Thèse Révéler l'Étendue et la Diversité de la Transmission Épigénétique Transgénérationnelle à l'Échelle de l'Espèce Arabidopsis Thaliana H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Ecole normale supérieure - PSL École doctorale : Sciences du Vivant Laboratoire de recherche : Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure Direction de la thèse : Pierre BADUEL ORCID 0000000293382962 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-10T23:59:59 Les éléments transposables (ET) sont des composants ubiquitaires des génomes eucaryotes et sont réprimés par des mécanismes épigénétiques tels que la méthylation de l'ADN chez les plantes et les mammifères. Contrairement aux mammifères, les plantes ne subissent pas de reprogrammation extensive de la méthylation de l'ADN au cours de la reproduction, ce qui ouvre la possibilité à des changements, spontanés ou induits, de la méthylation de l'ADN des ET d'être hérités sous forme d'épiallèles, indépendamment de la séquence d'ADN sous-jacente. Ce processus, connu sous le nom d'héritage épigénétique transgénérationnel (ou TEI pour transgenerational epigenetic inheritance), peut influencer de manière significative des traits liés à la valeur sélective (fitness), tels que le temps de floraison et le développement des fruits.
Grâce à de larges ressources génomiques et génétiques et à une compréhension approfondie des voies moléculaires impliquées dans la méthylation de l'ADN des ET, la plante modèle Arabidopsis thaliana a été centrale pour étudier la signification biologique de la TEI indépendamment des polymorphismes de la séquence d'ADN. En particulier, la mutation du remodeleur de la chromatine DECREASE IN DNA METHYLATION 1 (DDM1), qui est nécessaire au maintien de la méthylation de l'ADN sur les ET, induit une perte de méthylation des ET à l'échelle du génome. Une grande fraction de cette perte peut ensuite être héritée sous forme d'épiallèles (c'est-à-dire indépendamment de la mutation ddm1). Cependant, les connaissances actuelles sur la TEI restent principalement basées sur l'unique souche de référence d'A. thaliana, un biais méthodologique qui exclut de facto une vaste partie de la diversité épigénétique naturelle présente dans l'espèce.
Pour surmonter cette limitation et révéler tout le potentiel de variation épiallélique au sein de l'espèce, le doctorant ou la doctorante déploiera une stratégie CRISPR-Cas9 établie pour assembler un panel de mutants ddm1 dans 20 souches naturelles d'A. thaliana représentatives de fonds génétiques variés. Après la caractérisation des génomes et des méthylomes mutants à l'aide d'assemblages de génomes de novo basés sur le séquençage à lectures longues Oxford Nanopore (ONT), une analyse d'expression allèle-spécifique dans des épihybrides F1 sera employée pour identifier les gènes régulés par des épiallèles héritables. Le doctorant ou la doctorante s'appuiera ensuite sur les données génomiques et épigénomiques existantes du projet 1001GenomesPlus ainsi que sur des lignées recombinantes pures (RILs) pour évaluer l'occurrence d'épivariants naturels à ces locus, et leur héritabilité indépendamment des polymorphismes de la séquence d'ADN. Une manipulation épigénétique ciblée permettra une déméthylation précise pour établir des liens causaux entre les épiallèles spécifiques identifiés et des processus biologiques tels que le succès reproducteur ou la réponse au stress. Enfin, l'étude analysera la dynamique évolutive et utilisera des études d'association à l'échelle du génome (GWAS) pour identifier les modificateurs génétiques qui contrôlent la persistance et la récurrence des épiallèles dans la nature. En fin de compte, ce travail vise à apporter des avancées majeures dans la compréhension de la contribution de la variation épigénétique à l'adaptation et à l'évolution des plantes. Transposable elements (TEs) are ubiquitous in eukaryotic genomes and are typically silenced by epigenetic mechanisms, including DNA methylation in plants and mammals. Unlike mammals, plants do not undergo extensive DNA methylation reprogramming during reproduction (1), allowing induced or spontaneous changes in DNA methylation over TE sequences to be inherited across generations as epialleles. This phenomenon, known as transgenerational epigenetic inheritance (TEI), can significantly impact fitness traits such as flowering time and fruit development (2).
Although undisputed in plants (3), TEI and its biological significance remain poorly understood , in large part due to the difficulty of studying it independently from DNA sequence polymorphisms (4). Arabidopsis thaliana offers a way forward however, thanks to several key resources and the deep understanding developed in this model species of the molecular players involved in DNA methylation of TEs. In particular, the chromatin remodeler DDM1 (DECREASE IN DNA METHYLATION 1), was shown to be pivotal for the maintenance of methylation at the CG, CHG and CHH (where H=A,C,T) sites of TEs by allowing DNA methyltransferases access to heterochromatin (5). The mutation of DDM1 therefore induces loss of DNA methylation over TEs genome-wide, a large fraction of which can then be stably inherited in the absence of the mutation (6-8).
Despite these significant inroads, our current understanding of TEI is largely 'reference-centric,' relying on a single reference strain of Arabidopsis thaliana. This methodological limitation overlooks the vast majority of epigenetic diversity found in nature. Preliminary data suggests that non-reference strains carry, in addition to many unique TEs (9), DNA methylation patterns that are not captured by studies in the reference strain (8).
This PhD project aims to characterize, beyond the reference genome, the species-wide breadth and diversity of TEI.
The primary goal of this PhD project is to characterize the species-wide breadth and diversity of transgenerational epigenetic inheritance (TEI) beyond the reference genome of Arabidopsis thaliana.
To this end, the PhD candidate will:
a) Build a diversity epimutant panel. Using an established CRISPR-Cas9 strategy, the PhD candidate will assemble a panel of ddm1 mutants in 20 diverse natural strains of Arabidopsis to reveal the full potential for epiallelic variation across the species.
b) Identify genes regulated by stably inherited epialleles. Through de novo genome assemblies (long-read ONT sequencing), methylome (BS-seq), as well as allele-specific expression analysis in F1 epihybrids (RNA-seq) we will identify genes regulated by heritable ddm1-induced epialleles.
c) Assess natural significance. Leveraging large-scale genomic and epigenomic data from >500 natural strains collected from across the world and whose genomes have been assembled (1001G+ Project) we will assess the occurrence of natural epivariants. Using established Recombinant Inbred Lines (RILs), we will demonstrate their heritability independently of DNA sequence polymorphisms and map potential modifiers of their stability (QTLepi).
d) Perform functional & evolutionary analyses. We will perform targeted epigenetic manipulation to achieve precise demethylation and establish causal links between epialleles and phenotypes like stress response or reproductive success. Genome-Wide Association Studies (GWAS) will be performed to identify genetic modifiers that influence epiallelic stability in nature.