Thèse Coévolution du Cheval Domestique et de ses Pathogènes de l'Âge d'Or du Cheval de Travail à son Déclin H/F - Doctorat.Gouv.Fr
- Toulouse - 31
- CDD
- Doctorat.Gouv.Fr
Les missions du poste
Établissement : Université de Toulouse École doctorale : BSB - Biologie, Santé, Biotechnologies Laboratoire de recherche : CAGT - Centre d'Anthropobiologie et de Génomique de Toulouse Direction de la thèse : Ludovic ORLANDO ORCID 0000000339361850 Début de la thèse : 2027-08-20 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 Le cheval est l'animal qui a le plus profondément marqué l'histoire, en révolutionnant la mobilité humaine, le commerce et la guerre depuis l'Âge du Bronze jusqu'à l'avènement des moteurs à combustion. Les chevaux sont restés des atouts essentiels jusque dans l'époque moderne, alimentant le transport urbain et les cavaleries militaires jusqu'à la Seconde Guerre mondiale. Aujourd'hui, cependant leur population mondiale s'est réduite à environ 58 millions d'individus, et ils restent principalement relégués aux loisirs et au sport dans le monde occidental.
Ce bouleversement reflète un double processus : d'une part, l'émergence de lignées modernes, avec plus de 400 lignées apparues depuis le XVIIIe siècle, motivées par la quête de morphotypes idéalisés, et d'autre part, le déclin des chevaux de travail à partir des années 1950. Cette transition - marquant le passage d'un Âge d'or de la diversité à un Âge où les animaux sont réduits à des rôles récréatifs - offre une perspective unique pour étudier comment des changements sociétaux rapides peuvent façonner la biologie d'une espèce aussi profondément liée à l'histoire humaine.
Aussi surprenant que cela puisse paraître, notre compréhension de cette période charnière et de ses effets sur la biologie et la santé des chevaux reste extrêmement limitée. Trois questions principales subsistent :
1. Perte de diversité : Quelle diversité génétique a été perdue (et dans quelles lignées) lors du déclin des chevaux induit par la mécanisation, et quelle part du patrimoine génétique qui existait au début du XXe siècle subsiste encore dans les populations actuelles ?
2. Changements génétiques : Quels changements génétiques ont été sélectionnés pour conduire à l'émergence de nouvelles variétés d'élevage, et quelles conséquences ont-ils eu sur les morphotypes, la performance et l'immunité ?
3. Dynamique des pathogènes : Comment les pathogènes ont-ils répondu aux changements de leur hôte, et quel a été l'impact d'un élevage intensifié, du transport et des soins vétérinaires sur les réseaux de transmission, la diversité des pathogènes et leurs paysages adaptatifs ?
Les avancées récentes en génomique permettent désormais de reconstituer des génomes complets de chevaux et de leurs pathogènes, à partir des véritables archives historiques que constituent les collections de musées, vétérinaires et médicales. En appliquant des techniques paléogénomiques de pointe à une collection vétérinaire unique de tissus fixés au formol et inclus en paraffine (FFPE) couvrant le XXe siècle, ce projet produira la première série temporelle de génomes pour des hôtes et leurs pathogènes dans un modèle non humain. Il documentera un siècle de changements co-évolutifs, positionnant le cheval comme un modèle pour explorer comment les changements induits par les sociétés humaines se répercutent dans les écosystèmes. Les résultats auront des implications majeures pour la conservation, la surveillance des maladies et la gestion durable des espèces à l'heure où le monde subit des changements intenses et particulièrement rapides.
Au-delà de l'avancée de notre compréhension de l'évolution équine, ce projet illustrera la valeur fondamentale du concept One Health, soulignant l'interconnexion entre la santé humaine, animale et environnementale.
Ce projet sera accueilli au Centre d'Anthropobiologie et de Génomique de Toulouse (CAGT) et co-encadré par le Pr Ludovic Orlando (CAGT) et le Pr Sébastien Calvignac-Spencer (Institut Helmholtz pour One Health, Greifswald, Allemagne), deux experts internationalement reconnus en paléogénomique équine et en évolution des pathogènes.
Malgré son importance majeure dans l'histoire de l'humanité, le mystère de la domestication du cheval n'a été résolu que récemment, grâce à la production, au sein du laboratoire d'accueil, d'une série temporelle complète de génomes anciens couvrant les 50 000 dernières années à travers l'Eurasie. Ces travaux ont révélé que le cheval figure parmi les derniers méga-herbivores à avoir été domestiqués, il y a environ 4 200-4 700 ans. Le succès de cette domestication a été associé à la sélection de deux mutations spécifiques : l'une affectant un gène impliqué dans le comportement, susceptible de faciliter les interactions entre les humains et les chevaux, et l'autre améliorant la mobilité et l'aptitude naturelle des chevaux aux déplacements sur de longues distances.
À partir d'il y a 4 100 ans, les humains et les chevaux se sont rapidement dispersés, ensemble, au-delà du foyer de domestication, atteignant les côtes atlantiques et l'Asie orientale en seulement quelques siècles. Des traditions d'élevage distinctes se sont ensuite développées sur les continents asiatique et européen, laissant des signatures génomiques fortement contrastées dans le génome du cheval tout en façonnant la structure des populations régionales. Cependant, les principales ascendances génétiques qui caractérisent les races de chevaux modernes sont apparues beaucoup plus récemment, au cours des 1 300 dernières années, avec l'émergence de signatures génomiques associées aux lignées de chevaux de trait, nordiques, arabes et pur-sang Anglais, entre ~700 et 1300 de notre ère.
À partir du XIXe siècle, la sélection en populations fermées de chevaux partageant des caractères biologiques définis, notamment morphologiques et liés aux performances, a conduit à la formation des plus de 400 races agronomiques reconnues aujourd'hui. Ce processus s'est accompagné d'une fragmentation importante des populations, augmentant la dérive génétique tout en réduisant l'efficacité de la sélection purifiante contre les allèles délétères. Il a également été caractérisé par une introgression disproportionnée de lignées anglaises, en particulier des pur-sang Anglais Au-delà de ces derniers, l'ampleur avec laquelle la formation des races agronomiques a impliqué une forte fragmentation des populations, une réduction de l'élimination des variants délétères, une augmentation de la consanguinité et des croisements extérieurs demeure toutefois mal comprise.
Les séries temporelles de génomes anciens ont également commencé à révéler comment l'expansion de l'unique lignée équine ayant été domestiquée avec succès a façonné la distribution et l'évolution des agents pathogènes équins anciens. À ce jour, un seul agent pathogène équin ancien a été caractérisé au niveau génomique : l'Herpèsvirus équin de type 4 (EHV-4), qui infectait déjà les chevaux domestiques lors de leur première expansion au-delà du foyer de domestication. Aucun autre virus ou agent pathogène bactérien n'a encore été étudié à travers des séries temporelles de génomes anciens. Par conséquent, la dynamique à long terme de la course aux armements co-évolutive entre les chevaux et leurs agents pathogènes demeure presque totalement inconnue. Il en va de même pour les autres espèces domestiquées, pour lesquelles les ressources en génomes anciens disponibles sont encore plus limitées.
English version: Despite its significance for human history, the mystery of horse domestication has only recently been resolved, following the generation in the host laboratory of a comprehensive ancient genome time series spanning the last 50,000 years across Eurasia. This revealed that the horse was among the last megaherbivore to be domesticated approximately 4,200-4,700 years ago. The successful domestication was associated with the selection of two specific mutations: one affecting a gene involved in behavior, potentially facilitating human-horse interactions, and another enhancing mobility and the natural ability of horses for long-distance travel.
From 4,100 years ago, humans and horses rapidly expanded together beyond the domestication homeland, reaching the Atlantic shores and Eastern Asia within ust a few centuries. Distinct breeding traditions were subsequently developed on the Asian and European continent, leaving contrasting genomic signatures on the horse genome, and shaping regional population structure. However, the major genetic ancestries that characterize modern horse breeds emerged much more recently, within the last 1,300 years, with genomic signatures associated with draft, Nordic, Arabian and Thoroughbred bloodlines appearing between ~700-1300 CE.
From the 19th century onwards, closed breeding of horses sharing defined biological traits, particularly morphology and performance-related characteristics, led to the formation of the 400+ breeds recognized today. This process was accompanied by extensive population fragmentation, increasing genetic drift while reducing the efficacy of purifying selection against deleterious alleles. It was also characterized by disproportionate introgression from English, particularly Thoroughbred, bloodlines. Beyond Thoroughbreds, however, the extent to which breed formation involved severe population fragmentation, reduced purging of deleterious variation, increased inbreeding, and extensive outcrossing remains poorly understood.
Ancient genome-time series have also begun to reveal how the expansion of the single equine lineage that was successfully domesticated shaped the distribution and evolution of ancient equine pathogens. To date, only one ancient equine pathogen has been characterized at the genomic level: Equine Herpes Virus 4, which was already infecting domestic horses during their early spread beyond the domestication homeland. No other virus or bacterial pathogen has yet been investigated through ancient genome time-series. Consequently, the dynamics of the long-term co-evolutionary arm race between horses and their pathogens remains almost completely unknown. This extends to other domesticates than the horses, for which more limited ancient genome resources are available.
Le projet apportera de nouvelles connaissances sur les changements biologiques sous-jacents au déclin majeur de l'utilisation des chevaux dans les sociétés occidentales au cours du XXe siècle, autour des objectifs de recherche principaux suivants (COR):
COR1 : Séries temporelles de génomes anciens de l'hôte : Générer une série temporelle génomique complète à partir d'environ 200 chevaux couvrant le XXe siècle, en exploitant les collections vétérinaires exceptionnelles de tissus biologiques fixés au formol et conservées à la Vetmeduni Vienna (Université de médecine vétérinaire de Vienne).
COR2 : Séries temporelles de génomes anciens des agents pathogènes : Générer une série temporelle génomique parallèle des agents pathogènes, notamment des agents responsables de la morve (Burkholderia mallei) et d'autres maladies respiratoires, telles que les herpèsvirus équins (EHV), dont il est établi qu'ils peuvent être préservés pendant au moins 3 800 ans dans des vestiges archéologiques, en exploitant la même collection.
COR3 : Dynamique des populations hôtes et pratiques d'élevage : Intégrer les variations génétiques à l'échelle du génome issues de génomes anciens et modernes afin de retracer la trajectoire démographique des chevaux au cours du XXe siècle, en mettant en évidence d'éventuelles modifications de la structure des populations et des pratiques d'élevage.
COR4 : Dynamique des agents pathogènes et santé génomique de l'hôte : Identifier les souches bactériennes et virales responsables de plusieurs épisodes épidémiologiques au cours du XXe siècle, cartographier les changements génétiques potentiellement adaptatifs dans les génomes des agents pathogènes et évaluer les changements parallèles de la santé génomique de leur hôte (par exemple, la présence de variants potentiellement délétères ou de variants soumis à une sélection positive de type sweep). Réciproquement, étudier les éventuels événements d'anthroponose (c'est-à-dire de transmission de l'humain au cheval) au cours d'une période où un nombre beaucoup plus important d'humains était en contact étroit avec un nombre beaucoup plus important de chevaux.
English version : The project will reveal new insights on the biological changes underpinning the major deprecation of horse utilization in Western societies during the 20th century, with the following Core Research Objectives:
COR1: Host ancient genomic time-series: Generate a comprehensive genome time-series from ~200 horses along the 20th century, leveraging the exceptional veterinarian collections of formalin-fixed biological tissues preserved at Vetmeduni Vienna (University of Veterinary Medicine).
COR2: Pathogen ancient genomic time-series: Generate a parallel genome time-series of pathogens, including those agents of glanders (Burkholderia mallei) and other respiratory diseases, such as Equine herpesviruses (EHV), which are known to preserve for at least 3,800 years in archaeological remains, leveraging the same collection.
COR3: Host population dynamics and breeding practices: Integrate ancient and modern genome-scale genetic variation to map the demographic trajectory of horses during the 20th century, revealing potential changes in population structure and breeding practices.
COR4: Pathogen dynamics and host genomic health: Identify bacterial and viral strains responsible for several epidemiological outbreaks during the 20th century, map potentially adaptive genetic changes in the pathogen genomes, and assess parallel changes in genomic health in their host (e.g., potentially deleterious variants or sweeping genetic variants); reciprocally, investigate potential anthroponotic events (i.e., human-to-horse transmission) in a period where many more humans were in close contact with many more horses. L'étude visera à reconstituer des séries temporelles des génomes de l'hôte et des agents pathogènes à partir d'échantillons historiques de tissus équins conservés dans des collections vétérinaires de tissus fixés au formol. Dans une étude pilote conduite en collaboration dans les deux équipes partenaires, 40 tissus datant de 1904 à 1944 ont été échantillonnés dans les collections vétérinaires de la Vetmeduni Vienna et analysés selon des protocoles établis pour l'ADN ancien. Des banques d'ADN ont pu être générées pour 30 des 40 tissus et séquencées en shotgun sur la plateforme Illumina NovaSeq X. Le traitement bioinformatique avec Paleomix a révélé une forte proportion d'ADN équin endogène, une faible clonalité et une forte fragmentation de l'ADN, caractéristiques compatibles avec la préservation de l'ADN ancien. Au total, 23 échantillons ont permis d'obtenir des génomes équins avec une couverture suffisante pour réaliser une imputation des génotypes à l'échelle du génome, démontrant la faisabilité de générer une série temporelle plus étendue d'environ 270 échantillons à un coût de séquençage modéré.
Les mêmes données de séquençage ont été analysées afin de rechercher des agents pathogènes historiques, en alignant les séquences sur les génomes de pathogènes candidats. Les analyses préliminaires ont détecté plusieurs agents pathogènes bactériens ainsi que des espèces bactériennes opportunistes, notamment Burkholderia mallei, Streptococcus equi, Corynebacterium diphtheriae, Mycobacterium spp. et Rhodococcus hoagie. Sur la base des travaux précédemment réalisés dans les deux laboratoires partenaires, la technique de capture en solution à l'aide de sondes biotinylées sera utilisée pour reconstruire les génomes des agents pathogènes, cette approche permettant d'augmenter jusqu'à environ 2 000 fois la récupération de l'ADN pathogène ciblé par rapport au séquençage de type shotgun. À terme, le séquençage visera une couverture d'au moins 1× pour les génomes équins et d'au moins 3× pour les génomes des agents pathogènes, permettant ainsi la réalisation des analyses bioinformatiques décrites ci-dessous.
Les génomes équins anciens seront intégrés à un jeu de données comparatif comprenant plus de 1000 génomes de chevaux actuels. Une imputation des haplotypes à l'échelle du génome sera réalisée à partir de données SNP modernes phasées, à l'aide notamment de GraphTyper, SHAPEIT4, PLINK et GLIMPSE2. Ces données permettront d'étudier l'ascendance génétique, la structure des populations, les relations de parenté, les variants associés à des phénotypes et les changements de diversité génétique au cours du temps. La structure des populations et l'ascendance seront étudiées à l'aide de la PCA, d'ADMIXTURE, des statistiques f par rapport à des groupes externes (outgroup-f), de TreeMix, ChromoPainter, fineSTRUCTURE et SOURCEFIND. L'histoire démographique sera inférée à l'aide de GONE, MSMC et momi2, en combinant les informations haplotypiques et le spectre de fréquence des sites. La dynamique temporelle des variants délétères sera également étudiée à l'aide de scores de conservation et de méthodes développées au sein de l'équipe. Les résultats obtenus à partir des génomes imputés seront validés en les comparant à ceux issus d'analyses de données de séquençage pseudo-haploïdisées. Les analyses de sélection se basera sur des techniques statistiques éprouvées, comme XH-EHH, iHS et PBS.
Les génomes des agents pathogènes seront analysés à l'aide d'approches phylogénétiques et bayésiennes afin de reconstituer leur évolution et leurs dynamiques épidémiologiques au cours du temps. BEAST sera utilisé pour inférer les arbres phylogénétiques et les principaux paramètres épidémiologiques, tandis que PAML permettra d'identifier les signatures de sélection spécifiques aux sites le long des phylogénies des agents pathogènes. Dans leur ensemble, ces approches permettront de mettre en relation les changements de la génétique des populations équines, des pratiques d'élevage et de la santé des chevaux avec les dynamiques historiques et l'évolution des agents pathogènes qui leur sont associés.
English version: The study will reconstruct host and pathogen genome time series from historical formalin-fixed horse tissue samples preserved in veterinary collections. In a pilot study conducted collaboratively between the two research groups, 40 tissues dated between 1904 and 1944 were sampled from the Vetmeduni Vienna veterinary collections and processed using established ancient DNA protocols. DNA libraries were successfully generated for 30 of the 40 tissues and shotgun sequenced on the Illumina NovaSeq X platform. Bioinformatic processing with Paleomix showed high endogenous horse DNA content, low clonality, and highly fragmented DNA, consistent with ancient DNA preservation. Overall, 23 samples yielded horse genomes at sufficient coverage for genome-wide genotype imputation, demonstrating the feasibility of generating a larger time series of approximately 270 samples at moderate sequencing cost.
The same sequencing data were screened for historical pathogens by mapping reads against candidate pathogen genomes. Preliminary analyses detected several bacterial pathogens and opportunistic bacterial species, including Burkholderia mallei, Streptococcus equi, Corynebacterium diphtheriae, Mycobacterium spp., and Rhodococcus hoagie. Following previous work in both partner laboratories, in-solution capture using biotinylated probes will be applied for pathogen genome reconstruction as it increases the recovery of target pathogen DNA up to approximately 2,000-fold relative to shotgun sequencing. Ultimately, sequencing will aim for at least 1× coverage for horse genomes and at least 3× coverage for pathogen genomes, enabling the bioinformatic analyses listed below.
Ancient horse genomes will be integrated with a comparative dataset of more than 1,000 modern horse genomes. Genome-wide haplotype imputation will be performed using phased modern SNP data and tools including GraphTyper, SHAPEIT4, PLINK, and GLIMPSE2. These data will be used to investigate genetic ancestry, population structure, kinship, phenotype-associated variants, and changes in genetic diversity through time. Population structure and ancestry will be examined using PCA, ADMIXTURE, outgroup-f statistics, TreeMix, ChromoPainter, fineSTRUCTURE, and SOURCEFIND. Demographic history will be inferred using GONE, MSMC, and momi2, combining haplotype information and the site frequency spectrum. The temporal dynamics of deleterious variants will also be investigated using conservation scores and established methods from the research group. Results based on imputed genomes will be validated against analyses of pseudo-haploidized sequence data. Selection analyses will be based on well-established statistical methods, such as XH-EHH, iHS, and PBS.
Pathogen genomes will be analyzed using phylogenetic and Bayesian approaches to reconstruct pathogen evolution and epidemiological dynamics through time. BEAST will be used to infer phylogenetic trees and key epidemiological parameters, while PAML will identify site-specific signatures of selection along pathogen phylogenies. Together, these approaches will link changes in horse population genetics, breeding practices, and health with the historical dynamics and evolution of their associated pathogens.
Ce bouleversement reflète un double processus : d'une part, l'émergence de lignées modernes, avec plus de 400 lignées apparues depuis le XVIIIe siècle, motivées par la quête de morphotypes idéalisés, et d'autre part, le déclin des chevaux de travail à partir des années 1950. Cette transition - marquant le passage d'un Âge d'or de la diversité à un Âge où les animaux sont réduits à des rôles récréatifs - offre une perspective unique pour étudier comment des changements sociétaux rapides peuvent façonner la biologie d'une espèce aussi profondément liée à l'histoire humaine.
Aussi surprenant que cela puisse paraître, notre compréhension de cette période charnière et de ses effets sur la biologie et la santé des chevaux reste extrêmement limitée. Trois questions principales subsistent :
1. Perte de diversité : Quelle diversité génétique a été perdue (et dans quelles lignées) lors du déclin des chevaux induit par la mécanisation, et quelle part du patrimoine génétique qui existait au début du XXe siècle subsiste encore dans les populations actuelles ?
2. Changements génétiques : Quels changements génétiques ont été sélectionnés pour conduire à l'émergence de nouvelles variétés d'élevage, et quelles conséquences ont-ils eu sur les morphotypes, la performance et l'immunité ?
3. Dynamique des pathogènes : Comment les pathogènes ont-ils répondu aux changements de leur hôte, et quel a été l'impact d'un élevage intensifié, du transport et des soins vétérinaires sur les réseaux de transmission, la diversité des pathogènes et leurs paysages adaptatifs ?
Les avancées récentes en génomique permettent désormais de reconstituer des génomes complets de chevaux et de leurs pathogènes, à partir des véritables archives historiques que constituent les collections de musées, vétérinaires et médicales. En appliquant des techniques paléogénomiques de pointe à une collection vétérinaire unique de tissus fixés au formol et inclus en paraffine (FFPE) couvrant le XXe siècle, ce projet produira la première série temporelle de génomes pour des hôtes et leurs pathogènes dans un modèle non humain. Il documentera un siècle de changements co-évolutifs, positionnant le cheval comme un modèle pour explorer comment les changements induits par les sociétés humaines se répercutent dans les écosystèmes. Les résultats auront des implications majeures pour la conservation, la surveillance des maladies et la gestion durable des espèces à l'heure où le monde subit des changements intenses et particulièrement rapides.
Au-delà de l'avancée de notre compréhension de l'évolution équine, ce projet illustrera la valeur fondamentale du concept One Health, soulignant l'interconnexion entre la santé humaine, animale et environnementale.
Ce projet sera accueilli au Centre d'Anthropobiologie et de Génomique de Toulouse (CAGT) et co-encadré par le Pr Ludovic Orlando (CAGT) et le Pr Sébastien Calvignac-Spencer (Institut Helmholtz pour One Health, Greifswald, Allemagne), deux experts internationalement reconnus en paléogénomique équine et en évolution des pathogènes.
Malgré son importance majeure dans l'histoire de l'humanité, le mystère de la domestication du cheval n'a été résolu que récemment, grâce à la production, au sein du laboratoire d'accueil, d'une série temporelle complète de génomes anciens couvrant les 50 000 dernières années à travers l'Eurasie. Ces travaux ont révélé que le cheval figure parmi les derniers méga-herbivores à avoir été domestiqués, il y a environ 4 200-4 700 ans. Le succès de cette domestication a été associé à la sélection de deux mutations spécifiques : l'une affectant un gène impliqué dans le comportement, susceptible de faciliter les interactions entre les humains et les chevaux, et l'autre améliorant la mobilité et l'aptitude naturelle des chevaux aux déplacements sur de longues distances.
À partir d'il y a 4 100 ans, les humains et les chevaux se sont rapidement dispersés, ensemble, au-delà du foyer de domestication, atteignant les côtes atlantiques et l'Asie orientale en seulement quelques siècles. Des traditions d'élevage distinctes se sont ensuite développées sur les continents asiatique et européen, laissant des signatures génomiques fortement contrastées dans le génome du cheval tout en façonnant la structure des populations régionales. Cependant, les principales ascendances génétiques qui caractérisent les races de chevaux modernes sont apparues beaucoup plus récemment, au cours des 1 300 dernières années, avec l'émergence de signatures génomiques associées aux lignées de chevaux de trait, nordiques, arabes et pur-sang Anglais, entre ~700 et 1300 de notre ère.
À partir du XIXe siècle, la sélection en populations fermées de chevaux partageant des caractères biologiques définis, notamment morphologiques et liés aux performances, a conduit à la formation des plus de 400 races agronomiques reconnues aujourd'hui. Ce processus s'est accompagné d'une fragmentation importante des populations, augmentant la dérive génétique tout en réduisant l'efficacité de la sélection purifiante contre les allèles délétères. Il a également été caractérisé par une introgression disproportionnée de lignées anglaises, en particulier des pur-sang Anglais Au-delà de ces derniers, l'ampleur avec laquelle la formation des races agronomiques a impliqué une forte fragmentation des populations, une réduction de l'élimination des variants délétères, une augmentation de la consanguinité et des croisements extérieurs demeure toutefois mal comprise.
Les séries temporelles de génomes anciens ont également commencé à révéler comment l'expansion de l'unique lignée équine ayant été domestiquée avec succès a façonné la distribution et l'évolution des agents pathogènes équins anciens. À ce jour, un seul agent pathogène équin ancien a été caractérisé au niveau génomique : l'Herpèsvirus équin de type 4 (EHV-4), qui infectait déjà les chevaux domestiques lors de leur première expansion au-delà du foyer de domestication. Aucun autre virus ou agent pathogène bactérien n'a encore été étudié à travers des séries temporelles de génomes anciens. Par conséquent, la dynamique à long terme de la course aux armements co-évolutive entre les chevaux et leurs agents pathogènes demeure presque totalement inconnue. Il en va de même pour les autres espèces domestiquées, pour lesquelles les ressources en génomes anciens disponibles sont encore plus limitées.
English version: Despite its significance for human history, the mystery of horse domestication has only recently been resolved, following the generation in the host laboratory of a comprehensive ancient genome time series spanning the last 50,000 years across Eurasia. This revealed that the horse was among the last megaherbivore to be domesticated approximately 4,200-4,700 years ago. The successful domestication was associated with the selection of two specific mutations: one affecting a gene involved in behavior, potentially facilitating human-horse interactions, and another enhancing mobility and the natural ability of horses for long-distance travel.
From 4,100 years ago, humans and horses rapidly expanded together beyond the domestication homeland, reaching the Atlantic shores and Eastern Asia within ust a few centuries. Distinct breeding traditions were subsequently developed on the Asian and European continent, leaving contrasting genomic signatures on the horse genome, and shaping regional population structure. However, the major genetic ancestries that characterize modern horse breeds emerged much more recently, within the last 1,300 years, with genomic signatures associated with draft, Nordic, Arabian and Thoroughbred bloodlines appearing between ~700-1300 CE.
From the 19th century onwards, closed breeding of horses sharing defined biological traits, particularly morphology and performance-related characteristics, led to the formation of the 400+ breeds recognized today. This process was accompanied by extensive population fragmentation, increasing genetic drift while reducing the efficacy of purifying selection against deleterious alleles. It was also characterized by disproportionate introgression from English, particularly Thoroughbred, bloodlines. Beyond Thoroughbreds, however, the extent to which breed formation involved severe population fragmentation, reduced purging of deleterious variation, increased inbreeding, and extensive outcrossing remains poorly understood.
Ancient genome-time series have also begun to reveal how the expansion of the single equine lineage that was successfully domesticated shaped the distribution and evolution of ancient equine pathogens. To date, only one ancient equine pathogen has been characterized at the genomic level: Equine Herpes Virus 4, which was already infecting domestic horses during their early spread beyond the domestication homeland. No other virus or bacterial pathogen has yet been investigated through ancient genome time-series. Consequently, the dynamics of the long-term co-evolutionary arm race between horses and their pathogens remains almost completely unknown. This extends to other domesticates than the horses, for which more limited ancient genome resources are available.
Le projet apportera de nouvelles connaissances sur les changements biologiques sous-jacents au déclin majeur de l'utilisation des chevaux dans les sociétés occidentales au cours du XXe siècle, autour des objectifs de recherche principaux suivants (COR):
COR1 : Séries temporelles de génomes anciens de l'hôte : Générer une série temporelle génomique complète à partir d'environ 200 chevaux couvrant le XXe siècle, en exploitant les collections vétérinaires exceptionnelles de tissus biologiques fixés au formol et conservées à la Vetmeduni Vienna (Université de médecine vétérinaire de Vienne).
COR2 : Séries temporelles de génomes anciens des agents pathogènes : Générer une série temporelle génomique parallèle des agents pathogènes, notamment des agents responsables de la morve (Burkholderia mallei) et d'autres maladies respiratoires, telles que les herpèsvirus équins (EHV), dont il est établi qu'ils peuvent être préservés pendant au moins 3 800 ans dans des vestiges archéologiques, en exploitant la même collection.
COR3 : Dynamique des populations hôtes et pratiques d'élevage : Intégrer les variations génétiques à l'échelle du génome issues de génomes anciens et modernes afin de retracer la trajectoire démographique des chevaux au cours du XXe siècle, en mettant en évidence d'éventuelles modifications de la structure des populations et des pratiques d'élevage.
COR4 : Dynamique des agents pathogènes et santé génomique de l'hôte : Identifier les souches bactériennes et virales responsables de plusieurs épisodes épidémiologiques au cours du XXe siècle, cartographier les changements génétiques potentiellement adaptatifs dans les génomes des agents pathogènes et évaluer les changements parallèles de la santé génomique de leur hôte (par exemple, la présence de variants potentiellement délétères ou de variants soumis à une sélection positive de type sweep). Réciproquement, étudier les éventuels événements d'anthroponose (c'est-à-dire de transmission de l'humain au cheval) au cours d'une période où un nombre beaucoup plus important d'humains était en contact étroit avec un nombre beaucoup plus important de chevaux.
English version : The project will reveal new insights on the biological changes underpinning the major deprecation of horse utilization in Western societies during the 20th century, with the following Core Research Objectives:
COR1: Host ancient genomic time-series: Generate a comprehensive genome time-series from ~200 horses along the 20th century, leveraging the exceptional veterinarian collections of formalin-fixed biological tissues preserved at Vetmeduni Vienna (University of Veterinary Medicine).
COR2: Pathogen ancient genomic time-series: Generate a parallel genome time-series of pathogens, including those agents of glanders (Burkholderia mallei) and other respiratory diseases, such as Equine herpesviruses (EHV), which are known to preserve for at least 3,800 years in archaeological remains, leveraging the same collection.
COR3: Host population dynamics and breeding practices: Integrate ancient and modern genome-scale genetic variation to map the demographic trajectory of horses during the 20th century, revealing potential changes in population structure and breeding practices.
COR4: Pathogen dynamics and host genomic health: Identify bacterial and viral strains responsible for several epidemiological outbreaks during the 20th century, map potentially adaptive genetic changes in the pathogen genomes, and assess parallel changes in genomic health in their host (e.g., potentially deleterious variants or sweeping genetic variants); reciprocally, investigate potential anthroponotic events (i.e., human-to-horse transmission) in a period where many more humans were in close contact with many more horses. L'étude visera à reconstituer des séries temporelles des génomes de l'hôte et des agents pathogènes à partir d'échantillons historiques de tissus équins conservés dans des collections vétérinaires de tissus fixés au formol. Dans une étude pilote conduite en collaboration dans les deux équipes partenaires, 40 tissus datant de 1904 à 1944 ont été échantillonnés dans les collections vétérinaires de la Vetmeduni Vienna et analysés selon des protocoles établis pour l'ADN ancien. Des banques d'ADN ont pu être générées pour 30 des 40 tissus et séquencées en shotgun sur la plateforme Illumina NovaSeq X. Le traitement bioinformatique avec Paleomix a révélé une forte proportion d'ADN équin endogène, une faible clonalité et une forte fragmentation de l'ADN, caractéristiques compatibles avec la préservation de l'ADN ancien. Au total, 23 échantillons ont permis d'obtenir des génomes équins avec une couverture suffisante pour réaliser une imputation des génotypes à l'échelle du génome, démontrant la faisabilité de générer une série temporelle plus étendue d'environ 270 échantillons à un coût de séquençage modéré.
Les mêmes données de séquençage ont été analysées afin de rechercher des agents pathogènes historiques, en alignant les séquences sur les génomes de pathogènes candidats. Les analyses préliminaires ont détecté plusieurs agents pathogènes bactériens ainsi que des espèces bactériennes opportunistes, notamment Burkholderia mallei, Streptococcus equi, Corynebacterium diphtheriae, Mycobacterium spp. et Rhodococcus hoagie. Sur la base des travaux précédemment réalisés dans les deux laboratoires partenaires, la technique de capture en solution à l'aide de sondes biotinylées sera utilisée pour reconstruire les génomes des agents pathogènes, cette approche permettant d'augmenter jusqu'à environ 2 000 fois la récupération de l'ADN pathogène ciblé par rapport au séquençage de type shotgun. À terme, le séquençage visera une couverture d'au moins 1× pour les génomes équins et d'au moins 3× pour les génomes des agents pathogènes, permettant ainsi la réalisation des analyses bioinformatiques décrites ci-dessous.
Les génomes équins anciens seront intégrés à un jeu de données comparatif comprenant plus de 1000 génomes de chevaux actuels. Une imputation des haplotypes à l'échelle du génome sera réalisée à partir de données SNP modernes phasées, à l'aide notamment de GraphTyper, SHAPEIT4, PLINK et GLIMPSE2. Ces données permettront d'étudier l'ascendance génétique, la structure des populations, les relations de parenté, les variants associés à des phénotypes et les changements de diversité génétique au cours du temps. La structure des populations et l'ascendance seront étudiées à l'aide de la PCA, d'ADMIXTURE, des statistiques f par rapport à des groupes externes (outgroup-f), de TreeMix, ChromoPainter, fineSTRUCTURE et SOURCEFIND. L'histoire démographique sera inférée à l'aide de GONE, MSMC et momi2, en combinant les informations haplotypiques et le spectre de fréquence des sites. La dynamique temporelle des variants délétères sera également étudiée à l'aide de scores de conservation et de méthodes développées au sein de l'équipe. Les résultats obtenus à partir des génomes imputés seront validés en les comparant à ceux issus d'analyses de données de séquençage pseudo-haploïdisées. Les analyses de sélection se basera sur des techniques statistiques éprouvées, comme XH-EHH, iHS et PBS.
Les génomes des agents pathogènes seront analysés à l'aide d'approches phylogénétiques et bayésiennes afin de reconstituer leur évolution et leurs dynamiques épidémiologiques au cours du temps. BEAST sera utilisé pour inférer les arbres phylogénétiques et les principaux paramètres épidémiologiques, tandis que PAML permettra d'identifier les signatures de sélection spécifiques aux sites le long des phylogénies des agents pathogènes. Dans leur ensemble, ces approches permettront de mettre en relation les changements de la génétique des populations équines, des pratiques d'élevage et de la santé des chevaux avec les dynamiques historiques et l'évolution des agents pathogènes qui leur sont associés.
English version: The study will reconstruct host and pathogen genome time series from historical formalin-fixed horse tissue samples preserved in veterinary collections. In a pilot study conducted collaboratively between the two research groups, 40 tissues dated between 1904 and 1944 were sampled from the Vetmeduni Vienna veterinary collections and processed using established ancient DNA protocols. DNA libraries were successfully generated for 30 of the 40 tissues and shotgun sequenced on the Illumina NovaSeq X platform. Bioinformatic processing with Paleomix showed high endogenous horse DNA content, low clonality, and highly fragmented DNA, consistent with ancient DNA preservation. Overall, 23 samples yielded horse genomes at sufficient coverage for genome-wide genotype imputation, demonstrating the feasibility of generating a larger time series of approximately 270 samples at moderate sequencing cost.
The same sequencing data were screened for historical pathogens by mapping reads against candidate pathogen genomes. Preliminary analyses detected several bacterial pathogens and opportunistic bacterial species, including Burkholderia mallei, Streptococcus equi, Corynebacterium diphtheriae, Mycobacterium spp., and Rhodococcus hoagie. Following previous work in both partner laboratories, in-solution capture using biotinylated probes will be applied for pathogen genome reconstruction as it increases the recovery of target pathogen DNA up to approximately 2,000-fold relative to shotgun sequencing. Ultimately, sequencing will aim for at least 1× coverage for horse genomes and at least 3× coverage for pathogen genomes, enabling the bioinformatic analyses listed below.
Ancient horse genomes will be integrated with a comparative dataset of more than 1,000 modern horse genomes. Genome-wide haplotype imputation will be performed using phased modern SNP data and tools including GraphTyper, SHAPEIT4, PLINK, and GLIMPSE2. These data will be used to investigate genetic ancestry, population structure, kinship, phenotype-associated variants, and changes in genetic diversity through time. Population structure and ancestry will be examined using PCA, ADMIXTURE, outgroup-f statistics, TreeMix, ChromoPainter, fineSTRUCTURE, and SOURCEFIND. Demographic history will be inferred using GONE, MSMC, and momi2, combining haplotype information and the site frequency spectrum. The temporal dynamics of deleterious variants will also be investigated using conservation scores and established methods from the research group. Results based on imputed genomes will be validated against analyses of pseudo-haploidized sequence data. Selection analyses will be based on well-established statistical methods, such as XH-EHH, iHS, and PBS.
Pathogen genomes will be analyzed using phylogenetic and Bayesian approaches to reconstruct pathogen evolution and epidemiological dynamics through time. BEAST will be used to infer phylogenetic trees and key epidemiological parameters, while PAML will identify site-specific signatures of selection along pathogen phylogenies. Together, these approaches will link changes in horse population genetics, breeding practices, and health with the historical dynamics and evolution of their associated pathogens.
Le profil recherché
Nous recherchons un·e candidat·e au doctorat très motivé·e et impliqué·e, souhaitant contribuer à une équipe de recherche multidisciplinaire composée de biologistes moléculaires, de bioinformaticien·nes, de statistien·nes et de biologistes de l'évolution. Le profil recherché possède de bonnes capacités de travail en équipe ainsi que de solides compétences en communication et dans les relations interpersonnelles, avec une aptitude à communiquer efficacement en anglais, à l'oral comme à l'écrit, dans un environnement de recherche multidisciplinaire. Le/la candidat·e devra également disposer d'une solide formation en génétique expérimentale et maîtriser les principales techniques moléculaires utilisées dans le séquençage de nouvelle génération.
Le/la candidat·e devra manifester un fort intérêt pour la génomique évolutive, l'ADN ancien et historique, ainsi que la bioinformatique. Il/elle devra avoir reçu une formation en génétique moléculaire et en biologie évolutive, et posséder des compétences en programmation en R, de niveau débutant à intermédiaire, notamment pour les analyses statistiques et la visualisation des données. La connaissance d'un autre langage de programmation ou de script, tel que Bash, Awk, Perl ou Python, constituera un atout.
Une expérience dans l'analyse de l'ADN ancien et/ou dans le séquençage de nouvelle génération sera appréciée, mais n'est pas indispensable.
Application link : https://edd-projets.utoulouse.fr/
Le/la candidat·e devra manifester un fort intérêt pour la génomique évolutive, l'ADN ancien et historique, ainsi que la bioinformatique. Il/elle devra avoir reçu une formation en génétique moléculaire et en biologie évolutive, et posséder des compétences en programmation en R, de niveau débutant à intermédiaire, notamment pour les analyses statistiques et la visualisation des données. La connaissance d'un autre langage de programmation ou de script, tel que Bash, Awk, Perl ou Python, constituera un atout.
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