Caractérisation et édition du réseau de gènes régulant la floraison du soja afin de développer des variétés précoces mieux adaptées à sa culture en Europe

Characterizing and editing the gene network regulating flowering in soybean to develop early-flowering varieties adapted to European Cultivation

• Auteur / Autrice : Manon Monfort
• Direction : Fabien Nogué, Jean-Yves Merchez, Norbert Brugière, Frank Röber
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences végétales
• Date : Soutenance le 18/03/2025
• 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 : Institut Jean-Pierre Bourgin (Versailles ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Corteva Agriscience (Guyancourt, Yvelines ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Denis Faure
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Parcy, Katrijn Van Laere, Celine Schoving
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Parcy, Katrijn Van Laere

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soja

Floraison

Édition génomique

CRISPR-Cas9

Mots clés libres

CRISPR-Cas9

Edition du génome

Floraison

Soja

CRISPR-Cas9

Gene editing

Flowering time

Soybean

Résumé

Le soja est une plante de jours courts dont la distribution géographique naturelle est limitée par sa sensibilité à la photopériode. En hautes latitudes, la culture du soja nécessite une floraison précoce et une sensibilité réduite à la photopériode. Cependant, la complexité génétique de la régulation de la floraison rend les approches classiques de sélection difficiles et chronophages. Face à ces défis, ce projet de recherche s'articule autour de trois études interdépendantes, axées sur l'avancement de la floraison du soja et le développement d'outils innovants d'édition du génome chez le soja. Dans une première partie, cette thèse a utilisé une stratégie de knock-out multiplex avec CRISPR-Cas9 pour générer une diversité allélique dans le réseau génique régulant la floraison. Cinq à onze répresseurs de la floraison ont été ciblés simultanément pour être inactivés, permettant de créer une diversité allélique dans la voie étudiée. Cette approche a abouti à la création de lignées de soja précoces, avec des floraisons avancées jusqu'à quatre semaines par rapport aux témoins. De plus, la diversité induite a généré une large gamme phénotypique de temps de floraison précoces, potentiellement adaptables à différentes latitudes septentrionales. Ces résultats démontrent le potentiel de cette stratégie pour générer une diversité phénotypique ciblée. Toutefois, cette stratégie présente certaines limites, notamment sa dépendance à une connaissance préalable des fonctions des gènes et son application limitée à l'inactivation de gènes. Face à ces limites, la deuxième partie de cette étude explore les mécanismes moléculaires régulant le temps de floraison chez le soja, en se concentrant sur le complex FT-FD, un acteur clé du contrôle de la floraison. L'objectif est de comprendre comment les FT inhibiteurs répriment la floraison afin d'identifier des cibles moléculaires pour des approches avancées d'édition génomique allant au-delà de l'inactivation de gènes. Les interactions protéine-protéine entre FT et FD ont été étudiées à l'aide d'essais de double-hybride en levure, et d'analyse d'expression transitoire dans la plante modèle Physcomitrium patens. Les connaissances acquises ouvrent des portes pour de futures études sur les mécanismes d'activation et de répression médiés par FT chez le soja. À long terme, identifier les déterminants moléculaires des inhibiteurs FT pourrait permettre leur conversion en activateurs grâce à des outils d'édition précis, bien que des progrès significatifs soient encore nécessaires dans ces technologies. Conscient du besoin de rendre plus accessible l'édition du génome, la troisième partie de cette thèse s'est concentrée sur le développement et l'optimisation d'une méthode d'édition génomique in planta induite par un virus, afin de contourner les étapes difficiles de transformation et de culture in vitro. En parallèle, des efforts ont été déployés pour développer le prime editing chez le soja, dans le but d'obtenir des outils d'édition plus prédictibles. Ce travail a abouti à l'établissement de la transformation du soja dans notre laboratoire, et à la génération des lignées transgéniques nécessaires aux expériences. Il a par ailleurs permis le transfert de connaissances vers la transformation du pois, une culture historiquement difficile à transformer. Cependant, les deux approches ont présenté des défis. Le VIGE nécessite une optimisation supplémentaire pour une édition fiable chez le soja, tandis que le prime editing a souffert d'une faible efficacité avec les outils disponibles au moment de l'étude, soulignant la nécessité d'une optimisation supplémentaire et d'une innovation continue. Ensemble, les résultats démontrent le potentiel des outils d'édition génomique pour accélérer les efforts de sélection, permettant une édition du soja rapide, localisé et exempte de transgènes. Ces progrès ouvrent la voie à des systèmes agricoles plus durables et adaptables.

Soybean is a short-day plant with a natural geographical distribution limited by photoperiod sensitivity to a narrow range of latitudes. To successfully cultivate soybean in higher latitudes, early flowering and reduced photoperiod sensitivity are essential. However, the genetic complexity of flowering regulation, involving numerous interacting genes, renders traditional breeding approaches challenging and time-consuming. Addressing these challenges, this research project focuses on soybean flowering time and the development of innovative gene-editing tools through three interconnected studies. The first part of this PhD utilized a CRISPR-Cas9 multiplex knockout strategy to generate allelic diversity in the gene network regulating flowering time. Five to eleven soybean flowering repressors were simultaneously targeted for inactivation, successfully creating allelic diversity within the pathway. This led to earlier flowering lines, with flowering times accelerated by up to four weeks compared to controls. Additionally, the induced diversity resulted in a broad phenotypic range of earlier flowering times, potentially adaptable to various northern latitudes. These results demonstrate the potential of this strategy to create phenotypic diversity for specific traits, providing valuable material for breeding programs. However, this strategy has limitations, including reliance on prior knowledge of gene functions and a focus on gene inactivation, which restricts applications to loss-of-function mutations. To address these limitations, the second part of the study investigated the molecular mechanisms regulating flowering time in soybean, focusing on the FT-FD complex, a key player in flowering control. Specifically, the research aimed to understand how FT inhibitors suppress flowering and to identify molecular targets for advanced gene-editing approaches beyond knockouts. Protein-protein interactions between FTs and FDs were explored using yeast two-hybrid assays, and the complex ability to activate flowering genes was assessed through transient expression assays in the model moss Physcomitrium patens. Insights from this investigation lay the groundwork for further studies on the mechanisms of FT-mediated activation and repression in soybean. In the long term, identifying the molecular determinants of FT inhibitors could enable their conversion to activators using precise editing tools, though significant advances in these technologies are needed. Recognizing the need for more precise tools, the third part of this PhD focused on developing and optimizing an in planta gene-editing method through Virus-Induced Gene Editing (VIGE). This approach aims to bypass the bottlenecks of traditional plant transformation and tissue culture, thereby streamlining the gene-editing process. Parallel efforts explored prime editing in soybean to expand the gene-editing toolbox by enabling predictable knock-ins. A notable milestone of this work was the successful establishment of soybean transformation in our lab, overcoming longstanding challenges in France. This achievement facilitated the generation of transgenic lines for experiments and also enabled the knowledge transfer to pea transformation, a historically recalcitrant crop, highlighting the broader applicability of the method. However, both VIGE and prime editing presented challenges. VIGE requires further optimization to achieve reliable editing in soybean, while prime editing faced low efficiency with the tools available at the time of the study, underscoring the need for continued innovation. In conclusion, this PhD demonstrates the potential of gene-editing tools to accelerate breeding efforts, enabling rapid, localized, and transgene-free editing in species like soybean. With ongoing technological advancements, these tools have the potential to significantly enhance breeding strategies and functional genomics, paving the way for more sustainable and adaptable agricultural systems.