1. Live single-cell transcriptional dynamics via RNA labelling during the phosphate response in plants
- Author
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Edouard Bertrand, Nathalie Pochon, Eric Maréchal, Sahar Hani, James Whelan, Rémy Merret, Marie-Christine Thibaud, Laura Cuyas, Pascale David, Laurent Nussaume, Orestis Faklaris, Hélène Javot, David Secco, Florian Mueller, Institut de Biosciences et Biotechnologies d'Aix-Marseille (ex-IBEB) (BIAM), Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Signalisation de l'Adaptation des Végétaux à l'Environnement (SAVE), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Department of Animal Plant and Soil Sciences, La Trobe Institute for Agriculture and Food (LIAF), La Trobe University-La Trobe University, Laboratoire Génome et développement des plantes (LGDP), Université de Perpignan Via Domitia (UPVD)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Imagerie et Modélisation - Imaging and Modeling, Institut Pasteur [Paris]-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de recherche en Biologie Cellulaire (CRBM), Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Université Montpellier 1 (UM1), Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Institut de Génétique Moléculaire de Montpellier (IGMM), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM), Institut de génétique humaine (IGH), Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Biologie végétale et microbiologie environnementale - UMR7265 (BVME), Aix Marseille Université (AMU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Centre Mondial de l'Innovation Roullier, Groupe Roullier, La Trobe University [Melbourne], Institut Pasteur [Paris] (IP)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Centre de recherche en Biologie cellulaire de Montpellier (CRBM), LIPID, Physiologie cellulaire et végétale (LPCV), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Grenoble Alpes (UGA), Plant Environmental Physiology and Stress Signaling (PEPSS), S.H. was supported by a PhD fellowship from the CEA and PACA region, ANR Reglisse 13-906 ADAP-008 fellowship and CEA DRF impulsion program with FOSSI project supported EM, LC, LN, MCT, PD. Additional grant support were also received by HJ from CEA-Enhanced Eurotalent and ANR PhlowZ 19-CE-13-0007.We acknowledge the MRI imaging facility (belonging to the National Infrastructure France-BioImaging supported by the French National Research Agency, ANR-10-INBS-04),and the ZoOM platform (supported by the Région Provence Alpes Côte d’Azur, the Conseil General of Bouches du Rhône, the French Ministry of Research, the Centre National de la Recherche Scientifique and the Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives)., ANR-10-INBS-0004,France-BioImaging,Développment d'une infrastructure française distribuée coordonnée(2010), ANR-10-LABX-0041,TULIP,Towards a Unified theory of biotic Interactions: the roLe of environmental(2010), ANR-13-ADAP-0008,Reglisse,Régulation de l'interconversion des glycérolipides chez les plantes en réponse aux variations environnementales(2013), and ANR-19-CE13-0007,PHLOWZ,Approche systémique de l'interaction entre les voies de signalisation du Zinc et du Phosphate(2019)
- Subjects
0106 biological sciences ,Transcription, Genetic ,[SDV]Life Sciences [q-bio] ,Cell ,Arabidopsis ,RNA polymerase II ,Plant Science ,01 natural sciences ,Phosphates ,03 medical and health sciences ,Gene Expression Regulation, Plant ,Stress, Physiological ,Plant Cells ,medicine ,Transcriptional regulation ,Allele ,Gene ,ComputingMilieux_MISCELLANEOUS ,030304 developmental biology ,0303 health sciences ,biology ,RNA ,biology.organism_classification ,Cell biology ,Kinetics ,medicine.anatomical_structure ,biology.protein ,RNA Polymerase II ,Steady state (chemistry) ,010606 plant biology & botany - Abstract
International audience; Plants are constantly adapting to ambient fluctuations through spatial and temporal transcriptional responses. Here, we implemented the latest-generation RNA imaging system and combined it with microfluidics to visualize transcriptional regulation in living Arabidopsis plants. This enabled quantitative measurements of the transcriptional activity of single loci in single cells, in real time and under changing environmental conditions. Using phosphate-responsive genes as a model, we found that active genes displayed high transcription initiation rates (one initiation event every ~3 s) and frequently clustered together in endoreplicated cells. We observed gene bursting and large allelic differences in single cells, revealing that at steady state, intrinsic noise dominated extrinsic variations. Moreover, we established that transcriptional repression triggered in roots by phosphate, a crucial macronutrient limiting plant development, occurred with unexpectedly fast kinetics (on the order of minutes) and striking heterogeneity between neighbouring cells. Access to single-cell RNA polymerase II dynamics in live plants will benefit future studies of signalling processes.
- Published
- 2021