Le réchauffement climatique a des effets importants et coûteux sur le climat et la production agricole. Étant sessiles, les plantes ont développé des mécanismes complexes pour percevoir les variations de température et y répondre, ainsi que pour afficher des changements spécifiques dans leur morphologie ou leur développement. Cependant, on sait peu de choses sur le mécanisme de reprogrammation de l'expression génique de la chromatine lors de la réponse de la plante à une température ambiante élevée. Les enzymes de modification de la chromatine nécessitent des produits de métabolisme intermédiaire en tant que substrats ou cofacteurs. Par exemple, les histone acétyltransférases utilisent l’acétyl-CoA en tant que donneur pour l’acétylation de la lysine et les histones déméthylases nécessitent l’a-cétoglutarate (α-KG) en tant que cofacteur. Chez les plantes, l'acétyl-CoA cytosolique est produite par l'ATP-citrate lyase (ACL) et l'α-KG est produite par les isocitrate déshydrogénases (ICDH) par différentes voies métaboliques. Cependant, il reste à déterminer si les fluctuations métaboliques affectent l'activité des enzymes de modification de l'histone et régulent l'expression des gènes lorsque la température ambiante est élevée. Dans ma thèse, j'ai contribué à analyser le rôle des histone désacétylases HDA9, HDA15 et HDA19 d'Arabidopsis dans la réponse thermique des plantes et j'ai étudié l'effet des niveaux d'acétyl-CoA sur l'état d'acétylation des histones chez Arabidopsis et le rôle de la fluctuation de l'α-KG dans le contrôle Activité de la déméthylase JmjC et croissance de la plante et expression génique à température chaude. Dans la première partie de l’étude, des analyses génétiques et moléculaires ont montré que HDA9, HDA15 et HDA19 s’adressent à différents ensembles de gènes et jouent des rôles distincts dans la réponse à la chaleur. D'autre part, nous avons constaté que lorsque le ACL était surexprimé chez les mutants gcn5, le niveau de H3K27ac était augmenté. De plus, la surexpression des ACL complétait partiellement les phénotypes gcn5. Les résultats ont démontré un lien intrinsèque entre les fluctuations de l'acétyl-CoA et les niveaux d'acétylation de l'histone H3K27 chez les plantes. Dans la deuxième partie de ma thèse, nous avons montré que la perte d’ICDH cytosolique entraînait une augmentation des niveaux de H3K4me3 et une augmentation des phénotypes mutants du gène de la déméthylase H3K4me3, JMJ14. Les analyses génétiques ont suggéré que JMJ14 et JMJ15 (une autre déméthylase H3K4me3) fonctionnaient de manière redondante pour réguler l’expression et la croissance de gènes sensibles à la chaleur des plantes et indiquaient que la mutation de cICDH affectait principalement la fonction de JMJ15. Une analyse pangénomique a révélé le rôle essentiel de JMJ14 dans l'établissement de programmes d'activation et de répression géniques de la thermomorphogenèse des plantes. JMJ14 et JMJ15 ont directement réprimé un ensemble de gènes susceptibles de jouer un rôle négatif dans le processus. Les résultats ont montré que la fluctuation des taux de métabolites régulait l'activité de l'histone déméthylase et la réponse des plantes à la chaleur. Pris ensemble, les résultats mettent en évidence l'interaction entre le métabolisme, l'épigénétique et l'adaptation des plantes au changement de l'environnement ambiant. / Global warming is having significant and costly effects on the climate and agricultural production. Being sessile, plants have evolved complex mechanisms to perceive and respond to temperature variation and display specific changes in their morphology or development. However, little is known on the chromatin mechanism of gene expression reprogramming during plant response to elevated ambient temperature. Chromatin modification enzymes require intermediary metabolism products as substrates or cofactors. For example, histone acetyltransferases use acetyl-CoA as a donor for lysine acetylation and histone demethylases require α-ketoglutarate (α-KG) as a cofactor. In plants, cytosolic acetyl-CoA is produced by ATP-citrate lyase (ACL) and α-KG is produced by isocitrate dehydrogenases (ICDH) in different metabolic pathways. However, it remains unclear whether metabolic fluctuation affects the activity of histone modification enzymes and regulates gene expression under elevated ambient temperature. In my thesis, I contributed to analyze the roles of Arabidopsis histone deacetylases HDA9, HDA15, and HDA19 in plant thermal response and I studied the effect of acetyl-CoA levels on histone acetylation status in Arabidopsis and the role of α-KG fluctuation in controlling JmjC demethylase activity and plant growth and gene expression under warm temperature. In the first part of the study, genetic and molecular analysis showed that HDA9, HDA15, and HDA19 target to different sets of genes and play distinct roles in responding to warm temperature. On the other hand, we found that when overexpressed ACL in gcn5 mutants, the H3K27ac level was increased. Additionally, ACL overexpression partially complemented the gcn5 phenotypes. The results demonstrated an intrinsic link between acetyl-CoA fluctuation and histone H3K27 acetylation levels in plants. In the second part of my thesis, we showed that loss of cytosolic ICDH resulted in increased H3K4me3 levels and enhanced mutant phenotypes of the H3K4me3 demethylase gene JMJ14. Genetic analysis suggested that JMJ14 and JMJ15 (another H3K4me3 demethylase) functioned redundantly to regulate plant thermal responsive gene expression and growth and indicated the cICDH mutation mainly affected JMJ15 function. Genome-wide analysis revealed an essential role of JMJ14 in establishing both gene activation and repression programs of plant thermomorphogenesis. JMJ14 and JMJ15 directly repressed a set of genes that are likely to play a negative role in the process. The results provided evidence that the fluctuation of metabolites levels regulates histone demethylase activity and plant response to warm temperature. Taken together, the results highlight the interplay between metabolism, epigenetics and plant adaptation to changing the ambient environment.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2019SACLS474 |
| Date | 22 November 2019 |
| Creators | Cui, Xiaoyun |
| Contributors | Paris Saclay, Zhou, Dao Xiu |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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