Analysis of genomic DNA methylation variations and roles during grape berry ripening

par Junhua Kong

Thèse de doctorat en Biologie Végétale

Sous la direction de Philippe Gallusci.

Le président du jury était Serge Delrot.

Le jury était composé de Philippe Gallusci, Marie Mirouze, Rossitza Atanassova.

Les rapporteurs étaient Nicolas Bouché, Yiguo Hong.

  • Titre traduit

    Analyse des variations et du rôle de la méthylation de l'ADN génomique lors de la maturation des baies de raisin


  • Résumé

    La vigne est une plante cultivée dans le monde entier dont l’importance économique est principalement liée à la production de vin. La baie de raisin est également l’un des principaux modèles d’étude pour les fruits non-climatériques notamment pour l’étude des mécanismes contrôlant le mûrissement des baies. Le développement de la baie de raisin est caractérisé par deux phases de croissance séparées par une phase de latence se produisant au moment de la véraison. La baie de raisin est composée de trois tissus principaux: la peau, la pulpe et les graines. La peau et la pulpe présentent une structure et une composition en métabolites distinctes et contribuent de manière différente à la qualité du vin, la pulpe fournissant essentiellement le sucre, les acides aminés et organiques alors que la peau est riche en anthocyanes. A l'heure actuelle, les mécanismes moléculaires impliqués dans le contrôle de la maturation des baies de raisin sont encore mal compris. Si l'ABA, le sucre et différents facteurs de transcription jouent un rôle important dans le contrôle de cette phase de développement, les mécanismes épigénétiques, en particulier la méthylation de l’ADN, apparaissent aussi comme des régulateurs importants du développement et du mûrissement des fruits charnus. Dans ce contexte, Le projet de thèse présenté vise à analyser le rôle de la méthylation de l’ADN (1) dans la maturation des baies de raisin et (2) dans la synthèse des anthocyanes en utilisant comme système modèle des cellules de baie de raisin cultivées in vitro.La culture in vitro de baies de raisin en présence d’inhibiteurs de la méthylation de l'ADN, aboutit à une inhibition de la maturation, suggérant que la méthylation de l’ADN joue un rôle crucial pour cette étape du développement chez la vigne. La pellicule et la chair de baies de raisin récoltées à divers stades de développement ont ensuite été analysées séparément pour déterminer les variations des transcriptomes, de l’abondance de différents métabolites, et de la méthylation de l'ADN. Les principaux résultats indiquent des variations des métabolites et du transcriptome, avec des spécificités liés au tissu analysé. En outre, l'analyse des variations de méthylation de l'ADN à deux stades de développement dans chacun de ces deux tissus révèle l’existence de variations de méthylation spécifiques à chaque tissu, tandis que les variations communes aux deux tissus restent limitées. Ces résultats suggèrent un contrôle de la méthylation de l’ADN spécifique à chaque tissu lors de la maturation de la baie. Cependant les régions différentiellement méthylées identifiées dans chaque tissu, ne sont pas associées à des gènes exprimés différentiellement au cours de la maturation des baies, ce qui pose la question du rôle de la méthylation de l’ADN dans le contrôle de l’expression génique dans les baies.Pour analyser le rôle de la méthylation de l’ADN dans le contrôle de la synthèse des anthocyanes, nous avons utilisé des suspensions de cellules de raisin du génotype Gamay Teinturier (GT), connues pour accumuler des anthocyanes lorsqu’elles sont cultivées à la lumière. L’utilisation de la zébularine, un inhibiteur de la méthylation d’ADN, permet de stimuler l’accumulation d'anthocyanes dans les cellules GT en présence de lumière, et de l’induire à l’obscurité. Les traitements à la zébularine provoquent en outre une limitation de la croissance cellulaire, une modification de l’accumulation des sucres solubles et acides organiques ainsi qu’une reprogrammation importante du transcriptome. Ces résultats suggèrent un effet général de la zébularine sur les cellules GT plutôt qu’un effet spécifique sur l’accumulation d’anthocyanes.Dans l'ensemble, les résultats indiquent que la méthylation de l'ADN est importante pour le contrôle de la maturation des fruits de la vigne, bien que les mécanismes qui sous-tendent les variations de la méthylation et leurs rôles dans les différents tissus de la baie de raisin restent à préciser.


  • Résumé

    Grapevine is a worldwide cultivated fruit crop with high economic importance mainly because of its usage for vine production. Grape berry is also one of the main models for non-climacteric fruits to study the mechanisms controlling the ripening process. Grape berry development is characterized by two phases of rapid size increase separated by a lag phase at the time of ripening induction. Grape berries are composed of three main tissues, the peel, the pulp and the seeds. Peel and pulp present distinct structure and metabolite composition and contribute in a different way to wine quality, the pulp providing sugar, amino and organic acids whereas the peel is important for anthocyanins and other phenolic compound abundance. At the present time, the molecular mechanisms involved in the control of grape berry ripening are still poorly understood. Recent results indicate that both ABA and sugar may be important signals together with various transcription factors. In addition, epigenetic mechanisms are now emerging as important regulators of fleshy fruit development, DNA methylation being critically important for tomato, sweet range and strawberry ripening.The present project aims at analyzing the potential role of DNA methylation in the control grape berry ripening. It also investigates the potential role of DNA methylation in the synthesis of anthocyanins, a compound of primary importance in peel of red grape berries, using in vitro grown fruit cells. To address these questions, grape berries cultivated in vitro were treated with DNA methylation inhibitors. Treatments resulted in delayed and reduced grape berry ripening, therefore sustaining the idea that DNA methylation plays critical roles at this developmental step. Grape berries harvested at various developmental stages were then dissected and each tissue was separately analyzed for transcriptomic, metabolic and DNA methylation variations. Main results indicate significant and distinct metabolic and transcriptomic variations consistent with each tissue following specific modifications during ripening. In addition, analysis of DNA methylation variations at two developmental stages in each tissue indicates both common and tissue specific changes in DNA methylation patterns during fruit ripening. A very small proportion of DMRs is found similarly in the pup and the peel, but most are tissue specific, also consistent with tissue specific control at this developmental phase. Of note, among the different DMRs identified in each tissue, only a few were associated with differentially expressed genes (DEG) during ripening, whereas most were not, questioning the general role of DNA methylation in the control of gene expression at this developmental transition in grape.As Anthocyanins are the most abundant polyphenolic compounds in the skin of red grape berries, we used grape cell suspensions of the Gamay Teinturier genotype, that are known to accumulate anthocyanins when grown in light conditions, to analyze the potential role of DNA methylation in their synthesis. GT cells cultivated in light conditions were treated with the DNA methyltransferase inhibitor zebularine, they accumulate higher quantities of anthocyanins. Of note, GT cells grown in the absence of light do not accumulate anthocyanins. However, zebularine was sufficient to induce anthocyanin accumulation in the absence of light. Zebularine treatments had significant additional effects on grape cells including, cell growth limitation, and modification of soluble sugar, organic acid or stilbene accumulation, together with important transcriptomic reprogramming, consistent with a general effect on cells rather than a specific effect on anthocyanin accumulation.Taken together, results are consistent with DNA methylation being important in the control of grape fruit ripening, although the precise mechanisms underlying methylation variations and roles in grape berries remain to be deciphered.


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