoire a démontré une méthode permettant de récupérer efficacement des informations phylogénétiques nucléaires à partir des mêmes lectures de séquençage utilisées pour l’analyse du génome des chloroplastes, permettant une comparaison intégrée des deux sources de données.

Les génomes de chloroplastes (cp) sont largement utilisés en phylogénétique végétale car ils sont relativement petits et faciles à traiter. Chez de nombreuses angiospermes, cependant, cpDNA est hérité uniparentalement — souvent maternelle — et peut donc transmettre un signal phylogénétique différent de celui de la DNA nucléaire héritée biparentalement. Les données sur les chloroplastes seules peuvent donc être insuffisantes pour résoudre certaines relations évolutives.

Pour obtenir des informations phylogénétiques plus complètes, les informations sur les DNA nucléaires, héritées des deux parents, sont également importantes. La DNA nucléaire offre une perspective génétique plus globale que cpDNA. Cependant, l’acquisition complète d’informations sur les DNA nucléaires était auparavant associée à des coûts élevés. Ces dernières années, des méthodes très rentables pour obtenir des données de DNA nucléaire ont émergé (par exemple, la capture de cibles RNA le séquençage), mais il a généralement été nécessaire de préparer séparément les données sur les chloroplastes et les DNA nucléaires.

Dans cette étude, pour relever ce défi, nous nous sommes concentrés sur le développement et la validation d’une nouvelle méthode qui obtient des informations nucléaires DNA phylogénétiques à partir des « mêmes » données brutes (non traitées) de séquences utilisées pour l’analyse du génome des chloroplastes.

Nous avons utilisé un nouvel outil de calcul appelé Read2Tree. Read2Tree permet l’extraction directe et efficace de l’énergie nucléaire conservée séquences géniques issues des données brutes de séquences lues.

Après la publication de l’article, nous avons rendu l’analysis pipeline public dans le GitHub repository « Eranga-Witharana/rt2-phylogenomics » afin de faciliter la reproduction et les applications ultérieures du workflow.

Principales caractéristiques et avantages de Read2Tree

• Rentable : L’utilisation des mêmes données brutes que l’analyse par chloroplaste réduit les coûts d’acquisition des données.
• Récupération complète des données nucléaires : Une approche guidée par le génome de référence permet l’extraction d’un grand nombre de gènes nucléaires conservés.
• Analyse simplifiée : Fonctionne comme un pipeline intégré allant de l’identification des gènes à la génération d’alignement jusqu’à la construction d’arbres phylogénétiques.
• Aucune préparation personnalisée requise : Utilise des ensembles de données de référence existants, éliminant ainsi la nécessité de concevoir et de valider des ensembles de sondes ou bases de données spécifiques à chaque espèce.
• Utile pour l’analyse de discordance : Fournit des données d’alignement génétique individuel, qui peuvent être utilisées pour étudier les causes de la discordance phylogénétique (telles que les divergences entre arbres génétiques et arbres d’espèces).

Validation de la méthode : un exemple utilisant des plantes Aurantioideae

Pour valider l’efficacité et l’utilité de cette nouvelle méthode (analyse phylogénétique DNA nucléaire utilisant Read2Tree), nous avons ciblé le groupe végétal Aurantioideae. Aurantioideae, qui inclut les agrumes et ses proches parents, est un groupe important aux relations phylogénétiques complexes.

Grâce à Read2Tree, l’étude a récupéré des séquences de gènes nucléaires conservés pour 39 espèces d’Aurantioideae et a comparé les phylogénies nucléaires résultantes avec des arbres génomes chloroplastiques construits à partir des mêmes lectures brutes.

• Comparaison avec les méthodes existantes de DNA nucléaire : le nucléaire DNA phylogénétique arbre obtenu par Read2Tree a été comparé avec l’arbre généré par RAD-Seq, une autre méthode de DNA nucléaire utilisée dans des études antérieures. Cette comparaison a évalué la fiabilité de Read2Tree.
• Intégration avec l’analyse phylogénétique des chloroplastes : Les arbres phylogénétiques des génomes chloroplastiques ont été construits à partir des mêmes données brutes et comparés aux arbres de DNA nucléaires produits par Read2Tree. Cette approche a étudié la discordance cytonucléaire, le décalage entre les phylogénies chloroplastiques et nucléaires.
• Analyse des causes de discordance : utilisation des données d’alignement génétique individuel par Read2Tree et en le combinant avec d’autres méthodes (D-statistique, DFOIL, QuIBL, etc.), nous avons analysé si la discordance phylogénétique observée était causée par des processus évolutifs complexes tels que Tri de lignées incomplètes (ILS), Introgression, ou une introgression ancienne.

Résultats (efficacité de la méthode)

Les résultats de cette étude ont révélé les points suivants, démontrant l’efficacité de la méthode utilisant Read2Tree :

• Comparaison des phylogénies nucléaires : Les Read2Tree phylogénies nucléaires étaient largement concordantes avec les relations rapportées par une étude RAD-Seq antérieure. Certains emplacements de taxons restaient incertains, il ne faut donc pas interpréter l’analyse comme une résolution définitive de chaque branche.
• Réutilisation efficace des données : Le même jeu de données à lecture courte permettait à la fois l’analyse du génome des chloroplastes et l’inférence phylogénétique nucléaire, rendant l’approche plus rentable que la préparation de jeux de données de séquençage séparés. C’était un avantage pour l’acquisition de données, pas une évaluation économique formelle.
• Analyse de la discordance phylogénétique : De multiples analyses ont suggéré que le tri incomplet des lignées (ILS) explique la plupart des discordances observées, tandis que l’introgression et l’introgression ancienne ont également pu contribuer au sein de certains clades.

Conclusion

L’étude a montré que Read2Tree peut récupérer des gènes nucléaires conservés à partir des mêmes lectures brutes utilisées pour l’analyse du génome des chloroplastes, permettant de comparer les phylogénies nucléaires et chloroplastiques et d’étudier les contributions issues du tri incomplet des lignées (ILS) et de l’introgression. Certains emplacements de taxons restaient incertains, et l’étude n’a pas permis de résoudre de manière définitive chaque branche.

Cette méthode a le potentiel de contribuer à des reconstructions plus détaillées et fiables des histoires évolutives dans la recherche phylogénétique végétale future.

Applications potentielles à la recherche sur les ingrédients alimentaires

Les points suivants décrivent des applications potentielles déduites du flux de travail phylogénétique validé. L’article ne testait pas directement la sélection des cultures, la saveur, la valeur nutritionnelle ou la résistance aux maladies.

Par exemple, des groupes comme les Aurantioideae utilisés dans cette étude incluent des espèces végétales importantes pour l’alimentation et les usages médicinaux dans le monde entier. Comprendre leurs relations phylogénétiques précises et l’histoire évolutive complexe de l’hybridation est crucial pour l’amélioration des cultures en agriculture ainsi que pour la conservation et l’utilisation de ressources génétiques précieuses (comme les parents sauvages) qui pourraient devenir de futures sources alimentaires.

Cette nouvelle méthode utilisant Read2Tree permet une récupération efficace des informations à la fois sur les DNA chloroplastiques et nucléaires en utilisant le même ensemble de données, permettant des analyses phylogénétiques plus complètes et détaillées de nombreuses espèces de cultures alimentaires auparavant difficiles à analyser.

De plus, la capacité à analyser des processus génétiques complexes tels que le tri incomplet des lignées (ILS) et l’introgression fournit une base pour comprendre, au niveau génétique, comment des traits divers des plantes comestives — tels que la grande valeur nutritionnelle, les saveurs spécifiques et la résistance aux ravageurs et maladies — ont été acquis et maintenus tout au long de l’histoire évolutive.

De cette manière, on peut dire que cette méthode offre une base importante pour approfondir notre compréhension de la diversité des plantes utilisées comme nourriture et pour stimuler la recherche en faveur du développement de variétés améliorées et d’une utilisation durable des ressources.