A genomic approach to the evolution, diversification and domestication of the genus Citrus

Abstract

[EN] Citrus is a diverse genus within the Aurantioideae subfamily that comprises an undetermined number of pure species natively found in a vast territory extending from India to Japan and Australia. Besides pure species, countless citrus admixtures of commercial interest such as mandarins, oranges and lemons have been traditionally included in this genus, even though they are the product of several interspecific crosses between pure species. Recently, a genome-wide analysis provided the backbone of the Citrus phylogeny, showing that the wild species diverged from an ancestral citrus in a rapid radiation during the Late Miocene. Understanding the processes that shaped the evolution and domestication of the genus will provide novel insights in the field of plant genome evolution. In this doctoral thesis, multiple genomic approaches have been used to expand the existing knowledge on major determinants driving the processes of evolution, diversification and domestication in Citrus. First, a genome-wide Aurantioideae phylogeny was generated, revealing the existence of several independent dispersal events in this subfamily in the last 10 million years, from Asia to Africa and Australia, and rooting the Citrus genus within this subfamily. The Citrus phylogeny was then studied under the multispecies coalescent model, which can capture the variability generated during fast radiations. The dating of the speciation events allowed to advance original proposals on the paleogeographic events triggering the migration of the Citrus species through the South East Asian region. The Citrus radiation generated the great genetic and phenotypic diversity found in this genus. To investigate the effects of the Late Miocene climate change on the genomic structure of the Citrus pure species, the activity and evolution of retrotransposons, which can significantly alter the genome of their hosts, was analyzed. Most of the Citrus retrotransposon families are shared with Severinia buxifolia, an Aurantioideae species that diverged from Citrus more than 10 million years ago, implying that few retrotransposon families are specific to the genus Citrus. However, estimations of the retrotransposon insertion rates within Citrus revealed that, shortly after the radiation, the transposon activity rapidly changed among the different species. Hence, the data indicates that retrotransposon dynamics are linked to the stress caused by the Late Miocene climate change and the Citrus speciation, although specific responses likely depend on the particular evolutionary history of each species. The differences of gene expression in fruits of domesticated and wild cultivars were then studied to understand the role of interspecific hybridizations during Citrus domestication. The results presented suggest that these events, together with asexual propagation, were key for the domestication process. Different mechanisms explaining commercially relevant Citrus traits are also proposed. For example, pulp acidity in citrons and lemons is linked to an increased proton influx to the pulp vacuoles. The data also indicate that the peel pigmentation might be controlled by the additive effect of several minor genes, and not by a single gene or mechanism. Finally, an allele-dependent expression pattern of a chalcone synthase, involved in the flavonoid biosynthesis, advocates for the existence of a stepwise evolution in the mandarin flavonoid accumulation. All in all, the transcriptomic approach used in this work allowed to generate broader hypotheses that stand from a genus-wide perspective. Overall, the results provide a comprehensive framework of Citrus phylogenetic relationships, the effect of the mobile elements during its diversification and the role of interspecific hybridizations in the citrus domestication. The insights here exposed reveal the inherent complexity of the evolutionary history of this fascinating genus.

[ES] El género Citrus (Aurantioideae) abarca un número desconocido de especies puras, nativas en buena parte del sudeste asiático y Oceanía. Muchas variedades comerciales, como mandarinas o naranjas, también forman parte de este género. Recientemente, la estructura de la filogenia del género Citrus ha sido publicada en un estudio el que se propone que los cítricos actuales surgieron en un proceso de radiación rápida durante el Mioceno tardío, hace 8 millones de años. Una mejor comprensión de los procesos involucrados en la evolución y posterior domesticación del género Citrus proporcionaría nuevas perspectivas en el ámbito de la genómica de plantas. En esta Tesis Doctoral se han empleado diversas estrategias genómicas para ampliar el conocimiento existente sobre los procesos implicados en la evolución, diversificación y domesticación de los cítricos. En primer lugar, se generó un árbol filogenético de las Aurantioideae, anclando el género Citrus dentro esta subfamilia. Esta filogenia reveló varios eventos de dispersión entre estas especies, generalmente desde Asia hacia África u Oceanía. Después, se estudió la filogenia del género Citrus empleando el modelo coalescente de multiespecie, que refleja la variabilidad inherente a los procesos de radiación. La datación de los distintos eventos de especiación ha permitido hacer nuevas propuestas sobre la paleogeografía y su papel en la distribución actual de los cítricos a lo largo del sudeste asiático. Para investigar los efectos del cambio climático del Mioceno tardío en el genoma de los cítricos, se analizó la actividad y la evolución de los retrotransposones como fuente de variabilidad genética en distintas especies de cítricos. Muchos de los retrotransposones de los cítricos también se encuentran en Severinia¿ un género de las aurantioideas que divergió del ancestro de los cítricos hace 10 millones de años, sugiriendo que pocos de los retrotransposones de cítricos son exclusivos de este género. En cambio, las tasas de inserción de retrotransposones en cítricos revelaron que la actividad de estos elementos cambió drásticamente entre especies poco después de la radiación de los cítricos. Por tanto, es posible que dicha actividad esté ligada al estrés climático durante el Mioceno tardío, así como a la especiación de los cítricos, aunque también parece verse afectada por las condiciones evolutivas particulares de las especies estudiadas. Por último, se estudiaron las diferencias en la expresión génica entre variedades domesticadas y especies salvajes para conocer el papel de las hibridaciones interespecíficas en la domesticación de los cítricos. Los resultados obtenidos sugieren que dichas hibridaciones, junto a la propagación clonal, fueron clave para el proceso de domesticación. Estos resultados también permiten proponer un mecanismo que explica la acidez de la pulpa de cidros y limones basado en el flujo de protones al lumen vacuolar. Los datos también parecen indicar que el color de los cítricos no depende de un único gen, sino que depende del efecto aditivo de varios genes en conjunto. Finalmente, se descubrió una copia del gen de la chalcona sintasa, necesario para la síntesis de flavonoides, que tan solo se expresa en mandarinas y variedades derivadas, lo que sugiere que la acumulación de flavonoides en estas variedades proviene de un proceso evolutivo escalonado. La obtención de estos resultados fue posible gracias a la estrategia de análisis transcriptómico escogida, que abarca varias especies del género Citrus. En conclusión, los resultados presentados en este trabajo aportan un marco de trabajo global en la filogenia del género Citrus, además de realizar nuevas propuestas sobre el efecto de los elementos móviles en la diversificación de los cítricos y el papel de las hibridaciones interespecíficas durante su domesticación. Los datos presentados en este trabajo revelan la compl

[CAT] El gènere Citrus (Aurantioideae) comprèn un nombre desconegut d'espècies pures, natives en un ampli territori que s'estén pel sud-est asiàtic i Oceania. Un gran nombre de varietats comercials de cítrics, com mandarines, taronges o llimes, també s'inclouen dins del gènere Citrus. L'estructura bàsica de la filogènia del gènere Citrus ha sigut publicada recentment, a un estudi al que es proposa que els cítrics actuals sorgiren en un procés de radiació ràpida que va tindre lloc en el Miocè superior, fa 8 milions d'anys. Una millor comprensió dels processos involucrats en l'evolució i posterior domesticació del gènere Citrus podria proporcionar noves perspectives dins de l'àmbit de l'evolució del genoma de plantes. Al llarg d'aquesta Tesi Doctoral s'han emprat diverses estratègies genòmiques per a ampliar el coneixement existent sobre els processos que van dirigir l'evolució, diversificació i domesticació dels cítrics. En primer lloc, es va generar una filogènia de les aurantioideas, ancorant el gènere Citrus dins d'aquesta subfamília. Esta filogènia va revelar l'existència de diversos esdeveniments de dispersió en estes espècies, generalment des d'Àsia cap a Àfrica o Oceania. Després, la filogènia dels cítrics es va estudiar emprant el model evolutiu coalescent multiespècie, que reflecteix la variabilitat inherent als processos de radiació ràpida. La datació de la especiació dels cítrics han permès fer noves propostes sobre la paleografia i el seu paper en la distribució actual dels cítrics per tot el sud-est asiàtic. Per a investigar els efectes del canvi climàtic ocorregut durant el Miocè superior en l'estructura genòmica dels cítrics, s'analitzà l'activitat i evolució dels retrotransposons com a font de variabilitat genètica en distintes espècies de cítrics. La majoria dels retrotransposons dels cítrics també es troben en Severinia¿ un gènere de les aurantioidees que va divergir de l'avantpassat dels cítrics fa 10 milions d'anys, la qual cosa suggereix que tan sols unes poques famílies de retrotransposons son exclusives dels cítrics. En canvi, l'estimació de les taxes d'inserció dels retrotransposons revela que l'activitat d'aquests elements va patir canvis dràstics entre espècies poc després de la radiació dels cítrics. Per tant, l'esmenada activitat podria estar lligada a l'estrès climàtic de finals del Miocé, així com a l'especiació dels cítrics, encara que també sembla veure's afectada per les condicions evolutives particulars de cada espècie. Finalment, es van estudiar les diferències a l'expressió gènica entre varietats domesticades i espècies salvatges per a conèixer el paper de les hibridacions interespecífiques en el procés de domesticació dels cítrics. Els resultats suggereixen que aquestes hibridacions, junt a la propagació clonal de les varietats de interès, foren clau en la domesticació. Els resultats també han permès proposar un mecanisme que explica l'acidesa de la polpa de poncems i llimes basat en el flux de protons al lumen vacuolar. D'altra banda, el color dels cítrics no pareix dependre d'un únic gen, sinó de l'efecte additiu de diversos gens en conjunt. Finalment, s'ha trobat una còpia del gen de la chalcona sintasa, necessària per a la síntesi de flavonoides, que tan sols s'expressa en mandarines i varietats derivades, suggerint que l'acumulació de flavonoides en aquestes varietats és el resultat d'un procés evolutiu escalonat. L'obtenció d'aquests resultats fou possible gràcies a l'estratègia d'anàlisi escollida, que inclou diverses espècies del gènere Citrus. En conclusió, els resultats presentats en aquest treball aporten un marc de treball global a la filogènia dels cítrics, a banda de permetre realitzar noves propostes sobre el efecte dels elements mòbils en la diversificació dels cítrics i el paper de les hibridacions interespecífiques durant la seua domesticació. Les dades presenta