Thèse Étude du Dialogue Moléculaire Entre Éléments Transposables de l'Hôte Végétal et son Symbiote Intracellulaire au Cours de la Symbiose Fixatrice d'Azote chez les Légumineuses. H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SEVAB - Sciences Ecologiques, Vétérinaires, Agronomiques et Bioingenieries Laboratoire de recherche : LIPME - Laboratoire des Interactions Plantes-Microbes-Environnement Direction de la thèse : Andreas NIEBEL ORCID 0000000234028381 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59 Contexte. L'azote est un facteur limitant majeur de la croissance végétale. Pour pallier sa carence, l'agriculture moderne dépend d'engrais de synthèse menaçant la durabilité alimentaire et la santé des écosystèmes. Cependant, les légumineuses ont évolué pour surmonter cette limite via une endosymbiose avec des bactéries fixatrices d'azote, les rhizobia (1). Dans ces associations, les symbiotes sont hébergés de manière intracellulaire dans de nouveaux organes racinaires spécialisés induits par l'hôte : les nodosités, véritables usines biologiques d'azote (1). Au-delà de leur intérêt en agriculture, les nodosités constituent un modèle exceptionnel pour comprendre comment le dialogue moléculaire hôte-symbiote influence la stabilité génomique. Les génomes de légumineuses sont riches en éléments transposables (ET), historiquement perçus comme des parasites génomiques, représentant jusqu'à 80 % du contenu génomique chez le pois ou la fève (2). En raison de leur potentiel mutagène, les ET sont strictement contrôlés par des petits ARN assurant leur répression transcriptionnelle (3). Chez la légumineuse modèle Medicago truncatula, les ET représentent plus de 25 % du génome (4). Des données transcriptomiques récentes de notre équipe montrent que cette répression est levée dans les nodosités pour une large fraction d'ET, entraînant leur accumulation (4, 5). Deux questions émergent : (1) Cette réactivation est-elle une conséquence directe du symbiote ou de l'organogenèse régulée par l'hôte ? (2) Ces ET pourraient-ils avoir une fonction régulatrice dans la symbiose, comme observé chez d'autres organismes (6, 7) ?
Données préliminaires et hypothèse. Grâce à des données de RNA-seq en cellule unique et des tests d'activation, le candidat a identifié quatre familles d'ET fortement activées dans les nodosités. Pour distinguer l'induction par le symbiote de la régulation développementale par l'hôte, il a comparé des nodosités symbiotiques à des nodosités aposymbiotiques sans bactéries induites expérimentalement (8). Il a démontré que deux familles d'ET ne s'activent qu'en présence du symbiote, tandis que les deux autres s'expriment dans les deux conditions. Cela suggère un dialogue moléculaire complexe impactant différemment le contrôle des ET. Nous faisons l'hypothèse que la transcription des ET est régulée de manière contrastée durant la nodulation, soit par le symbiote, soit par l'hôte, impliquant des stratégies de contrôle distinctes de la part de la plante.
Objectifs et méthodologie. Ce projet de doctorat vise à disséquer l'impact respectif de l'hôte et du symbiote sur le contrôle des ET et à évaluer leur potentiel rôle régulateur.
Axe 1 : Caractérisation génomique de l'expression des ET en nodule symbiotique et aposymbiotique. Le candidat produira par mRNA-seq des données transcriptionnelles de nodosités symbiotiques et aposymbiotiques pour identifier les ET régulés par le symbiote ou l'hôte à l'échelle du génome. Des analyses de petits ARN (small RNA-seq) permettront de comparer les mécanismes de mise en silence et d'activation. Ce travail sera soutenu par des bioinformaticiens du LIPME et des collaborateurs nationaux, avec une validation par Mobilome-qPCR (9).
Axe 2 : Évaluation fonctionnelle des ET induits. Des analyses fonctionnelles seront menées sur deux candidats choisis selon leur mode d'induction, leur profil de petits ARN et la présence d'éléments régulateurs (target mimicry, leurre de facteur de transcription, etc.). Le candidat utilisera l'ARN FISH pour suivre l'expression spatio-temporelle des ET. Leur potentiel régulateur sera testé par surexpression transgénique, ARN interférent (RNAi) et édition génomique CRISPR-Cas9 afin d'évaluer leur nécessité pour le développement et le fonctionnement des nodosités.
Conclusion. Cette thèse apportera des connaissances fondamentales sur la reprogrammation du contrôle des ET dirigée par le symbiote et l'hôte dans le contexte crucial de la symbiose fixatrice d'azote.
The research is positioned at the intersection of agricultural sustainability and genome biology. Modern agriculture relies heavily on synthetic nitrogen fertilizers, which are energy-intensive to produce and cause significant environmental damage. Legumes (like Medicago truncatula) have evolved a unique ability to house nitrogen-fixing bacteria within specialized root organs called nodules. This biological factory of sustainable nitrogen allows plants to thrive in nitrogen-poor soils without chemical inputs. Legume genomes are highly repetitive often consisting of up to 80% of TEs. While TEs were once dismissed as non-functional junk DNA, accumulating evidence support that they are dynamic drivers of genome activity. While we understand the basic signaling between plants and bacteria, we don't yet fully understand how this massive population of TEs is managed during the cellular reprogramming of nodulation. This project investigated how symbiont- and host-directed mechanisms influence TE transcriptional control and ultimately genomic stability. The objective of this thesis is to investigate how the cross-talk between the plant host and the endosymbiont influences host TE transcriptional control, while determining if specific TEs have regulatory functions in nodulation. The PhD project is structured around two axes: (1) a genome-wide characterization of TE expression patterns in symbiotic and aposymbiotic nodules followed by (2) a functional assessment of selected TE candidates.

Axis 1: Study of the transcriptional and small RNA profile of symbiotic and aposymbiotic nodules.
The PhD candidate will use high-throughput sequencing to capture the transcriptional and small RNA profiles of symbiotic (with the endosymbiont) and aposymbiotic (without the endosymbiont) nodules in Medicago truncatula:
- mRNA-seq: to identify which genes and TEs are differentially regulated between symbiotic and aposymbiotic nodules. This will allow discriminating between strictly symbiont-regulated and host-regulated TE families during nodulation.
- Small RNA-seq: to detect the regulatory small RNAs associated to TE transcriptional control, revealing how the TE silencing machinery is differentially altered in symbiotic and aposymbiotic nodules.
- Mobilome-qPCR: to detect circular DNA intermediates, which are direct evidence of active TE activity within the genome.

Axis 2: Functional assessment by genetic strategies of TEs with regulatory potential during nodulation.
Potential regulatory roles of two candidate TEs identified in axis 1 (one host-regulated and one symbiont-regulated, showing differential small RNA profile between symbiotic and aposymbiotic nodules, and presence of coding and/or regulatory elements within the TE sequence) will be interrogated using genetic strategies:
- Spatiotemporal tracking: using RNA FISH to visualize exactly where and when these TEs are active during nodulation.
- Gene silencing by RNA interference: knocking down the expression of the two candidate TEs to assess if nodule development and functions are altered.
- Gene editing by CRISPR-Cas9: precisely deleting or disrupting the two candidate TE sequences to test their potential regulatory role in the symbiotic process.
- Transgenic overexpression: inducing ectopic or nodule-specific expression of the two candidate TEs to assess if nodule development and functions are altered.

Biologiste moléculaire des plantes intéressé.e par l'étude de la dynamique des génomes végétaux des éléments transposables et des interactions plantes-microbes.