京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第19757号 / 農博第2153号 / 新制||農||1038(附属図書館) / 学位論文||H28||N4973(農学部図書室) / 32793 / 京都大学大学院農学研究科農学専攻 / (主査)教授 土井 元章, 教授 奥本 裕, 准教授 田尾 龍太郎 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

Le PTGS (post-transcriptional gene silencing) est un mécanisme de défense qui cible les acides nucléiques invasifs d’origines endogènes (transposons) ou exogènes (pathogènes, transgènes). Des mutations dans les gènes JMJ14 et NAC52 ont été isolées lors d’un crible génétique visant à identifier des mutants déficients en PTGS. JMJ14 code une histone déméthylase ciblant la lysine 4 bi- ou tri-méthylée de l’histone H3, tandis que NAC52 code un facteur de transcription. Ces deux protéines forment un complexe qui régule la transcription de centaines de gènes endogènes. Toutefois, le rôle de ce complexe chromatinien dans l’expression des transgènes et surtout dans le PTGS reste incompris. JMJ14 interagit avec NAC52 mais aussi avec une protéine de type guanine exchange factor de la famille RCC1. Des mutations dans l’un ou l’autre des membres du complexe RCC1-JMJ14-NAC52 réduisent la transcription des transgènes. JMJ14 se fixe au promoteur de façon indépendante de NAC52, tandis que NAC52 a besoin de JMJ14 pour se fixer à la région transcrite. Toutefois, JMJ14 et NAC52 ne semblent pas requis pour la transcription proprement dite. En effet, un niveau normal de transcription est restauré chez le double mutant jmj14 drm2, indiquant que le rôle du complexe RCC1-JMJ14-NAC52 semble être d’empêcher la méthylation de novo du promoteur par DRM2.L’effet des mutations jmj14 et nac52 sur la transcription des transgènes ne peut expliquer leur effet sur certaines formes de PTGS. En effet, les mutations jmj14 et nac52 n’affectent pas le PTGS induit constitutivement. Par contre, elles empêchent la systémie du PTGS induit localement. Des mutations dans le gène SPCL45 codant une Serine Carboxy Peptidase-Like qui interagit avec NAC52, mais pas JMJ14, ont le même effet. En revanche, la mutation rcc1 n’affecte pas la systémie du PTGS, suggérant que c’est au sein d’un complexe JMJ14-NAC2-SPCL45 que JMJ14 et NAC52 contrôlent le PTGS systémique. Ce complexe pourrait agir directement sur la chromatine du transgène pour permettre d’enclencher le PTGS en réponse à la perception du signal systémique, ou indirectement en contrôlant l’expression d’un gène endogène codant une protéine régulant la systémie du PTGS. Afin de mieux comprendre le rôle de JMJ14 dans la systémie du PTGS, un crible génétique visant à isoler des suppresseurs de la mutation jmj14 a été réalisé. Seize mutants correspondants à sept gènes codant des protéines ayant un rapport avec la chromatine et une action antagoniste à JMJ14 ont été caractérisés. Les mutations dans ces sept gènes pourraient supprimer l’effet de jmj14 en augmentant la transcription du transgène cible et donc la quantité du signal systémique de PTGS. Un 17ème mutant pourrait quant à lui affecter qualitativement le signal systémique de PTGS ou la perception du signal dans les cellules qui le reçoivent. Le gène correspondant reste à identifier. / Post-transcriptional gene silencing (PTGS) is a defense mechanism that targets invading nucleic acids from endogenous (transposons) or exogenous (pathogens, transgenes) origins. Mutations in JMJ14 and NAC52 have been retrieved from a genetic screen aiming to identify PTGS deficient mutants. JMJ14 encodes an histone demethylase targeting the bi- or tri-methylated lysine 4 of histone H3, while NAC52 encodes a transcription factor. Both act in a complex that regulates the transcription of hundreds endogenous genes. However, the function of this chromatin complex in transgene expression and in PTGS is not known. JMJ14 interacts with NAC52 but also with a guanine exchange factor of the RCC1 family. Mutations in any member of the RCC1-JMJ14-NAC52 complex reduce transgene transcription. JMJ14 binds to the transgene promoter independently of NAC52, whereas NAC52 requires JMJ14 to bind on the transcribed region. However, JMJ14 and NAC52 do not seem to be required for transcription itself. Indeed, a wild-type level of transcription is restored in the jmj14 drm2 double mutant, suggesting that the complex RCC1-JMJ14-NAC52 prevents de novo DNA methylation of the promoter by DRM2. The effects of jmj14 and nac52 mutations on transgene transcription cannot explain their specific effect on some forms of PTGS. Indeed, jmj14 and nac52 do not affect constitutively-induced PTGS, but prevent the systemic spreading of locally-induced PTGS. Mutations in SCPL45, encoding a Serine-Carboxy Peptidase-Like that interacts with NAC52, but not JMJ14, have the same effect. In contrast, rcc1 does not affect the systemic PTGS, suggesting that a JMJ14-NAC52-SCPL45 complex is involved in the control of systemic PTGS. This complex could act directly on transgene chromatin to trigger PTGS in response to the PTGS signal, or indirectly by controlling the expression of an endogenous gene encoding a protein regulating systemic PTGS. To better understand the function of JMJ14 in systemic PTGS, a genetic screen aiming to identify suppressors of jmj14 have been performed. Sixteen mutants corresponding to seven genes encoding proteins related to chromatin and having an antagonist function to JMJ14, have been characterized. Mutations in theses seven genes could suppress jmj14 by increasing transgene transcription and consequently the quantity of the PTGS systemic signal. A seventeenth mutant could have a qualitative effect on the PTGS systemic signal or could affect the perception of this signal in recipient cells. The corresponding gene remains to identify.

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A functional water-conducting system, the tracheary elements of the xylem, is required to sustain plant growth and development. Tracheary element formation is dependent on many biological processes terminated by programmed cell death and cellular autolysis. The final two processes are probably dependent on the activity of hydrolytic enzymes such as XCP1 and XCP2 known to be expressed in tracheary elements during these final two processes. Thus, the transcriptional regulation of XCP1 and the function of XCP2 were investigated. Qualitative and quantitative assessments of GUS activity as directed by various fragments of the XCP1 promoter showed that a 237-bp internal region was able to drive GUS expression in a tracheary element-specific manner in Arabidopsis. A 25-bp deletion at the 3' end of this region abolished GUS expression. The 237-bp region served as bait in a yeast one-hybrid analysis. Screening of yeast colonies retrieved 109 putative positive interactions, which included a potential transcriptional regulator, indole acetic acid-induced protein 8 (IAA8). An auxin responsive element that potentially binds auxin responsive transcription factors was found within the 25-bp deletion. Cis-elements were predicted by Genomatix and Athamap computer programs. The cis-elements form pyrimidine and gibberellic acid responsive elements that can potentially bind Dof and Myb transcription factors, respectively. In an independent effort, attempts to develop a mapping population to isolate upstream regulators of XCP1 expression did not succeed. Functionally, tracheary element-specific expression of XCP2 in Arabidopsis suggested a specialized role for XCP2 in final phases of tracheary element differentiation. The function of XCP2 was assessed using T-DNA insertional mutants, post-transcriptional gene silencing, and through tracheary element-specific expression of the cysteine protease inhibitor, soyacystatin N in Arabidopsis. Our findings revealed that the absence of XCP2 expression due to T-DNA insertional mutagenesis did not affect plant growth and development in the laboratory. Soyacystatin N was an effective in vitro inhibitor of cysteine proteases. Plants expressing 35S-driven cytosolic form of soyacystatin exhibited stunting and reduced apical dominance. Plants expressing pXCP1-driven cytosolic soyacystatin did not differ from wild type plants. Additionally, transgenic plants expressing pXCP1- and 35S-directed XCP2-double-stranded RNA for the silencing of XCP2 showed no unusual phenotypes compared to their wild type counterparts / Ph. D.

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.

L'extinction post-transcriptionnelle de gènes ou PTGS (Posttranscriptional Gene Silencing) est un phénomène hautement conservé à travers l'évolution. Retrouvé chez des organismes allant des champignons aux vertébrés, ce système reconnaît spécifiquement les molécules de RNA double brin (db) et les dégrade en fragments de 21-23 nt. Chez les plantes, le PTGS pourrait défendre l'organisme contre les infections virales. En réponse à ce mécanisme de défense, un certain nombre de virus codent pour des protéines capables de supprimer le PTGS. Ces protéines dites "suppresseurs" de PTGS, comme les protéines HCPro des potyvirus et 2b des cucumovirus, ne partagent aucune homologie de séquence ni de structure et jouent des rôles différents dans le cycle de multiplication virale. Les résultats obtenus et décrits dans ce mémoire ont permis l'identification et la caractérisation de nouvelles protéines virales impliquées dans la suppression du PTGS, ceci afin de mieux cerner les mécanismes de suppression. Ainsi, nous avons montré que les protéines P15 et P14 de deux virus apparentés, le PCV (Peanut Clump Virus) et le BNYVV (Beet Necrotic Yellow Vein Virus) sont des suppresseurs de PTGS aux propriétés distinctes. En effet, la protéine P15 se localise dans les peroxysomes et semble être active sous une forme multimérique ; quant à la protéine P14, elle se localise dans le cytoplasme et le nucléole et supprime plus faiblement le PTGS. Par ailleurs, nous avons également découvert que la protéine P0 du BWYV (Beet Western Yellows Virus) est un suppresseur de PTGS très efficace hors de son contexte viral. De manière surprenante, son expression est fortement régulée par le virus au cours de l'infection. Enfin, nous avons confirmé que la protéine P0 jouait un rôle de protection du virus contre le PTGS grâce à l'utilisation de plantes transgéniques exprimant la protéine mineure de capside du BWYV. Ce virus déclenche sur ces plantes un PTGS dirigé contre le transgène, sans être affecté.

Chez la vigne, les gibbérellines activent le débourrement des bourgeons latents et stimulent la formation de vrilles mais contrairement à Arabidopsis, celles-ci semblent inhiber la formation d'inflorescences. Par ailleurs, comme la floraison de la vigne n'est pas sensible à la photopériode,on peut se demander si l'orthologue du gène FT (VvFT) a tout de même un rôle intégrateur au niveau des feuilles et s'il active l'expression de l'orthologue du gène LFY (VFL). Dans la première partie de ma thèse, nous avons conduit une analyse moléculaire avec un matériel original : un porte-greffe 41 B transformé avec une construction contenant le gène VvFT sous contrôle du promoteur 35S et une plante dérivée du Pinot Meunier, portant une mutation dans le gène GA-INSENSITIVE (GAl). Notre étude montre que les gibbérellines ou/et le gène VvFT activent les gènes de floraison comme VFL. mais avec des réponses très différentes entre la vrille, les bourgeons latents et les inflorescences.Dans la seconde partie de ma thèse, nous nous sommes intéressés au silencing. Nous avons produit des plantes transgéniques de la lignée PN40024 contenant soit le gène codant la GFP, soit une construction tige-boucle GF-FG, soit les deux. Les cals embryogènes transgéniques GFP et GFP+GF-FG sont fluorescents. Par contre, nous avons observé une disparition totale de la fluorescence chez ces PN40024 GFP+GF-FG, dès l'apparition des premières feuilles et chez la plante entière. L'étude moléculaire a mis en évidence des petits ARNs de 21 nt et 24nt produits à partir de la construction tige-boucle GF-FG. Des petits ARNs secondaires de 21 nt produit à partir de la séquence de la GFP ont été également été détectés. / In grapevine, gibberellins activate latent bud and stimulate the formation of tendrils but in contrast to Arabidopsis, they appear to inhibit the formation of inflorescences. Moreover, as the flowering of the grapevine is not sensitive ta photoperiod, one might wonder whether the ortholog of the FTgene (VvFT) still has an integrative raie in leaves and it activates the expression of the ortholog ofLFY gene (VFL). ln the first part of my thesis, we conducted a molecular analysis with original material: a rootstock 41 B transformed with a construct containing the VvFT gene under the control of the 35S promoter and a derivative of the plant Pinot Meunier, carrying a mutation in the GA-INSENSITIVE gene (GAl). Our study shows that gibberellins and 1 or the gene VvFT activate genes in flowering as a VFL, but with very different responses between the tendril, latent buds and inflorescences.ln the second part of my thesis, we are interested in silencing. We produced transgenic plants of the PN40024 which line containing either the gene encoding GFP, a stem-loop structure GF-FG, orbath. The embryogenic callus transgenic GFP and GFP + GF-FG fluoresce. We observed acomplete disappearance of fluorescence in PN40024 GFP + GF-FG, from the first leaves appear and in the whole plant Molecular analysis revealed small RNAs of 21 nt and 24nt produced from the stem-loop structure GF-FG. Small secondary 21 nt RNAs produced from the sequence of the GFP were also detected.

The aim of this work was to identify potential mRNA targets of PTGS triggered by viroid-derived small RNAs (vsRNAs) in PSTVd-infected tomato plants (S. lycopersicum L.). We selected 47 possible gene targets using data provided by Prof. Dr. Steger (Heinrich Heine Universität, Düsseldorf, Germany) - the list of 1633 possible target mRNAs from tomato based on vsRNA:mRNA duplex prediction. The vsRNA sequences were obtained by Illumina sequencing of small RNA libraries from healthy and PSTVd-infected tomato plants. By qRT-PCR analysis we identified 6 genes with significantly altered levels of mRNA in PSTVd-infected tomato plants: CUL1 (protein ubiquitination), ERF4 (transcription factor of abiotic stress signalling pathway), H/ACA1 (rRNA pseudouridylation), NPH3 (transcription factor of fototropic signalling pathway), Sl-MYB (transcription factor regulating leaf development) and TCP3 (transcription factor regulating leaf development). The binary vector pLV07 with inserted expression cassette containing coding sequence of Sl-MYB was prepared for experiments in ?leaf factory? system in N. benthamiana plants. Expression analyses in ?leaf factory? system after 1,5 DPI using qRT-PCR and RNA blots revealed strong inhibition of expression of Sl-MYB in leaf sectors infiltrated with severe PSTVd AS1 strain, while mild PSTVd QFA strain showed minimal change in expression comparing to control sectors. Moreover, the overexpression of Sl-MYB in leaf sectors resulted in development of necroses after 2,5-3 DPI, in presence of silencing suppressor p19 after 2 DPI. The development of necroses was largely inhibited in PSTVd AS1-infiltrated leaf sectors in comparison with PSTVd QFA- and control-infiltrated sectors.

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RNA interference (RNAi) is one of the key mechanisms that are involved in many biological processes such as control of plant gene expression, influence on chromatin arrangement or providing protection against invasive DNA or RNA transposons, viruses and transgenes. In plants, RNAi is triggered by double stranded RNA (dsRNA) that is cleaved by DICER LIKE (DCL) proteins to small RNAs (sRNAs). The size of these sRNAs is in range of 21 - 24 nucleotides (nt). Small RNA acts in the place of origin and they are also a mobile signal which in plants can move to a short distance through plasmodesmata and to a long distance trough phloem. sRNA and Argonaute (AGO) protein form RNA-induced silencing complex (RISC). Together, they recognize the target RNA molecule and contribute to an efficient RNAi phase which may be exhibited by gene silencing at posttranscriptional level (PTGS) or transcriptional level (TGS). The purpose of this study was to compare the effects of silencing constructs, witch in a controlled way differently trigger RNAi directed against the expression of the GFP reporter gene in the model organism Arabidopsis thaliana. Silencing constructs were placed under an inducible promoter activated by the presence of 17-β-estradiol (XVE system). They differed in the way of the dsRNA formation and in the...