Optimisation de l'apomixie synthétique chez le riz par des approches d'édition du génome // optimization of synthetic apomixis in rice through genome editing approaches

Topic description

L'exploitation de l'hétérosis représente un atout stratégique pour améliorer les rendements, la stabilité et la résilience des cultures. Toutefois, chez le riz, espèce autogame, la production de semences hybrides est coûteuse et la vigueur hybride ne peut être maintenue lors de la replantation, en raison de la ségrégation génétique. Dans ce cadre, l'introduction d'une apomixie synthétique, permettant une reproduction clonale par graines, représente une stratégie innovante pour fixer durablement les performances hybrides. Des avancées récentes ont permis d'obtenir chez le riz un système d'apomixie synthétique combinant une apoméiose artificielle (via l'inactivation de trois gènes méiotiques clés) avec un déclenchement de la parthénogenèse par l'expression ectopique dans la cellule œuf du facteur de transcription de l'embryogenèse zygotique OsBBM1. Bien que ce système permette d'atteindre des taux élevés de descendance clonale, il reste limité par une baisse de fertilité importante et par la présence d'ADN transgénique intégré, non éliminable en l'absence de reproduction sexuée. Le sujet de thèse proposé vise à optimiser le système d'apomixie synthétique chez le riz selon deux axes complémentaires, fondés sur des approches d'édition du génome de précision. Le premier axe consiste à moduler finement l'expression endogène de OsBBM1 dans la cellule œuf, par la caractérisation et l'édition ciblée de ses régions régulatrices. L'objectif est d'obtenir une activation précoce mais contrôlée, compatible avec la fécondation de la cellule centrale et le développement normal de l'albumen, afin d'améliorer la fertilité des lignées apomictiques. Cette approche s'appuiera sur des analyses fonctionnelles de promoteurs, des approches multi-omiques sur cellules isolées (transcriptomique et accessibilité de la chromatine) et des stratégies d'édition du génome qui seront adaptées en fonction des régions candidates identifiées. Le second axe vise à développer une stratégie pour éliminer les séquences d'ADN-T devenues superflues après l'obtention des modifications des gènes méiotiques cibles (cassettes d'édition et de sélection). En exploitant l'expression constitutive de la Cas9 dans les lignées apomictiques, des stratégies d'excision ciblée seront développées afin de supprimer ces séquences tout en conservant l'intégrité de la cassette parthénogénétique. Un système « preuve de concept », basé sur l'utilisation d'un gène rapporteur GFP sera d'abord mis en place afin d'évaluer l'efficacité et la précision de l'excision, avant le développement d'une construction intragénique « tout-en-un » permettant l'auto-excision des éléments d'édition après leur fonction. À plus long terme, les axes 1 et 2 pourraient converger vers la mise au point d'une construction incorporant les guides ARN ciblant les régions régulatrices de OsBBM1 dans la cassette d'édition finale afin de développer un système d'apomixie synthétique reposant exclusivement sur une machinerie d'édition du génome qui pourra par la suite être éliminée par excision. À l'issue du projet, ce travail vise à lever des verrous majeurs limitant l'apomixie synthétique chez le riz, en améliorant la fertilité du système et en rendant le système compatible avec les exigences réglementaires associées aux plantes NGT. Ces avancées ouvriront la voie à une évaluation en conditions agronomiques et rapprocheront l'apomixie synthétique d'un déploiement au champ. Ce projet participe à l'émergence de systèmes de reproduction innovants, susceptibles de faciliter l'accès aux variétés hybrides et de soutenir une agriculture plus durable et résiliente.
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Harnessing heterosis is a powerful strategy to increase crop yield, performance stability, and resilience. However, in self-pollinating crops like rice, hybrid seed production remains costly, and hybrid vigor cannot be maintained upon seed replanting due to genetic segregation. Introducing apomixis, a natural mode of clonal reproduction through seeds, in crops offers a transformative solution to fix hybrid performance across generations. Recent breakthroughs have enabled the engineering of synthetic apomixis in rice by combining artificial apomeiosis (through the inactivation of three key meiotic genes) with parthenogenesis induced by ectopic expression of the zygotic embryogenesis transcription factor OsBBM1 in the egg cell. Although this system achieves high levels of clonal progeny, its broader deployment is limited by a significant reduced fertility and the persistence of integrated transgenic sequences that cannot be segregated out in the absence of sexual reproduction. This PhD project aims to optimize synthetic apomixis in rice through precision genome editing, following two complementary axes. The first axis focuses on fine-tuning of endogenous OsBBM1 expression in the egg cell by characterizing and editing of its regulatory regions. The objective is to induce parthenogenesis at an optimal developmental stage, ensuring compatibility with central cell fertilization and normal endosperm development, thereby improving fertility in apomictic lines. This work will combine functional promoter analyses, single-cell multi-omics approaches (transcriptomics and chromatin accessibility analyses), and genome editing strategies tailored to the candidate regulatory regions identified. The second axis intends to develop a strategy for the targeted removal of superfluous T-DNA sequences remaining after genome editing of the meiotic genes (selection markers and editing components). By exploiting constitutive Cas9 expression already present in apomictic lines, precise excision systems will be engineered to remove these sequences while preserving the integrity of the parthenogenetic cassette. A proof-of-concept GFP reporter system will initially be established to evaluate excision efficiency and precision, before developing an intragenic “all-in-one” construct designed to enable self-excision of the editing components once their function has been completed. In the longer term, axes 1 and 2 may converge toward the development of a construct incorporating guide RNAs targeting OsBBM1 regulatory regions into the final editing cassette, enabling a synthetic apomixis system entirely based on genome editing machinery that can subsequently be removed by excision. Overall, this project aims to overcome key bottlenecks currently limiting synthetic apomixis in rice, by improving system fertility and ensuring compatibility with regulatory frameworks associated with New Genomic Techniques (NGTs). These advances will pave the way for agronomic evaluation under field conditions and bring synthetic apomixis closer to practical deployment. Beyond this, this work contributes to the development of innovative reproductive systems aimed at facilitating access to hybrid varieties and supporting more sustainable and resilient crop production systems.
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Début de la thèse : 02/11/

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Autre type de financement - Projet PEPR SVA accepté