Caractérisation des régulations post-transcriptionnelles intervenant lors de la formation des cellules géantes induites par les nématodes à galles

Characterization of the post-transcriptional regulations involved in the formation of giant cells induced by root-knot nematode

• Auteur / Autrice : Yara Noureddine
• Direction : Bruno Favery, Stéphanie Jaubert-Possamai
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Côte d’Azur (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Sophia Agrobiotech (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Paola Furla
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paola Furla, Nicolas Bouché, Maria Manzanares-Dauleux, Christine Lelandais-Brière, Sébastien Thomine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Bouché, Maria Manzanares-Dauleux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Galles (botanique)

Arabidopsis thaliana

Tomates

Meloidogyne

MicroARN

Mots clés libres

MicroARN

Nématodes à galles

Tomate

Arabidopsis thaliana

Galles

MicroRNAs

Root-knot nematodes

Tomato

Arabidopsis thaliana

Galls

Résumé

Les nématodes à galles, du genre Meloidogyne, sont des vers microscopiques parasites des plantes qui infectent les racines de plus de 5 000 espèces de plantes et causent des pertes de rendement massives. Ces nématodes induisent la formation de galles en induisant la dédifférenciation de cellules racinaires en cellules nourricières géantes. La formation des cellules nourricières peut être divisée en deux phases : des mitoses successives sans cytokinèse au cours des dix premiers jours après infection (jai) puis de 10 à 21 jai, une phase d’endoreduplication et de forte croissance cellulaire. La formation de ces cellules est le résultat d'une reprogrammation massive de l'expression génique dans les cellules racinaires ciblées, comme le montrent les analyses transcriptomiques de galles. L’objectif de ma thèse était d’étudier des petits ARN non codants, les microARN, qui sont des régulateurs clés de l'expression génique chez les eucaryotes. Ces microARN agissent en induisant la dégradation ou l'inhibition de la traduction des ARN messagers (ARNm) ciblés. Au cours de ma thèse, le séquençage des petits ARN de galles de tomate induites par le nématode Meloidogyne incognita et de racines non infectés a permis d’identifier 174 microARN qui sont différentiellement exprimés dans les galles à 7 et/ou 14 jai. Les ARNm ciblés par les microARN dans ces galles ont été identifiés en intégrant les données de séquençage des microARN avec les données de transcriptome et d'un séquençage spécifique des ARNm clivés appelé dégradome. Cette analyse intégrative a permis la construction d’un réseau de régulation de l’expression génique agissant lors de la formation des cellules nourricières chez la tomate. Trois familles de microARN, miR167, miR398 et miR408, ont été sélectionnées pour les analyses fonctionnelles. La famille miR167 ciblent les transcrits d’ARF8A et ARF8B, codant des facteurs de réponse à l'auxine appartiennent à la voie de signalisation de l'auxine, un régulateur majeur dans l'interaction plante-nématode. En utilisant des lignées de tomates exprimant les deux promoteurs ARF8 fusionnés au gène rapporteur GUS, nous avons montré une forte activité des deux promoteurs dans les galles à 7 et 14 jai, confirmant les analyses transcriptomiques. Nous avons analysé l'effet d'une délétion CRISPR au sein des séquences codantes ARF8A et ARF8B sur l'infection par M. incognita. Ces deux lignées présentent une résistance accrue à l'infection en raison de défauts de formation des cellules nourricières. L'ensemble des résultats a montré que l'expression d'ARF8A et d’ARF8B est nécessaire pour la formation des cellules nourricières. Les familles de microARN conservées, miR398 et miR408, sont surexprimées dans les galles de tomate et d'Arabidopsis thaliana. Ces microARN et leurs cibles sont impliqués dans la signalisation du cuivre. Lors de carence en cuivre, l'expression des gènes MiR398 et MIR408 est activée par le facteur de transcription SPL7, réprimant alors l'expression de gènes codant des protéines liant le cuivre non essentiel au développement des plantes. En utilisant des lignées d’A. thaliana exprimant une fusion transcriptionnelle avec le gène GUS, nous avons montré que MIR408 et SPL7 étaient exprimés dans des cellules nourricières. Des tests d'infection réalisés avec des mutants mir408 et spl7, ou des lignées exprimant des cibles mutées résistantes au clivage par miR398 ont montré une résistance accrue de ces lignées aux nématodes. L'apport de sulfate de cuivre, à une concentration inférieure aux concentrations toxiques, a induit une forte résistance à l'infection. L’ensemble de ces résultats montrent le rôle de l’homéostasie du cuivre dans la formation de cellules géantes via le module SPL7, miR408 et miR398. Pour conclure, les travaux présentés dans ce travail de thèse démontrent le rôle de ces trois familles de microARN et de leurs cibles dans la formation de cellules nourricières géantes induites par les nématodes.

Root-knot nematodes (RKN), genus Meloidogyne, are microscopic plant parasitic worms which infect roots of more than 5 000 cultivated plant species and cause massive crop yield losses worldwide. Within host root, RKN induce the formation of root galls by inducing the dedifferentiation of root vascular cells into giant and multinucleated feeding cells. The formation of feeding cells can be split into two phases: successive nuclear divisions during the first ten days post infection (dpi), then from 10 to 21 dpi feeding cells nuclei undergo extensive endoreduplication and plant growth. These feeding cells supply water and nutrients essential for nematode development. The formation of these feeding cells is the result of an extensive reprogramming of gene expression in targeted root cells as shown by transcriptome analyses. However, few data are available on the regulation of gene expression in these structures. The objective of my PhD thesis was to study small non-coding RNAs, microRNAs, that are key regulators of gene expression. microRNAs act at the post-transcriptional level by inducing the degradation or inhibition of the translation of targeted messenger RNAs (mRNAs). During my PhD thesis, sequencing of small RNAs from tomato (Solanum lycopersicum) galls induced by Meloidogyne incognita RKN and uninfected roots identified 174 microRNAs that are differentially expressed in galls at 7 and/or 14 dpi. mRNAs targeted by microRNAs in tomato galls were then identified by integrating microRNA sequencing data with data from transcriptome analysis and from a specific sequencing of cleaved mRNAs named degradome approach. This integrative analysis built a microRNA-gene regulatory network acting during the formation of galls and feeding cells in tomato roots. Three microRNAs families, miR167, miR398 and miR408, were selected for functional analyses. MiR167 family targets the auxin-response factors ARF8A and ARF8B. These ARFs belong to auxin signaling pathway, a key hormone in plant-RKN interaction. Using tomato lines expressing the two ARF8 promoters fused to GUS reporter gene, I showed a strong activity of both ARF8 promoters in galls at 7 and 14 dpi, confirming the transcriptomic analyzes. Moreover, we analyzed the effect of a CRISPR deletion within ARF8A and ARF8B coding sequences on the infection by M. incognita. Both CRISPR lines showed a significantly increased resistance to nematode infection correlated with defects in feeding cell formation. Altogether, these result showed that ARF8A and ARF8B expression is required for successful tomato-RKN interaction. The two conserved microRNA families, miR398 and miR408, are upregulated in tomato and Arabidopsis thaliana galls. miR398 and miR408 and their targets have been previously described to be involved in the copper signaling pathway. MIR398 and MIR408 expression is activated in response to copper starvation by the SPL7 transcription factor and mature miR398 and miR408 repress expression of genes encoding copper binding proteins non-essential for plant development. By using Arabidopsis lines expressing transcriptional fusion with GUS reporter gene, I showed that both MIR408 and SPL7 were expressed within nematode induced feeding cells. Moreover, infection assays with mir408 and spl7 mutants or lines expressing mutated targets resistant for miR398 cleavage showed an increased resistance of these lines to nematode infection. Finally, watering plants with copper sulfate, at concentration below toxic concentrations for the plants or for the nematodes, induced a strong resistance to nematode infection. Altogether, these results demonstrate the role of the copper signaling through activation of miR398 and miR408 by SPL7 in the formation of giant feeding cells. To conclude, the work presented in this thesis demonstrates the important role of three microRNAs families and their targets in the formation of nematode-induced feeding cells.