Cette étude vise à explorer les mécanismes de tolérance des plantes aux xénobiotiques organiques de la famille des HAPs (phénanthrène), à travers l’analyse de l’impact des évènements de spéciation par hybridation et duplication génomique (allopolyploïdie). Nous avons pour cela mené une approche comparative sur un modèle de spéciation allopolyploïde récente, constitué des espèces parentales hexaploïdes S. alterniflora et S. maritima, et de l’allopolyploïde S. anglica qui résulte de la duplication du génome de leur hybride F1 S. x townsendii. Une approche intégrative basée sur des analyses physiologiques et moléculaires nous a permis de montrer que chez Spartina l’hybridation et le doublement du génome augmentent la tolérance aux xénobiotiques. Le parent paternel S. maritima se montre particulièrement sensible au phénanthrène par rapport au parent maternel S. alterniflora. Différentes analyses transcriptomiques ont permis l’identification de novo de transcrits spécifiquement exprimés en condition de stress, et l’annotation des petits ARNs (miARNs, leurs gènes cibles, et siARNs) agissant en tant que régulateurs de l’expression des gènes et la régulation des éléments transposables. Les analyses d’expression différentielle en réponse au stress ont permis de générer un modèle de régulation (miARN/gènes cibles) en réponse aux HAPs, testé par validation fonctionnelle en système hétérologue chez Arabidopsis. Un travail exploratoire de profilage du microbiome de la rhizosphère des spartines exposées au phénanthrène a été réalisé pour préciser les mécanismes de dégradation des xénobiotiques dans l’environnement en vue d’une application dans les stratégies de remédiation verte. / We explored mechanisms involved in tolerance to organic xenobiotics belonging to PAHs (phenanthrene), in the context of allopolyploid speciation (hybrid genome duplication). We developed a comparative approach, using a recent allopolyploidization model including the hexaploid parental species S. alterniflora and S. maritima, and the allopolyploid S. anglica, which resulted from genome doubling of the F1 hybrid S. x townsendii. Integrative approach based on physiological and molecular analyses highlights that hybridization and genome doubling enhance tolerance to xenobiotics in Spartina. The paternal parent S. maritima exhibits higher sensitivity compared to the maternal parent S. alterniflora. Various transcriptomic analyses were performed, to identify de novo stress responsive transcripts, and to annotate small RNAs (miRNAs, their target genes, and siRNAs) involved in gene expression and transposable element regulations. Differential expression analyses in response to stress allowed us to develop a putative miRNA regulatory network (miRNA/target genes) in response to PAH, functionally validated in Arabidopsis as heterologous system. An exploratory profiling of Spartina rhizosphere microbiome exposed to phenanthrene was also performed to characterize environmental degradation abilities, in the perspective of optimizing green remediation strategies.

Abstract: Recent advances in Next-Generation Sequencing protocols have opened a variety of ways to generate data. However, each newly developed methodology is most suited to represent a certain phenomenon or molecule. The object of this analysis is to identify the most appropriate way to generate and process data to study the snoRNAs, or small nucleolar RNA. Recently, snoRNAs have been revealed as taking part in a variety of unexpected alternative functions such as splicing, resistance to oxidative shock and chromatin unwinding. Finding a method to generate and treat a large quantity of data containing snoRNAs and their potential interactors could highlight some of their unexplored roles within the cell. To tackle the problem, a new protocol was put forward. This new pipeline relies on a reverse transcriptase isolated from a bacterial group II intron which boasts a better representation of structured small RNAs such as tRNAs and snoRNAs. Indeed, when compared to data created by using the standard small RNA preparation protocol, the sequencing data generated through the group II intron retrotranscriptase gives a much fairer representation. These improvements are also present in the bioinformatics pipeline. The workflow was changed to facilitate the detection of ncRNAs. These modifications rescue millions of reads, further increasing the power of the analysis. Ultimately, such corrections increase the predictive power of sequencing data. / Des avancées récentes dans le domaine du séquençage de prochaine génération ont ouvert une panoplie de façons de générer des données. Toutefois, chaque nouvelle méthode dévelopée est souvent appropriée à la caractérisation d’un seul type de phénomène ou de molécules. L’objectif de cette analyse est d’identifier la manière la plus appropriée de générer et traiter les données pour étudier les petits ARNs nucléolaires, snoRNAs. Récemment, ceux-ci ont été révélés comme des acteurs dans une variété de fonctions alternatives comme l’épissage alternatif, la résistance au choc oxidatif et l’état de la chromatine. Il est donc impératif de trouver une méthode qui puisse traiter une large quantité de données contenant les snoRNAs et leurs intéracteurs pour découvrir les rôles encore inexplorés des snoRNAs. Dans cette optique, un nouveau protocole a été élaboré. Cette nouvelle suite d’analyses s’appuie sur une reverse transcriptase isolée d’un intron de groupe II bactérien qui affiche une meilleure représentation des petits ARNs structurés comme les tRNAs et les snoRNAs. En effet, quand les données générées à travers la méthode de préparation des libraries pour petits ARNs standard est comparée à celle basée sur la reverse transcriptase bactérienne, cette dernière donne une meilleure représentation du compte des espèces. Ces avancées sont aussi présentes dans la méthode d’analyse informatique. La suite d’outils a été modifiée afin de permettre une meilleure détection des petits ARN non-codants. Ces modifications permettent de récupérer des millions de lectures par ensemble de données ce qui augmente le pouvoir prédictif de l’analyse.

Chez tous les eucaryotes, la régulation de l’expression génique est primordiale pour le contrôle du cycle cellulaire. Un large éventail de gènes, incluant des régulateurs essentiels du cycle, mais aussi d’autre gènes impliqués dans la transduction du signal, la régulation hormonale et le métabolisme sont ainsi exprimé à certaines phases du cycle. Ces changements sont contrôlés à de multiples niveaux, notamment de façon transcriptionnelle et post-traductionnelle. Chez les mammifères, il est aujourd’hui évident que les micro ARNs contribuent à cette régulation en ciblant spécifiquement les transcrits d’un grand nombre de gènes régulés au cours du cycle. Cependant, nous n’avons que très peu d’informations à ce jour concernant le rôle des petits ARNs sur le contrôle de la prolifération cellulaire chez les plantes. Mes travaux de thèse ont permis de démontrer que la perte d’AGO1 affecte la prolifération cellulaire et l’activité du méristème racinaire. Nous avons également séquencé les transcrits, les petits ARNs et le dégradome à partir de cellules BY-2 synchronisées afin de déterminer le répertoire et la fonction des petit ARNs au cours du cycle cellulaire. / In all eukaryotes, regulated gene expression is key to orchestrate cell cycle progression. Not only genes encoding important core cell cycle regulators, but also genes of a variety of other factors involved in signal transduction, hormonal regulation and metabolic control are expressed at specific time points of the cell cycle. These changes in gene expression are controlled at multiple levels, including transcriptional and post-translational controls. In mammals, it became evident that microRNAs contribute to this regulation by targeting the transcripts of numerous cell cycle-regulated genes. However, in plants we still know little about the regulatory roles of small RNAs in the control of cell proliferation. During my thesis, I showed that depletion of Arabidopsis AGO1 impairs cell proliferation and root meristem activity. To further determine the repertoire and role of sRNAs in cell cycle regulation, we thus sequenced total RNAs and small RNAs, AGO1-associated small RNAs and the RNA degradome of synchronized BY2 cells at S-, G2-, M- and G1-phases of the cell cycle.

Chez les bactéries à Gram-négatif, l’imperméabilité de la membrane externe est un facteur majeur contribuant au développement de la résistance. Chez Escherichia coli, les porines OmpF et OmpC sont des protéines de la membrane externe qui forment des canaux pour la diffusion de petites molécules hydrophiles tels que les antibiotiques. L’expression des porines est soumise à une régulation fine, et des petits ARN non-codants (sRNAs, small RNAs) jouent un rôle important au niveau post-transcriptionnel. Dans ce cadre, et en utilisant E. coli comme bactérie modèle, les objectifs de mon travail de thèse étaient : (1) de caractériser la régulation du sRNA MicC et la co-régulation putative de la porine quiescente OmpN; (2) d’examiner l'effet global de MicC sur le transcriptome; (3) d’analyser l'impact de l'expression de MicC sur la sensibilité aux antibiotiques. Les résultats obtenus montrent l’induction de MicC en présence d'antibiotiques de la famille des β-lactamines, ou en l’absence du facteur sigma de réponse au stress de l’enveloppe sigmaE. Ces mêmes conditions activent aussi l'activité d'une fusion ompN-lacZ, indiquant une régulation transcriptionnelle commune de micC et ompN. Etant donnée la conservation de MicC chez les entérobactéries, nous avons effectué une étude par RNASeq pour déterminer l'impact de la surexpression de MicC sur le transcriptome d’E. coli et identifié 60 ARNm régulés par MicC en plus de sa cible initiale ompC. L'identification des spectres cibles globaux des sRNAs est importante pour comprendre leur importance dans la physiologie bactérienne, ici celui de MicC dans la résistance aux antibiotiques. / A major factor contributing to antimicrobial resistance is the inability of antibiotics to penetrate the bacterial outer membrane to reach their target. In Escherichia coli, the two abundantly expressed porins OmpF and OmpC form channels for diffusion of small hydrophilic molecules including antibiotics. The expression of porins is under complex regulation and the small regulatory RNAs (sRNAs) fine tune the porin expression level at post-transcriptional level. MicF and MicC are the two major sRNAs that negatively regulate expression of OmpF and OmpC, respectively. Interestingly, these two sRNAs are encoded next to porin gene, i.e. micF-ompC and micC-ompN, suggesting a dual regulation. Our goals in this work were: (1) to characterize the regulation of the sRNA MicC and the putative co-regulation of the quiescent porin OmpN in E. coli; (2) to examine the global effect of MicC on the E. coli transcriptome; (3) to analyze the impact of MicC expression on antibiotic susceptibility. Our work shows that the expression of micC was increased in the presence of carbapenems and cephalosporins and in an rpoE depleted mutant. The same conditions enhanced the expression of OmpN, suggesting a dual regulation of micC and ompN. We also performed RNA sequencing to determine the impact of MicC overexpression on E. coli transcriptome. This identified 60 mRNA targets negatively regulated by MicC apart from its original target. Identification of the global target spectra of MicC is of importance to understand its importance on the overall bacterial physiology, and more specifically on AMR.

Le haricot commun est la légumineuse à graine la plus consommée au monde en alimentation humaine. Le génome du haricot possède plusieurs énormes clusters de gènes de résistance (R) qui ont la particularité de se cartographier en extrémité de groupes de liaison. Le génome du haricot commun (génotype Andin G19833) a été récemment séquencé et nous avons participé à ce projet en annotant la famille des NB-LRR (NL), classe prépondérante des gènes de résistance. Ces données génomiques nous ont permis de réaliser les 3 études suivantes. (i) L’identification des bases moléculaires de Co-x un gène R vis-à-vis d’une souche très virulente de C. lindemuthianum chez JaloEEP558 a été initiée. La cartographie fine de Co-x suivie du séquençage de la région cible chez JaloEEP558 (Co-x) a permis d’identifier un gène candidat codant une kinase atypique qui pourrait être la cible d’un effecteur fongique, gardée par un gène R. (ii) Des études récentes ont mis en évidence l’implication de petits ARNs (miRNAs induisant la production de phased siRNAs) dans la régulation de l’expression des NL. Le séquençage et l’analyse de banques de sRNAs de haricot nous ont permis d’identifier ce mécanisme et de mettre le doigt sur un nouveau mécanisme de régulation des NL impliquant des sRNAs de 24 nt. (iii) Des ADN satellites ont été étudiés à l’échelle du génome du haricot. L’étude des centromères de haricot a permis de mettre en évidence l’existence de 2 ADN satellites différents, Nazca et CentPv2. Nous avons également étudié un ADN satellite subtélomérique khipu précédemment identifié au niveau de 2 clusters de gènes R du haricot. L’étude de khipu à l’échelle du génome suggère l’existence d’échanges fréquents de séquences entre subtélomères de chromosomes non homologues. Ces résultats nous ont amenés à proposer que des éléments structuraux et une combinaison de mécanismes de régulation (TGS et PTGS) permettent la prolifération des NL sans effet néfaste pour la plante, conduisant à l’obtention de très gros clusters de NL dans le génome du haricot. / Common bean is the main source of protein for human consumption in many developing countries. Several huge disease resistance (R) gene clusters have been mapped at the end of common bean linkage groups. The common bean genome (Andean genotype G19833) has recently been sequenced. Access to the complete genome sequence of common bean allowed us to annotate the Nucleotide Binding-Leucine Rich Repeat (NL) encoding gene family, the prevalent class of disease R genes in plants, and to perform the 3 following studies: (i) We have investigated the molecular basis of Co-x, an anthracnose R gene to a highly virulent strain of C. lindemuthianum, previously identified in the Andean cultivar JaloEEP558. Fine mapping of Co-x and sequencing of the target region in JaloEEP558, allowed us to identify a candidate gene encoding an atypical kinase. We hypothesised that this atypical kinase is a fungal effector target. (ii) Several recent studies have highlighted the role of small RNA (miRNAs that triggered phased siRNAs production) in the regulating of NL gene expression. Analyses of small RNAs libraries of common bean led to the identification of this mechanism in common bean and also allowed us to propose a new NL regulation pathway involving 24 nt sRNAs. (iii) We have studied centromeric and subtelomeric satellite DNAs at common bean genome level. We have identified 2 different satellite DNAs in common bean centromeres, Nazca and CentPv2. We have also conducted the analyze of the subtelomeric satellite khipu, previously identified in common bean R clusters and confirmed that frequent sequence exchange occurs between non-homologous chromosome ends in common bean genome. Together, these results led us to propose that both structural elements and a combination of regulatory mechanisms (TGS, PTGS) allow the amplification of NL sequences without detrimental effect for the plant leading to the large NL clusters observed in common bean.