Towards the understanding of the epigenetic and transcriptional regulation of sex expression in Cucumis melo
Institution:
université Paris-SaclayDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
In plants, sex determination refers to the developmental process by which the male and female gamete producing structures are spatially separated in the same the plant (monoecy) or in different individuals (dioecy). The Cucurbitaceae family is widely known for its diversity in sexual systems. In the Cucurbitaceaethis process has strong hormonal control, where ethylene acts as a main regulator. Sexual systems such as monoecy suggest the role of epigenetic and transcriptional regulation of sex determination genes (SDGs) for allowing flowers of opposite sex to coexist in the same individual. Accordingly, previous studies in melon have indicated that genes involved in sex determination and flower development are epigenetically regulated via H3K27me3, a histone modification associated with the repression of actively transcribed genes. The purpose of this thesis project is to further elucidate the epigenetic and transcriptional regulation of sex determination in monoecious melon. This project is divided into two main modules, for which we evidenced the roles of epigenetic and transcriptional regulation of SDGs and hormone response genes in the maintenance of monoecy. The first module aims to elucidate the role of some epigenetic regulators in sex determination and flower development. For this module, we carried out a reverse genetic approach in order to identify mutants for LHP1, an important protein involved in the recognition and maintenance of H3K27me3. Through TILLING, we screened an EMS mutant collection for which we were able to identify deleterious mutations for the melon LHP1 homologues, CmLHP1A and CmLHP1B. We evidenced in this study that CmLHP1A and CmLHP1Bcollectively regulate general aspects of development and genome-wide distribution of H3K27me3. Cmlhp1ab double mutant displayed a pleiotropic phenotype, consisting of a reduced apical dominance, curly leafs, reduced overall plant size and interestingly, a general reduction of female:male flower ratio. Through the integration of RNA-seq and H3K27me3 ChIP-seq analyses, we observed that cmlhp1ab displayed an overall loss of H3K27me3 which is significantly correlated with upregulation of genes involved in flower development and hormone responses such PISTILLATA, SEPALLATA 3, 2 and APETALA1, and GH3-like genes. Our results indicate that CmLHP1A and B act as a molecular bridge that connects vegetative with reproductive development and that loss-of-function mutations in these proteins leads to gene expression deregulation that affect not only plant development but the maintenance of sexual systems.The second module aims to characterize the function of EIN3 in sex determination. EIN3, the pivotal transcriptional regulator of the ethylene response, has been identified in a forward genetic approach in which we screened an EMS mutant collection for sexual transitions. Cmein3-1 mutants displayed a partial transition from monoecy to andromonoecy. We confirmed this phenotype in a second mutant allele found through TILLING. Cmein3 mutants also displayed reduced sensitivity to ethylene, thus indicating that the transcriptional response to this hormone is heavily affected in cmein3-1mutants. In order to get insights into the transcriptional cascade mediated by EIN3, we performed DAP-seq analyses to determine the putative genomic targets of EIN3, and RNA-seq to correlate EIN3 binding with gene expression changes in cmein3-1. We evidenced, that cmEIN3 displays a dual role in gene expression, as it can act as an activator and most importantly, as a repressor of transcription. We observed that gene expression deregulation in cmein3-1 is partially associated with a reduction of CmEIN3 affinity to DNA. In the context of sex determination, we observed that CmEIN3 not only mediates transcriptional responses to ethylene but more importantly, the crosstalk between auxin, cytokinin and absicic acid for controlling stamina inhibition.
Abstract FR:
Chez les plantes, le terme « déterminisme sexuel » désigne le processus développemental par lequel les fleurs mâles et femelles se trouvent séparées sur la même plante (monoécie) ou sur des individus différents (dioécie). La famille des Cucurbitaceae compte une grande diversité de systèmes de reproduction. Dans ce processus, fortement sous le contrôle de phytohormones, l’éthylène joue un rôle majeur. Il est probable que des modes de reproduction tels que la monoéciereposent sur l’établissement de programmes d’expression génique différents, grâce à une régulation épigénétique des gènes de déterminisme sexuel (GDS). En accord avec cette hypothèse, nous avons montré que les gènes impliqués dans le déterminisme sexuel et le développement des organes floraux étaient régulés par le dépôt de la marque chromatinienne H3K27me3associée à la répression des gènes. L’objectif de cette thèse est de disséquer les mécanismes épigénétiques et transcriptionnels qui régulent le déterminisme du sexe chez le melon monoique. Ce travail se découpe en deux parties principales, dans lesquelles nous montrerons le rôle de processus épigénétiques ainsi que de la régulation transcriptionnelle des GDS et gènes de réponse hormonale dans le maintien de la monoécie. Dans un premier travail l’objectif a été de découvrir le rôle de H3K27me3 dans le déterminisme sexuel et le développement floral. Pour cela, nous avons utilisé une approche de génétique inverse afin d’isoler des mutants déficients pour la protéine LHP1, un facteur impliqué dans le maintien de la marque H3K27me3. Nous avons criblé une collection de mutants TILLING et avons identifié des mutations pour les deux homologues de LHP1 chez le melon, CmLHP1A et CmLHP1B. Nous avons montré que ces deux protéines régulent ensemble divers aspects du développement, ainsi que la distribution de la marque H3K27me3 sur l’ensemble du génome. Les doubles mutants cmlhp1ab montrent des défauts phénotypiques pléiotropes et de manière intéressante, une diminution de la proportion de fleurs femelles. L’analyse intégrative de données de RNAseq et ChIP-seq H3K27me3 a révélé que les mutants présentent une diminution globale de la marque H3K27me3, ce qui corrèle avec l’induction de gènes impliqués dans le développement floral et la signalisation hormonale tels que PISTILLATA, SEPALLATA 3, 2 et APETALA1, ainsi que les gènes GH3-like. Nos résultats montrent que CmLHP1A et B contrôlent le développement végétatif et reproducteur, et que la perte de fonction de ces protéines induit des perturbations de l’expression du génome qui affectent non seulement le développement de la plante, mais également son système de reproduction.Dans un second travail l’objectif a été de de caractériser la fonction de EIN3 dans le déterminisme du sexe. CmEIN3, un homologue du régulateur central de la réponse transcriptionnelle à l’éthylène, a été identifié par un crible génétique visant à identifier des mutants présentant des perturbations du déterminisme sexuel dans une population de mutants EMS. Les mutants cmein3-1 présentent une transition partielle de la monoécie vers l’andromonoécie. Nous avons identifié les gènes cibles potentiels de EIN3, en réalisant des expériences de DAP-seq et croisé ces résultats avec des données de RNAseq obtenues dans le mutant cmein3, afin de corréler la fixation de EIN3 à une activation ou une répression de ses cibles. C’est ainsi que EIN3 peut fonctionner aussi bien comme un activateur que comme un répresseur de la transcription tout en observant que changements d’expression des gènes observés chez les mutants cmein3-1 corrèlent en partie avec une perte d’affinité de la protéine mutée pour l’ADN. Dans le contexte du déterminisme du sexe, nous avons pu montrer que CmEIN3 ne contrôle pas seulement la réponse transcriptionnelle à l’éthylène, mais également les interactions entre les voies de signalisation par les auxines, les cytokinines et l’acide abscissique afin d’inhiber le développement des étamines.