Déterminants épigénétiques et morphogénétiques de la méiose chez les plantes

Epigenetic and morphogenetic determinants of meiosis in plants

• Auteur / Autrice : Inès Ouedraogo
• Direction : Daphné Autran
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génétique et amélioration des plantes
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : DIADE - Diversité, Adaptation et DEveloppement des plantes
• Jury : Président / Présidente : Soazig Guyomarc'h
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daphné Autran, Nicolas Arnaud, Françoise Moneger, Christel Carles, Daniel Grimanelli
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Arnaud, Françoise Moneger

Mots clés

Mots clés libres

Reproduction des plantes

Méiose

Ovule

Epigénétique

Morphogenèse

Plant reproduction

Meiosis

Ovule

Epigenetics

Morphogenetic

Résumé

La reproduction sexuée repose sur la formation et le fonctionnement des méiocytes, qui orchestrent la transmission de l’information génétique au cours des générations. Ce projet de thèse est dédié à deux aspects importants des cellules méiotiques chez les plantes : d’une part les mécanismes épigénétiques contrôlant la recombinaison, et d’autre part le processus d’initiation même de ces cellules méiotiques, en combinant deux plantes modèles, le maïs et Arabidopsis. Le premier volet de la recherche explore la relation entre la formation des cross-overs (COs), événement majeur de la méiose, et les changements dynamiques dans la méthylation de l'ADN. La localisation de la recombinaison méiotique n'est pas aléatoire dans le génome, et ce principe fondamental s'applique à toutes les espèces. Chez le maïs, des cassures d'ADN double brin ont lieu dans tout le génome mais sont exclusivement réparés en cross-overs au sein des régions euchromatiques. Parmi les multiples niveaux de régulation impliqués dans la localisation des COs, la méthylation de l’ADN a été encore peu explorée et sa régulation dynamique au cours de la méiose reste inconnue. Nous proposons une analyse de méthylomes stades-spécifiques de méiocytes mâles chez le maïs, chez le type sauvage et dans le mutant zmet5 perturbé dans la méthylation hétérochromatique, comparant les dynamiques de méthylation de l’ADN des régions du génome riches et pauvres en COs, au cours de la méiose. Le deuxième volet se penche sur la formation des cellules méiotiques femelles (MMC, Megaspore Mother Cell) et pose la question du contrôle possible de l'identité et la plasticité de ces cellules par l'architecture des tissus de l'ovule. Des données récentes chez l’espèce modèle Arabidopsis, suggèrent que les paramètres géométriques et mécaniques des tissus de l’ovule, où se forme la MMC, déterminent la capacité plastique des cellules à acquérir l’identité MMC. Cependant, nous ne savons pas si ce modèle est conservé dans les ovules des graminées. Afin d'étudier la formation des MMC chez les graminées, en 3D et au niveau cellulaire, nous utilisons le maïs comme modèle pour suivre le développement du primordium d’ovule. L’analyse quantitative de cet atlas 3D a permis de corréler les changements morphogénétiques au niveau des organes avec une description cellulaire de la formation progressive de la MMC, pour reconstruire une trajectoire de développement plausible de la MMC et de ses voisines. Afin de décrire plus précisément la trajectoire du développement des cellules précurseurs des MMCs et leur coordination avec la croissance des tissus de l'ovule, nous exploitons des données obtenues chez Arabidopsis, permettant une imagerie 4D (time lapse) d’ovules précoces. Nous avons développé un workflow permettant le suivi des cellules au cours du développement. Nous avons entrepris une analyse quantitative pour définir quels paramètres cellulaires -géométrie, topologie, orientation des divisions- sont les meilleurs prédicteurs de la plasticité de la MMC.

Sexual reproduction relies on the formation and functioning of meiocytes, which orchestrate the transmission of genetic information across generations. This thesis project is dedicated to two important aspects of meiotic cells in plants: on one hand, the epigenetic mechanisms controlling recombination, and on the other, the initiation process itself of these meiotic cells; by combining two model plants, maize and Arabidopsis. The first part of the research explores whether the formation of cross-overs (COs), major event of meiosis, is linked to dynamic changes in DNA methylation. The location of meiotic recombination is not random in the genome, and this fundamental principle applies to all species. In maize, double-strand DNA breaks occur throughout the genome, but are repaired exclusively as cross-overs within euchromatic regions. Among the multiple levels of regulation involved in COs localization, DNA methylation has not been explored so far in a dynamic way during meiosis. We propose an analysis of stage-specific methylomes from male maize meiocytes, in the wild-type and in the heterochromatic methylation-disrupted zmet5 mutant, to provide a comparison of the DNA methylation dynamics of COs-rich and COs-poor regions of the genome, during meiosis. The second part focuses on the formation of female meiotic cells (MMC, Megaspore Mother Cell) and examines whether the identity and plasticity of these cells depend on the architecture of the ovule's tissues. Recent data in the model species Arabidopsis suggest that the geometric and mechanical parameters of the ovule tissue, where the MMC is formed, determine the plastic capacity of the cells to acquire the MMC identity. However, we do not know whether this pattern is conserved in grass ovules. In order to study MMC formation in grasses, in 3D and at the cellular level, we use maize as a model to follow the development of the ovule primordium. Quantitative analysis of this 3D atlas has enabled us to correlate morphogenetic changes at organ level with a cellular description of progressive MMC formation, to reconstruct a plausible developmental trajectory for the MMC and its neighbors. In order to describe more precisely the developmental trajectory of MMCs precursors and their coordination with ovule tissue growth, we exploit data obtained in Arabidopsis, enabling 4D (time lapse) imaging of early ovules. We developed a workflow combining image allowing cell tracking during development. We undertook a quantitative analysis to define which cell parameters - geometry, topology, division orientation - are the best predictors of MMC plasticity.