Institute Jean-Pierre Bourgin for Plant Sciences

Ce projet vise à comprendre comment les ribosomes sont assemblés dans les mitochondries de plantes. Les ribosomes sont les principaux effecteurs de la traduction, le processus fondamental qui convertit l'information génétique en protéines. Alors que la traduction a été très étudiée dans les systèmes procaryotes et cytosoliques eucaryotes, la traduction mitochondriale est moins bien comprise. Les mitochondries sont les organites essentiels des cellules eucaryotes qui génèrent l'ATP. Elles ont leur propre génome et un système complet d'expression génique comprenant un système de traduction. Des études récentes ont révélé la diversité surprenante des systèmes de traduction mitochondriale chez les eucaryotes. En particulier, les mitoribosomes se sont révélés étonnamment divers en termes de compositions et de structures. Chez les plantes, les mitoribosomes ont des caractéristiques structurales uniques, avec des domaines spécifiques aux plantes et contiennent de nombreuses protéines PPR. Toutefois, de nombreux aspects de la traduction mitochondriale des plantes, en particulier l'assemblage des ribosomes, restent complètement inconnus. Ce projet devrait combler cette lacune en fournissant une analyse fonctionnelle et mécanistique complète de la biogenèse de l'appareil traductionnel des mitochondries de plantes. Grâce à une combinaison d'approches génétiques, biochimiques et structurales complémentaires, la recherche devrait révéler comment les modifications des ARNr sont établies et comment elles impactent l'assemblage des mitoribosomes. Elle devrait identifier l'ensemble complet de facteurs protéiques nécessaires à la biogenèse des ribosomes et élucider la séquence d'événements conduisant à la production de mitoribosomes. Cette étude contribuera à fournir une vue complète des processus de traduction dans les mitochondries de plantes et aidera à déterminer la diversité des processus de traduction chez les eucaryotes.

Chez les plantes à fleurs, les croisements entre différentes espèces et entre parents de ploïdies divergentes donnent le plus souvent naissance à des graines hybrides défaillantes en raison d'un déséquilibre dans l'expression des gènes à empreinte parentale. Ce phénomène, connu sous le nom de "blocage triploïde", est considéré comme un déterminant majeur de l'isolement reproductif et de la spéciation, en particulier chez les plantes où les événements de polyploïdisation sont récurrents. Des études précédentes chez Arabidopsis thaliana ont montré que la méthylation de l'ADN et les petits ARNs dans les gamètes paternels jouent un rôle essentiel dans le blocage triploïde en ciblant les éléments transposables (ET) qui flanquent les gènes à empreinte parentale, mais les mécanismes génétiques et épigénétiques impliqués restent mal compris. Notamment, la famille relativement ancestrale des microARNs 845 et les mécanismes de méthylation de l'ADN dirigée par l'ARN (RNA-directed DNA methylation ou RdDM) semblent affectés ou absents dans des lignées d'A. thaliana qui présentent également une perte de blocage triploïde. Dans ce projet, nous tirerons donc parti de cette variation naturelle chez A. thaliana pour i) étudier l'impact de la déplétion des miR845 et RdDM dans le contrôle épigénétique de l'activité des ET pendant la polyploïdisation et les hybrides inter-ploïdies, et tenter de ii) cartographier la base épigénétique de la viabilité des semences triploïdes. En apportant une compréhension mécanistique du rôle des petits ARN paternels et de la méthylation de l'ADN dans le contrôle de l'activité TE et de l'empreinte génomique dans les semences hybrides, nous visons ainsi à mieux comprendre l'établissement ou la rupture de l'isolement reproductif, une étape clé de la spéciation.

La recombinaison méiotique est centrale à l’hérédité, l’évolution et l’amélioration génétique des espèces. Elle est utilisée par les sélectionneurs pour créer de nouvelles variétés élites performantes, à faible impact environnemental et adaptées à des environnements changeants. Cependant, cette amélioration est contrainte par le faible nombre et la répartition distale des crossovers (CO : échanges réciproques d’ADN entre chromosomes). Un obstacle important à surmonter correspond à la capacité de réaliser des COs dans des régions où ceux-ci ne se forment pas naturellement ou rarement (par exemple, régions péricentromériques, introgressions interspécifiques). Chez de nombreuses espèces végétales et animales, il a été observé que la présence de chromosomes accessoires et/ou surnuméraires entraînait une augmentation des CO, y compris au niveau des péricentromères. Ces différentes études suggèrent collectivement l'existence d'un mécanisme commun et fundamental qu’il reste à élucider. Les connaissances les plus approfondies sur ce phénomène (dénommé ici comme ‘3xRec’) sont issues des travaux de l’investigateur principal de ce projet, qui a utilisé des allotriploïdes de B. napus (colza) comme modèle. Au vu des connaissances actuelles sur ce phénomène (notamment issues de précédents projets ANRs: ‘CROC’ et ‘Stirrer’), nous proposons (i) d'investiguer plus finement les mécanismes sous-jacents à ‘3xRec’; (ii) de determiner si il est possible d'augmenter encore plus ses effets; (iii) ou encore d’identifier de potentiels autres avantages liés à ce phénomène. Plus précisément, nous déterminerons si les mêmes effets que ceux observés chez des allotriploïdes de Brassica existent chez les lignées trisomiques d'Arabidopsis thaliana, qui portent trois copies d'un chromosome donné au lieu des deux habituelles, indiquant l’existence d’un mécanisme commun et partagé entre espèces végétales. Nous analyserons ensuite la dynamique de progression de la recombinaison à travers les différentes phases de la méiose mâle afin de tester l'hypothèse selon laquelle des chromosomes supplémentaires induisent des modifications de la dynamique de formation des précurseurs de recombinaison et des COs chez ces deux espèces. Nous établirons également la contribution des différentes classes de CO (I ou II) à ‘3xRec’. Deuxièmement, nous explorerons la possibilité d'améliorer les bénéfices apportées par ce phénomène en inactivant respectivement des gènes méiotiques ou épigénétiques impliqués dans la répression des CO ou modifiant leur distribution. Troisièmement, nous étudierons le potentiel de ‘3xRec’ pour réduire la taille d'une grande introgression et provenant d’une espèce distante chez le colza. Cette introgression porte un gène de resistance à un maladie importante du colza mais aussi d’autres allèles défavoraborables, empêchant son utilisation en selection. Au final, ce projet constituera une véritable avancée dans l’identification, chez des espèces végétales diploïdes et polyploïdes, de nouvelles méthodes innovantes permettant de relocaliser ou d'augmenter la formation de CO dans des régions qui n’en présentent normallement pas, telles que dans les régions péricentromériques ou dans les introgressions provenant d’espèces distantes.

Les champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) établissent des relations symbiotiques avec les racines des plantes et jouent un rôle clé dans l’acquisition de nutriments, fournissant à leur hôte du phosphore et de l'azote du sol en échange de photosynthétats. Les CMA recrutent via leur sphère d'influence dans le sol nommée hyphosphère, des communautés microbiennes associées au mycélium extra-racinaire (MER) dont les bactéries associées à l’hyphosphère (BAH) jouent un rôle mal connu. En rupture avec les études actuelles, qui portent sur un inventaire de ces souches bactériennes de et leur étude individuellement, le projet HyphAMaize vise à identifier les fonctions métaboliques clés des communautés de BAH qui stimulent l’apport de nutriments au maïs par les CMA. Le projet HyphAMaize explore de manière interdisciplinaire les interactions synergiques entre les CMA et les BAH pour améliorer la productivité du maïs dans des systèmes agricoles à bas niveaux d’intrants. En tant qu'alternative durable à l'agriculture conventionnelle, cette recherche de pointe vise à réduire la dépendance aux engrais chimiques en exploitant les synergies entre organismes constituant le microbiote des sols comme levier pour la transition agroécologique. Pour ce faire, HyphAMaize est structuré en quatre volets expérimentaux (VE). Le VE1 explore la diversité métabolique des HAB dans un panel de sols et de pratiques culturales variés par des analyses de la structure (metabarcoding) et des fonctions (métagénomique et métatranscriptomique) du microbiome hyphosphérique permettant l’identification de fonctions centrales des BAH renforçant l’efficacité symbiotique entre CMA et maïs. Pour ce faire, nous utiliserons des mini-maïs cultivés dans des systèmes à deux compartiments permettant de distinguer la rhizosphère de l’hyphosphère. Le VE2 consiste à isoler des BAH à partir de sols non fertilisés en utilisant des mini-maïs inoculés avec des spores Rhizophagus irregularis (CMA). Des cribles fonctionnels permettront d'identifier les BAH présentant des caractéristiques métaboliques (fixation N2, solubilisation P, chélation Fe) et écologiques (colonisation du MER, stimulation de la germination des spores et de la croissance des hyphes de CMA) pouvant améliorer la capacité des CMA à acquérir des minéraux du sol. Le génome des BAH sera alors séquencé et annoté, et les voies métaboliques identifiées. Le VE3 vise à développer un modèle métabolique à l'échelle de l'holobionte intégrant le maïs, les CMA et les BAH qui servira d’outil d’aide à la décision pour constituer des communautés synthétiques (SynCom) fonctionnelles de BAH efficaces pour promouvoir la croissance du maïs en conditions de culture à bas intrants. L’analyse d’un modèle métabolique métagénomique permettra également d‘identifier des taxa clé de voûte à inclure dans les SynCom en plus des BAH issues des cribles du VE2. Le VE4 vise à cribler des SynComs en condition de serre, en comparaison de bioinoculants commerciaux de notre partenaire industriel, avant de réaliser des essais au champ pour évaluer leur impact sur les performances du maïs en conditions agroécologiques. Ces expériences bénéficieront de l’utilisation d’un maïs mutant ayant perdu la capacité à mycorhizer comme contrôle, afin de vérifier que l’effet bénéfique des BAH dépend d’une symbiose établie entre le maïs et le CMA. HyphAMaize réunit des experts en microbiologie, biologie/physiologie végétale, génomique, biologie des systèmes et modélisation mathématique pour créer des SynComs multifonctionnelles qui permettent de poser des questions fondamentales quant aux relations métaboliques entres les différents organismes constituant l’holobionte du maïs cultivé au champ, tout en explorant des questions finalisées pouvant déboucher sur le développement de nouveaux bioinoculants commerciaux. Le projet allie recherche fondamentale et applications pratiques, visant des innovations agricoles durables pour accompagner la transition agroécologique.

La sève élaborée est le fluide qui circule entre les organes de la plante pour redistribuer les assimilats carbonés, azotés et soufrés et les molécules de signalisation. Elle est donc cruciale pour le remplissage des grains et des fruits, la production primaire et le rendement. Malgré cette importance capitale, on sait très peu de choses sur sa physiologie, son débit et sa concentration. Des résultats récents suggèrent que la vélocité et le métabolome de la sève sont contrôlés et seraient homéostatiques. Nous ne savons ni pourquoi ni comment. Ce projet vise à combler cette lacune, en trois axes: 1. Mise en évidence: nous explorerons les propriétés de la sève élaborée dans différentes conditions photosynthétiques et hydriques, afin d'identifier les situations physiologiques où elles varient. 2. Mécanismes: nous tirerons parti de la métabolomique, de la ionomique et d’outils génétiques pour circonscrire les mécanismes possibles de l'homéostasie. 3. Intégration des données et modélisation: nous analyserons les liens entre blocs de données afin d'identifier par machine learning des signatures condition-spécifiques et utiliserons les données expérimentales pour valider un modèle de génération et de transport de sève. Nous exploiterons des ressources disponibles uniquement dans notre consortium: méthode isotopique pour estimer la concentration et le flux de sève, imagerie par résonance magnétique (IRM) pour le profilage métabolique phloémien in vivo, spectrométrie de masse à haute résolution couplée à la chromatographie gazeuse et sa base de données en masse exacte, et un modèle pour décrire la concentration, la pression et la vélocité. Le projet rassemble les experts nationaux sur le sujet et utilise trois espèces de grande importance agronomique en France. Ce projet est essentiel pour comprendre l'homéostasie de la sève élaborée et y identifier des biomarqueurs de suivi des plantes, dans un contexte climatique impactant la photosynthèse et le chargement du phloème.

Le projet Tools4Agri vise à développer de nouveaux outils numériques prédictifs pour améliorer les processus de sélection variétale en végétal et en animal afin d’accélérer la transition des systèmes agricoles. L’ambition est de proposer de nouvelles approches pour prédire des traits multivariés ou longitudinaux d’intérêt dans des populations hétérogènes à partir de variables explicatives de grande dimension, comme des marqueurs génétiques ou des phénotypes intermédiaires peu coûteux comme des spectres proche-infrarouge. Ces approches combineront des méthodes avancées de modélisation mécaniste, de statistique et de machine learning, tout en fournissant des garanties théoriques sur les prédictions. Le consortium interdisciplinaire est composé de chercheuses et chercheurs ayant de fortes expertises complémentaires en modélisation, en statistique et machine learning, ainsi qu’en biologie, physiologie, éco-physiologie et génétique quantitative animale et végétale. Les objectifs consistent à 1) développer des méthodes permettant de prendre en compte des informations biologiques telles que les structures de dépendance complexe entre les traits d'intérêt à prédire et entre les variables explicatives de grande dimension dans des modèles dynamiques à effets mixtes ; 2) proposer des approches prédictives pour des traits d'intérêt multivariés et pour un temps d'intérêt à partir de méthodes de sélection de variables dans des modèles à effets mixtes non linéaires et conjoints en fournissant des garanties théoriques pour les prédictions ; 3) améliorer la qualité de l’inférence et de la prédiction en hybridant des modèles mécanistes génératifs des traits d’intérêt et des approches de machine learning entrainées à partir de données synthétiques supplémentaires. On s’attachera pour chacun des objectifs aux garanties théoriques des méthodes et à leur faisabilité numérique. Les outils développés seront mis en œuvre pour analyser les jeux de données des partenaires du projet.

Le projet FORECAST proposera des solutions durables novatrices pour revitaliser les systèmes agroforestiers dans la région méditerranéenne. Cette initiative repose sur l'utilisation de légumineuses orphelines hautement résilientes à l'environnement et adaptées localement, ainsi que sur une technologie de semences dédiée, intégrées dans les systèmes agroforestiers existants, afin de répondre à une diversité étendue de conditions socio-économiques et pédoclimatiques dans la région méditerranéenne. En plus d'incorporer des techniques de culture de précision aux pratiques traditionnelles, la stratégie FORECAST vise à surmonter les obstacles à l'adoption et à l'extension des nouvelles pratiques agroforestières. Pour ce faire, une approche multi-acteurs sera adoptée afin de répondre aux besoins réels des parties prenantes et des utilisateurs finaux, favorisant ainsi leur implication active dans la co-création d'opportunités et de solutions techniques pour relever les défis et répondre aux besoins identifiés. FORECAST est un projet pluridisciplinaire résultant de la synergie entre 11 partenaires (académiques, industriels, entités de recherche, associations à but non lucratif de R&D+I) issus de sept pays (Italie, France, Tunisie, Algérie, Portugal, Allemagne, Chypre). Le consortium FORECAST représente un réseau interdisciplinaire (agroforesterie, agronomie, agriculture de précision/science digitale, sciences du sol, biologie végétale, technologies des semences/alimentaire, sélection variétale/agroécologie, sciences climatiques/socio-économiques) qui vise à relier les connaissances des parties prenantes et à favoriser l'engagement public et social pour soutenir l'adoption de systèmes agroforestiers améliorés. Ces systèmes apportent une contribution bénéfique, notamment en termes de résilience climatique accrue et de valeur nutritionnelle, grâce à l'intégration des légumineuses orphelines. Le projet FORECAST abordera également les questions liées aux rôles de genre dans les chaînes de valeur de l'agroforesterie et des légumineuses orphelines, afin de garantir des opportunités d'autonomisation des femmes.

LANDFEED will focus on creating value from under-utilised waste from the agro-food industry, forestry, urban and natural waste, implementing circular and local solutions that allow waste to be valorised by placing it in a circular framework, and producing innovative biofertilisers to improve Europe's self-sufficiency. In addition to optimising and implementing innovative nutrient recovery technologies, work will be carried out on a new generation of coatings for these bio-based fertilisers, capable of improving their efficiency through controlled nutrient release mechanisms. In this way LANDFEED will contribute to a better management of the fertiliser provided, we will contribute to lower greenhouse gas emissions and a reduced impact on the environment's water resources. LANDFEED will ensure that the solutions and results of the project are locally driven through the different use cases. The use cases will consider all links in the value chain that will participate as lighthouses, serving as demonstrators and disseminators of the technologies, results and applications developed during the project. These use cases will also contribute to the objectives of the Soil Strategy by enabling the restoration of soil health through the enhancement of its specific and functional biodiversity. At the global level, the business model will be defined in its entirety, with the aim of maximising the replicability of these Use Cases and facilitating their implementation in other European areas and regions.

La ségrégation des chromosomes au cours de la méiose dépend de la formation de crossovers (CO) entre les chromosomes homologues. La désignation progressive et la maturation des précurseurs de COs se produisent au sein d'une structure protéique appelée complexe synaptonémal (CS). L'objectif du projet MOROSCO est de décrypter la structure et le rôle du SC chez les plantes. Le SC est hautement conservé, mais ses composants présentent une homologie de séquence limitée entre espèces, rendant leur identification difficile. Récemment, grâce à un crible basé sur des données transcriptomiques et une étude structurelle basée sur le code Alfafold2 (AF2), les deux premières protéines végétales appartenant à l’élément central du SC ont été identifiées. SCEP1 et SCEP2 sont deux petites protéines « coiled-coil » formant un complexe localisé au centre du SC. En utilisant la cytologie à haute résolution, la microscopie d'expansion, la biochimie et les études structurales, la localisation et la structure de SCEP1, SCEP2 et SCEP3 (récemment identifiée) seront déterminées l'une par rapport à l'autre et par rapport aux autres composants du SC. Afin d'identifier d'autres partenaires du SC, le crible transcriptomique sera poursuivi chez A. thaliana. Pour mieux comprendre les observations contrastées de l'impact du SC sur la formation des COs, les relations entre le SC et les protéines contrôlant la maturation des COs seront systématiquement examinées. La plupart des protéines du SC identifiées ont une structure « coiled-coil » qui pourrait avoir un impact sur les performances du code AF2 en prédisant la spécificité de leurs interactions. La probabilité des interactions prédites avec l'AF2 sera solidement établie et des modèles structurels seront générés non seulement pour A. thaliana, mais aussi pour d'autres espèces telles que les mousses, les algues vertes ou des espèces apparentées éloignées, afin de comprendre comment les pressions évolutives se sont exercées sur l'architecture du SC

La macroautophagie consiste en la formation de vésicules spécialisées (autophagosomes) qui séquestrent puis délivrent des composants cellulaires dans la vacuole lytique pour dégradation. Les autophagosomes se forment de novo grâce à un processus en plusieurs étapes, réalisé par les protéines ATG. En situation de stress, des milliers d’autophagosomes se forment rapidement, nécessitant un apport de lipides conséquent pour leurs membranes. En plus d’être des éléments constitutifs, les lipides sont également importants en termes de qualité. Leurs nature et propriétés physico-chimiques régissent l'identité, l’activité, l'architecture et la dynamique des membranes. La manière dont les lipides sont mobilisés vers la formation/expansion des autophagosomes reste une question ouverte. Le transfert de lipides du RE vers le phagophore est probablement un élément majeur de l’expansion de cette membrane et plusieurs éléments indiquent que différentes populations d’autophagosomes se forment, décorées par des protéines ATG8 distinctes. La formation d'autophagosomes spécifiques requière-elle une machinerie et une source d'apport de lipides spécifiques ? Les deux laboratoires partenaires impliqués dans cette proposition ont rassemblé plusieurs éléments qui montrent qu’une famille spécifique de protéines de transfert lipidique (LTP) pourrait participer à la dynamique membranaire nécessaire à la formation des autophagosomes. Nous étudierons la manière dont les lipides sont mobilisés pour former les autophagosomes selon les tissus/types cellulaires/stress environnementaux, en explorant la fonction et la spécificité des candidats LTP identifiés. Nous allons (1) décortiquer la spécificité d’expression, de localisations et d’interactions des LTP aux différentes échelles ; (2) caractériser leurs activités et leurs fonctions dans la voie de l'autophagie et (3) explorer l'importance des interactions spécifiques LTP/autophagie au cours du développement et en réponse aux stress.

Au cours du développement des plantes, les domaines frontières (BD) délimitent les organes et orchestrent leur croissance et leur différentiation. Les régulateurs opérant dans les BD sont réutilisés tout au long du développement de la plante, par exemple pour initier les primordia des ovules. Afin d'obtenir une vision complète du rôle des BD dans les premières étapes du développement de l'ovule, nous proposons ici d'utiliser une méthode statistique innovante qui permet la reconstruction de la dynamique d'expression des gènes et des formes, basée sur l'imagerie statique en 3D, afin d'obtenir des données quantitatives multimodales spatio-temporelles sur une longue période de temps. Combinée à l'imagerie en "time-lapse" et à des stratégies d'enregistrement d'images ad hoc, notre approche permettra d'étudier des questions pour lesquelles des données statistiques sont nécessaires, par exemple pour déterminer si la croissance du primordium de l'ovule repose sur des processus cellulaires et moléculaires stéréotypés ou variables. De plus, pour étudier fonctionnellement comment la croissance anisotrope et les propriétés mécaniques des cellules des BD peuvent influencer la forme du primordium d'ovule et la plasticité des cellules germinales, nous imagerons et comparerons, en utilisant ce cadre de référence, des variants génétiques altérant i) la fonction des gènes d'identité des BD, ii) la géométrie, la topologie ou les propriétés mécaniques des cellules BD. Le projet LOVE_ME vise à intégrer les données tissulaires, cellulaires et moléculaires, afin de fournir une analyse dynamique et multi-échelle de la régulation génétique de la morphogénèse et de la différentiation. Les outils innovants développés constitueront une percée pour les approches de modélisation et de simulation afin de révéler les propriétés émergentes possibles des tissus végétaux, et pourraient aider à proposer des stratégies de sélection végétale innovantes.

Les facteurs de transcription CUP-SHAPED COTYLEDON (CUC) sont des acteurs clés, conservés au cours de l'évolution, qui dirigent le développement des organes aériens des plantes. Cependant, les mécanismes cellulaires et moléculaires qui sous-tendent ces rôles développementaux restent encore largement incompris. Nos données préliminaires indiquent que les gènes CUC jouent de multiples rôles supplémentaires, non encore caractérisés, au cours du développement des racines. Ces rôles sont, en apparence du moins, différents de ceux qu'ils jouent dans la partie aérienne. Cela soulève la question de savoir si les gènes CUC ont des rôles multiples ou une fonction fondamentale unique, non encore identifiée, qui peut être modulée par le contexte développemental. Le premier objectif de ce projet est de caractériser les rôles des gènes CUC au cours du développement racinaire d'Arabidopsis. Le deuxième objectif est d'établir le réseau de régulation génique pour les CUC et de déterminer sa modulation possible par le contexte développemental. Le troisième objectif est de déterminer dans quelle mesure les rôles apparemment diversifiés des gènes CUC dans le développement peuvent en fait cacher un rôle fondamental unique qui n'a pas encore été identifié. L'ensemble de ce projet permettra non seulement de mettre en lumière les rôles d'un groupe de régulateurs centraux du développement des plantes, mais aussi de comprendre la malléabilité des réseaux de régulation génique entre les organes des plantes.