Role of RNase III enzymes and 3D chromatin structure in nitrogen-fixing symbiosis of Medicago truncatula

Rôle des enzymes RNase III et de la structure chromatinienne 3D dans la symbiose fixatrice d'azote chez Medicago truncatula

• Auteur / Autrice : Francisco Sánchez-Rodríguez
• Direction : Martin Crespi, Christine Lelandais-Brière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences végétales
• Date : Soutenance le 06/05/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences des plantes de Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Julio Saez-Vasquez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandra Bensmihen, Pablo Manavella, Jean-Malo Couzigou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julio Saez-Vasquez, Sandra Bensmihen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Symbiose

Sinorhizobium

Luzerne tronquée

Épigénétique

Chromatine

Méthylation

ADN

Petits ARN interférents

Ribonucléases

Mots clés libres

Symbiose Rhizobium-légumineuses

RNAse III

Petits ARN interférents

Méthylation de l'ADN dirigée par l'ARN

Topologie de la chromatine

Rhizobium-legume symbiosis

RNAse III

Small RNAs

RNA-directed DNA methylation

Chromatin topology

Résumé

La symbiose rhizobium-légumineuse (RLS) permet aux légumineuses de croître dans des sols pauvres en azote grâce à la formation de nodules racinaires abritant des rhizobia fixateurs d'azote. La nodulation implique, entre autres, l'expression des gènes qui codent pour des peptides NCR (« Nodule-Specific Cysteine-Rich Peptides ») ainsi que des modifications épigénétiques, incluant des variations de ploïdie, l'ouverture de la chromatine et des modifications des histones et des profils de méthylation de l'ADN. De plus, la voie de méthylation de l'ADN dépendante des petits ARN interférents de 24 nucléotides (siRNA 24-nt) joue un rôle clé dans le développement nodulaire.Au cours de mon doctorat, je me suis intéressé par caractériser la population des siRNA de 24-nt qui jouent un rôle dans le développement du nodule ainsi que ses cibles. Pour cela je me suis intéressé par DICER-LIKE 3, impliqué dans la biogenèse des siRNA 24-nt.Pour essayer d'obtenir un mutant KO de DCL3, j'ai développé un système pour évaluer l'efficacité des guides CRISPR/Cas9 chez Medicago. En poursuivant cette même ligne de recherche, j'ai également caractérisé RTL1b, une RNase III impliquée dans la régulation des gènes tardifs nodulaires et des NCRs. Contrairement à son homologue chez Arabidopsis, RTL1b ne semble pas agir comme un suppresseur du « silencing » chez Medicago, mais plutôt comme un régulateur indépendant des siRNA.Enfin, en intégrant des données Hi-C, ChIP-Seq, RNA-Seq et ATAC-Seq, nous avons montré que la différenciation nodulaire s'accompagne de réarrangements chromatinaux corrélés à la régulation transcriptionnelle, tant au niveau des compartiments AB que des boucles d'ADN. Une partie de ces réarrangements dépend de la différenciation bactérienne. Notamment, nous avons identifié une boucle enhancer-promoter entre une région distale de NIN et son promoteur proximal, dont la formation est corrélée avec son niveau d'expression dans le nodule. Tout porte à croire que cette boucle est également positivement régulée par les cytokinines via le facteur de transcription RRB3, favorisant ainsi l'induction de NIN dans la racine.Ensemble, ces travaux mettent en lumière comment la régulation épigénétique, via les enzymes RNase III et la dynamique chromatinienne, façonne l'expression génique au cours de la symbiose rhizobium-légumineuse.

The rhizobium-legume symbiosis (RLS) enables legumes to grow in nitrogen-poor soils through the formation of root nodules that harbor nitrogen-fixing rhizobia within a plant vesicle, the symbiosome.Nodulation involves, among others, the expression of genes encoding Nodule-Specific Cysteine-Rich (NCR) peptides as well as epigenetic modifications, including changes in ploidy levels, chromatin accessibility, histone modifications, and DNA methylation patterns. Additionally, the RNA-directed DNA methylation (RdDM) pathway, which depends on 24-nucleotide small interfering RNAs (24-nt siRNAs), plays a key role in nodule development.During my PhD, I focused on characterizing the 24-nt siRNA population involved in nodule development and their targets. Specifically, I studied DICER-LIKE 3 (DCL3), an enzyme involved in the biogenesis of 24-nt siRNAs. In order to obtain a KO stable mutant of DCL3, I developed a system to evaluate the efficiency of CRISPR/Cas9 guides in Medicago. Along the same lines, I also characterized RTL1b, an RNase III enzyme involved in nodule development, symbiosome maintenance, and the regulation of late nodulation genes and NCRs. Unlike its homolog in Arabidopsis thaliana, RTL1b does not appear to function as a silencing suppressor in Medicago, but rather as a regulator independent of siRNA pathways.Finally, by integrating Hi-C, ChIP-Seq, RNA-Seq, and ATAC-Seq data, we demonstrated that nodule differentiation is accompanied by chromatin rearrangements correlated with transcriptional regulation at both the A/B compartment level and chromatin loop formation. Some of these rearrangements depend on bacterial differentiation within the symbiotic cells. Notably, we identified an enhancer-promoter loop between a distal regulatory region of NIN and its proximal promoter, whose formation correlates with NIN expression levels in nodules. Our findings strongly suggest that this loop is positively regulated by cytokinins through the type-B response regulator 3 (RRB3) transcription factor, thereby promoting NIN induction in the root.Together, these findings highlight how epigenetic regulation, through RNase III enzymes and chromatin dynamics, shapes gene expression during rhizobium-legume symbiosis.