L'Etude de la plasticité phénotypique : les régulations de l’expression génique par les petits ARN non codants

Résumé

La plasticité phénotypique est la capacité d’un génotype à produire différents phénotypes en fonction des conditions environnementales. Cette capacité est un mécanisme crucial pour l’adaptation des organismes aux modifications de leur milieu. La plasticité phénotypique est le résultat d’une modification de l’expression des gènes codants pour des protéines. Les deux thématiques de recherche dont j’ai eu la charge depuis mon recrutement ont eu pour objectif de comprendre les bases moléculaires de la plasticité phénotypique chez les insectes et chez les plantes et plus particulièrement le rôle des petits ARN non codant (ARNnc) dans les régulations de l’expression des gènes intervenant dans ce processus. Chez les eucaryotes, les petits ARN non codants, sont des ARN d’une vingtaine de nucléotides qui régulent l’expression des gènes codant pour les protéines au niveau transcriptionnel et post-transcriptionnel. J’ai abordé cette problématique au travers deux modèles biologiques : le changement de mode de reproduction du puceron du pois Acyrthosiphon pisum en fonction des conditions de photopériodes et un exemple de plasticité phénotypique moins classique, puisqu’au niveau cellulaire, avec la dédifférentiation des cellules du parenchyme racinaire en cellules nourricières géantes et hypermétaboliques en réponse à l’infection par les nématodes à galles. La stratégie développée pour les deux modèles biologiques abordés a consisté à intégrer des données issues du séquençage du transcriptome et des petits ARN non codants (microARN et siARN) afin d’établir des réseaux de régulation. Ces premières études basées sur des approches de séquençage et d’analyses bioinformatiques et statistiques ont ensuite été poursuivies par des analyses fonctionnelles afin de caractériser la fonction des petits ARNnc et des gènes cibles ainsi identifiés.

Le projet proposé pour les prochaines années se place dans la continuité de l’étude des dérégulations de l’expression génique par les petits ARNnc intervenant lors de la formation des cellules nourricières chez Arabidopsis tout en proposant deux élargissements thématiques. Les nématodes à galles pouvant induire la dédifférentiation en cellules nourricières chez plus de 5000 espèces végétales, il est admis que ces bioagresseurs manipulent des mécanismes très conservés chez les plantes. Les futures études seront donc développées conjointement sur deux modèles végétaux : A. thaliana et la tomate Solanum lycopersicum permettant ainsi de rechercher ces mécanismes conservés ciblés par les nématodes à galles. Par ailleurs, ce projet se propose d’explorer le rôle des régulations épigénétiques de l’état de la chromatine dans les cellules nourricières chez une plante d’intérêt agronomique, la tomate. Pour cela, une analyse des modifications de l’état de méthylation de l’ADN à l’échelle du génome sera intégrée aux résultats de l’étude des ARNm et des petits ARNnc. Les premiers résultats de ce projet seront présentés.

Abstract

Phenotypic plasticity is the ability of a genotype to produce different phenotypes depending on environmental conditions. This capacity is a crucial mechanism for adapting organisms to changes in their environment. There are many examples of phenotypic plasticity, whether in animals such as cast polyphenism in social insects or in plants such as the color modulation of hydrangea petals. Whatever the example, phenotypic plasticity is always the result of a change in the expression of genes coding for proteins.

Since my recruitment in 2005, the two research projects which I have been responsible for have aimed to understand the molecular bases of phenotypic plasticity and more particularly the role of small non-coding RNAs in the regulation of the expression of genes involved in these process. In eukaryotes, small non-coding RNAs are RNAs of around twenty nucleotides that regulate the expression of protein coding genes at the transcriptional and post-transcriptional level. I investigated this question, through two biological models: the change in the mode of reproduction of the pea aphid Acyrthosiphon pisum according to photoperiod conditions and a less classic example of phenotypic plasticity, since at the cellular level, with the dedifferentiation of parenchyma root cells into giant and hypermetabolic feeding cells in response to infection by root knot nematodes in the Arabidopsis thaliana. The same strategy has been developed for the two biological models and consisted in integrating data from the sequencing of the transcriptome and small non-coding RNAs (microRNAs and siRNAs) in order to establish gene regulation regulatory networks. These first studies based on sequencing and bioinformatics and statistical analyzes were then followed by functional analyzes in order to characterize the function of small ncRNAs and genes thus identified.

The project proposed for the next years is a continuity of the study of regulation of gene expression by small ncRNAs involved in the formation of feeding cells in Arabidopsis but propose two thematic extensions. Since root knot nematodes induce dedifferentiation in feeding cells in the root of more than 5,000 plant species, they are thought to manipulate conserved mechanisms in plants. Future investigations will therefore be developed jointly on two plant models: A. thaliana and the tomato Solanum lycopersicum, allowing search for these conserved mechanisms targeted by root knot nematodes. In addition, this project aims to explore the role of epigenetic regulation of chromatin state of in tomato galls. For this, an analysis of changes in DNA methylation state at the genome level will be integrated with the results of mRNAs and small ncRNAs sequencing in tomato galls. The first results of this project will be presented.

devant le jury composé de :

Présidente du jury : Paola FURLA, Professeur Université Côte d’Azur
Rapporteurs/trices :
Christine COUSTAU, DR CNRS, Institut Sophia Agrobiotech, Sophia Antipolis
Philippe GALLUSCI, Professeur Université de Bordeaux
Andreas NIEBEL, DR CNRS, Laboratoire des Interactions Plantes Microorganismes, Toulouse

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Examinateurs/trices :
Patrick LAUFS, DR INRAE, Institut Jean Pierre Bourgin, Versailles