Variations épigénétiques transgénérationnelles

Les plantes ont la capacité de mémoriser des changements environnementaux en les intégrant sous forme d’information épigénétique (méthylation des cytosines de l’ADN, incorporation ou éviction de différents types d’histones, modifications post-traductionnelles d’histones).
Les stresses, biotiques ou abiotiques, peuvent induire des modulations de l’épigénome. Cependant, les mécanismes de transmission à la descendance, c’est à dire à travers la méiose, d’un nouvel état épigénomique, restent encore à être élucidés. En effet, à ce jour, aucune étude n’a pu démontrer clairement que des épiallèles (allèles épigénétiques) pouvaient être induits en réponse au stress, puis transmis de façon stable aux générations suivantes. Paradoxalement, les nouvelles méthodes d’analyses à hauts débits ont dévoilé les paysages épigénétiques de différentes espèces de plantes, révélant une très grande variabilité épigénétique naturelle. Il est également connu que certains épiallèles, retrouvés dans des populations naturelles de plantes, peuvent être transmis sur de très nombreuses générations (Linaria vulgaris). Néanmoins, les épiallèles naturels identifiés jusqu’à présent restent encore trop peu nombreux pour en décrire les mécanismes fins de mise en place et de maintien transgénérationnel. D’un point de vue fondamental, il est donc désormais indispensable de déterminer la contribution de l’héritabilité épigénétique aux processus évolutifs et à l’importante variabilité phénotypique observée chez les organismes photosynthétiques. De plus, il est également important de considérer que les mécanismes de mémoire transgénérationnelle induits par un signal environnemental peuvent varier chez les organismes photosynthétiques ayant différentes stratégies de vie, différents habitats.
Dans ce contexte, les acteurs de l’axe thématique « Variations épigénétiques transgénérationnnelles » chercheront à identifier les mécanismes moléculaires d’établissement, de maintien et d’héritabilité transgénérationnelle des marques épigénétiques afin de comprendre leurs contributions dans les réponses adaptatives et lors de l’évolution. Ces connaissances sur cette nouvelle forme de variabilité pourront également être exploitées à des fins d’amélioration variétale.

Pour se faire, il faudra d’abord caractériser la dynamique de mobilisation des marques épigénétiques en réponse à des stress environnementaux, et en particulier ceux qui tendent à impacter significativement le développement. La grande flexibilité de cette dynamique (modifications rapides et réversibles) lui donne un potentiel adaptatif très important. Il faudra également déterminer dans quelle mesure ces marques sont héritables et en particulier, si elles peuvent représenter une source supplémentaire de variation pour la sélection qu’elle soit naturelle ou à intérêt agronomique offrant donc une alternative intéressante aux transgènes.

L’axe thématique « Variations épigénétiques trangénérationnelles » s’attachera à intensifier les recherches pour mieux comprendre ces mécanismes fondamentaux.

Les questions principales adressées sont :

• Quels sont les mécanismes qui permettent l’acquisition et la maintenance de la variabilité épigénétique ?
• Quels sont les signaux perçus par les plantes qui peuvent induire des changements épigénétiques héritables et stables ?
• Quel est le rôle des éléments transposables dans l’induction et la maintenance des changements épigénétiques ?
• Peut-on manipuler la mémoire épigénétique en réponse à un stress dans le but de créer des épivariants plus résistants ?

Les nombreuses ressources génétiques sont disponibles chez les partenaires du GDR. Elles permettent de combiner des approches génétiques classiques avec des analyses moléculaires et phénotypiques très performantes. Le développement permanent d’outils d’analyses de données de séquençage à haut débit et de traitement d’images pour le phénotypage sont des points cruciaux qui aideront à lever la majorité des verrous scientifiques de cet axe thématique.

L’identification de profiles épigénomiques allèle-spécifiques, l’analyse de la chronologie de leur mise en place et de leur influence fonctionnelle permettront de décrypter finement les mécanismes d’acquisition de la variabilité épigénétique.

Les mécanismes d’établissement et de contrôle dynamique des profiles de méthylation de l’ADN seront également étudiés. Ce mécanisme régule la capacité transcriptionnelle des éléments transposables et des séquences répétées. En empêchant la remobilisation des éléments transposables, la méthylation de l’ADN a un rôle majeur dans la protection de la stabilité du génome, en liaison avec les ARN non codants mais aussi avec les voies de réparation de l’ADN.
La méthylation de l’ADN joue également un rôle régulateur, encore peu exploré, sur l’expression des gènes voisins ou sur l’établissement de frontières entre domaines hétérochromatiniens (riches en éléments transposables et répressifs à la transcription) et domaines euchromatiniens (riches en gènes). Différents partenaires du GDR se focaliseront sur les mécanismes permettant le relâchement de la répression d’éléments transposables.

Les plantes modèles telles qu’Arabidopsis thaliana ont permis de faire de très grands progrès dans la compréhension des mécanismes contrôlant le dépôt des marques épigénétiques ainsi que pour décrire les différents états de la chromatine. D’un côté il est donc important de poursuivre l’étude des mécanismes moléculaires régulant la mémoire épigénétique transgénérationnelle chez cette plante modèle. Mais d’autre part, il est crucial d’élargir ces études à des espèces possédant des organisations génomiques plus complexes et qui représentent la majorité des plantes d’intérêt agronomique. En effet, les partenaires du GDR développent leurs recherches sur des modèles expérimentaux variés tels que les arbres fruitiers, les fleurs, la vigne, les légumineuses, les céréales, les légumes, les diatomées. Isoler de nouveaux épiallèles, comprendre dans quels contextes ils sont générés, déterminer s’ils sont stablement transmis aux cours des générations, sont donc à la fois des questions de recherche fondamentale, mais aussi d’intérêt agronomique.

L’interconnexion de ces 3 axes thématiques souligne la complexité des mécanismes épigénétiques et démontre que la force du GRD résidera dans sa capacité à catalyser des interactions synergiques inter-équipes afin de lever les verrous scientifiques.
Pour animer et fédérer de manière pertinente ces thématiques, le comité de direction et le conseil scientifique mettront en place plusieurs actions intra- et inter-axes sous forme d’ateliers et d’appels annuels.
Le recensement des différents modèles d’études et des techniques expérimentales déjà maîtrisées au sein des équipes constituant le GDR sera un point fort pour initier ces actions.