A 3 Dimensional functional genomics approach to identify hidden targets controlling heat stress response in wheat – 3DWheat

Pour comprendre la reprogrammation de l'épigénome du blé en réponse à un stress thermique, nous analyserons le transcriptome (tâche 1), l'épigénome (tâche 2), l'accessibilité de la chromatine (tâche 3) et l'architecture de la chromatine (tâche 4) des feuilles de semis de blé âgés d'une semaine soumis à un stress thermique. Pour le transcriptome, nous nous concentrerons sur l'ARN codant pour obtenir les informations indispensables concernant les gènes impliqués dans la tolérance au stress thermique, et sur les longs ARN non codants car ils pourraient contrôler la formation des boucles chromatiniennes5. Dans la tâche 2, nous analyserons certaines caractéristiques de la chromatine : RNAPlII (ARN polymérase II, une marque de promoteurs actifs), anti-H3K9ac (marques d'euchromatine), anti-H3K4me3 (marques d'euchromatine) et anti-H3K27me3 (marque de gènes inactifs). Pour contrôler l'accessibilité de la chromatine (tâche 3), nous utiliserons ATAC-Seq (assay for transposase-accessible chromatin using sequencing) qui est une procédure à haut débit pour isoler et cartographier les régions chromatiniennes appauvries en nucléosomes. Nous avons déjà établi cette technologie pour le blé. Enfin, dans la tâche 4, nous combinerons deux approches complémentaires reposant sur la ligature par proximité de séquences réunies par des boucles de chromatine. La technique Hi-C est conçue pour séquencer tous les contacts chromatiniens, donnant une image globale de l'organisation du génome, tandis que dans la technique ChIA-PET, une étape d'immuno-précipitation permet le séquençage ciblé des boucles chromatiniennes associées à une protéine d'intérêt. Ici, nous nous concentrerons sur les régions réunies par l'ARN polymérase II. Cette approche nous permettra d'identifier les changements de l'architecture chromatinienne induits par la chaleur.

Nous avons réalisé différentes expériences de ChIP-seq pour analyser au niveau microscopique l'organisation nucléaire du blé et nous avons observé un certain nombre de caractéristiques uniques. Notamment, le noyau du blé apparaît fortement polarisé, l'hétérochromatine constitutive (représentant les éléments transposables et les séquences répétées) et facultative (correspondant aux gènes réprimés) occupant des pôles opposés. L'organisation chromatinienne du blé est donc différente de ce que nous connaissons chez Arabidopsis, et l'extrapolation des connaissances acquises dans des modèles ne permettra pas de comprendre pleinement comment la dynamique de la chromatine du blé contrôle l'expression des gènes. En parallèle, nous avons réalisé différentes expériences de ChIP-seq Ces données ont été générées dans le cadre du projet de séquençage du génome du blé. Tout d'abord, nous avons constaté qu'il existe une différence significative dans le niveau de H3K9ac entre les homéologues, ce qui suggère que les modifications de la chromatine jouent un rôle crucial dans la régulation différentielle de la transcription des homéologues du blé. De plus, nous avons observé qu'une grande cohorte de gènes présente simultanément des marques H3K4me3 activatrices et des marques H3K27me3 répressives, ce qui suggère l'existence d'un état chromatinien bivalent dans le blé. La plupart de ces gènes sont associés à la réponse au stress et une proportion significative d'entre eux correspond à des gènes inductibles par la chaleur. En présentant à la fois des marques actives et répressives, les gènes bivalents sont considérés comme étant dans un état d'équilibre, leur permettant d'être rapidement activés par des signaux de développement et/ou des stimuli environnementaux appropriés, ce qui est particulièrement pertinent dans le contexte du stress thermique. Afin de mieux comprendre l'organisation spatiale du génome du blé à l'intérieur du noyau, nous avons réalisé une expérience Hi-C.

De nombreuses questions sont encore ouvertes : quelle sera la conséquence d'un stress thermique ? Quel est le rôle de cette réorganisation ? Quels sont les mécanismes moléculaires qui la sous-tendent ? Sachant que le riz est diploïde, quel sera l'impact du stress sur l'architecture chromatinienne chez un polyploïde ? C'est pourquoi nous avons besoin d'étudier en profondeur ce phénomène. L'exploration de la régulation chromatinienne de l'expression des gènes chez le blé polyploïde représente un défi, en raison de la complexité de son génome, mais elle peut être particulièrement pertinente pour mettre en évidence de nouveaux mécanismes favorisant l'adaptation de l'épigénome aux contraintes environnementales.
Dans ce projet, nous souhaitons suivre les changements du transcriptome, de l'épigénome et de la structure 3D de la chromatine chez Triticum aestivum après un stress thermique afin d'obtenir une vision globale de la manière dont les changements au niveau de la chromatine sont associés aux changements de l'expression génique chez une plante polyploïde lors de la réponse à un stress thermique, et comment ces informations peuvent être utilisées pour améliorer l'adaptation du blé aux contraintes environnementales.

en cours

Due to climate change, heat stress is going to become a major source of yield loss in Europe in the coming years. There is thus urgent need for the elucidation of cellular mechanisms involved in heat stress response to be able to produce new varieties with improved tolerance. Although the mechanisms involved in heat tolerance have been previously explored, little attention has been given to the contribution of chromatin dynamics to this process, particularly in crops. In this context, in the 3Dwheat project, we propose to monitor changes in the transcriptome, epigenome and 3D-chromatin structure in wheat in order to obtain a global picture of how changes at the chromatin level are associated with changes in gene expression during heat stress response. Therefore, to go beyond the mere description of heat stress response we propose to study the molecular mechanisms controlling the bivalent chromatin state observed on heat responsive genes.