Résumé:

Ce projet vise à développer des approches de modélisation et de biologie des systèmes pour une meilleure compréhension de deux processus de développement clés chez les plantes: la morphogenèse des embryons et la maturation des graines.

L'embryogenèse est un processus complexe par lequel une cellule zygotique conduit à un embryon mature composé de différents types cellulaires organisés. Pour cela, la croissance et la division cellulaires, le patterning et la différenciation cellulaire doivent être correctement régulés. Nous avons développé un nouveau cadre computationnel pour modéliser les divisions cellulaires dans des formes réelles de cellules observées dans des images 3D et avons montré que les patrons de division cellulaire précoces et stéréotypés chez Arabidopsis peuvent être expliqués en utilisant une règle unique reliant la géométrie de la cellule mère et le positionnement du plan de division. Ces résultats suggèrent que les processus auto-organisés pourraient jouer un rôle important  dans la morphogenèse précoce des plantes.

Au cours de la phase de maturation qui suit la phase de morphogenèse, l'embryon accumule des produits de stockage spécifiques et devient progressivement tolérant à la dessiccation, préparant ainsi la graine à la dispersion. Cela nécessite l'activation de programmes spatio-temporels spécifiques qui sont déterminés par un groupe de facteurs de transcription en interaction dont l'expression est étroitement régulée, en partie par des mécanismes affectant les modifications de la chromatine. La chromatine est une structure dynamique dont l'organisation est liée à l'architecture nucléaire globale et à la régulation de l'expression des gènes. Nous avons développé un nouveau protocole hautement sensible pour quantifier l'expression des gènes dans des tissus microdisséqués à partir de graines sauvages et mutantes. Nous avons également généré une collection d'images 3D à partir de types de cellules identifiés dans des noyaux de plantes sauvages et de plantes mutantes. L'analyse de ces données avec des outils de modélisation spatiale nouvellement développés a mis en évidence une organisation multi-échelle de l'hétérochromatine constitutive chez A. thaliana et les rôles complémentaires de protéines de la famille CRWN dans la régulation de cette organisation.

Objectifs:

Le projet était divisé en deux parties, avec pour objectif de modéliser:

1. les patrons spatio-temporels des divisions cellulaires lors de l'embryogenèse précoce;

2. l’organisation nucléaire et la régulation transcriptionnelle de réseaux de gènes pendant la maturation des graines.

Principaux résultats:

Partie 1 du projet:

- établissement d'une collection d'images segmentées et annotées d'embryons jusqu'au stade 16C;

- développement d'un modèle computationnel de division cellulaire en 3D;

- mise en évidence d’une nouvelle règle de division cellulaire reliant la géométrie de la cellule mère et le positionnement du plan de division, prédictive des patrons de division cellulaire chez l'embryon précoce.

Partie 2 du projet:

- un nouveau protocole RNAseq avec une sensibilité élevée pour l'analyse transcriptomique dans les tissus microdisséqués de graines;

- une collection d'images de noyaux provenant de types cellulaires identifiés dans des plantes sauvages et des plantes mutantes;

- identification de principes et de déterminants de l'organisation spatiale de l'hétérochromatine constitutive

Perspectives:

Partie 1:

- en se basant sur le modèle computationnel développé, étudier l'interaction entre la division et la croissance cellulaires et leur rôle dans l'émergence de l'asymétrie embryonnaire au stade cordiforme;

- étudier les contributions de régulateurs spécifiques impliqués dans le contrôle de l'orientation de la division cellulaire en caractérisant les patrons de division cellulaire dans les embryons précoces de mutants.

Partie 2:

- appliquer les modèles spatiaux développés pour analyser et comparer les organisations nucléaires dans différents types de cellules de la graine;

- sur la base des données transcriptomiques recueillies, modéliser les réseaux de régulation de gènes qui sous-tendent la maturation des graines, en tenant compte des contraintes spatiales.

Publications (en septembre 2019):

Moukhtar J, Trubuil A, Belcram K, Legland D, Khadir Z, Urbain A, Palauqui JC, Andrey P (2019). Cell geometry determines symmetric and asymmetric division plane selection in Arabidopsis early embryos. PLoS Computational Biology, 15, e1006771.

Sakai K, Taconnat L, Borrega N, Yansouni J, Brunaud V, Paysant-Le Roux C, Delannoy E, Martin Magniette ML, Lepiniec L, Faure JD, Balzergue S, Dubreucq B (2018). Combining laser-assisted microdissection (LAM) and RNA-seq allows to perform a comprehensive transcriptomic analysis of epidermal cells of Arabidopsis embryo. Plant Methods, 14, 10.

Del Prete S., Arpón J., Sakai K., Andrey P., Gaudin V. (2014). Nuclear Architecture and Chromatin Dynamics in Interphase Nuclei of Arabidopsis thaliana. Cytogenetic and Genome Research 143, 28-50.

Communications lors de congrès:

Laruelle L, Moukhtar J, Trubuil A, Belcram K, Legland D, Khadir Z, Palauqui JC, Andrey P (2019). Deciphering cell division patterns in plant early embryogenesis by combining 3D image analysis and computer modelling. Plant Growth and Form : International Symposium on Quantitative Plant Morphodynamics, 9–11 September 2019, Heidelberg, Germany (invited).

Moukhtar J., Laruelle, E., Trubuil, A., Belcram, K., Legland, D., Khadir, Z., Palauqui, J.-C., Andrey, P. (2019). Combining 3D image analysis and computer modeling to understand cell division patterns in plant early embryogenesis. Quantitative BioImaging Conference, 8-11 January 2019, Rennes, France.

Andrey P (2018). Image analysis and computer modelling of cell divisions in plant early embryogenesis. Phycomorph COST Action Workshop : “Imaging seaweed cells and tissues”, 12–13 November 2018, Roscoff, France (invited).

Andrey P (2017). Modeling 3D cell division patterns in plant early embryogenesis. CLIPS 2017 : Multiscale Live Imaging in Human, Animal and Plant Health, 12–13 septembre 2017, Gif-sur-Yvette, France (invited).

Gaudin V (2016). Spatial 3D modelling of plant nuclear architecture, International Symposium on Nuclear Dynamics in Plants, 16 November, Tokyo, Japan.

Andrey P (2015). Modeling spatial distributions and patterns in biological imaging. GDR 2588, Third Mini-symposium on BioImage Informatics, 23–24 novembre 2015, Institut Pasteur, Paris (invited).

Arpón J, Del Prete S, Sakai K, Andrey P, Gaudin G (2015) Spatial 3D modelling of plant nuclear architecture, INUPRAG Meeting, 6-8 October, Nancy, France.

Moukhtar J, Belcram K, Trubuil A, Legland D, Palauqui JC, Andrey P (2015). Computational modelling of cell division patterns during plant early embryogenesis. International Workshop on Image Analysis Methods for the Plant Sciences, 21–22 septembre 2015, Louvain-la-Neuve, Belgium (orateur).

Arpon J, Sakai K, Del Prete S, Gaudin V, Andrey P (2015). A spatial statistical approach to analyze and model nuclear architecture. International Workshop on Image Analysis Methods for the Plant Sciences, 21–22 septembre 2015, Louvain-la-Neuve, Belgium.

Arpón J, Sakai K, Del Prete S, Gaudin V, Andrey P (2015). Recent developments on the statistical spatial modeling of nuclear architecture in A. thaliana. International Plant Nuclear Consortium Meeting, 3-5 July, Olomouc, Czech Republic.

Arpón J, Del Prete S, Sakai K, Andrey P, Gaudin V (2015) Spatial 3D modelling of plant nuclear architecture, European Workshop on Plant Chromatin, 25-26 June, Upssala, Sweden.

Balzergue S., Borrega N., Yansouni J., Brunaud V., Delanoye E., Faure J.D., Dubreucq B. « Low RNAseq microdissected plant tissue », International Symposium on Microgenomics, Paris, France, May 15-16 2014.

Andrey P, “Modelling cell division patterns in Arabidopsis thaliana early embryos”. First TEFOR Symposium, December 16, 2013, Paris (invited talk).

Arpón J, Sakai K, Del Prete S, Gaudin V, Andrey P. Image analysis and spatial modelling of nuclear organisation in Arabidopsis thaliana. First Meeting of the International Plant Nuclear Group, Oxford Brookes University, June 26–28, 2013 (invited talk).

Sakai K, Del Prete S, Arpón J, Andrey P, Gaudin V, “Nuclear architecture and genome functions in Arabidopsis thaliana”, First Meeting of the International Plant Nuclear Group, Oxford Brookes University, June 26–28, 2013 (invited talk).

Présentation du projet-phare ”Modélisation des mécanismes développementaux” du LabEx ”Sciences des Plantes de Saclay” P Andrey, K Belcram, B Dubreucq, V Gaudin, P Laufs, J Moukhtar, JC Palauqui, A Trubuil, A Urbain & L Lepiniec, Septièmes Journées de Biologie cellulaire du Grand Campus, 14-15 Mai 2012, Institut Curie, Orsay.