ARN-non codants chez les plantes : régulateurs importants de la croissance racinaire et de l'activité des gènes

Plant non-coding RNAs : important regulator of root growth and gene activity

• Auteur / Autrice : Thomas Roulé
• Direction : Martin Crespi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 05/10/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences des plantes de Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Raynaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martin Crespi, Antoine Martin, Thierry Lagrange, Thomas Blein, Rossanna Henriques
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Martin, Thierry Lagrange

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Régulation génétique

Épigénétique

Chromatine

Plantes -- Développement

Racines (botanique)

ARN non codants

Mots clés libres

ARN non-codant

Croissance racinaire

Chromatine

Non-coding RNA

Root growth

Chromatin

Résumé

Le progrès des méthodes de séquençage à haut-débit au début des années 2000 a révélé que la grande majorité du génome des eucaryotes est transcrit. Étonnamment, seule une infime partie de ces transcrits donnent naissance à des protéines. En effet, il a été estimé que 95% du génome humain est transcrit avec seulement 2% de transcrit traduit en protéine. Cette observation soutient l’hypothèse que les transcrits non-codants constituent d’importants régulateurs de la vie de la cellule. Curieusement, les gènes non-codants présentent une moindre conservation par rapport aux gènes codants, entre et au sein des espèces. Par exemple, chez les plantes, le séquençage d’accessions d’Arabidopsis durant le projet 1001 génomes montre des variations de séquences plus fréquentes dans les régions non codantes par rapport aux régions codantes. Au vu du rôle régulateur des gènes non-codants, il a été proposé que ces changements reflètent l’adaptation d’un individu à son environnement. Dans ce contexte, ma thèse a pour objectif de mieux comprendre les fonctions et l’importance des unités de transcriptions non-codantes pour l’adaptation des plantes à leur environnement. Le phosphate (Pi) constitue un des minéraux les plus importants pour les plantes et est absolument nécessaire à leur bon développement. Pour étudier les fonctions des transcrits non-codants durant une pénurie de Pi, nous avons analysé les écotypes Col-0 et Ler présentant une réponse surprenamment contrastée au manque de Pi (dans un milieu pauvre en Pi, la croissance de la racine principale s’arrête immédiatement chez Col-0, alors qu’elle se poursuit chez l’écotype Ler). Par rapport à l’activité comparable des gènes codants aux cours de la cinétique de carence en Pi, les gènes non-codants présentent une dynamique très différente en fonction de l’écotype. Élément intéressant, la dérégulation d’expression de 2 Longs ARN Non-Codants (lncRNAs) altère l’architecture racinaire, soulignant que les lncRNAs constituent d’importants régulateurs de la croissance racinaire. Notre comparaison du transcriptome de ces deux accessions d’Arabidopsis renforce l’importance des transcrits non-codants pour l’adaptation locale des plantes à leur environnement.Profitant de notre étude transcriptomique, nous avons cherché d’autres lncRNAs impliqués dans le contrôle de l’architecture racinaire. Prenant en compte que de nombreux lncRNAs régulent l’activité de leur gène voisin, nous avons recherché des corrélations positives entre des lncRNAs et leurs gènes voisins, en se focalisant sur les gènes impliqués dans la croissance et le développement de la racine. Parmi, les candidats sélectionnés, nous avons trouvé un lncRNA, que nous avons surnommé MARneral Silencing (MARS), régulant l’expression d’un groupe de gènes organisés en cluster et impliqué dans la biosynthèse du marneral. Le marneral est un triterpène directement impliqué dans la croissance et le développement de la plante. Nous avons montré que ce lncRNA est module la reprogrammation épigénétique du cluster marneral en réponse à l’ABA, influençant directement la réponse des gènes du cluster à ce stimulus.Ainsi, ma thèse souligne l’importance des lncRNAs pour l’adaptation des plantes à leur environnement, et illustre un complexe mécanisme de régulation génique chez les plantes impliquant lncRNA, statut épigénétique et conformation tridimensionnelle de la chromatine.

The development of high throughput sequencing methods in the early 2000’s revealed that the eukaryotic genomes are tremendously transcribed even though a small part of transcripts give rise to proteins. For example, it has been estimated that 95% of the human genome is transcribed whereas only 2% of the transcripts will produce protein. This surprising observation strengthens the idea that non-coding transcripts are an important regulator of cell life. Interestingly, the non-coding genes show lower conservation than the coding genes between species and even within a species. For example, in plants, the sequencing of Arabidopsis accessions during the 1001 genome project demonstrated more frequent sequence variation in non-coding regions as compared to coding regions. Non-coding genes play regulatory roles and it has been proposed that their modification reflect the adaptation of an individual to its environment. In this context, my thesis aims to better understand the function and importance of non-coding transcriptional units for plant adaptation to their environment. Phosphate (Pi) constitutes one of the most important minerals for plants and is absolutely needed for a proper plant development. To investigate the function of non-coding transcript during a shortage of Pi we analyzed Col-0 and Ler ecotype that present a strikingly contrasted root growth response when subjected to Pi starvation: in medium with low amount of Pi, Col-0 immediately stops its main root growth whereas Ler ecotype does not. Compared to the similar protein coding genes activity during the Pi shortage, the non-coding genes transcriptional activity shows strong differences between ecotypes. Interestingly, we found that the deregulation of two long non-coding RNAs (lncRNAs) alters root architecture, strengthening that lncRNAs molecules constitute important regulators of root growth. Our comparison of the transcriptomes of these two Arabidopsis accessions reinforces the relevance of non-coding transcripts in the plant local adaptation to its environment. Taking advantage of our transcriptomic survey, we look for other functional lncRNAs molecules participating in the control of root architecture. Taking into account that many lncRNAs are involved in the regulation of their neighboring genes, we look for positive correlation of expression between lncRNA and their neighboring coding genes, focusing on coding genes directly involved in root growth and development. Among our putative candidates we found a lncRNA, which we named MARneral Silencing (MARS), involved in the regulation of marneral cluster genes. The marneral is a triterpene produced by three genes organized in clusters directly involved in plant growth and development. We show that this lncRNA is involved in the epigenetic reprogramming of the marneral cluster in response to an ABA cue, directly influencing marneral genes response to ABA stimulus. Together, my thesis strengthens the importance of lncRNAs on the plant adaptation to their environment, and illustrates a complex chromatin-based mechanism involving lncRNA, epigenetic state and 3D chromatin conformation.