Institut des Sciences des Plantes de Paris Saclay

Les plantes de la famille des légumineuses développent des organes spécialisés d’acquisition des nutriments, notamment les nodules fixateurs d’azote et, chez certaines espèces comme le lupin blanc (Lupinus albus), des racines protéoïdes favorisant l’acquisition du phosphore. La formation de ces organes, fortement coûteuse en carbone, est finement régulée par des signaux systémiques intégrant l’état nutritionnel de la plante à l’échelle de l’organisme entier. Chez Medicago truncatula, ces régulations reposent sur deux modules antagonistes bien caractérisés : les peptides CLE, perçus par le récepteur SUNN, inhibent la nodulation, tandis que les peptides CEP, perçus par le récepteur CRA2, la stimulent en condition de carence azotée. Cependant, ces modèles restent largement centrés sur la nodulation et prennent peu en compte les réponses au phosphore et le développement racinaire, ni les étapes de maturation des peptides de signalisation. Chez le lupin blanc, nous avons récemment mis en évidence une voie systémique « élargie », appelée AoDev (« Autoregulation of Development »), contrôlant conjointement la formation des nodules et des racines protéoïdes via le récepteur CCR1. Cette découverte révèle un mécanisme de régulation intégrée reliant les réponses à l’azote et au phosphore. L’identification d’un second mutant, ccr2, affecté dans un gène codant une prolyl-4-hydroxylase (P4H), suggère l’existence d’un niveau de régulation inédit impliquant des modifications post-traductionnelles de peptides de signalisation. Cette étape constitue aujourd’hui une lacune majeure dans la compréhension des voies systémiques, aucune enzyme responsable de l’hydroxylation des peptides n’ayant été fonctionnellement caractérisée à ce jour chez les plantes. Le projet LEG-SYS vise à lever ce verrou en proposant une analyse intégrée des régulations systémiques du développement racinaire chez les légumineuses. Il repose sur trois hypothèses centrales : (i) la voie AoDev intègre des modules antagonistes de type CLE/CCR1 et CEP/CRA2, (ii) CCR2 contrôle la maturation des peptides via l’hydroxylation de résidus proline, constituant une nouvelle étape enzymatique de régulation des signaux peptidiques agissant à longue distance, et (iii) des voies impliquant des récepteurs CRA2/CRA2-like contribuent à l’intégration des signaux azote/phosphore. Pour tester ces hypothèses, le projet LEG-SYS combine des approches de génétique, biochimie des peptides, transcriptomique, et physiologie des régulations systémiques, dans deux espèces de légumineuses complémentaires, le lupin blanc et Medicago truncatula. L’organisation en quatre « Work Packages » permettra d’identifier les peptides impliqués, de caractériser cette nouvelle enzyme de maturation post-traductionnelle, d’analyser les récepteurs associés, et d’intégrer ces éléments dans un modèle de régulation systémique unifié. En établissant pour la première fois un cadre mécanistique reliant maturation des peptides, perception et régulation développementale, le projet LEG-SYS ambitionne de dépasser les modèles actuels centrés sur la nodulation pour proposer une vision intégrée du contrôle systémique du développement racinaire en réponse à différents nutriments. Ces avancées fourniront des bases conceptuelles nouvelles pour comprendre la plasticité racinaire et, à terme, améliorer l’efficacité d’utilisation des nutriments dans un contexte agroécologique.

In the context of climate change, Europe is facing new challenges that are threatening food security. There is thus an urgent need for the development of innovative strategies to improve plant tolerance to stress. Notably, recent years have already shown an unusual frequency of heat waves during the summer, a stress condition particularly threatening for yield as it cannot be mitigated in the field. Like many other kinds of stress, heat stress has a detrimental effect on growth due to reduction of the cell division activity in meristems. There is accumulating evidence that this growth reduction depends at least partly on the activation of the plant DNA Damage Response (DDR). The HeatDDR proposal aims at building on the acquired knowledge to decipher the links between the DDR and plant heat stress responses, and to fine-tune these cellular responses in order to allow plant survival without impairing growth. By bringing together groups with complementary expertise and private companies interested in this topic, HeatDDR will combine multiscale approaches including biochemistry, molecular biology, cell biology, genetics, computational biology and plant phenotyping to tackle this question and to train a new generation of scientists specializing in this emerging field. Trainees will work on both Arabidopsis and crops and will thus be aware of different plant models, and on specific challenges associated with breeding. Through the HeatDDR programme, ESRs will receive hands-on training on advanced laboratory techniques and develop transferable skills, thereby ensuring their successful integration on the job market either in the academic or in the non-academic sector, and setting the ground for the construction of European network of collaboration in this field.

Notre compréhension de comment les écosystèmes réagissent au changement climatique et l'influencent reste lacunaire, car les environnements changent rapidement et non linéairement. Les approches classiques de l'étude des écosystèmes ont négligé l'interaction entre le sol, les communautés microbiennes et les communautés végétales. L'hypothèse globale de cette étude propose que le fonctionnement des écosystèmes, les communautés microbiennes et les populations végétales sont façonnés au premier ordre par les interactions entre paramètres du sol, conditions climatiques mondiales et événements climatiques extrêmes. Pour simuler les climats futurs, il est nécessaire de manipuler simultanément plusieurs facteurs environnementaux. Les écotrons offrent une opportunité sans précédent d'étudier la réponse d'écosystèmes complexes aux futurs changements climatiques. Ce projet propose une approche multiple utilisant des chambres climatique en écotron, des techniques isotopiques de marquage, des outils de biogéochimie, la métagénomique microbienne et des méthodes de génomique des populations pour évaluer l'impact du changement climatique futur sur la structure et les processus de l'écosystème. L'étude vise à examiner l'impact des paramètres du sol, des scénarios climatiques et des événements extrêmes sur les écosystèmes plantes-microbiome-sol. Nous commencerons par mener des expériences de terrain sur neuf sols distincts en fonction de leur pH, de leur teneur en argile et en matière organique. Ensuite, nous réaliserons des expériences en écotron avec différents scénarios réalistes présents et futurs, ainsi que plusieurs événements extrêmes (canicule, sécheresse, inondations). ous utiliserons un large éventail de techniques pour évaluer la résistance des populations végétales et microbiennes à ces différentes conditions. L'objectif final est d'identifier les facteurs écologiques les plus affectés par les effets du changement climatique et les propriétés du sol.

Les rétrotransposons sont des constituants majeurs des génomes eucaryotes et présentent des similitudes structurales et fonctionnelles avec les rétrovirus. Leur intégration dans l'ADN s’effectue dans un environnement chromatinien complexe et hétérogène, où les protéines liées à l'ADN, les remodeleurs de la chromatine et/ou les modifications des histones régulent l'accessibilité de la machinerie d'intégration, sans que l’on connaisse précisément comment la machinerie d’intégration interagit avec la chromatine. Le rétrotransposon Ty1 de levure est un excellent modèle pour étudier comment la chromatine guide l'intégration dans le génome. Ty1 présente une grande spécificité d'intégration pour les trois premiers nucléosomes en amont des gènes transcrits par l'ARN polymérase III (Pol III), qui est déterminée par une interaction entre l'intégrase de Ty1 (IN1) et Pol III. Abolir cette interaction entraîne l'intégration de Ty1 dans les subtélomères, suggérant que des cofacteurs de ces régions ou des marques chromatiniennes jouent un rôle dans le processus. L'interaction IN1-Pol III a été résolue au niveau atomique mais nous manquons de données structurales concernant les caractéristiques des nucléosomes favorisant l'intégration de Ty1 et comment IN1 peut lier simultanément Pol III pour son ancrage à la chromatine et les nucléosomes pour l'intégration de l'ADN. Ce projet interdisciplinaire vise à élucider, au niveau atomique, les interactions complexes entre IN1, ses cofacteurs et la chromatine qui conduisent à une intégration réussie. Nous combinerons des approches structurales, biochimiques, de génétique moléculaire et de génomique, pour caractériser 1) le nucléosome optimal pour l'intégration, 2) l'interaction IN1-nucléosome en présence et en absence de Pol III, et 3) les facteurs conduisant à l'intégration de Ty1 dans les subtélomères. Les résultats combleront une lacune dans la biologie des rétrotransposons, avec de larges implications pour la recherche sur le génome.

Les éléments transposables (ET), par leur capacité à se répliquer et de se déplacer dans les génomes, peuvent jouer un rôle clé dans leur évolution. Bien qu'ils constituent la majeure partie du génome de nombreux organismes eucaryotes , la plupart sont des fossiles inactifs, ne laissant qu'une petite fraction mobile, appelée le "mobilome." Malgré son importance dans l'évolution des ET, cette fraction active reste mal comprise. En particulier, nous ne connaissons pas les facteurs qui régissent le nombre, le type, le taux de transposition et l'impact des ET actifs, des connaissances cruciales pour comprendre leur variation entre les espèces. Ce projet s'appuie sur notre compréhension du contrôle épigénétique des ET dans la plante modèle Arabidopsis thaliana pour étudier le mobilome et ses régulateurs génétiques et épigénétiques. En déployant des études d'association génomique (GWAS) sur de grandes populations expérimentales, nous identifierons les facteurs cis et trans impliqués dans la variation naturelle de la répression et de la transposition des ET, et testerons leurs rôles à l'aide de techniques d'édition génomique. L'impact des insertions d'ET sur l'expression génique sera aussi examiné via des approches transcriptomiques, et ces résultats seront intégrés dans un modèle génétique des populations sur l'évolution du mobilome. Cette collaboration internationale réunit des experts en génomique et génétique des populations d'Arabidopsis (Magnus Nordborg, GMI, Vienne), des transposons (Leandro Quadrana, IPS2, France) et de l'épigénétique (Pierre Baduel, IBENS, France), offrant une occasion unique d'explorer la variation naturelle de l'activité et de l'impact des ET. Ainsi, DYNAMETS offrira une perspective à l'échelle des espèces sur la diversité du mobilome, avec des implications clés pour comprendre les forces qui animent l'évolution des génomes et l'adaptation rapide, notamment face aux changements environnementaux.

Les tomates comptent parmi les cultures légumières les plus importantes pour la production et le commerce mondiaux. Avec une demande qui devrait augmenter de 60 % d'ici à 2050, le changement climatique constitue un défi majeur pour l'augmentation des rendements. Pour y faire face, les scientifiques et les sélectionneurs de plantes doivent se préparer en identifiant les facteurs génomiques qui contribuent à la tolérance au stress et en comprenant les mécanismes qui aident les plantes à prospérer dans des conditions défavorables. À cet égard, le projet P-Heat vise à élucider le mode d'action moléculaire des facteurs de choc thermique (HSF), qui jouent un rôle dans les réponses au stress à court et à long terme. Ce projet de pointe combinera la biochimie, la transcriptomique, l'épigénomique et la génétique pour explorer comment la régulation basée sur la chromatine dirigée par les facteurs HSF influence la réponse au stress thermique et la thermomémoire.

Les légumineuses interagissent avec les bactéries rhizobia pour former des organes racinaires symbiotiques, les nodules, où le N2 atmosphérique est fixé au profit des plantes. Les légumineuses sont donc importantes pour les pratiques agroécologiques et pour réduire l’utilisation d’engrais chimiques et les pollutions associées. D’énormes progrès ont été réalisés dans la compréhension du développement des nodules, mettant en évidence le rôle clé des hormones cytokinines via les facteurs de transcription RRB3 et NIN. Récemment, un allèle nin mutant spécifique a permis de définir une région « enhancer » distante essentielle à l'organogenèse des nodules. Cela implique que cet enhancer est recruté via une boucle de chromatine essentielle à la régulation de l’expression de NIN. L’étude de la dynamique de ces régions de contact enhancer-promoteur à l'échelle du génome a été largement négligée, bien que des études évolutives ait montré que l'émergence de la capacité de nodulation symbiotique chez un ancêtre commun à toutes les plantes fixatrices d'azote était liée à la réorganisation de réseaux de régulation déjà existants. Dans ce contexte, le projet EnhanceNod vise de manière innovante à explorer les régulations chromatiniennes 3D des contacts enhancer-promoteur dans le contexte de l'initiation des nodules symbiotiques de Medicago truncatula, afin de comprendre comment ces réorganisations de l'ADN impactent l'expression des gènes de nodulation précoce avec une variable temporelle 4D, et à partir de là, d’identifier de nouveaux effecteurs cis et trans régulant les gènes précoces de nodulation symbiotique. Il est à noter que l'identification de ces nouveaux facteurs pourrait être essentielle pour transférer des propriétés de nodulation symbiotique à des plantes non-légumineuses, un objectif clé de la recherche sur la symbiose comme alternative biotechnologique à l'utilisation d’engrais azotés.

Comparé aux mammifères, la croissance indéterminée et la plasticité du développement post-embryonnaire sont des caractéristiques clés des plantes terrestres. Identifier les réseaux moléculaires qui régulent la détermination et l'indétermination de la croissance est essentiel pour comprendre l'évolution des structures végétales. Les légumineuses forment une symbiose mutualiste avec des rhizobiums fixateurs d'azote, au sein d'organes spécialisés, les nodosités racinaires, qui peuvent avoir une croissance indéterminée ou déterminée selon la persistance, ou non, de divisions cellulaires apicales. Chez les légumineuses, l'indétermination des nodosités est un trait ancestral, qui a évolué au moins trois fois vers la détermination, un état dérivé. Le projet DETERMINATE propose que ces transitions répétées impliquent des réseaux de régulation génétique (GRN) similaires, sous-tendant une évolution convergente. Ce projet est organisé en trois axes de travail, combinant l'expertise de partenaires en bioinformatique, génomique comparative, transcriptomique, et biologie moléculaire. Axe 1 : l : La phylotranscriptomique et la phylogénomique seront utilisées pour identifier les GRNs contrôlant la croissance des nodosités et tester l’hypothèse d'une évolution convergente. Axe 2 : l’intégration inter-espèce de données transcriptomique issus de noyaux uniques permettra de reconstruire les trajectoires cellulaires développementales des nodosités de type indéterminées et déterminées. (3) Les identités cellulaires seront visualisées grâce à une nouvelle méthode d'hybridation in situ, ce qui permettra de tester fonctionnellement des gènes-candidats impliqués dans la détermination des nodosités. Les connaissances générées par DETERMINATE sur la plasticité des nodosités et les GRNs contrôlant la croissance indéterminée fournira des perspectives sur les principes généraux régissant l’évolution et le développement des plantes.

Certains petits peptides sécrétés agissent comme des molécules de signalisation, notamment pour contrôler la spécification cellulaire chez les plantes. Le projet CLIPS vise à mieux comprendre le rôle de ces hormones peptidiques dans trois interactions biotiques, en utilisant la légumineuse modèle Medicago truncatula. L'objectif principal est de déterminer comment un sous-ensemble de peptides végétaux sélectionnés dans les familles CLE, IDA et CEP régulent l'interaction avec les champignons mycorhiziens symbiotiques à arbuscules et/ou les bactéries rhizobiales symbiotiques fixatrices d'azote, ainsi que l'infection par le nématode phytoparasite Meloidogyne incognita. Il convient de noter que l'étude du rôle de peptides mimes, sécrétés par le nématode ou les champignons mycorhiziens, sera intégrée au projet. En outre, les récepteurs et les voies de signalisation en aval spécifiquement recrutés chez la plante pour percevoir ces différents peptides au cours de ces différentes interactions plante-microbe seront caractérisés. Globalement, le projet CLIPS identifiera les points communs et les spécificités des interactions entre les parasites et les microbes végétaux dans les légumineuses, afin de développer de futures stratégies innovantes pour améliorer les interactions symbiotiques et promouvoir la résistance aux pathogènes.

La production agricole est confrontée à des défis sans précédent en raison du changement climatique. L'eau devient plus que jamais le facteur limitant de la croissance des plantes dans le monde. Lorsqu’elle est rare, la fermeture des pores stomatiques des feuilles est vitale pour en limiter les pertes. Par contre, dans un environnement de forte teneur en CO2, tels que les serres modernes, leur ouverture est essentielle pour augmenter son assimilation et donc la production de biomasse. Ainsi, la signalisation du CO2 par les cellules de garde des stomates est un levier essentiel qui permet à la plante d’optimiser l’utilisation de l'eau et l’assimilation du carbone en fonction de son environnement. Pour preuve de concept, nous avons généré des plants de tomates dans lesquels nous avons modulé les protéines impliquées dans la détection du CO2 stomatique. Elles présentent une efficacité d'utilisation de l'eau (WUE) améliorée et une meilleure tolérance à la sécheresse que les plantes sauvages. De plus, nos résultats non publiés indiquent que les mutations dans ces protéines senseurs du CO2 peuvent servir de rhéostat pour ajuster finement la transpiration des plantes sous différents niveaux de CO2. Le projet TOMWU vise à mieux comprendre les mécanismes de détection/signalisation du CO2 des cellules de garde chez la tomate. Nous étudierons les mécanismes d'activation du module de détection MPK12/HT1 et la possibilité de les exploiter pour moduler la WUE des plantes pour l’agriculture. La WUE doit être en effet optimisée pour les variétés de plein champ alors que l’absorption du CO2 doit être maximisé pour celles destinées à la production sous serres avec des concentrations de CO2 élevées. Nous transférerons également ces résultats dans des variétés de tomates élites et explorerons leur performance dans diverses conditions environnementales en laboratoire (fort CO2, forte température, limitation hydrique) ainsi qu’en condition de production.

Le riz est l’une des cultures alimentaires les plus importantes au monde, mais sa productivité est fortement menacée par les effets du changement climatique, en particulier par la fréquence croissante des épisodes de sécheresse et de chaleur extrême. Ces stress abiotiques, souvent combinés, ont un impact majeur sur les rendements et la sécurité alimentaire. Si les programmes classiques d’amélioration génétique ont permis des progrès en matière de tolérance au stress, ils restent longs à mettre en œuvre et limités par des compromis entre croissance et résilience. De nouvelles approches sont donc nécessaires pour permettre aux plantes de réagir plus rapidement et efficacement aux conditions environnementales changeantes. Ce projet propose d’explorer le potentiel des longs ARN non codants (lncRNA), une classe encore peu étudiée de molécules d’ARN qui ne codent pas pour des protéines, mais sont de plus en plus reconnues comme de puissants régulateurs de l’expression des gènes. Les lncRNA peuvent en effet influencer finement la réponse des plantes au stress, ce qui en fait des leviers prometteurs pour contrôler des traits essentiels à la survie. Toutefois, leur prédiction fonctionnelle représente un défi scientifique majeur, en raison de l’absence de conservation de séquence caractéristique des gènes codants. Néanmoins, les lncRNA ayant des fonctions biologiques similaires partagent souvent de courts motifs conservés, liés à leurs interactions avec des partenaires protéiques. L’identification systématique de ces motifs reste néanmoins un défi computationnel considérable, du fait de leur variabilité, de leur brièveté, et de la complexité des paysages d’interaction ARN — protéines. L’intelligence artificielle (IA) offre une opportunité unique d’identifier des motifs et signatures fonctionnelles au-delà des similarités de séquence. Nous proposons donc d’utiliser des approches d’apprentissage profond pour réaliser des “embeddings” ou ”incorporations” structurels des lncRNA du riz et de l’Arabidopsis, afin d’identifier ceux impliqués dans la régulation génique en réponse à la chaleur et à la sécheresse. En combinant ces prédictions avec des criblages fonctionnels à haut débit, nous pourrons sélectionner les lncRNA les plus efficaces et élucider leur rôle au sein des réseaux de réponse au stress. L’objectif ultime est de transformer ces connaissances en outils pratiques, en concevant des lncRNA synthétiques administrés via une technologie innovante de pulvérisation d’ARN, pour améliorer la tolérance des plantes à la chaleur et au manque d’eau — sans recourir à la modification génétique. Ce projet associe des méthodes d’intelligence artificielle de pointe à la biologie expérimentale végétale à haut débit, afin de poser les bases de nouvelles solutions agricoles intelligentes face au climat, fondées sur les ARN.

Répondre aux besoins nutritionnels d'une population mondiale qui augmentera de 2,4 milliards de personnes d'ici trente ans représente un défi majeur pour l’agriculture. Cette croissance nécessitera une augmentation significative de la productivité agricole, tout en tenant compte des impacts croissants du changement climatique. Les vagues de chaleur perturbent gravement les rendements, notamment en interférant avec la floraison et la fertilisation, processus cruciaux pour la production de graines et de fruits. Par ailleurs, les sécheresses aggravées réduisent la viabilité des terres agricoles marginales. Si les progrès passés reposaient sur la sélection variétale, la mécanisation et l’irrigation, l’ère génomique actuelle permet d’explorer les réseaux génétiques régulant les caractères agronomiques. Pour adapter l’agriculture aux défis climatiques, il devient essentiel d’identifier les bases génétiques de la tolérance au stress et de comprendre les mécanismes d’adaptation des plantes à des environnements hostiles. Les plantes, étant fixes, ont développé des mécanismes sophistiqués pour percevoir et s’adapter aux stress environnementaux. Parmi eux, la régulation au niveau de la chromatine joue un rôle clé dans l’ajustement dynamique de l’expression génique. L’attention s’est récemment portée sur l’architecture tridimensionnelle du génome, qui influence la régulation des gènes en réponse à des signaux environnementaux ou développementaux. Un processus émergent au cœur de cette organisation est la séparation de phase liquide-liquide (LLPS), qui permet la formation de condensats biomoléculaires concentrant protéines et acides nucléiques, modifiant la structure de la chromatine et régulant finement l'expression génique. Cependant, bien que des avancées aient été réalisées, exploiter pleinement ces connaissances reste difficile, notamment en raison de la complexité des données issues du séquençage à haut débit. C’est ici que l’intelligence artificielle (IA) peut jouer un rôle transformateur en permettant l’intégration et l’interprétation de ces données complexes. Dans ce contexte, notre projet vise à exploiter le potentiel de l’IA pour identifier et caractériser les protéines associées à la chromatine impliquées dans la formation de condensats biomoléculaires, afin de contrôler précisément l’expression des gènes chez les plantes. Pour ce faire, nous avons fondé le consortium PlantSCAPE-FK (Plant chromatin Structure, Condensates, and AI-driven Prediction and Exploration), réunissant une équipe française et une équipe Corréenne. Grâce à l’intelligence artificielle, le projet ambitionne de construire une plateforme prédictive capable d’identifier des protéines régulatrices dans divers génomes végétaux. Des modèles seront utilisés pour détecter les propriétés biophysiques favorisant la séparation de phase. Parallèlement, des modèles d’expression génique basés sur les données de structure chromatinienne seront développés, permettant de prédire l’activité transcriptionnelle selon l’architecture du génome, y compris en conditions de stress. Ces découvertes seront suivies d'une validation expérimentale des régulateurs identifiés. À long terme, le projet explorera la conception d’outils de biologie synthétique basés sur la LLPS pour moduler finement l’expression des gènes. En réunissant intelligence artificielle, biologie de la chromatine et ingénierie génétique, ce projet vise à poser les bases d’un cadre innovant pour la régulation génique chez les plantes.