JCJC SVSE 2 - JCJC : Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes : Biologie cellulaire, développement

CHromatine et ROS : Rôle du facteur de remodelage de la chromatine topoisomérase VI dans la réponse transcriptionnelle des plantes à l’oxygène singulet et autres formes actives de l’oxygène lors de conditions de stress abiotique. – CHROS

Réponse et acclimatation des plantes aux stress environnementaux

Mécanismes moléculaires de la réponse et de l’acclimatation des plantes aux stress environnementaux. Régulation transcriptionnelle et chromatinienne de l’expression de gènes impliqués dans la réponse au stress oxydant, une composante commune à la plupart des stress environnementaux.

Vers une amélioration des plantes pour la tolérance aux stress environnementaux

Les plantes sont continuellement exposées à des conditions environnementales défavorables, ou stress abiotiques (pollutions, salinité des sols, sécheresse…), qui affectent leur croissance, leur développement ou leur productivité et constituent ainsi la principale cause de perte pour les cultures au niveau mondial. Un défi majeur de l'agriculture et de la recherche aujourd'hui est donc de faire face aux effets du réchauffement climatique et des stress environnementaux sur la production des cultures, dans une approche économiquement et écologiquement durable. Ainsi, développer des cultures présentant une résistance accrue au stress est au centre de nombreuses initiatives internationales d'amélioration des cultures, tant par la sélection conventionnelle que par de nouvelles méthodes biotechnologiques. C'est pourquoi une meilleure compréhension des mécanismes qui gouvernent l’acclimatation des plantes aux conditions environnementales défavorables est essentielle et est le but ultime du projet CHROS. Les travaux réalisés auront des retombées importantes en termes de recherche fondamentale pour mieux anticiper les prochaines stratégies innovantes pour l’amélioration des plantes cultivées qui devront faire face non seulement au réchauffement climatique global mais également à l’accroissement démographique. Nous travaillons avec l'espèce modèle Arabidopsis thaliana afin de bénéficier de ressources, méthodes et techniques modernes permettant d’appréhender les mécanismes moléculaires d’acclimatation à l’échelle du génome. Les résultats attendus devraient toutefois être facilement transposable à des espèces d’intérêt agronomique ou biotechnologique puisque nous étudions le rôle de facteurs et de mécanismes de réponse qui sont conservés chez les plantes.

La plupart des stress abiotiques résultant en un stress oxydant, le projet CHROS vise plus particulièrement à identifier les mécanismes moléculaires de régulation de l’expression des gènes des plantes en réponse à un stress oxydant. Nous utilisons d’une part, une combinaison d’approches pharmacologiques et génétiques faisant appel à des traitements chimiques et à des lignées mutantes et transgéniques afin de contrôler précisément la nature et l’intensité du stress oxydant, et d’autre part, des méthodes d’analyse d’expression des gènes à l’échelle du génome afin d’étudier les réponses induites par ces stress oxydants.
Par une approche génétique, nous avons montré qu’une topoisomérase, enzyme pouvant contrôler la conformation de l’ADN et de la chromatine (association de l’ADN et de protéines, principalement des histones, constituant les chromosomes dans le noyau), est indispensable à l’activation de gènes de réponse à un stress oxydant particulier, dans la plante modèle Arabidopsis thaliana. Ces résultats dévoilent l’importance du contrôle de la conformation de la chromatine dans la régulation de l’expression des gènes de réponse au stress oxydant. Nous utilisons des méthodes d’immunoprécipitation de la chromatine à l’échelle du génome afin d’identifier les gènes de réponse au stress régulés directement par cette topoisomérase. Ces méthodes d’immunoprécipitation, associées à des techniques de biochimie, nous permettent également d’étudier les facteurs chromatiniens et les mécanismes épigénétiques (modifications de l'organisation de la chromatine, et donc de l’expression des gènes) qui sont à la base de la réponse et de l’acclimatation des plantes aux conditions de stress.

Pas de résultats diffusables en direction du grand public à ce stade du projet

Ce projet propose une approche originale de la tolérance au stress abiotique via l’étude de la topoisomérase VI et son rôle dans la régulation de la transcription de gènes impliqués dans la réponse adaptative de la plante. Les résultats obtenus sur Arabidopsis pourront dans un second temps être transférés à des espèces d’intérêt agronomique (recherche d’allèles favorables pour ces gènes par TILLING ou EcoTILLING). Un projet avec ces perspectives applicatives a fait l’objet d’une demande de Bourse Doctorale Régionale PACA ayant pour partenaire socio-économique la société Gautier Semences (Eyragues, Bouches-du-Rhône, France). Cette demande n’a pas été retenue en 2012 mais sera renouvelée

Revues à comité de lecture :
• Simkova, K, Moreau, F, Pawlak, P, Vriet, V, Baruah, A, Alexandre, C, Hennig, L, Apel, K and Laloi, C. The integration of stress-related and ROS-mediated signals by Topoisomerase VI in Arabidopsis thaliana. En revision

Les plantes sont continuellement exposées à des conditions environnementales défavorables (stress abiotiques) qui affectent leur croissance, leur développement ou leur productivité. La plupart des stress abiotiques résultent en une augmentation de la concentration intracellulaire en formes actives de l’oxygène (ROS) qui peuvent avoir un effet toxique mais peuvent également agir comme molécules de signalisation et être ainsi impliquées dans le contrôle génétique de nombreux processus tels que les réactions de défense contre des pathogènes, la fermeture des stomates lors d’un stress hydrique ou encore la régulation de l’expansion cellulaire et du développement. Chez les plantes, le chloroplaste a une place prépondérante dans l’augmentation de la concentration en ROS, lorsque que l’équilibre entre l’absorption de l’énergie lumineuse et l’utilisation de cette énergie pour la photosynthèse est rompu.
Les travaux antérieurs du PI ont visé à caractériser les réponses induites par une ROS particulière, l’oxygène singulet (1O2), chez Arabidopsis. Le PI a ainsi pu montrer que la production d’1O2 dans le chloroplaste induit rapidement et sélectivement des gènes nucléaires qui ne sont pas affectés par la production d’autres ROS dans le chloroplaste, superoxyde (O2.-) ou peroxyde d’hydrogène (H2O2). Ces résultats suggèrent que, suite à la production d’1O2, un signal spécifique est généré, qui est transmis du chloroplaste au noyau et commande une reprogrammation sélective du génome nucléaire. Les facteurs impliqués dans la transmission de ce signal ont été recherchés par une approche de génétique classique : des mutants de signalisation ont été isolés qui sont dérégulés pour l’activation d’un gène nucléaire rapporteur de 1O2. L’un d’entre eux, qui est devenu incapable d’activer le gène nucléaire rapporteur de la production de 1O2 en réponse à une production chloroplastique de 1O2 est muté dans le facteur de remodelage de la chromatine topoisomérase VI (Topo VI) d’Arabidopsis. Il fut montré que Topo VI peut agir à la fois comme un régulateur positif des gènes activés par 1O2 et un régulateur négatif des gènes activés par O2.- / H2O2. Ainsi Topo VI semble jouer un rôle d’intégrateur de signaux multiples générés par différents ROS qui sont par les plantes produit en réponse à des conditions environnementales défavorables.
Le projet présenté ici vise à appréhender le rôle global de Topo VI dans la régulation de l’expression de gènes de réponse aux ROS, comprendre les mécanismes génétiques et épigénétiques sous-jaceants. La compréhension du fonctionnement de ce système modèle constituera d’une reprogrammation sélective du génome nucléaire et à la nature des modifications de la chromatine en réponse à un stress.
Pour cela, les objectifs de ce projet sont de répondre à plusieurs questions essentielles regroupées en tâches de travail :
- Comment Topo VI contrôle-t-elle sélectivement l’expression de gènes de réponse à 1O2, ou au contraire le spectre d’action de Topo VI est-il plus large ? Une analyse à l’échelle du génome des cibles de Topo VI et de l’impact de la mutation caa39 sur l’activation des gènes en réponse à 1O2 permettra d’identifier les gènes cibles de Topo VI, et d’élucider cette question.
- Quels sont les mécanismes moléculaires d’activation de Topo VI lors de la réponse à 1O2 ?
- Quelle est la nature des modifications de la chromatine, dépendantes –ou indépendantes- de l’activité de Topo VI, qui sont induites lors de la réponse à un stress, et comment topo VI et d’autres facteurs chromatiniens modifient la structure de la chromatine pour permettre l’activation de la transcription ?
- Quel est le rôle de topo VI dans le maintien local de la structure de la chromatine, la pérennité des modifications de la chromatine, et in fine le rôle de ces modifications dans des processus d’acclimatation à des conditions de stress environnementaux.

Coordinateur du projet

Monsieur Christophe LALOI (COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES - DIRECTION DU CENTRE DE FONTENAY-AUX-ROSES) – christophe.laloi@univ-amu.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CEA-DSV-IBEB-SBVME-LGBP COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES - DIRECTION DU CENTRE DE FONTENAY-AUX-ROSES

Aide de l'ANR 220 742 euros
Début et durée du projet scientifique : - 36 Mois

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