Rôle de la ribonucléase DICER-LIKE 3 dans la régulation épigénétique du développement des nodules chez Medicago truncatula

Role of the DICER-LIKE 3 ribonuclease in epigenetic regulation of nodule development in Medicago truncatula

• Auteur / Autrice : Francisco Sánchez-rodríguez
• Direction : Martin Crespi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences végétales
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du végétal : du gène à l'écosystème (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IPS2 - Institut de Sciences des Plantes de Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : IPS2
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Méthylation de l'ADN dirigée par l'ARN

Epigénomique

Topologie de la chromatine

Developpement

Symbiose Rhizobium-legumes

Petits ARN interférents

Chromatin topology

Development

RNA-directed DNA methylation

Small interfering RNAs

Rhizobium-legume symbiosis

Epigenetics

Résumé

La plupart des légumineuses sont capables d'établir une relation symbiotique avec des bactéries du sol, communément appelées rhizobium. Cette interaction, de grande valeur agronomique et écologique, aboutit à l'apparition de nodosités au niveau des racines de la plante. Au sein des nodules, les rhizobiums, différenciés en bactéroïdes, fixent le diazote atmosphérique, au bénéfice de leur hôte. L'organogénèse des nodules implique une grande reprogramation du transcriptome (Maunoury et al., 2010) qui a été liée à l'action des différents facteurs de transcription (NIN, WOX5, NOOT2…), l'extinction post-transcriptionnelle de gène (microARN, tasiRNA…) et des modifications épigénétiques. Les mécanismes épigénétiques prédominants sont la structure 3D de la chromatine, la methylation/acetylation de l'ADN ou d'histones, entre autres… L'organisation 3D de la chromatine n'ayant pas été encore étudiée constitue un de mes intérêts pendant la thèse. Par conséquence, je vais étudier si la nodulation a un impact sur l'organisation de la chromatine et quels sont ces changements. La différenciation des cellules du nodule a été liée à des changements globales dans la méthylation de l'ADN et des marques d'histones (Nagymihály et al., 2017). Après, en même temps que la publication de la dernière version du génome de Medicago truncatula (version 5), les « îlots symbiotiques » ont été définis comme des régions génomiques avec des gènes corégulés dans les nodules et proches les uns des autres dans le génome. De ce fait, les îlots symbiotiques sont des candidats à être régules épigénétiquement lors de la nodulation. En plus, les îlots symbiotiques portent un profil épigénétique particulier : une densité supérieure des régions d'ADN différentiellement méthyles dans les nodules par rapport à la racine (Pecrix et al., 2018). Actuellement, seulement quelques études d'analyse fonctionnel des acteurs épigénétiques montrent que la méthylation de l'ADN est essentielle pour le développement du nodule : la déméthylasse DEMETER (DME) (Satgé et al., 2016) et aussi DOMAINS REARRANGED METHYLTRANSFERASE 2 (DRM2) (Pecrix et al., 2022), la méthylase principale dans la voie de « Méthylation de l'ADN dépendante de l'ARN » (RdDM). RdDM participe dans le silencement transcriptionnel de différents gènes et d'une grande partie des éléments transposables (TEs) au moyen de molécules d'ARN interférant de 24-nucleotides (24-nt siRNA) et méthylation de leur séquence complémentaire dans le génome. Deux enzymes de la famille des RNAseIII sont bien connues par leur rôle dans la modulation de la population de 24-nt siRNA chez Arabidopsis thaliana : DICER-LIKE 3 (DCL3) et RNASE THREE LIKE 1 (RTL1). Tandis que DCL3 produit des 24-nt siRNA (pour la RdDM entre autres voies) en coupant de manière précise des ARN double brin, RTL1 va agir comme un suppresseur du silencement et va dégrader les ARN double brin qui servent comme substrat à DCL3 (et à d'autres DICER-LIKE enzymes). Le rôle dans la nodulation d'un homologue d'AtRTL1 chez Medicago truncatula, MtRTL1b, a été étudié pour l'ancien étudiant de PhD, Jeremy Moreau, dans l'équipe. MtRTL1b est fortement exprimé pendant la nodulation de manière spécifique. Il a été observé que MtRTL1b participe dans le développement des nodules, dans la fixation de l'azote ainsi que dans la viabilité des bactéroïdes. Pendant mon PhD je vais étudier l'impact de la nodulation dans l'organisation de la chromatine (en se focalisant sur les îlots symbiotiques), ainsi que le rôle des siRNAs dans le développement des nodules chez Medicago truncatula. Pour ce dernier point, je vais d'abord étudier le rôle de DCL3 dans le développement des nodules et puis continuer avec l'analyse du rôle de RTL1b dans la nodulation.

The rhizobium-legume symbiosis is characterized by the formation of specialized organs with great agronomic value, the nodules. These organs provide an appropriate environment for the bacteria to differentiate into bacteroid and fix atmospheric dinitrogen (N2) for the plant's benefit. Nodule organogenesis involves large transcriptome reprogramming (Maunoury et al., 2010), which is linked to transcription factors (NIN, WOX5, NOOT2 ), post-transcriptional gene silencing (microARN, tasiRNA ) and epigenetic modifications. The predominant epigenetic mechanisms are changes in chromatin 3D organization and methylation/acetylation of DNA or histones among others. In nodules, chromatin 3D organization has not been yet studied. One of my interests is to address if nodulation involves changes in 3D chromatin organization and which are these changes. In nodules, it was observed that cell differentiation correlates with global changes in DNA methylation and histone marks (Nagymihály et al., 2017). Later, along with the release of the latest Medicago truncatula genome version 5, the “symbiotic islands” were defined as coregulated nodule genes that are physically close within the genome, and therefore, these genomic regions were considered good candidates to be epigenetically regulated during nodulation. Interestingly, symbiotic islands have a particular epigenetic profile: higher density of differentially methylated regions (DMR) nodule vs roots (Pecrix et al., 2018). For now, only few functional analyses of different epigenetic actors involved in the DNA methylation dynamics show that DNA methylation is essential for nodule development: DEMETER (DME) demethylase (Satgé et al., 2016) and DOMAINS REARRANGED METHYLTRANSFERASE 2 (DRM2) (Pecrix et al., 2022), the main methylase in RNA-directed DNA methylation (RdDM) pathway. RdDM is involved in the transcriptional silencing of a subset of genes and many transposable elements through the production of 24-nucleotide small-interfering RNAs (24-nt siRNA) and DNA methylation of their complementary sequence in the genome. Two RNAseIII enzymes are well known for playing a role in modulating 24-nt siRNA population in Arabidopsis thaliana: DICER-LIKE 3 (DCL3) and RNASE THREE LIKE 1 (RTL1). While DCL3 generates the 24-nt siRNA (for RdDM pathway and others) by specific cleavage of dsRNA substrate, RTL1 acts as a silencing suppressor by degrading dsRNA, therefore impacting the biogenesis of 24-nt siRNAs. The role in nodulation of one homolog of AtRTL1, MtRTL1b, was studied by the former PhD student from the lab, Jérémy Moreau, as this gene is heavily induced during nodulation in a specific manner. MtRTL1b is involved in nodule development and nitrogen fixation. Bacteroid viability is affected in RNAi-RTL1b nodules. During my PhD I will study the role of siRNAs in nodule development of Medicago truncatula. I will firstly examinate the role of DCL3 in nodule development and, secondly, I will continue with the analysis of RTL1b role in nodulation.