Les plantes disposent de mécanismes rapides d'adaptation de leur physiologie et de leur développement à des conditions environnementales changeantes. Leur mise en œuvre dépend largement d’une capacité de reprogrammation de l'expression des gènes qui implique généralement des changements continus de l'épigénome. Chez de nombreux organismes, différentes voies d’enlèvement de la monoubiquitination de l’histone H2B (H2Bub) participent d'une part à faciliter la transcription des gènes par l'ARN polymérase II et d'autre part à éviter l'établissement d'un état permissif à la transcription par enlèvement de domaines enrichis en H2Bub sur des régions répétées telles que les séquences télomériques. Cette thèse a porté sur l’étude des voies régulant la marque chromatinienne H2Bub chez les plantes, dont la connaissance des mécanismes de contrôle dynamique est très fragmentaire. Une nouvelle ubiquitine protéase de l'espèce Arabidopsis thaliana a été identifiée comme étant un homologue fonctionnel de Ubp8, une protéine associée à l'élongation de la transcription au sein d'un module de déubiquitination d'H2Bub du complexe SAGA chez S. cerevisiae. L'identification et la caractérisation fonctionnelle de trois composants de ce module chez A. thaliana a révélé qu'il agit sur des milliers de gènes, suggérant son implication dans des mécanismes basaux de la transcription. Dans une seconde partie, il a été observé que l'abondance de deux sous-unités de ce module est régulée au cours de la photomorphogenèse par DET1, un acteur central de la signalisation de la lumière. Cette transition développementale permet l'adaptation du métabolisme et de la morphologie de la plante en réponse à la première exposition à la lumière, notamment via l'établissement de l'activité photosynthétique. La régulation post-traductionnelle du module de déubiquitination de l'histone H2B pourrait permettre d'ajuster son activité aux changements d'activité transcriptionnelle de la cellule au cours de cette transition. Une approche génétique a également permis d'identifier une redondance fonctionnelle partielle entre l'activité du module de déubiquitination et UBP26, une seconde déubiquitinase d'H2Bub connue pour son implication dans la répression des gènes PHERES1 et FLC par une activité Polycomb ainsi que de certains éléments transposables. Ces analyses ont permis de révéler une influence positive de UBP26 sur l'établissement d'un état répressif à la transcription sur des centaines de gènes et également dans certains contextes hétérochromatiniens. Collectivement, ce travail a permis de disséquer les spécificités et les redondances fonctionnelles de deux voies de déubiquitination de l'histone H2B portées par des complexes protéiques distincts. / Plants utilize rapid mechanisms to adapt their physiology and development to changing environments. Their triggering depends greatly on gene expression reprogramming leading to important changes in the epigenome. In numerous organisms, different pathways remove monoubiquitination of histone H2B (H2Bub) to facilitate gene transcription by RNA polymerase II, with H2Bub removal on repeated genomic regions, such as telomeres, prohibiting establishment of a transcription permissive state. This thesis aims to better characterize the pathways that regulate the chromatin mark H2Bub in plants. A new ubiquitin protease from Arabidopsis thaliana was identified as a potential homolog of Ubp8, a protein associated with transcription elongation within a deubiquitination module of the SAGA complex in S. cerevisiae. Identification and functional characterization of the three components of the deubiquitination module in A. thaliana reveals its action on thousands of genes, suggesting a role in basal transcription mechanism. Secondly, it was shown that the quantity of two subunits from this module is regulated during photomorphogenesis by DET1, a central protein involved in light signaling. This developmental transition allows adaptation of metabolism and morphology of the plant in response to the first light exposure, notably during photosynthesis establishment. The post-translational regulation of the histone H2Bub deubiquitination module may allow its adjustment to changes in cell transcription needs during this transition. A genetic approach identified a partial functional redundancy between the deubiquitination module activity and UBP26, a second H2Bub deubiquitinase known to repress the genes PHERES1 and FLC by a Polycomb activity and certain transposable elements. These analyses revealed a positive influence from UBP26 on establishing a repressive transcriptional state on hundreds of genes and on some heterochromatinian contexts. Collectively, this work dissected specificities and functional redundancies of two H2Bub deubiquitination pathways driven by distinct protein complexes.

Les états chromatiniens peuvent être étudiés à l’échelle des unités transcriptionnelles par des approches moléculaires ou à l'échelle plus globale de l'hétérochromatine structurée au sein de chromocentres par des approches cytogénétiques. Ces deux niveaux d’organisation de la chromatine sont dynamiques et influencent l'ensemble des processus nucléaires. L’objectif de cette thèse était d'avancer la compréhension des dynamiques chromatiniennes à ces deux échelles chez la plante modèle Arabidopsis thaliana, en se focalisant sur une transition développementale majeure, la photomorphogenèse. Le processus de dé-étiolement implique la reprogrammation de l’expression de centaines de gènes en réponse à la lumière, constituant ainsi un excellent modèle d'étude. La première partie des travaux montre que la reprogrammation de l’expression du génome au cours de la photomorphogenèse est associée à des dynamiques de l’hétérochromatine qui sont régulés de façon différentielles dans les hypocotyles et les cotylédons. Ces dynamiques à grande échelle ont des conséquences localement, car les états décompactés sont associés à la réactivation d'éléments hétérochromatiniens répétés. Dans une deuxième partie, le répresseur transcriptionnel DE-ETIOLATED-1 (DET1) a été utilisé afin de rechercher l'implication de régulateurs de la photomorphogenèse dans les mécanismes chromatiniens. Ce répresseur majeur de la photomorphogenèse peut lier l'histone H2B et influence le niveau global de sa modification par mono-ubiquitination (H2Bub). Dans le cadre de ma thèse, j'ai révélé d'une part l’existence d’interactions génétiques entre DET1 et les gènes contrôlant l’homéostasie de H2Bub et d'autre part un défaut de la régulation chromatinienne des variants des gènes ribosomiques 5S et 45S dans le mutant det1-1. L’ensemble de ces données permet de proposer un modèle impliquant DET1 dans la régulation de H2Bub de façon différentielle dans l’euchromatine et l’hétérochromatine, constituant ainsi le premier lien entre régulateurs de la photomorphogenèse et modifications des histones. La marque H2Bub étant directement liée à l'activité transcriptionnelle chez divers eucaryotes, l'impact de H2Bub sur l'expression des gènes durant la photomorphogenèse a été analysé. La combinaison d’approches épigénomiques et transcriptomiques a permis de montrer que le gain de H2Bub est associé à l’induction des gènes. L’utilisation du mutant hub1 dans lequel le dépôt de H2Bub est aboli a également permis de révéler le rôle de cette marque pour une régulation rapide de l’induction et de la répression de nombreux gènes. De façon générale, ce travail a révélé des dynamiques chromatiniennes impliquant des réorganisations massives au niveau cytologique ainsi que des variations fines des modifications d'histones au niveau des gènes de l'euchromatine, ainsi que le rôle de DET1 dans la régulation de ces processus. Il ouvre donc la voie à l'étude des connections entre ces deux échelles de dynamiques pour la régulation de l'activité transcriptionnelle, liant compartimentation nucléaire et activité des gènes dans le contexte global de la réponse aux signaux lumineux. / Chromatin states can be studied both at the level of individual transcriptional units by molecular approaches or at the larger scale of heterochromatin by cytogenetic approaches. These two levels of chromatin organization are dynamic and influence all nuclear processes. The objective was to enhance the understanding of chromatin dynamics at these two scales in the model plant Arabidopsis thaliana, focusing on a major developmental transition, photomorphogenesis. The process of de-etiolation involves the reprogramming of the expression of hundreds of genes in response to the perception of light therefore constituting an excellent experimental system. The first part of the work shows that reprogramming of genome expression during photomorphogenesis is associated with heterochromatin dynamics that is differentially regulated in the hypocotyls and the cotyledons. These widespread dynamics have local consequences, as the decompacted states are associated with reactivation of heterochromatic repeat elements. In the second part, the transcriptional repressor DE-ETIOLATED-1 (DET1) was used to investigate the involvement of photomorphogenesis regulators in chromatin mechanisms. This major repressor of photomorphogenesis can bind histone H2B and influences the overall level of mono-ubiquitinated H2B (H2Bub). As part of my thesis, I uncovered the existence of genetic interactions between DET1 and the genes controlling H2Bub homeostasis and also a defect in the regulation of the chromatin around the 45S and 5S ribosomal genes in the mutant det1-1. These data have led me to propose a model involving DET1 in the differential regulation of H2Bub in heterochromatin and euchromatin, thus constituting for the first time a link between photomorphogenesis regulators and histone modifications. Because the H2Bub mark has been directly linked to transcriptional activity in a diverse range of eukaryotes, I analysed the impact of H2Bub on gene expression during photomorphogenesis in the third part of my thesis. The combination of transcriptomic and epigenomic approaches showed that the gain of H2Bub is associated with gene induction. The use of a hub1 mutant in which H2Bub deposition is abolished also revealed the role of this mark for the rapid control of many genes. In general terms, this work has revealed both dynamic chromatin changes that result in major genome reorganizations at the cytological scale and fine variations of histone modifications on euchromatic genes, as well as the role of DET1 in regulating these changes. My study paves the way for further studies on the connections between these two scales of dynamics and their function in the nuclear localization and changes in expression of genes in the overall context of light signaling.

Les plantes sont des organismes sessiles qui présentent plusieurs caractéristiques leur permettant de s'adapter rapidement aux variations de conditions environnementales. En particulier la lumière représente une source d’information essentielle utilisée tout au long du cycle de vie pour ajuster leur développement. Cette thèse avait pour objet l’étude de l’impact des mécanismes chromatiniens dans la régulation de l’expression des gènes pouvant influencer l’adaptabilité des plantes aux variations de signaux lumineux, à travers deux types de réponses caractérisées par des échelles de temps différentes chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. La première étude portait sur des processus chromatiniens dynamiques participant à la régulation de l’expression génique, et utilisait comme modèle le dé‐étiolement. La triméthylation de la lysine 4 de l’histone H3 (H3K4me3), une modification posttraductionnelle généralement associée à un état transcriptionnel actif a été plus particulièrement étudiée. Afin de mieux connaître cette voie, le gène SWD2‐Like b (S2Lb) a été caractérisé. Il s’agit d’un nouveau partenaire de complexes COMPASS‐like et un déterminant important du niveau global de H3K4me3. L’analyse de plantes dans lesquelles ce gène est inactivé a montré qu’un défaut d’accumulation de H3K4me3 corrélait avec une induction plus faible de gènes de réponse à la lumière au cours du dé‐étiolement. Ces résultats et les nouveaux outils obtenus constituent une base solide pour étudier l’influence de cette marque et des facteurs associés sur la modulation fine de l’expression génique en relation avec d’autres marques chromatiniennes. La seconde étude cherchait à déterminer l’impact des variations épigénétiques sur la capacité des plantes à induire un syndrome d’évitement de l’ombre, une réponse adaptative à des conditions de lumière défavorables produites par des compétiteurs. Un phénotypage à grande échelle dans deux conditions de lumière induisant des réponses opposées a été réalisé sur une population de lignées recombinantes inbred (epiRIL), dans laquelle les variations épigénétiques (méthylation de l’ADN) sont maximisées mais les variations de séquence nucléotidique sont minimes. Une plus grande variation phénotypique ainsi qu’une plus grande amplitude dans la capacité de réponse à l’ombre ont été observées dans la population epiRIL. De plus, une cartographie QTL a permis d’identifier une région au début du chromosome 3 spécifiquement associée à la réponse d’évitement de l’ombre. Bien qu’une caractérisation plus fine soit nécessaire, le locus impliqué pourrait correspondre à une première description de QTL « épigénétique » influençant la plasticité phénotypique des plantes en réponse à une variation des conditions de l’environnement. / Plants are sessile organisms that successfully face variations of the environment by taking advantage of their ability to adapt their physiology and morphology. In particular, light perception constitutes an essential source of information used throughout their life cycle to fine‐tune development. The work presented was aimed at studying the role of chromatin‐associated mechanisms on adaptive responses to light cues at two different timescales in the model plant species Arabidopsis thaliana. In a first part, the role of chromatin dynamics in the regulation of gene expression was assessed during de‐etiolation, a developmental transition of seedlings that is triggered upon the first perception of light. It focused mainly on the trimethylation of histone H3 at lysine 4 (H3K4me3), a post‐translational modification associated with transcriptionally active states. To gain new insights into this pathway, the SWD2‐Like b (S2Lb) gene was characterized and shown to represent a new partner of plant COMPASS‐like complexes and a major determinant of H3K4me3 in A.thaliana. Loss‐of‐function plant lines for the S2Lb gene revealed that a default in H3K4me3 enrichment correlates with impaired inducibility of several light‐responsive genes during de‐etiolation. The findings described here set the bases to investigating how this mark and the associated factors influence the modulation of gene expression in relation with other chromatin marks. The second part of this thesis was aimed at assessing the impact of epigenetic variation on the capacity of plants to undergo the shade‐avoidance response (SAR), an adaptive developmental response to unfavorable light conditions produced by competitors. A population of epigenetic Recombinant Inbred Lines (epiRILs), in which epigenetic variation (DNA cytosine methylation) is maximized and nucleotidic sequence variation is minimized, was used for a large‐scale phenotyping under two light conditions triggering opposite responses. The epiRIL population exhibited larger amplitude of phenotypic variation than wild‐type parents in each condition as well as a wider range of response to shade. A region at the beginning of chromosome 3 was identified by QTL mapping to specifically associate to the SAR. Though it remains to be characterized, the locus involved may represent a first “epigenetic QTL” influencing phenotypic plasticity in response to environmental changes.

L'agriculture verticale en bâtiment est un nouveau mode de production innovant en pleine expansion. Elle permet de recréer des conditions optimales de culture et a comme avantage d'augmenter la productivité et la qualité des légumes produits. Aux vues de l'importance de la lumière dans le processus de photosynthèse et du coût économique relié à l'éclairage artificiel en agriculture verticale, l'objectif de cette étude était d'établir une stratégie d'éclairage artificiel pour la production de légumes-feuilles biologiques en production verticale en milieu contrôlé. Plus précisément, d'identifier l'effet de l'intégrale d'énergie lumineuse journalière (IEJ), soit la photopériode par la densité de flux photonique photosynthétique (DFPP), du fractionnement de la photopériode, de l'utilisation d'une phase de faible intensité lumineuse en remplacement de la phase nocturne et de la composition spectrale sur la performance agronomique et la qualité de verdurettes. Trois séries d'expériences ont été réalisées ; la première portait sur l'étude de la photopériode et de l'intensité lumineuse sur la croissance de légumes-feuilles jusqu'au stade adulte, la seconde étudiait le fractionnement de la photopériode sur 12 espèces ou cultivars de verdurettes au stade juvénile et la troisième, réalisée en milieu commercial à la ferme l'Abri Végétal, évaluait l'impact de la qualité spectrale sur les mêmes 12 espèces ou cultivars de verdurettes. Cette étude a démontré que la fragmentation et l'allongement de la photopériode à 20-h par jour par rapport à une photopériode conventionnelle de 18 h pour une même IEJ a permis d'augmenter de 20 à 23 % la productivité des verdurettes cultivées, et ce, sans causer de désordres physiologiques. L'effet de la phase de faible intensité lumineuse, correspondant au point de compensation lumineux, sur les légumes-feuilles au stade adulte et verdurette n'a toutefois pas augmenté la productivité. Les réponses des légumes-feuilles au stade adulte et juvénile ont été spécifiques à l'espèce ou cultivar.

Les génomes nucléaires eucaryotes sont empaquetés au sein d’une structure nucléoprotéique appelée chromatine et dont l’unité fondamentale est le nucléosome. Celui-ci est composé d’un octamère d’histones, contenant deux molécules de chacune des histones H2A, H2B, H3 et H4, autour duquel 147 pb d’ADN sont enroulées. Les modifications post-traductionnelles (PTMs) des histones et de l’ADN (méthylation des cytosines) constituent des marqueurs épigénomiques primaires qui participent à la régulation et au contrôle de l’accessibilité des différentes régions du génome. Ainsi, la chromatine forme une structure dynamique influencée par les changements environnementaux et développementaux et contribue à orchestrer diverses fonctions du génome. L’objectif principal de ma thèse était de caractériser l’organisation spatiale et la dynamique temporelle des états chromatiniens chez Arabidopsis par des approches à l’échelle du génome permettant l’étude des profils de méthylation de l’ADN et d’un ensemble de modifications post-traductionnelles des histones. La méthylation de l’ADN, une marque caractéristique de l’inactivation épigénétique et de l’hétérochromatine chez les plantes et les mammifères, est largement confinée aux séquences répétées, dont les éléments transposables (TEs). Par mon travail de thèse, j’ai montré que chez Arabidopsis les séquences de TEs faiblement méthylées ou non associées à des petits ARN interférents (siRNAs), donc potentiellement non régulées par la machinerie de RNA-directed DNA methylation (RdDM), peuvent acquérir une méthylation de l’ADN par diffusion à partir de séquences adjacentes ciblées par les siRNAs. Cette diffusion de la méthylation de l’ADN sur des régions promotrices pourrait expliquer, au moins en partie, l’impact négatif des TEs associés à des siRNAs sur l’expression des gènes à proximité immédiate. Dans une seconde partie de ma thèse, j’ai contribué à l’analyse intégrée de la méthylation de l’ADN et de onze modifications des histones. L’utilisation d’analyses combinatoires et en cluster m’a permis de montrer que l’épigénome d’Arabidopsis présente des principes simples d’organisation. En effet, ces analyses nous ont conduit à distinguer quatre états fondamentaux de la chromatine chez Arabidopsis, préférentiellement associés aux gènes actifs, aux gènes inactifs, aux TEs et aux régions intergéniques. Dans une troisième partie, j’ai intégré des données épigénomiques et transcriptomiques obtenues à différents temps afin d’étudier les dynamiques temporelles des états chromatiniens en réponse à un stimulus externe, la première exposition à la lumière des plantules suite à la germination. Ces travaux nous ont permis de montrer que la monoubiquitination de l’histone H2B participe à la modulation fine et sélective des changements rapides de l’expression de gènes. L’ensemble du travail présenté contribue à une meilleure compréhension de l’organisation de la chromatine le long du génome des plantes et de la dynamique des états chromatiniens en réponse aux changements de l’environnement. / Eukaryotic genomes are packed into the confines of the nucleus through a nucleoproteic structure called chromatin. Chromatin is a dynamic structure that can respond to developmental or environmental cues to regulate and orchestrate the functions of the genome. The fundamental unit of chromatin, the nucleosome, consists of a protein octamer, which contains two molecules of each of the core histone proteins (H2A, H2B, H3, H4), around which 147 bp of DNA is wrapped. The post-translational modifications (PTMs) of histones and methylation of the cytosine residues in DNA (DNA methylation) constitute primary epigenomic markers that dynamically alter the interaction of DNA with nucleosomes and participate in the regulation and control access to the underlying DNA. The main objective of my thesis was to understand the spatial and temporal dynamics of chromatin states in Arabidopsis by investigating on a genome-wide scale, patterns of DNA methylation and a set of well-characterized histone post-translational modifications. DNA methylation, a hallmark of epigenetic inactivation and heterochromatin in both plants and mammals, is largely confined to transposable elements and other repeat sequences. I show in this thesis that in Arabidopsis, methylated TE sequences having no or few matching siRNAs, and therefore unlikely to be targeted by the RNA-directed DNA methylation (RdDM) machinery, acquire DNA methylation through spreading from adjacent siRNA-targeted regions. Further, I propose that this spreading of DNA methylation through promoter regions can explain, at least in part, the negative impact of siRNA-targeted TE sequences on neighbouring gene expression. In a second part, I have contributed to integrative analysis of DNA methylation and eleven histone PTMs. I have shown through combinatorial and cluster analysis that the Arabidopsis epigenome shows simple principles of organisation and can be distinguished into four primary types of chromatin that preferentially index active genes, repressed genes, TEs, and intergenic regions. Finally, in a third part, I integrated epigenomics with transcriptome data at three different time points in a developmental window to investigate the temporal dynamics of chromatin states in response to an external stimulus. This used the light-induced transcriptional response as a paradigm to assess the impact of histone H2B monoubiquitination (H2Bub), and showed that this PTM is associated with active transcription and implicated in the selective fine-tuning of gene expression. Taken together, the work presented here contributes significantly to our understanding of the spatial organisation of chromatin states in plants, its dynamic nature and how it can contribute to allow plants to respond to a signal from the environment.

Si les gymnospermes, les mousses, ou encore les algues vertes sont capables de verdir à l'obscurité, ce n'est pas le cas des angiospermes. Chez ces derniers, la voie de biosynthèse de la chlorophylle est bloquée au niveau de la pénultième étape qui correspond à la réduction de la protochlorophyllide en chlorophyllide. Cette réaction est catalysée par la NADPH : protochlorophyllide oxydoréductase (POR) dont l'activité est strictement dépendante de la lumière. Chez Arabidopsis thaliana, trois isoformes, PORA, PORB et PORC, ont été identifiées. Nous avons décidé d'étudier de façon systématique l'expression de ces gènes au cours du développement d'Arabidopsis thaliana. Nos résultats confirment que l'expression des gènes POR est soumise à un contrôle par la lumière. Alors que les protéines PORA et PORB sont principalement exprimées à l'obscurité, PORB et PORC sont les formes majoritaires dans les tissus photosynthétiques à la lumière. Cependant un taux faible mais non nul de transcrit PORA ainsi que de la protéine correspondante a été détecté à la lumière au cours du développement de la plante. Cette donnée pose donc la question du rôle éventuel de la protéine PORA au delà de la skotomorphogenèse.Nous avons entrepris la caractérisation de mutants porA, le rôle de cette protéine n'ayant été déduit qu'à partir d'études indirectes jusqu'à ce jour. Un allèle nul a été identifié qui présente un phénotype complexe. Nous avons cherché à caractériser les anomalies photosynthétiques dont il est l'objet. Par ailleurs, nous avons construit un double mutant porA porB. Son étude parallèlement à celle du simple mutant porA, nous a permis de confirmer la redondance fonctionnelle des protéines PORA et PORB dans l'établissement des corps prolamellaires des cotylédons de la plante étiolée. Ces études suggèrent également un rôle photoprotecteur pour la protéine PORA.