Dynamique de la méthylation de l’ADN et variation épigénétique naturelle impliquées dans la fertilité mâle chez Arabidopsis thaliana

Résumé de la thèse

Chez Arabidopsis thaliana, la fertilité mâle dépend du retrait de la méthylation de l’ADN, une marque épigénétique conservée et essentielle pour la régulation de l’expression des gènes, en particulier au cours de la reproduction. Dans le pollen, ce mécanisme est principalement assuré par la déméthylase DEMETER (DME), mais implique également REPRESSOR OF SILENCING1 (ROS1), dont la perte entraîne un défaut de fertilité mâle. Cependant, les mécanismes moléculaires et les gènes impliqués dans ce phénomène demeuraient inconnus.

Des analyses de transcriptomes et de méthylomes de pollen ont montré qu’en absence de DME et ROS1 ce sont des gènes fortement méthylés, présentant des profils de méthylation caractéristiques des éléments transposables qui sont maintenus réprimés dans la cellule végétative du pollen (CV), provoquant des défauts de guidage du tube pollinique et une réduction de la capacité du pollen à féconder les ovules. 

De la même façon, nous avons démontré que cette méthylation est maintenue pendant la phase végétative par le remodeleur chromatinien DECREASE IN DNA METHYLATION1 (DDM1) et la voie de méthylation dirigée par les ARN (RdDM), avant d’être activement éliminée par DME et ROS1 dans la CV. 

Par ailleurs, en générant des populations en ségrégation épigénétique portant des régions hypométhylées héritées du mutant ddm1, la fertilité des mutants de déméthylases peut être restaurée à des niveaux variables. L’analyse des méthylomes de ces populations a permis d’associer cette restauration de la fertilité à un unique locus : PLOUTOS (PLOU). Des analyses fonctionnelles ont ensuite confirmé le rôle essentiel de PLOU dans les fonctions du tube pollinique, les mutants perte de fonction présentant de sévères défauts de fertilité.

Enfin, l’analyse de la variation épigénétique naturelle a permis d’identifier une accession unique d’Arabidopsis thaliana portant un locus PLOU totalement déméthylé, dans laquelle la fertilité du pollen n’est pas affectée par la perte d’activité des déméthylases. Ce résultat apporte une preuve directe que la nécessité d’une déméthylation active dans le pollen dépend de l’état de méthylation de ce gène.

Dans l’ensemble, cette thèse met en évidence la dynamique de la méthylation de l’ADN essentielle à la fertilité mâle et souligne la contribution critique d’un unique gène. Plus largement, ces résultats mettent en lumière l’importance de la régulation épigénétique dans la reproduction des plantes et apportent de nouvelles connaissances sur les mécanismes contrôlant la fertilité mâle, un enjeu majeur pour l’agriculture.

DNA methylation dynamics and natural epigenetic variation underlying male fertility in Arabidopsis thaliana

Male fertility in Arabidopsis thaliana requires active removal of DNA methylation, a conserved epigenetic mark important for gene regulation and involved in many biological processes, including plant reproduction. In pollen, this mechanism is mediated by the demethylases DEMETER (DME) but also involves REPRESSOR OF SILENCING1 (ROS1), the loss of which causes male fertility defects. However, the underlying molecular mechanisms and target genes remained unknown. 
Using integrated transcriptome and methylome analyses, we show that the absence of DME and ROS1 maintains silencing of transposable element–like methylated (teM) genes in the pollen vegetative cell (VC), leading to pollen tube guidance defects and reduced capacity to fertilise ovules. 

Consistently, we demonstrated that this teM is maintained during the vegetative phase through the combined action of the chromatin remodeler DECREASE IN DNA METHYLATION1 (DDM1) and the RNA directed DNA Methylation (RdDM) pathway, before being removed by DME and ROS1-mediated demethylation in the VC.

Furthermore, by generating epigenetic segregant populations with heritable ddm1-derived hypomethylated regions, we could restore demethylase mutants fertility to variable degrees. In order to identify the hypomethylatred loci associated with fertility rescue, we performed methylome-based bulk segregant analyses, which converged on a single locus: PLOUTOS (PLOU). Genetic characterisation further confirmed the essential role of PLOU in pollen tube function, as plou mutants display severe fertility defects 

Finally, analysis of natural epigenetic variation identified a unique Arabidopsis thaliana accession carrying a fully unmethylated PLOU locus, in which pollen fertility is unaffected by the loss of demethylase activity. This finding provides direct evidence that the requirement for active DNA demethylation in pollen depends on the methylation status of this gene.

Altogether, this work uncovers the dynamics of DNA methylation at male reproductive loci and highlights the critical contribution of a single epigenetically regulated gene to pollen fertility. More broadly, these findings highlight the importance of epigenetic regulation in plant reproduction and provide new insights into mechanisms controlling male fertility, a major challenge for agriculture.