Régulation épigénétique et mémoire des stress en lien avec le métabolisme du carbone chez la vigne

Abstract

Le dépérissement de la vigne entraîne un déclin progressif et à long terme de la productivité de la plante, conduisant à sa mort prématurée. Peu de choses sont connues sur les processus déclenchant la transition de la plante d'un état sain à un état dépérissant. Certains paramètres comme la composition du sol, les attaques de pathogènes et les maladies du bois sont déjà étudiés, mais aucun travail ne s’est intéressé à l’implication des régulations épigénétiques dans le processus de dépérissement. L'épigénétique fait référence à des changements héréditaires ou stables de l'expression des gènes, n’impliquant pas de modification de la séquence d'ADN. La méthylation de l'ADN fait partie des mécanismes régulant ces changements. Dynamique, ce processus est médié par des enzymes spécifiques qui ajoutent ou suppriment un résidu méthyl sur le 5eme carbone des cytosines. Il peut entraîner une modification de l'expression des gènes ainsi que des modifications phénotypiques stables et héréditaires. La méthylation de l'ADN dépend de la présence de précurseurs métaboliques fournis par le métabolisme à 1-carbone, dont la disponibilité est conditionnée par l’état métabolique de la cellule. En utilisant la vigne comme modèle, cette thèse vise à caractériser les mécanismes épigénétiques qui sous-tendent les réponses et la mémoire de la limitation en carbone au cours des années, et leurs conséquences sur le phénotype de la plante. Nous avons étudié la réponse à court terme de la limitation en carbone sur culture cellulaire hétérotrophe de vigne via une approche multi-omique en comparant le comportement des cellules avec une disponibilité en sucre élevée et limitée. Les résultats indiquent qu'une limitation en carbone affecte considérablement la croissance et le métabolisme des cellules ainsi qu’une reprogrammation massive du transcriptome et de la méthylation de l'ADN. Des gènes présentant à la fois des changements de méthylation et une expression différentielle ont été identifiés. L’analyse des conséquences à long terme des perturbations du métabolisme carboné des plantes a été faite en appliquant différents ratios feuille/fruit (3 ou 12 feuilles par grappe) à des vignes en serres, pendant 4 années consécutives de manière à limiter leur capacité photosynthétique. Les phénotypes des plantes, l'état métabolique, le transcriptome et les profils de méthylation de l'ADN ont été évalués chaque année au début de la saison de croissance, sur les feuilles nouvellement formées dans le but de mesurer les conséquences du traitement effectué l'année précédente. La réduction sévère de la canopée appliquée à une population de plantes en apparence homogène a déclenché des réponses phénotypiques distinctes. La moitié des plantes stressées a été incapacle de produire des fruits pendant 2 ans après le traitement. L’autre moitié a subi trois années d'effeuillages répétés, conduisant à une diminution progressive de la croissance végétative, du rendement et à une inhibition de la maturation des baies. L'analyse du transcriptome et du méthylome au fil des années ont montré que (1) la réponse des plantes à l'effeuillage sévère dépend de l'état initial de la plante, (2) parmi tous les facteurs analysés, seuls les profils de méthylation de l'ADN ont permis de séparer les plantes ayant des phénotypes différents avant tout traitement, (3) l'effeuillage impacte les profils d'expression des gènes au cours de la saison suivante, (4) une partie des profils de méthylation de l'ADN liés au stress sont maintenu même après une année de récupération, (5) un stress répété entraîne une accumulation progressive des changements de méthylation de l'ADN au fil des années. Ce travail, qui est le premier chez la vigne à intégrer la régulation de la mémoire épigénétique à une description métabolique transcriptomique et phénotypiques des plantes, suggère que l’état épigénétique initial de la plante joue un rôle important dans la réponse au stress, ici, la limitation en carbone.