Réponse du méthylome suite à l'exposition au froid chez une espèce à génome complexe : le maïs (Zea mays ssp. mays)

Molecular characterization of plant response to environnemental constraints allows to both better understand plant adaptation and help crop improvement. The epigenome is composed of chromatin marks and participates to the regulation of genome expression, notably through development. It is also involved in genome stability, essentially by preventing the transposition of transposable elements (TE). The epigenome can be modified by environmental cues and better understanding this variation could give new insights on the interaction between the plant and its environnement. However, the extent of this modification, targeted sequences and underlying mecanisms remain to be elucidated. In this context, I analyzed the impact of cold on the methylome of maize, a plant with a complex genome with high proportion of TEs. In a first part, I analyzed the methylome of a cold-sensitive genotype, B73, using whole genome bisulfite sequecing (BS-seq). This comparative analysis between “stressed” and “unstressed” plants was carried out (i) at the chromosome scale, without a priori definition of a DNA methylation difference and (ii) at a localized scale (Differentially Methylated regions, « DMRs ») using high minimum methylation difference rate (10%). These two types of analysis revealed that cold triggers hypermethylation at the genome scale, as well as. hyper-and-hypo-methylation at the local scale. These variations were observed in the 3 contexts of cytosine and occur in different genomic regions associated with genes and TEs. This suggests the parallel activation of different regulatory pathways in response to cold. In a second part, I focused on following-up methylation changes through development and in the progeny in conjunction with the genomic sequences and the cytosine context involved. In a third part, I studied the relationship between methylome variations and cold sensitivity by comparing the methylomes of three maize genotypes (B73, F2 and F331) with a contrasted phenotypic response to cold.La caractérisation moléculaire de la réponse des plantes aux contraintes environnementales permet de mieux comprendre les bases de l’adaptation des plantes à leur milieu, et pourrait aider à l’amélioration des plantes cultivées. L’épigénome est constitué de l’ensemble des marques présentes sur la chromatine et participe à la régulation de l’expression du génome, notamment au cours du développement. Il contribue aussi à la stabilité des génomes, notamment en empêchant la transposition des éléments transposables (ET). L’épigénome varie en fonction des contraintes environnementales et une meilleure compréhension de ces variations pourrait permettre d’apporter une vision nouvelle de l’interaction entre la plante et son environnement. Cependant, l’étendue des modifications de l’épigénome, le type de séquences affectées et les mécanismes impliqués restent à déterminer. Dans ce cadre, j’ai analysé l’impact du froid sur le méthylome du maïs, une plante à génome complexe riche en ET. Dans un premier axe, j’ai analysé le méthylome d’un génotype sensible au froid, B73, par séquençage haut-débit d’ADN traité au bisulfite de sodium (BS-seq). Cette analyse comparative entre plantes « stressées » et « non stressées » a été menée (i) à l’échelle chromosomique, sans a priori sur le niveau de variation de méthylation de l’ADN et (ii) à l’échelle locale (régions différentiellements méthylées, ou « DMR ») en fixant des niveaux de variations forts (>10%). Ces deux types d’analyses ont permis de montrer que le froid déclenche une hyperméthylation à l’échelle du génome, à laquelle se superposent des hyper- et hypométhylations à l’échelle locale. Ces variations sont observées pour les trois contextes de cytosine et dans différentes régions génomiques associées aux gènes et aux ET. Ceci suggère l’activation parallèle de plusieurs mécanismes de régulation de la méthylation de l’ADN en réponse au froid. Dans un second axe, j’ai suivi ces DMR au cours du développement et dans la descendance afin d’étudier leur transmission, en lien avec leur localisation génomique et les contextes de cytosine affectés. Dans un troisième axe, j’ai étudié le lien entre variations de méthylation et sensibilité au froid en comparant la réponse du méthylome chez trois génotypes de maïs (B73, F2 et F331) présentant une réponse phénotypique contrastée pour ce caractère

Methylome response following cold exposure in a complex genome species : maize (Zea mays ssp. mays)

La caractérisation moléculaire de la réponse des plantes aux contraintes environnementales permet de mieux comprendre les bases de l’adaptation des plantes à leur milieu, et pourrait aider à l’amélioration des plantes cultivées. L’épigénome est constitué de l’ensemble des marques présentes sur la chromatine et participe à la régulation de l’expression du génome, notamment au cours du développement. Il contribue aussi à la stabilité des génomes, notamment en empêchant la transposition des éléments transposables (ET). L’épigénome varie en fonction des contraintes environnementales et une meilleure compréhension de ces variations pourrait permettre d’apporter une vision nouvelle de l’interaction entre la plante et son environnement. Cependant, l’étendue des modifications de l’épigénome, le type de séquences affectées et les mécanismes impliqués restent à déterminer. Dans ce cadre, j’ai analysé l’impact du froid sur le méthylome du maïs, une plante à génome complexe riche en ET. Dans un premier axe, j’ai analysé le méthylome d’un génotype sensible au froid, B73, par séquençage haut-débit d’ADN traité au bisulfite de sodium (BS-seq). Cette analyse comparative entre plantes « stressées » et « non stressées » a été menée (i) à l’échelle chromosomique, sans a priori sur le niveau de variation de méthylation de l’ADN et (ii) à l’échelle locale (régions différentiellements méthylées, ou « DMR ») en fixant des niveaux de variations forts (>10%). Ces deux types d’analyses ont permis de montrer que le froid déclenche une hyperméthylation à l’échelle du génome, à laquelle se superposent des hyper- et hypométhylations à l’échelle locale. Ces variations sont observées pour les trois contextes de cytosine et dans différentes régions génomiques associées aux gènes et aux ET. Ceci suggère l’activation parallèle de plusieurs mécanismes de régulation de la méthylation de l’ADN en réponse au froid. Dans un second axe, j’ai suivi ces DMR au cours du développement et dans la descendance afin d’étudier leur transmission, en lien avec leur localisation génomique et les contextes de cytosine affectés. Dans un troisième axe, j’ai étudié le lien entre variations de méthylation et sensibilité au froid en comparant la réponse du méthylome chez trois génotypes de maïs (B73, F2 et F331) présentant une réponse phénotypique contrastée pour ce caractère.Molecular characterization of plant response to environnemental constraints allows to both better understand plant adaptation and help crop improvement. The epigenome is composed of chromatin marks and participates to the regulation of genome expression, notably through development. It is also involved in genome stability, essentially by preventing the transposition of transposable elements (TE). The epigenome can be modified by environmental cues and better understanding this variation could give new insights on the interaction between the plant and its environnement. However, the extent of this modification, targeted sequences and underlying mecanisms remain to be elucidated. In this context, I analyzed the impact of cold on the methylome of maize, a plant with a complex genome with high proportion of TEs. In a first part, I analyzed the methylome of a cold-sensitive genotype, B73, using whole genome bisulfite sequecing (BS-seq). This comparative analysis between “stressed” and “unstressed” plants was carried out (i) at the chromosome scale, without a priori definition of a DNA methylation difference and (ii) at a localized scale (Differentially Methylated regions, « DMRs ») using high minimum methylation difference rate (10%). These two types of analysis revealed that cold triggers hypermethylation at the genome scale, as well as. hyper-and-hypo-methylation at the local scale. These variations were observed in the 3 contexts of cytosine and occur in different genomic regions associated with genes and TEs. This suggests the parallel activation of different regulatory pathways in response to cold. In a second part, I focused on following-up methylation changes through development and in the progeny in conjunction with the genomic sequences and the cytosine context involved. In a third part, I studied the relationship between methylome variations and cold sensitivity by comparing the methylomes of three maize genotypes (B73, F2 and F331) with a contrasted phenotypic response to cold

Within-family genomic selection in rubber tree (Hevea brasiliensis) increases genetic gain for rubber production

International audienceGenomic selection (GS) could make more efficient the two-stage phenotypic breeding scheme used for rubber production in Hevea brasiliensis. It was evaluated using two trials in Cote d'Ivoire comprising 189 and 143 clones of the cross PB 260 x RRIM 600, genotyped with 332 simple sequence repeat markers. The effect of statistical genomic prediction methods, training size, and marker data on GS accuracy was investigated when predicting unobserved clone production within and between sites. Simulations using these empirical data assessed the efficiency of replacing current first stage of phenotypic selection (evaluation of seedling phenotype) by genomic preselection, prior to clone trials. Genomic selection accuracy in between-site validations using all clones for training and all markers was 0.53. Marker density and training size strongly affected accuracy, but 300 markers were sufficient and using more than 175 training clones would have marginally improved accuracy. Using the 125-200 markers with the highest heterozygosity, between-site GS accuracy reached 0.56. Prediction methods did not affect GS accuracy. Simulations showed that genomic preselection on 3000 seedlings of the considered cross would have increased selection response for rubber production by 10.3%. Hevea breeding programs can be optimized by the use of within-family GS. Further studies considering other crosses and traits, consecutive breeding cycles, more contrasted environments, and cost-benefit ratio are required

Genome-wide hypermethylation of TEs following low temperature exposure in maize

International audienceTransposable elements (TEs) are major players in shaping genome structure. TE sequences are transcriptionally silenced by epigenomic modifications to limit the mutagenic potential of their transpositional activity. In particular, several DNA methylation pathways are responsible for TE silencing in the various chromosomal locations where TE reside. While DNA methylation is known to be modified by abiotic constraints, the extent to which it can be remodeled remains to be fully elucidated.We show that low temperature triggers genome-wide hypermethylation in maize, mainly at transposable elements and centromeres. This hypermethylation is mediated by the parallel activation of multiple methylation pathways across chromosomes, to actively hypermethylate TEs in the various chromatin locations where they reside. This likely reflects the importance of taming transposable elements following an abiotic stress in maize, a species for which over 85% of the genome is constituted of transposable elements

Low temperature triggers genome-wide hypermethylation of transposable elements and centromeres in maize

ABSTRACT Characterizing the molecular processes developed by plants to respond to environmental cues is a major task to better understand local adaptation. DNA methylation is a chromatin mark involved in the transcriptional silencing of transposable elements (TEs) and gene expression regulation. While the molecular bases of DNA methylation regulation are now well described, involvement of DNA methylation in plant response to environmental cues remains poorly characterized. Here, using the TE-rich maize genome and analyzing methylome response to prolonged cold at the chromosome and feature scales, we investigate how genomic architecture affects methylome response to stress in a cold-sensitive genotype. Interestingly, we show that cold stress induces a genome-wide methylation increase through the hypermethylation of TE sequences and centromeres. Our work highlights a cytosine context-specific response of TE methylation that depends on TE types, chromosomal location and proximity to genes. The patterns observed can be explained by the parallel transcriptional activation of multiple DNA methylation pathways that methylate TEs in the various chromatin locations where they reside. Our results open new insights into the possible role of genome-wide DNA methylation in phenotypic response to stress

Low temperature triggers genome-wide hypermethylation in maize, with specific targeting of TEs and centromeres

International audienc