Systems biology of plants : from intraspecific genome variation to computational morphodynamics

Recently, the introduction of second generation sequencing and further advance-ments in confocal microscopy have enabled system-level studies for the functional characterization of genes. The degree of complexity intrinsic to these approaches needs the development of bioinformatics methodologies and computational models for extracting meaningful biological knowledge from the enormous amount of experi¬mental data which is continuously generated. This PhD thesis presents several novel bioinformatics methods and computational models to address specific biological questions in Plant Biology by using the plant Arabidopsis thaliana as a model system. First, a spatio-temporal qualitative analysis of quantitative transcript and protein profiles is applied to show the role of the BREVIS RADIX (BRX) protein in the auxin- cytokinin crosstalk for root meristem growth. Core of this PhD work is the functional characterization of the interplay between the BRX protein and the plant hormone auxin in the root meristem by using a computational model based on experimental evidence. Hyphotesis generated by the modelled to the discovery of a differential endocytosis pattern in the root meristem that splits the auxin transcriptional response via the plasma membrane to nucleus partitioning of BRX. This positional information system creates an auxin transcriptional pattern that deviates from the canonical auxin response and is necessary to sustain the expression of a subset of BRX-dependent auxin-responsive genes to drive root meristem growth. In the second part of this PhD thesis, we characterized the genome-wide impact of large scale deletions on four divergent Arabidopsis natural strains, through the integration of Ultra-High Throughput Sequencing data with data from genomic hybridizations on tiling arrays. Analysis of the identified deletions revealed a considerable portion of protein coding genes affected and supported a history of genomic rearrangements shaped by evolution. In the last part of the thesis, we showed that VIP3 gene in Arabidopsis has an evo-lutionary conserved role in the 3' to 5' mRNA degradation machinery, by applying a novel approach for the analysis of mRNA-Seq data from random-primed mRNA. Altogether, this PhD research contains major advancements in the study of natural genomic variation in plants and in the application of computational morphodynamics models for the functional characterization of biological pathways essential for the plant. - Récemment, l'introduction du séquençage de seconde génération et les avancées dans la microscopie confocale ont permis des études à l'échelle des différents systèmes cellulaires pour la caractérisation fonctionnelle de gènes. Le degrés de complexité intrinsèque à ces approches ont requis le développement de méthodologies bioinformatiques et de modèles mathématiques afin d'extraire de la masse de données expérimentale générée, des information biologiques significatives. Ce doctorat présente à la fois des méthodes bioinformatiques originales et des modèles mathématiques pour répondre à certaines questions spécifiques de Biologie Végétale en utilisant la plante Arabidopsis thaliana comme modèle. Premièrement, une analyse qualitative spatio-temporelle de profiles quantitatifs de transcripts et de protéines est utilisée pour montrer le rôle de la protéine BREVIS RADIX (BRX) dans le dialogue entre l'auxine et les cytokinines, des phytohormones, dans la croissance du méristème racinaire. Le noyau de ce travail de thèse est la caractérisation fonctionnelle de l'interaction entre la protéine BRX et la phytohormone auxine dans le méristème de la racine en utilisant des modèles informatiques basés sur des preuves expérimentales. Les hypothèses produites par le modèle ont mené à la découverte d'un schéma différentiel d'endocytose dans le méristème racinaire qui divise la réponse transcriptionnelle à l'auxine par le partitionnement de BRX de la membrane plasmique au noyau de la cellule. Cette information positionnelle crée une réponse transcriptionnelle à l'auxine qui dévie de la réponse canonique à l'auxine et est nécessaire pour soutenir l'expression d'un sous ensemble de gènes répondant à l'auxine et dépendant de BRX pour conduire la croissance du méristème. Dans la seconde partie de cette thèse de doctorat, nous avons caractérisé l'impact sur l'ensemble du génome des délétions à grande échelle sur quatre souches divergentes naturelles d'Arabidopsis, à travers l'intégration du séquençage à ultra-haut-débit avec l'hybridation génomique sur puces ADN. L'analyse des délétions identifiées a révélé qu'une proportion considérable de gènes codant était affectée, supportant l'idée d'un historique de réarrangement génomique modelé durant l'évolution. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons montré que le gène VÏP3 dans Arabidopsis a conservé un rôle évolutif dans la machinerie de dégradation des ARNm dans le sens 3' à 5', en appliquant une nouvelle approche pour l'analyse des données de séquençage d'ARNm issue de transcripts amplifiés aléatoirement. Dans son ensemble, cette recherche de doctorat contient des avancées majeures dans l'étude des variations génomiques naturelles des plantes et dans l'application de modèles morphodynamiques informatiques pour la caractérisation de réseaux biologiques essentiels à la plante. - Le développement des plantes est écrit dans leurs codes génétiques. Pour comprendre comment les plantes sont capables de s'adapter aux changements environnementaux, il est essentiel d'étudier comment leurs gènes gouvernent leur formation. Plus nous essayons de comprendre le fonctionnement d'une plante, plus nous réalisons la complexité des mécanismes biologiques, à tel point que l'utilisation d'outils et de modèles mathématiques devient indispensable. Dans ce travail, avec l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thalicinci nous avons résolu des problèmes biologiques spécifiques à travers le développement et l'application de méthodes informatiques concrètes. Dans un premier temps, nous avons investigué comment le gène BREVIS RADIX (BRX) régule le développement de la racine en contrôlant la réponse à deux hormones : l'auxine et la cytokinine. Nous avons employé une analyse statistique sur des mesures quantitatives de transcripts et de produits de gènes afin de démontrer que BRX joue un rôle antagonisant dans le dialogue entre ces deux hormones. Lorsque ce-dialogue moléculaire est perturbé, la racine primaire voit sa longueur dramatiquement réduite. Pour comprendre comment BRX répond à l'auxine, nous avons développé un modèle informatique basé sur des résultats expérimentaux. Les simulations successives ont mené à la découverte d'un signal positionnel qui contrôle la réponse de la racine à l'auxine par la régulation du mouvement intracellulaire de BRX. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons analysé le génome entier de quatre souches naturelles d'Arabidopsis et nous avons trouvé qu'une grande partie de leurs gènes étaient manquant par rapport à la souche de référence. Ce résultat indique que l'historique des modifications génomiques conduites par l'évolution détermine une disponibilité différentielle des gènes fonctionnels dans ces plantes. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons analysé les données du transcriptome de la plante où le gène VIP3 était non fonctionnel. Ceci nous a permis de découvrir le rôle double de VIP3 dans la régulation de l'initiation de la transcription et dans la dégradation des transcripts. Ce rôle double n'avait jusqu'alors été démontrée que chez l'homme. Ce travail de doctorat supporte le développement et l'application de méthodologies informatiques comme outils inestimables pour résoudre la complexité des problèmes biologiques dans la recherche végétale. L'intégration de la biologie végétale et l'informatique est devenue de plus en plus importante pour l'avancée de nos connaissances sur le fonctionnement et le développement des plantes.

Ablation of caterpillar labial salivary glands: technique for determining the role of saliva in insect-plant interactions.

There has been an ardent interest in herbivore saliva due to its roles in inducing plant defenses and its impact on herbivore fitness. Two techniques are described that inhibit the secretion of labial saliva from the caterpillar, Helicoverpa zea, during feeding. The methods rely on cauterizing the caterpillar's spinneret, the principal secretory structure of the labial glands, or surgically removing the labial salivary gland. Both methods successfully inhibit secretion of saliva and the principal salivary enzyme glucose oxidase. Caterpillars with inhibited saliva production feed at similar rates as the untreated caterpillars, pupate, and emerge as adults. Glucose oxidase has been suggested to increase the caterpillar's survival through the suppression of inducible anti-herbivore defenses in plants. Tobacco (Nicotiana tabacum) leaves fed on by caterpillars with ablated salivary glands had significantly higher levels of nicotine, an inducible anti-herbivore defense compound of tobacco, than leaves fed upon by caterpillars with intact labial salivary glands. Tomato (Lycopersicon esculentum) leaves fed upon by caterpillars with suppressed salivary secretions showed greatly reduced evidence of hydrogen peroxide formation compared to leaves fed upon by intact caterpillars. These two methods are useful techniques for determining the role that saliva plays in manipulating plant anti-herbivore defenses.

Plant defense in the absence of jasmonic acid: the role of cyclopentenones.

The Arabidopsis opr3 mutant is defective in the isoform of 12-oxo-phytodienoate (OPDA) reductase required for jasmonic acid (JA) biosynthesis. Oxylipin signatures of wounded opr3 leaves revealed the absence of detectable 3R,7S-JA as well as altered levels of its cyclopentenone precursors OPDA and dinor OPDA. In contrast to JA-insensitive coi1 plants and to the fad3 fad7 fad8 mutant lacking the fatty acid precursors of JA synthesis, opr3 plants exhibited strong resistance to the dipteran Bradysia impatiens and the fungus Alternaria brassicicola. Analysis of transcript profiles in opr3 showed the wound induction of genes previously known to be JA-dependent, suggesting that cyclopentenones could fulfill some JA roles in vivo. Treating opr3 plants with exogenous OPDA powerfully up-regulated several genes and disclosed two distinct downstream signal pathways, one through COI1, the other via an electrophile effect of the cyclopentenones. We conclude that the jasmonate family cyclopentenone OPDA (most likely together with dinor OPDA) regulates gene expression in concert with JA to fine-tune the expression of defense genes. More generally, resistance to insect and fungal attack can be observed in the absence of JA.

The Role of AtPHO1 in the Guard Cell Movements of Arabidopsis thaliana

In plants, stomatal opening and closing are driven by ion fluxes that cause changes in guard cell turgor and volume, a process that is in turn regulated by complex environ¬mental and hormonal signals such as light and the phytohormone abscisic acid (ABA). With this study, we present genetic evidence that stomatal movements in response to ABA are influenced by PHOl expression in guard cells of Arabidopsis thaliana. PHOl is a phosphate exporter involved in phosphate loading into the root xylem ves¬sels and, as a result, the phol mutant is characterized by low shoot phosphate lev¬els. In leaves, PHOl was found expressed at higher level in guard cells, and was quickly up-regulated following treatment with ABA. The phol mutant was unaffected in ROS production following ABA treatment, and in stomatal movements in response to different light cues, high extracellular calcium, auxin, and fusicoccin. However, stomatal movements in response to ABA treatment were severely impaired, both in terms of induction of closure and inhibition of opening. Stomatal movements in re¬sponse to hydrogen peroxide and reduced CO2 was altered as well. Micro-grafting a phol shoot scion onto wild-type root stock resulted in plants with normal shoot growth and Pi content, but failed to restore normal stomatal response to ABA treat-ment, showing that the impairment was not a simple pleiotropic consequence of phos¬phate deficiency. PHOl knockdown using RNAi specifically in guard cells of wild-type plants caused a reduced stomatal response to ABA. In agreement, specific expression of PHOl in guard cells of phol plants complemented the mutant guard cell phenotype and re-established ABA sensitivity, although full functional complementation was co- dependent on shoot Pi sufficiency. Down-regulation of PHOl in guard cells did not alter the expression of ABA marker genes, indicating that PHOl does not affect the ABA signal transduction cascade at the transcriptional level. Together, these data reveal an important role for phosphate and PHOl action in the stomatal response to ABA. Résumé L'ouverture et la fermeture des stomates des plantes sont des mouvements contrôlés par des flux d'ions causant des fluctuations de la turgescence des cellules de garde. Ce procédé est en retour régulé par des signaux environnementaux et hormonaux complexes, comme la lumière et l'hormone végétale acide abscissique (ABA). Nous présentons ici des preuves génétiques montrant que les mouvements stomatiques en réponse à l'ABA sont influencés par l'expression de PHOl dans les cellules de garde d'Arabidopsis thaliana. PHOl est un exporteur de phosphate, impliqué dans l'efflux de phosphate des cellules corticales racinaires vers les vaisseaux de xylème. En con¬séquence, le mutant phol est caractérisé par de faibles niveaux de phosphate dans les parties aériennes. Dans les feuilles, PHOl est exprimé préférentiellement dans les cellules de garde, comparé au mésophylle, et est rapidement induit par le traitement à l'ABA. Le mutant phol n'est pas affecté dans la perception de l'ABA, dans la pro¬duction de ROS en réponse à l'ABA, et dans la réponse des stomates aux traitements de lumière, à l'auxine, à la fusiccocine, et la forte concentration extracellulaire de cal¬cium. En revanche, les mouvements de stomates en réponse aux traitements à l'ABA sont fortement affectés, dans l'induction de la fermeture des stomates comme dans l'inhibition de leur ouverture. De plus, les mouvements de stomates en réponse au péroxyde d'hydrogène et à la diminution du CO2 sont aussi compromis. La création de micro-greffes composées d'une partie aérienne phol greffés sur un système racinaire sauvage génère des plantes avec une croissance et une teneur en phosphate normale, mais ne permet pas de restaurer la réponse des stomates à l'ABA, ce qui démontre que le défaut de réponse à l'ABA n'est pas une simple conséquence pléiotropique de la carence en phosphate. La répression par RNAi de l'expression de PHOl dans les stomates de plantes sauvages provoque une réduction de la réponse des stomates à l'ABA, mais n'affecte pas la réponse de gènes marqueurs à l'ABA, ce qui suggère que PHOl n'agit pas au niveau transcriptionnel. Parallèlement, l'expression de PHOl dans les cellules de gardes de mutants phol complémente le phénotype stomatique mutant et rétablit la réponse à l'ABA, bien que la totale complémentation nécessite l'apport normal de phosphate aux parties aériennes. Ensemble, ces résultats révè¬lent l'influence importante de PHOl et du phosphate dans la réponse des stomates à l'ABA.

Dissection of the complex phenotype in cuticular mutants of Arabidopsis reveals a role of SERRATE as a mediator.

Mutations in LACERATA (LCR), FIDDLEHEAD (FDH), and BODYGUARD (BDG) cause a complex developmental syndrome that is consistent with an important role for these Arabidopsis genes in cuticle biogenesis. The genesis of their pleiotropic phenotypes is, however, poorly understood. We provide evidence that neither distorted depositions of cutin, nor deficiencies in the chemical composition of cuticular lipids, account for these features, instead suggesting that the mutants alleviate the functional disorder of the cuticle by reinforcing their defenses. To better understand how plants adapt to these mutations, we performed a genome-wide gene expression analysis. We found that apparent compensatory transcriptional responses in these mutants involve the induction of wax, cutin, cell wall, and defense genes. To gain greater insight into the mechanism by which cuticular mutations trigger this response in the plants, we performed an overlap meta-analysis, which is termed MASTA (MicroArray overlap Search Tool and Analysis), of differentially expressed genes. This suggested that different cell integrity pathways are recruited in cesA cellulose synthase and cuticular mutants. Using MASTA for an in silico suppressor/enhancer screen, we identified SERRATE (SE), which encodes a protein of RNA-processing multi-protein complexes, as a likely enhancer. In confirmation of this notion, the se lcr and se bdg double mutants eradicate severe leaf deformations as well as the organ fusions that are typical of lcr and bdg and other cuticular mutants. Also, lcr does not confer resistance to Botrytis cinerea in a se mutant background. We propose that there is a role for SERRATE-mediated RNA signaling in the cuticle integrity pathway.

Role of Methyl Salicylate on Oviposition Deterrence in Arabidopsis thaliana.

Plants attacked by herbivores have evolved different strategies that fend off their enemies. Insect eggs deposited on leaves have been shown to inhibit further oviposition through visual or chemical cues. In some plant species, the volatile methyl salicylate (MeSA) repels gravid insects but whether it plays the same role in the model species Arabidopsis thaliana is currently unknown. Here we showed that Pieris brassicae butterflies laid fewer eggs on Arabidopsis plants that were next to a MeSA dispenser or on plants with constitutively high MeSA emission than on control plants. Surprisingly, the MeSA biosynthesis mutant bsmt1-1 treated with egg extract was still repellent to butterflies when compared to untreated bsmt1-1. Moreover, the expression of BSMT1 was not enhanced by egg extract treatment but was induced by herbivory. Altogether, these results provide evidence that the deterring activity of eggs on gravid butterflies is independent of MeSA emission in Arabidopsis, and that MeSA might rather serve as a deterrent in plants challenged by feeding larvae.

Analysis of secondary growth in the Arabidopsis shoot reveals a positive role of jasmonate signalling in cambium formation.

After primary growth, most dicotyledonous plants undergo secondary growth. Secondary growth involves an increase in the diameter of shoots and roots through formation of secondary vascular tissue. A hallmark of secondary growth initiation in shoots of dicotyledonous plants is the initiation of meristematic activity between primary vascular bundles, i.e. in the interfascicular regions. This results in establishment of a cylindrical meristem, namely the vascular cambium. Surprisingly, despite its major implications for plant growth and the accumulation of biomass, the molecular regulation of secondary growth is only poorly understood. Here, we combine histological, molecular and genetic approaches to characterize interfascicular cambium initiation in the Arabidopsis thaliana inflorescence shoot. Using genome-wide transcriptional profiling, we show that stress-related and touch-inducible genes are up-regulated in stem regions where secondary growth takes place. Furthermore, we show that the products of COI1, MYC2, JAZ7 and the touch-inducible gene JAZ10, which are components of the JA signalling pathway, are cambium regulators. The positive effect of JA application on cambium activity confirmed a stimulatory role of JA in secondary growth, and suggests that JA signalling triggers cell divisions in this particular context.

Role of NINJA in root jasmonate signaling.

Wound responses in plants have to be coordinated between organs so that locally reduced growth in a wounded tissue is balanced by appropriate growth elsewhere in the body. We used a JASMONATE ZIM DOMAIN 10 (JAZ10) reporter to screen for mutants affected in the organ-specific activation of jasmonate (JA) signaling in Arabidopsis thaliana seedlings. Wounding one cotyledon activated the reporter in both aerial and root tissues, and this was either disrupted or restricted to certain organs in mutant alleles of core components of the JA pathway including COI1, OPR3, and JAR1. In contrast, three other mutants showed constitutive activation of the reporter in the roots and hypocotyls of unwounded seedlings. All three lines harbored mutations in Novel Interactor of JAZ (NINJA), which encodes part of a repressor complex that negatively regulates JA signaling. These ninja mutants displayed shorter roots mimicking JA-mediated growth inhibition, and this was due to reduced cell elongation. Remarkably, this phenotype and the constitutive JAZ10 expression were still observed in backgrounds lacking the ability to synthesize JA or the key transcriptional activator MYC2. Therefore, JA-like responses can be recapitulated in specific tissues without changing a plant's ability to make or perceive JA, and MYC2 either has no role or is not the only derepressed transcription factor in ninja mutants. Our results show that the role of NINJA in the root is to repress JA signaling and allow normal cell elongation. Furthermore, the regulation of the JA pathway differs between roots and aerial tissues at all levels, from JA biosynthesis to transcriptional activation.

Potential role of pathogen signaling in multitrophic plant-microbe interactions involved in disease protection.

Multitrophic interactions mediate the ability of fungal pathogens to cause plant disease and the ability of bacterial antagonists to suppress disease. Antibiotic production by antagonists, which contributes to disease suppression, is known to be modulated by abiotic and host plant environmental conditions. Here, we demonstrate that a pathogen metabolite functions as a negative signal for bacterial antibiotic biosynthesis, which can determine the relative importance of biological control mechanisms available to antagonists and which may also influence fungus-bacterium ecological interactions. We found that production of the polyketide antibiotic 2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG) was the primary biocontrol mechanism of Pseudomonas fluorescens strain Q2-87 against Fusarium oxysporum f. sp. radicis-lycopersici on the tomato as determined with mutational analysis. In contrast, DAPG was not important for the less-disease-suppressive strain CHA0. This was explained by differential sensitivity of the bacteria to fusaric acid, a pathogen phyto- and mycotoxin that specifically blocked DAPG biosynthesis in strain CHA0 but not in strain Q2-87. In CHA0, hydrogen cyanide, a biocide not repressed by fusaric acid, played a more important role in disease suppression.

Role of gluconic acid production in the regulation of biocontrol traits of Pseudomonas fluorescens CHA0.

The rhizobacterium Pseudomonas fluorescens CHA0 promotes the growth of various crop plants and protects them against root diseases caused by pathogenic fungi. The main mechanism of disease suppression by this strain is the production of the antifungal compounds 2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG) and pyoluteorin (PLT). Direct plant growth promotion can be achieved through solubilization of inorganic phosphates by the production of organic acids, mainly gluconic acid, which is one of the principal acids produced by Pseudomonas spp. The aim of this study was to elucidate the role of gluconic acid production in CHA0. Therefore, mutants were created with deletions in the genes encoding glucose dehydrogenase (gcd) and gluconate dehydrogenase (gad), required for the conversion of glucose to gluconic acid and gluconic acid to 2-ketogluconate, respectively. These enzymes should be of predominant importance for rhizosphere-colonizing biocontrol bacteria, as major carbon sources provided by plant root exudates are made up of glucose. Our results show that the ability of strain CHA0 to acidify its environment and to solubilize mineral phosphate is strongly dependent on its ability to produce gluconic acid. Moreover, we provide evidence that the formation of gluconic acid by CHA0 completely inhibits the production of PLT and partially inhibits that of DAPG. In the Deltagcd mutant, which does not produce gluconic acid, the enhanced production of antifungal compounds was associated with improved biocontrol activity against take-all disease of wheat, caused by Gaeumannomyces graminis var. tritici. This study provides new evidence for a close association of gluconic acid metabolism with antifungal compound production and biocontrol activity in P. fluorescens CHA0.

Organisation and role of actin microfilaments during cellular growth and morphogenesis in the moss Physcomitrella patens

ABSTRACT The network of actin cytoskeleton is composed of actin filaments (F-actin) that are made by polymerisation of actin monomers and actin binding proteins. It is required for growth and morphogenesis of eukaryotic cells. The labelling of F-actin with constitutively expressed GFP-Talin (Kost et al., 1998) reveals the organisation of cellular actin networks in plants. Due to the lack of information on actin cytoskeleton through gametophytic development of the model moss plant Physcornitrella patens, stable transgenic lines overexpressing GFP-Talin were generated to detect F-actin structures. It is shown that the 35S promoter driven expression is not suitable for F-actin labelling in all cells. When it is replaced by the inducible heat-shock promoter Gmhsp17.3 from soybean, one hour mild heat stress at 37°C followed by recovery at 25°C is enough to induce efficient and transient labelling in all tissues without altering cellular morphology. The optimal observations of F-actin structures at different stages of moss development can be done between 12-18 hours after the induction. By using confocal microscopy, we demonstrate that stellated actin arrays were densely accumulated at the growing tip in regenerating protoplasts, apical protonemal cells and rhizoids and connected with a fine dispersed F-actin mesh. Following three-dimensional growth, the cortical star-like structures are widespread in the meristematic cells of developing bud and young gametophores. On the contrary, undulating networks of actin cables are found at the final stage of cell differentiation. During redifferentiation of mature leaf cells into protonemal filaments the rather stagnant web of actin cables is replaced by diffuse actin meshwork. In eukaryotes, nucleation of the actin monomers prior to their polymerization is driven by the seven-subunit ARP2/3 complex and formins. We cloned the gene encoding the ARP3 subunit of P. patens and generated arp3 mutants of the moss through gene disruption. The knockout of ARP3 affects the elongation of chloronemal cells and blocks further differentiation of caulonemal cells and rhizoids, and the gametophores are slightly stunted compared to wild-type. The arp mutants were created in the heat-shock inducible GFP-Talin strains allowing us to visualise a disorganised actin network and a lack of star-like actin cytoskeleton arrays. We conclude that ARP2/3 dependent nucleation of actin filaments is critical for the growth of filamentous cells, which in turn influences moss colonization. In complementation assays, the overexpression of Physcomitrella and Arab idopsis ARP3 genes in the moss arp3 mutant results in full recovery of wild type phenotype. In contrast the ARP3 subunit of fission yeast is not able to complement the moss arp3 mutant of moss indicating that regulation of the ARP2/3 dependent actin nucleation diverged in different kingdoms. RESUME Le réseau d'actine est composé de filaments de F-actine et d'un ensemble de protéines s'y attachant (Actin binding proteins). Le réseau d'actine est nécessaire à la croissance et à la morphogenèse de toutes les cellules eucaryotes. Chez les plantes, le marquage ainsi que l'étude de l'organisation du réseau d'actine ont été réalisés en utilisant une fusion GFP-Talin (Kost et al., 1998) exprimée sous le control d'un promoteur constitutif. Afin d'étudier les structures F-actine dans les cellules de Physcomitrella Patens et pour combler le manque d'information sur le développement des gamétophores, des lignées transgéniques stables surexprimant GFP-Talin ont été crées. Nous avons démontré que l'utilisation du promoteur 35S est inadéquate pour le marquage complet et homogène des filaments d'actine dans toutes les cellules de P. patens. Par contre, l'utilisation du promoteur inductible Gmhsp17.3 nous a permis de réaliser un marquage transitoire et général dans tous les tissus de la mousse. Une heure de choc thermique à 37°C suivis d'un temps de récupération de 12-18h à 25°C sont les conditions optimales (sans dommages cellulaires) pour l'observation des structures F-actine à différentes étapes de développement de la mousse. En utilisant la microscopie confocale, nous avons observé l'existence de structures F-actine accumulées en forme d'étoiles. Ces structures, qui sont liées au réseau de microfilaments d'actine, ont été observées dans les protoplastes en régénération, les cellules des protonema apicales ainsi que dans les rhizoïdes. En suivant la croissance tridimensionnelle, ces structures en étoiles ont été observées dans les cellules meristématiques des bourgeons et des jeunes gamétophores. Par contre, dans les cellules différentiées ces structures laissent place à des réseaux de câbles épais. Nous avons également remarqué que durant la redifferentiation des cellules foliaires le réseau de câbles de F-actine est remplacé par un réseau de F-actine diffus. Dans les cellules eucaryotes, la nucléation des filaments d'actirie précédant leur polymérisation est contrôlé par sept sous unités du complexe ARP2/3 et par des formines. Nous avons isolé le gène codant pour la sous unité ARP3 de P. patens et nous avons crée des mutants arp3 par intégration ciblée (Knockout). L'élongation des cellules chloronema est clairement affectée dans les mutants arp3. La différentiation des caulonemata et des rhizoïdes est bloquée et les gametophores sont légèrement plus courts comparé au type sauvage. A fin d'étudier l'organisation des filaments d'actines dans les mutants arp3, nous avons aussi réalisé un arp3-knockout dans la lignée Hsp-GFP-Talin. La nouvelle lignée générée nous a permis de visualiser une désorganisation du réseau d'actine et une absence complète de structures de F-actine accumulée en forme d'étoiles. Les résultats obtenus nous amènent à conclure que la nucléation (ARP2/3 dépendante) des filaments d'actine est indispensable à la croissance des cellules filamenteuses. Par conséquent, les filaments d'actine semblent avoir un rôle dans la colonisation des milieux par les mousses. Nous avons également procédé à des essais de complémentation du mutant arp3. La surexpression des gènes ARP3 de Physcomitrella et d'Arabidopsis dans les cellules du mutant arp3 rétabli complètement le phénotype WT. Par contre, le gène ARP3 des levures n'est pas suffisant pour complémenter la même mutation dans les cellules de mousses. Ce résultat démontre que les mécanismes de régulation de la nucléation des filaments d'actine (ARP2/3 dépendante) sont différents entre les différents groupes d'eucaryotes.

On the success of generalized food deception in orchids : the role of sympatric rewarding species and pollinators

Résumé : La production de nectar assure aux plantes entomophiles un important succès reproducteur. Malgré cela, de nombreuses espèces d'orchidées ne produisent pas de nectar. La majorité de ces orchidées dites trompeuses exploitent simplement l'instinct des pollinisateurs généralistes, qui les pousse à chercher du nectar dans les fleurs. Afin d'optimiser la récolte de nectar, les pollinisateurs apprennent à différencier les fleurs trompeuses des nectarifères, et à concentrer leurs visites sur ces dernières, au détriment des plantes trompeuses. Chez les orchidées non autogames, la reproduction est assurée uniquement par les pollinisateurs. L'apprentissage des pollinisateurs a donc un impact négatif sur la reproduction des orchidées trompeuses. Cependant, les caractéristiques d'une espèce trompeuse et des espèces nectarifères au sein d'une communauté végétale peuvent affecter l'apprentissage et le taux de visite des pollinisateurs aux plantes trompeuses. J'ai réalisé des expériences en milieu naturel et en milieu contrôlé, pour déterminer si les caractéristiques florales, spatiales et temporelles des communautés affectent le taux de visite et le succès reproducteur de plantes trompeuses. Une agrégation spatiale élevée des plantes trompeuses et des plantes nectarifères diminue le succès reproducteur des plantes trompeuses. De plus, les pollinisateurs visitent plus souvent l'espèce trompeuse Iorsque ses fleurs sont de couleur similaire à celles de l'espèce nectarifère. Cet effet bénéfique de la similarité pour la couleur des fleurs s'accentue si les deux espèces sont mélangées et proches spatialement, ou si l'espèce trompeuse fleurit après l'espèce nectarifère. Enfin, le comportement des pollinisateurs n'est pas tout de suite affecté lorsque les caractéristiques de la communauté changent. Les caractéristiques des communautés végétales affectent donc la reproduction des espèces trompeuses. Bien que L'absence de coûts associés à la production de nectar, l'exportation efficace de pollen et la production de graines de qualité dont bénéficient les orchidées trompeuses favorisent Ieur maintien, les caractéristiques de la communauté peuvent aussi y contribuer. Mon étude fournit donc une explication alternative et complémentaire au maintien des orchidées trompeuses. Je conclus par une discussion des implications possibles de ces résultats sur le maintien et l'évolution des orchidées trompeuses, en tenant compte de la dynamique des caractéristiques des communautés végétales naturelles. Abstract : Despite the importance of producing food to ensure a high reproductive success, many orchid species lack such rewards. The majority of deceptive orchids simply exploit the instinctive food-foraging behaviour of generalist pollinators. This strategy is termed generalized food deception. To optimize their foraging efficiency, pollinators can learn to discriminate deceptive from rewarding flowers and to focus their visits to the rewarding plants, to the disadvantage of the deceptive plants. Because the reproductive success of non-autogamous orchids entirely relies on pollinator visitation rate, pollinator learning decreases the reproductive success of deceptive orchids. However, the characteristics of deceptive and rewarding plants within a community may affect pollinator learning and visitation rate to a deceptive orchid. Therefore, the biological characteristics of natural plant communities may be crucial to the maintenance of generalized food deceptive orchids. My study focused on the floral, spatial and temporal characteristics of plant communities. I used both in and ex sitar experiments to investigate whether these characteristics influence pollinator visitation rates and the reproductive success of deceptive orchids. A high spatial aggregation of both deceptive and rewarding species decreased the reproductive success of the deceptive species. Also, being of similar flower colour to rewarding sympatric species increased pollinator visitation rates to a deceptive species. The beneficial effect of flower colour similarity was even more pronounced when both species were spatially closely mingled or when the deceptive species flowered after the rewarding species. Finally, pollinator behaviour was unaffected in the short term by a change in the characteristics of plant communities, indicating that pollinators need time to learn under new conditions. Thus, the characteristics of plant communities may crucially affect the reproductive success of deceptive orchids. Although the absence of costs associated with nectar production, the efficient pollen export and the high seed quality of deceptive orchids may favour their maintenance, the characteristics of plant communities may also contribute to it. Therefore, my study provides an alternative yet complementary explanation to the maintenance of generalized food deceptive orchids in natural populations. I discuss the possible implications for the maintenance and the evolution of generalized food deceptive orchids with regards to the floral and temporal dynamics of natural plant communities.

Context-dependent dual role of SKI8 homologs in mRNA synthesis and turnover.

Eukaryotic mRNA transcription and turnover is controlled by an enzymatic machinery that includes RNA polymerase II and the 3' to 5' exosome. The activity of these protein complexes is modulated by additional factors, such as the nuclear RNA polymerase II-associated factor 1 (Paf1c) and the cytoplasmic Superkiller (SKI) complex, respectively. Their components are conserved across uni- as well as multi-cellular organisms, including yeast, Arabidopsis, and humans. Among them, SKI8 displays multiple facets on top of its cytoplasmic role in the SKI complex. For instance, nuclear yeast ScSKI8 has an additional function in meiotic recombination, whereas nuclear human hSKI8 (unlike ScSKI8) associates with Paf1c. The Arabidopsis SKI8 homolog VERNALIZATION INDEPENDENT 3 (VIP3) has been found in Paf1c as well; however, whether it also has a role in the SKI complex remains obscure so far. We found that transgenic VIP3-GFP, which complements a novel vip3 mutant allele, localizes to both nucleus and cytoplasm. Consistently, biochemical analyses suggest that VIP3-GFP associates with the SKI complex. A role of VIP3 in the turnover of nuclear encoded mRNAs is supported by random-primed RNA sequencing of wild-type and vip3 seedlings, which indicates mRNA stabilization in vip3. Another SKI subunit homolog mutant, ski2, displays a dwarf phenotype similar to vip3. However, unlike vip3, it displays neither early flowering nor flower development phenotypes, suggesting that the latter reflect VIP3's role in Paf1c. Surprisingly then, transgenic ScSKI8 rescued all aspects of the vip3 phenotype, suggesting that the dual role of SKI8 depends on species-specific cellular context.

The role of community and population ecology in applying mycorrhizal fungi for improved food security.

The global human population is expected to reach ∼9 billion by 2050. Feeding this many people represents a major challenge requiring global crop yield increases of up to 100%. Microbial symbionts of plants such as arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) represent a huge, but unrealized resource for improving yields of globally important crops, especially in the tropics. We argue that the application of AMF in agriculture is too simplistic and ignores basic ecological principals. To achieve this challenge, a community and population ecology approach can contribute greatly. First, ecologists could significantly improve our understanding of the determinants of the survival of introduced AMF, the role of adaptability and intraspecific diversity of AMF and whether inoculation has a direct or indirect effect on plant production. Second, we call for extensive metagenomics as well as population genomics studies that are crucial to assess the environmental impact that introduction of non-local AMF may have on native AMF communities and populations. Finally, we plead for an ecologically sound use of AMF in efforts to increase food security at a global scale in a sustainable manner.