Vers une meilleure compréhension de l'identité et du développement du pétale de Petunia par séquençage ARN en cellule unique

Using single-cell RNA-Sequencing towards a better understanding of Petunia petal identity and development

• Auteur / Autrice : Quentin Cavallini-Speisser
• Direction : Marie Monniaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie, médecine et santé
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Biologie Moléculaire Intégrative et Cellulaire (Lyon ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Reproduction et Développement des Plantes (Lyon ; 1993-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Comte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie Monniaux, Sandra Bensmihen, Francesca Margherita Quattrocchio, Nicolas Arnaud, Olivier Gandrillon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sandra Bensmihen, Francesca Margherita Quattrocchio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycle cellulaire végétal

Séquençage de l'ARN

Méristèmes

Pétunias

Mots clés libres

Petunia

Séquençage ARN en cellule unique

ScRNA-Seq

ChIP-Seq

MADS-box

Développement

Réseau de régulation

Couche cellulaire

Petunia

Single-cell RNA sequencing

ScRNA-Seq

ChIP-Seq

MADS-box

Development

Regulation network

Cell layer

Résumé

Au sein du vivant, un haut niveau de contrôle et de synchronisation des mécanismes de division, croissance et différenciation cellulaire est nécessaire au bon développement des organes et à la mise en place de leurs fonctions. Identifier ces niveaux de contrôle et de synchronisation est l’une des questions centrales à la biologie du développement. Chez les angiospermes, les organes émergent à la périphérie d’organes génératifs, les méristèmes. Ces méristèmes abritent un groupe de cellules souches renouvelées constamment tant que le méristème est actif, maintenant ainsi leur fonction générative, ces méristèmes sont organisés en couches cellulaires distinctes. Les cellules végétales étant incapables de mouvement au sein des tissus du fait de leur paroi rigide, cette organisation en couches cellulaires définies est propagée et maintenu dans les organes. Chez Petunia, le développement du pétale est sous le contrôle de plusieurs gènes de classe B encodant des protéines à boîte MADS, dont PhDEF. L’absence d’expression de PhDEF dans la fleur en développement entraîne une conversion homéotique des pétales en sépales. Cependant, la perte de l’expression de PhDEF de manière couche cellulaire spécifique entraîne l’apparition de phénotypes distincts si cette perte est constatée dans l’épiderme ou dans les couches internes du pétale, suggérant l’existence de réseaux de régulation couche cellulaire spécifiques impliquant PhDEF nécessaires au bon développement du pétale de Petunia. Pendant ma thèse, j’ai montré comment le séquençage ARN en cellule unique (scRNA-Seq), une technique récente permettant une analyse transcriptomique au niveau de la cellule unique plutôt qu’au niveau de l’échantillon comme le permet le séquençage ARN classique, a révélé une hétérogénéité clef entre les différents tissus composant le pétale de Petunia x hybrida. En couplant scRNA-Seq, RNA-Seq et immunoprécipitation de chromatine suivi de séquençage (ChIP-Seq) j’ai aussi identifié de potentiels cibles et partenaires couche cellulaire spécifiques de PhDEF. Ce travail ouvre la porte à une analyse fonctionnelle de ces gènes couche cellulaire spécifiques, et a fourni des données transcriptomiques au niveau de la cellule du pétale de P. hybrida sauvage et mutant, ainsi qu’ un pipeline d'analyse scRNA-Seq documenté comme ressource pour la communauté de la biologie du développement végétal.

One of the central question of developmental biology is to understand the synchronization cues at work behind cell division, growth and differentiation, allowing robustness in organ shape, size and function. In flowering plants, organs emerge at the periphery of generative structures called meristems. Meristems shelter a pool of stem cells allowing their generative function andare organized in clonally-distinct cell layers. Since plant cells are unable to move within tissues because of their rigid cell-wall, this layered organization is carried over and maintained in organs. In Petunia flowers, petal identity and development is under the control of several B-class MADS-box genes, of which PhDEF. Total loss of PhDEF expression in developing flowers leads to the development of sepals in place of petals. But its layer-specific loss of function leads to distinct petal morphology defects whether the epidermis or the internal cell layers are knocked-out, hence suggesting cell-layer-specific PhDEF-mediated regulation networks driving correct petal development in Petunia. During my PhD, I showed how single-cell RNA-Sequencing (scRNA-Seq), a novel technique allowing transcriptomic analysis at the single-cell level instead of the sample-level in bulk RNA-Seq, unveiled key transcriptomic heterogeneity between the different cell tissues of the petal of Petunia x hybrida. Moreover, coupling scRNA-Seq, bulk RNA-Seq and chromatin immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP-Seq), I identified putative cell-layer-specific targets and partners of PhDEF. This work opens the door to a functional study on the genes potentially involved in the development of the petal of P. hybrida in a cell-layer-specific manner alongside PhDEF, as well as providing single-cell level transcriptomic data of wild-type and mutant P. hybrida petal and a documented scRNA-Seq analysis pipeline that could be useful for the community of plant developmental biology.