L'équipe EPIREP s'intéresse à la régulation épigénétique et à l'impact des éléments transposables. Nous étudions leur régulation dans le pollen et en réponse au dosage génomique dans les graines hybrides, ainsi que leur réponse aux stress environnementaux et aux croisements interspécifiques.
Question biologique
La découverte des éléments transposables (ETs) par B. McClintock a été une étape majeure dans l'évolution de nos concepts sur l'hérédité. Ces éléments génétiques ubiquitaires sont capables de se déplacer dans les génomes qui les hébergent, et d'y induire des mutations et des remaniements génétiques. Ils sont également impliqués dans de nombreuses régulations cellulaires, de part leur activité transcriptionnelle propre, ou via leurs régulations épigénétiques telles que la production de petits ARNs. Nos recherches se décomposent en deux axes principaux.
Notre premier axe de recherche (PI Filipe Borges) porte sur le rôle des ETs dans le blocage triploïde. Chez la plupart des angiospermes, l’impossibilité de croiser des espèces proches ou des parents de ploïdie différente est associée à un défaut de développement de l’endosperme et une atrophie des graines. L’endosperme est particulièrement sensible au dosage génomique parental, et une balance correcte entre les allèles maternels et paternels (2m:1p) est essentielle à l’empreinte génomique et au fonctionnement de l’endosperme. Chez les espèces cultivées et chez la plante modèle Arabidopsis thaliana, les croisements entre parents de ploïdies différentes induisant un excès du dosage paternel résultent en une sur-prolifération de l’endosperme et un avortement des graines, un phénomène décrit sous le terme de blocage triploïde. La méthylation de l’ADN et la production de petits ARN par les transposons sont impliquées dans ce processus, mais le mécanisme reste incompris.
Notre second axe de recherche (PI Marie-Angèle Grandbastien) étudie la possibilité d'une l'influence de l’environnement sur la structure et le fonctionnement des génomes de Nicotianées par le biais des ETs, principalement les rétrotransposons à LTRs (LTR-RTs). L'activation des ETs répond à des instructions précises venant de l’élément lui-même, de l’organisme-hôte, et de facteurs externes. En outre, les découvertes les plus récentes montrent que les ETs représentent des modules de régulation de l'expression des gènes cellulaires. En créant de la diversité génétique et en agissant comme senseurs de stimulus externes, les ETs pourraient donc être impliqués dans la réponse directe de l'organisme aux fluctuations environnementales, réponse particulièrement cruciale dans le cas des plantes qui ne peuvent fuir ces contraintes externes.
La découverte des éléments transposables (ETs) par B. McClintock a été une étape majeure dans l'évolution de nos concepts sur l'hérédité. Ces éléments génétiques ubiquitaires sont capables de se déplacer dans les génomes qui les hébergent, et d'y induire des mutations et des remaniements génétiques. Ils sont également impliqués dans de nombreuses régulations cellulaires, de part leur activité transcriptionnelle propre, ou via leurs régulations épigénétiques telles que la production de petits ARNs. Nos recherches se décomposent en deux axes principaux.
Notre premier axe de recherche (PI Filipe Borges) porte sur le rôle des ETs dans le blocage triploïde. Chez la plupart des angiospermes, l’impossibilité de croiser des espèces proches ou des parents de ploïdie différente est associée à un défaut de développement de l’endosperme et une atrophie des graines. L’endosperme est particulièrement sensible au dosage génomique parental, et une balance correcte entre les allèles maternels et paternels (2m:1p) est essentielle à l’empreinte génomique et au fonctionnement de l’endosperme. Chez les espèces cultivées et chez la plante modèle Arabidopsis thaliana, les croisements entre parents de ploïdies différentes induisant un excès du dosage paternel résultent en une sur-prolifération de l’endosperme et un avortement des graines, un phénomène décrit sous le terme de blocage triploïde. La méthylation de l’ADN et la production de petits ARN par les transposons sont impliquées dans ce processus, mais le mécanisme reste incompris.
Notre second axe de recherche (PI Marie-Angèle Grandbastien) étudie la possibilité d'une l'influence de l’environnement sur la structure et le fonctionnement des génomes de Nicotianées par le biais des ETs, principalement les rétrotransposons à LTRs (LTR-RTs). L'activation des ETs répond à des instructions précises venant de l’élément lui-même, de l’organisme-hôte, et de facteurs externes. En outre, les découvertes les plus récentes montrent que les ETs représentent des modules de régulation de l'expression des gènes cellulaires. En créant de la diversité génétique et en agissant comme senseurs de stimulus externes, les ETs pourraient donc être impliqués dans la réponse directe de l'organisme aux fluctuations environnementales, réponse particulièrement cruciale dans le cas des plantes qui ne peuvent fuir ces contraintes externes.
Modèles, outils et méthodes
Axe 1 - Contrôle épigénétique des ETs dans le pollen et les graines hybrides (PI Filipe Borges)
Les ETs sont des acteurs majeurs de l'évolution des génomes eucaryotes, mais leur activité mutagène potentielle requiert des mécanismes cellulaires complexes pour restreindre leur expression et leur prolifération de façon précise et contrôlée. Afin d'étudier ces interactions, nous développons des analyses transcriptomiques et épigénomiques comparatives chez différentes espèces végétales, en portant l'accent sur le rôle des petits ARNs et de la méthylation dans l'extinction des ETs pendant la reproduction, la reprogrammation épigénétique et l'hybridation. Le pollen est le gamétophyte mâle des plantes à fleur et est formé lors de la méiose par deux séries de divisions afin de former deux cellules spermatiques haploïdes (gamètes mâles) et une cellule végétative (cellule compagne). Une cellule spermatique féconde l’ovule haploïde dans le sac embryonaire (gametophyte femelle) et donne naissance à l’embryon diploïde, tandis que l’autre cellule spermatique féconde la cellule centrale diploïde pour former l’endosperme triploïde. Les deux génomes parentaux de l’endosperme sont dans des états épigénétiques distincts qui sont pré-établis dans les gamètes, ce qui conduit à une expression parent-spécifique, appelée l'empreinte génomique. Chez de nombreuses angiospermes, l'impossibilité de croisement entre espèces apparentées ou parents de niveaux de ploïdie différents est souvent associée à un défaut de développement de l'endosperme et à une atrophie des graines. En effet, l'endosperme est particulièrement sensible au dosage génomique parental, et une balance correcte entre les allèles maternels et paternels (2m:1p) est essentielle à l’empreinte génomique et au fonctionnement de l’endosperme. Nous cherchons à élucider les bases mécanistiques de l'avortement des graines triploïdes médiée par la méthylation de l'ADN et les petits ARNs, en développant des analyses transcriptomiques et épigenomiques comparatives dans différents types cellulaires avant et après la fertilisation.
Axe 2 - Impact des rétrotransposons à LTR sur les génomes de Nicotianées (PI Marie-Angèle Grandbastien)
Ces recherches ont été initiées après notre découverte chez le tabac allotétraploïde (Nicotiana tabacum) du tout premier LTR-RT fonctionnel de plante, l'élément Tnt1. Au fil des années, nous avons développé des recherches variées, dont le fil conducteur est l'étude de l'impact des LTR-RTs sur leurs hôtes. Ces recherches se sont étendues depuis le contrôle de leur expression et de leur amplification par des stress externes et des chocs génomiques, jusqu'à leur impact transcriptionnel, via la production de transcrits chimériques, en passant par leur évolution moléculaire et leur utilisation comme marqueurs de biodiversité. Nous avons montré que le contenu en LTR-RTs des Nicotianées est influencé par leur histoire évolutive, avec des périodes de turnovers rapides liées à des évènements d'allopolyploïdie. L'activation des ETs est corrélée au niveau de divergence en ETs des parents diploïdes, confirmant ainsi l'hypothèse de B. McClintock que l'activation des ETs par le choc génomique était reliée à la confrontation de deux génomes parentaux divergents. Nous avons également démontré que plusieurs LTR-RTs peuvent initier, en conditions de stress, des transcrits chimériques s’étendant sur les séquences génomiques adjacentes. En modulant l'expression de gènes adjacents, les rétrotransposons pourraient donc jouer un rôle dans la réponse globale de l'hôte à divers stimuli. Plus récemment, la publication des génomes du tabac et de ses parents diploïdes nous ont permis de faire monter nos analyses en puissance au niveau génomique. Nous utilisons le pipeline REPET (URGI, INRAE-Versailles) afin de caractériser de novo la composante en ETs du tabac et de ses parents. Nous avons également produit des données transcriptomiques (RNA-seq) afin de comparer la réponse au stress de multiples LTR-RTs et la production associée de transcrits chimériques. Notre objectif est à présent d'évaluer si ces mécanismes sont impliqués dans les changements différentiels de l'expression des gènes orthologues apportés par chacun des parents, fréquemment observés chez les allopolyploïdes. En conditions de stress, les LTR-RTs pourraient donc diversifier la réponse globale des hybrides au stress et être impliqués dans leur succès évolutif et leur adaptation à de nouveaux environnements.
Axe 1 - Contrôle épigénétique des ETs dans le pollen et les graines hybrides (PI Filipe Borges)
Les ETs sont des acteurs majeurs de l'évolution des génomes eucaryotes, mais leur activité mutagène potentielle requiert des mécanismes cellulaires complexes pour restreindre leur expression et leur prolifération de façon précise et contrôlée. Afin d'étudier ces interactions, nous développons des analyses transcriptomiques et épigénomiques comparatives chez différentes espèces végétales, en portant l'accent sur le rôle des petits ARNs et de la méthylation dans l'extinction des ETs pendant la reproduction, la reprogrammation épigénétique et l'hybridation. Le pollen est le gamétophyte mâle des plantes à fleur et est formé lors de la méiose par deux séries de divisions afin de former deux cellules spermatiques haploïdes (gamètes mâles) et une cellule végétative (cellule compagne). Une cellule spermatique féconde l’ovule haploïde dans le sac embryonaire (gametophyte femelle) et donne naissance à l’embryon diploïde, tandis que l’autre cellule spermatique féconde la cellule centrale diploïde pour former l’endosperme triploïde. Les deux génomes parentaux de l’endosperme sont dans des états épigénétiques distincts qui sont pré-établis dans les gamètes, ce qui conduit à une expression parent-spécifique, appelée l'empreinte génomique. Chez de nombreuses angiospermes, l'impossibilité de croisement entre espèces apparentées ou parents de niveaux de ploïdie différents est souvent associée à un défaut de développement de l'endosperme et à une atrophie des graines. En effet, l'endosperme est particulièrement sensible au dosage génomique parental, et une balance correcte entre les allèles maternels et paternels (2m:1p) est essentielle à l’empreinte génomique et au fonctionnement de l’endosperme. Nous cherchons à élucider les bases mécanistiques de l'avortement des graines triploïdes médiée par la méthylation de l'ADN et les petits ARNs, en développant des analyses transcriptomiques et épigenomiques comparatives dans différents types cellulaires avant et après la fertilisation.
Axe 2 - Impact des rétrotransposons à LTR sur les génomes de Nicotianées (PI Marie-Angèle Grandbastien)
Ces recherches ont été initiées après notre découverte chez le tabac allotétraploïde (Nicotiana tabacum) du tout premier LTR-RT fonctionnel de plante, l'élément Tnt1. Au fil des années, nous avons développé des recherches variées, dont le fil conducteur est l'étude de l'impact des LTR-RTs sur leurs hôtes. Ces recherches se sont étendues depuis le contrôle de leur expression et de leur amplification par des stress externes et des chocs génomiques, jusqu'à leur impact transcriptionnel, via la production de transcrits chimériques, en passant par leur évolution moléculaire et leur utilisation comme marqueurs de biodiversité. Nous avons montré que le contenu en LTR-RTs des Nicotianées est influencé par leur histoire évolutive, avec des périodes de turnovers rapides liées à des évènements d'allopolyploïdie. L'activation des ETs est corrélée au niveau de divergence en ETs des parents diploïdes, confirmant ainsi l'hypothèse de B. McClintock que l'activation des ETs par le choc génomique était reliée à la confrontation de deux génomes parentaux divergents. Nous avons également démontré que plusieurs LTR-RTs peuvent initier, en conditions de stress, des transcrits chimériques s’étendant sur les séquences génomiques adjacentes. En modulant l'expression de gènes adjacents, les rétrotransposons pourraient donc jouer un rôle dans la réponse globale de l'hôte à divers stimuli. Plus récemment, la publication des génomes du tabac et de ses parents diploïdes nous ont permis de faire monter nos analyses en puissance au niveau génomique. Nous utilisons le pipeline REPET (URGI, INRAE-Versailles) afin de caractériser de novo la composante en ETs du tabac et de ses parents. Nous avons également produit des données transcriptomiques (RNA-seq) afin de comparer la réponse au stress de multiples LTR-RTs et la production associée de transcrits chimériques. Notre objectif est à présent d'évaluer si ces mécanismes sont impliqués dans les changements différentiels de l'expression des gènes orthologues apportés par chacun des parents, fréquemment observés chez les allopolyploïdes. En conditions de stress, les LTR-RTs pourraient donc diversifier la réponse globale des hybrides au stress et être impliqués dans leur succès évolutif et leur adaptation à de nouveaux environnements.
Enjeux économiques et sociétaux
Les plantes triploïdes ont des organes plus grands, produisent plus de biomasse, sont plus résistantes aux stress, et présentent peu de risques de dissémination de leurs caractères aux espèces sauvages puisqu’elles tendent à être stériles et à produire peu de graines viables. Par conséquent, le développement de plantes triploïdes d’intérêt agronomique présente un grand intérêt économique.
En outre, l'allopolyploïdie est un processus majeur de spéciation végétale et a engendré de nombreuses plantes d'intérêt agronomique (blé, maïs, caféier, colza, banane, coton, tabac), mais aussi de nombreuses plantes invasives menaçant la biodiversité naturelle. En effet, les allopolyploïdes présentent souvent une bonne adaptation à de nouveaux environnements. Nos orientations de recherche fournissent des aperçus innovants permettant de mieux comprendre l'impact des LTR-RTs sur l'évolution des espèces végétales polyploïdes, notamment en réponse aux changements climatiques actuels et futurs.
Les plantes triploïdes ont des organes plus grands, produisent plus de biomasse, sont plus résistantes aux stress, et présentent peu de risques de dissémination de leurs caractères aux espèces sauvages puisqu’elles tendent à être stériles et à produire peu de graines viables. Par conséquent, le développement de plantes triploïdes d’intérêt agronomique présente un grand intérêt économique.
En outre, l'allopolyploïdie est un processus majeur de spéciation végétale et a engendré de nombreuses plantes d'intérêt agronomique (blé, maïs, caféier, colza, banane, coton, tabac), mais aussi de nombreuses plantes invasives menaçant la biodiversité naturelle. En effet, les allopolyploïdes présentent souvent une bonne adaptation à de nouveaux environnements. Nos orientations de recherche fournissent des aperçus innovants permettant de mieux comprendre l'impact des LTR-RTs sur l'évolution des espèces végétales polyploïdes, notamment en réponse aux changements climatiques actuels et futurs.
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Responsable :
Marie-Angèle Grandbastien