Characterization of domesticated clove ("Syzygium aromaticum") and comparison with related species - Ouadi, Sonia (My University, 2024)
Le giroflier, Syzygium aromaticum, est un arbre à épices appartenant à la famille des Myrtacées. Les boutons floraux encore fermés et séchés (clous de girofle), l'huile essentielle et l'oléorésine produits à partir du giroflier sont riche en eugénol et utilisés commercialement dans un large éventail d'industries. Malgré son importance économique et le potentiel thérapeutique prometteur de l'eugénol, peu de données omiques étaient disponibles pour la recherche fondamentale et appliquée sur le giroflier. Un génome de référence est un outil important pour l'avancement de la recherche en biologie végétale et des programmes d'amélioration des cultures. Dans le cadre de cette thèse, le génome du giroflier a été séquencé, et assemblé à l'échelle chromosomique, puis analysé en utilisant des approches de génomique comparative et multi-omiques dans le but d’étudier l'évolution du génome du giroflier et la base génétique de la biosynthèse de l'eugénol. Les assemblages des génomes de Syzygium malaccense (430 Mb), Syzygium aqueum (392 Mb), Syzygium jambos (426 Mb), et Syzygium syzygioides (431 Mb) ont également été construits pour être comparés aux génomes du giroflier (370 Mb), de Syzygium grande (405 Mb) ainsi qu’au génome d’une autre espèce de Myrtacées, Eucalyptus grandis (690 Mb), afin d'acquérir de nouvelles connaissances sur l'évolution des génomes des espèces de Syzygium. En analysant l'assemblage du génome du giroflier et en intégrant les données transcriptomiques et métabolomiques produites à partir des feuilles et des bourgeons floraux, les principales familles de gènes impliquées dans la biosynthèse des précurseurs de la lignine et des phénylpropènes volatils (eugénol, isoeugénol, chavicol) ont été identifiées ainsi que les gènes potentiellement impliqués dans la biosynthèse de l'eugénol. Sur la base de cette étude multiomiques, nous avons émis l'hypothèse que l'acétate d'eugénol pourrait jouer un rôle clé dans la forte accumulation d'eugénol dans les feuilles et les bourgeons floraux du giroflier. En outre, un nombre inférieur de gènes codant pour une possible eugénol synthase — une enzyme clé dans la biosynthèse de l'eugénol — ont été identifiés dans les génomes des 4 espèces de Syzygium nouvellement assemblés (1 à 3) que dans le génome du giroflier (15), suggérant que cette variation du nombre de copie peut être impliquée dans la teneur élevée en eugénol des organes de ce dernier. Les analyses de synténie ont révélé une bonne conservation de l'organisation chromosomique des 6 espèces de Syzygium étudiées et des réarrangements intrachromosomiques sur 7 des 11 chromosomes entre les espèces de Syzygium et E. grandis. Ces nouveaux génomes de Syzygium sont une contribution précieuse aux ressources génomiques de la famille des Myrtacées, et en particulier pour le genre Syzygium, le plus riche en espèces d’arbre au monde. De plus, la disponibilité d’un génome de référence pour le giroflier ouvre de nouvelles perpectives pour la recherche appliquée visant à optimiser la productivité des girofliers. ABSTRACT Clove, Syzygium aromaticum, is a valuable spice crop tree belonging to the Myrtaceae family. Its dried, unopened flower buds, essential oil, and oleoresin-rich in eugenol, are used commercially in a broad range of industries. Despite its economic importance and the promising therapeutic potential of eugenol, little -omics information was available for fundamental and applied research on clove. A reference genome is an important tool for the advancement of plant biology research and crop improvement programs. In this thesis, the clove genome was sequenced, assembled at the chromosome level and subsequently analysed using comparative genomics and multi-omics approaches to investigate clove genome evolution and the genetic basis of eugenol biosynthesis. In addition, the genome assemblies of Syzygium malaccense (430 Mb), Syzygium aqueum (392 Mb), Syzygium jambos (426 Mb), and Syzygium syzygioides (431 Mb) were constructed and compared to the genome assemblies of clove (370 Mb), Syzygium grande (405 Mb) and their Myrtaceae relative Eucalyptus grandis (690 Mb) to provide further genomic insights into the evolution of Syzygium genomes. By analysing the clove genome assembly and sets of transcriptomic and metabolomic data from leaves and buds, the key gene families involved in the biosynthesis of the precursor of lignin and phenylpropene volatiles (eugenol, isoeugenol, chavicol) were identified as well as genes possibly involved in the biosynthesis of eugenol. On the basis of this multi -omics study, we hypothesized that eugenol acetate may play a key role in the high accumulation of eugenol in clove leaves and buds. Fewer genes were found in the newly assembled Syzygium genomes (1 to 3) than in clove (15) to encode for putative eugenol synthase—a key enzyme in the eugenol biosynthetic pathway—suggesting that this copy number variation may be involved in the high content in eugenol of clove. Synteny analyses revealed a high conservation of the chromosomal organization of the 6 Syzygium species studied and intrachromosomal rearrangements on 7 of the 11 chromosomes, between the Syzygium species and E. grandis. This new set of Syzygium genomes is a valuable contribution to genomics resources for the Myrtaceae family, and especially to the Syzygium genus, the world’s most species-rich tree genus. Moreover, the availability of the clove reference genome opens new perspectives for applied research aiming to optimize clove production.
Thesis committee Dr. Nicolas Sierro (Thesis supervisor) – Philip Morris International Research & Development Dr. Nikolai V. Ivanov (Thesis co-director) – Philip Morris International Research & Development, University of Neuchâtel Prof. Felix Kessler (Thesis co-director) – University of Neuchâtel Dr. Gaétan Glauser (Internal expert) – University of Neuchâtel Prof. Lukas Mueller (External expert) –Boyce Thompson Institute, USA November 2023 No de thèse : 3080
Keywords: Syzygium aromaticum; Syzygium malaccense; Syzygium jambos; Syzygium aqueum; Syzygium syzygioides; Myrtacées; séquençage; assemblage de novo; synténie; eugénol; Myrtaceae; sequencing; de novo assembly; synteny; eugenol