Study of the regulation of antifungal activity in plant-associated pseudomas fluorescens

RésuméEn agriculture d'énormes pertes sont causées par des champignons telluriques pathogènes tels que Thielaviopsis, Fusarium, Gaeumannomyces et Rhizoctonia ou encore l'oomycète Pythium. Certaines bactéries dites bénéfiques, comme Pseudomonas fluorescens, ont la capacité de protéger les plantes de ces pathogènes par la colonisation de leur racines, par la production de métabolites secondaires possédants des propriétés antifongiques et par l'induction des mécanismes de défenses de la plante colonisée. P. fluorescens CHAO, une bactérie biocontrôle isolée d'un champ de tabac à Payerne, a la faculté de produire un large spectre de métabolites antifongiques, en particulier le 2,4- diacétylphloroglucinol (DAPG), la pyolutéorine (PLT), le cyanure d'hydrogène (HCN), la pyrrolnitrine (PRN) ainsi que des chélateurs de fer.La plante, par sécrétion racinaire, produit des rhizodéposites, source de carbone et d'azote, qui profitent aux populations bactériennes vivant dans la rhizosphere. De plus, certains stresses biotiques et abiotiques modifient cette sécrétion racinaire, en terme quantitatif et qualitatif. De leur côté, les bactéries bénéfiques, améliorent, de façon direct et/ou indirect, la croissance de la plante hôte. De nombreux facteurs biotiques et abiotiques sont connus pour réguler la production de métabolites secondaires chez les bactéries. Des études récentes ont démontré l'importance de la communication entre la plante et les bactéries bénéfiques afin que s'établisse une interaction profitant à chacun des deux partis. Il est ainsi vraisemblable que les populations bactériennes associées aux racines soient capables d'intégrer ces signaux et d'adapter spécifiquement leur comportement en conséquence.La première partie de ce travail de thèse a été la mise au point d'outils basés sur la cytométrie permettant de mesurer l'activité antifongique de cellules bactériennes individuelles dans un environnent naturel, les racines des plantes. Nous avons démontré, grâce à un double marquage aux protéines autofluorescentes GFP et mCherry, que les niveaux d'expression des gènes impliqués dans la biosynthèse des substances antifongiques DAPG, PLT, PRN et HCN ne sont pas les mêmes dans des milieux de cultures liquides que sur les racines de céréales. Par exemple, l'expression de pltA (impliqué dans la biosynthèse du PLT) est quasiment abolie sur les racines de blé mais atteint un niveau relativement haut in vitro. De plus cette étude a mis en avant l'influence du génotype céréalien sur l'expression du gène phlA qui est impliqué dans la biosynthèse du DAPG.Une seconde étude a révélé la communication existant entre une céréale (orge) infectée par le pathogène tellurique Pythium ultimum et P. fluorescens CHAO. Un système de partage des racines nous a permis de séparer physiquement le pathogène et la bactérie bénéfique sur la plante. Cette méthode a donné la possibilité d'évaluer l'effet systémique, causé par l'attaque du pathogène, de la plante sur la bactérie biocontrôle. En effet, l'infection par le phytopathogène modifie la concentration de certains composés phénoliques dans les exsudats racinaires stimulant ainsi l'expression de phi A chez P.fluorescens CHAO.Une troisième partie de ce travail focalise sur l'effet des amibes qui sont des micro-prédateurs présents dans la rhizosphere. Leur présence diminue l'expression des gènes impliqués dans la biosynthèse du DAPG, PLT, PRN et HCN chez P.fluorescens CHAO, ceci en culture liquide et sur des racines d'orge. De plus, des molécules provenant du surnageant d'amibes, influencent l'expression des gènes requis pour la biosynthèse de ces antifongiques. Ces résultats illustrent que les amibes et les bactéries de la rhizosphere ont développé des stratégies pour se reconnaître et adapter leur comportement.La dernière section de ce travail est consacrée à l'acide indole-acétique (LA.A), une phytohormone connue pour son effet stimulateur sur phlA. Une étude moléculaire détaillée nous a démontré que cet effet de l'IAA est notamment modulé par une pompe à efflux (FusPl) et de son régulateur transcriptionnel (MarRl). De plus, les gènes fusPl et marRl sont régulés par d'autres composés phénoliques tels que le salicylate (un signal végétal) et l'acide fusarique (une phytotoxine du pathogène Fusarium).En résumé, ce travail de thèse illustre la complexité des interactions entre les eucaryotes et procaryotes de la rhizosphère. La reconnaissance mutuelle et l'instauration d'un dialogue moléculaire entre une plante hôte et ses bactéries bénéfiques associées? sont indispensables à la survie des deux protagonistes et semblent être hautement spécifiques.SummaryIn agriculture important crop losses result from the attack of soil-borne phytopathogenic fungi, including Thielaviopsis, Fusarium, Gaeumannomyces and Rhizoctonia, as well as from the oomycete Pythium. Certain beneficial microorganisms of the rhizosphere, in particular Pseudomonas fluorescens, have the ability to protect plants against phytopathogens by the intense colonisation of roots, by the production of antifungal exoproducts, and by induction of plant host defences. P. fluorescens strain CHAO, isolated from a tobacco field near Payerne, produces a large array of antifungal exoproducts, including 2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG), pyoluteorin (PLT), hydrogen cyanide (HCN), pyrrolnitrin (PRN) and iron chelators. Plants produce rhizodeposites via root secretion and these represent a relevant source of carbon and nitrogen for rhizosphere microorganisms. Various biotic and abiotic stresses influence the quantity and the quality of released exudates. One the other hand, beneficial bacteria directly or indirectly promote plant growth. Biotic and abiotic factors regulate exoproduct production in biocontrol microorganisms. Recent studies have highlighted the importance of communication in establishing a fine-tuned mutualist interaction between plants and their associated beneficial bacteria. Bacteria may be able to integrate rhizosphere signals and adapt subsequently their behaviour.In a first part of the thesis, we developed a new method to monitor directly antifungal activity of individual bacterial cells in a natural environment, i.e. on roots of crop plants. We were able to demonstrate, via a dual-labelling system involving green and red fluorescent proteins (GFP, mCherry) and FACS-based flow cytometry, that expression levels of biosynthetic genes for the antifungal compounds DAPG, PLT, PRN, and HCN are highly different in liquid culture and on roots of cereals. For instance, expression of pltA (involved in PLT biosynthesis) was nearly abolished on wheat roots whereas it attained a relatively high level under in vitro conditions. In addition, we established the importance of the cereal genotype in the expression of phi A (involved in DAPG biosynthesis) in P. fluorescens CHAO.A second part of this work highlighted the systemic communication that exists between biocontrol pseudomonads and plants following attack by a root pathogen. A split-root system, allowing physical separation between the soil-borne oomycete pathogen Phytium ultimum and P. fluorescens CHAO on barley roots, was set up. Root infection by the pathogen triggered a modification of the concentration of certain phenolic root exudates in the healthy root part, resulting in an induction ofphlA expression in P. fluorescens CHAO.Amoebas are micro-predators of the rhizosphere that feed notably on bacteria. In the third part of the thesis, co-habitation of Acanthamoeba castellanii with P. fluorescens CHAO in culture media and on barley roots was found to significantly reduce bacterial expression of genes involved in the biosynthesis of DAPG, PLT, HCN and PRN. Interestingly, molecular cues present in supernatant of A. castelanii induced the expression of these antifungal genes. These findings illustrate the strategies of mutual recognition developed by amoeba and rhizosphere bacteria triggering responses that allow specific adaptations of their behaviour.The last section of the work focuses on indole-3-acetic acid (IAA), a phytohormone that stimulates the expression of phi A. A detailed molecular study revealed that the IAA-mediated effect on phi A is notably modulated by an efflux pump (FusPl) and its transcriptional regulator (MarRl). Remarkably, transcription of fusPl and marRl was strongly upregulated in presence of other phenolic compounds such as salicylate (a plant signal) and fusaric acid (a phytotoxin of the pathogenic fungus Fusarium).To sum up, this work illustrates the great complexity of interactions between eukaryotes and prokaryotes taking place in the rhizosphere niche. The mutual recognition and the establishment of a molecular cross-talk between the host plant and its associated beneficial bacteria are essential for the survival of the two partners and these interactions appear to be highly specific.

Population differentiation and its consequences in the white campion "Silene latifolia" (Caryophyllaceae): a functional analysis

Summary In his theory On the Origin of Species by Means of Natural Selection (1859), Darwin describes evolution as a gradual change in population over time and that natural selection is a process that caused evolution. Because quantitative variation in species is partly influenced by several genes and thus heritable, association between levels of genetic variation at neutral markers and at quantitative traits and their partitioning within and among populations are important to study mechanisms that drive evolution in populations. Most studies addressing quantitative variation in plants focused on morphological and life history traits but not in traits affecting reproductive success. The aim of this thesis is to better understand how patterns of variation for neutral molecular markers and phenotypic traits drive the evolution of reproduction and defensive mechanisms in six European populations of Silene latifolia, a dioecious plant species. We found evidence for extremely high within and between population variation at six microsatellite loci and at most quantitative traits studied in plants grown under standardized conditions (morphology, life history and reproductive traits). Interestingly, there was clinal variation between age at first flowering and latitude. This pattern is likely due to natural selection since differentiation of this trait was high, heritable and probably higher than differentiation at neutral markers. Our study focused on sex specific selective pressures: mechanisms of intersexual coadaptation and defence mechanism against the seed predator Hadena bicruris. To address divergence at reproductive traits, we studied male and female population of origin effects and in particular pollen competitive ability on male post-pollination success in the study populations with within and between populations crosses. We crossed the same female plant with pollen from a male within the same population of origin and pollen from two males from two distinct populations, using a fixed tester male as a competitor. Additionally, we conducted control crosses with pollen from each male as a single donor. We analysed paternity success of each competitor with two microsatellite loci, seed set and offspring fitness. Male population of origin showed significant among-population variation for siring success at pollen competition. In vitro pollen germination rate showed heritable variation among populations and was positively correlated to siring success. Local or foreign pollen did not have a consistent advantage. Furthermore, female population of origin affected the outcome of pollen competition in some populations. There was no difference of seed set or offspring fitness in within/ between population crosses. This suggests that reproductive divergence may occur via pollen competition in Silene latifolia. The specialist seed predator Hadena bicruris may also induce divergence between populations. We tested potential constitutive and induced defence mechanisms against the specialist predator Hadena bicruris. Because fruit wall thickness is smaller in the invasive range (Northern America) were the moth is absent, this suggests that a thicker fruit wall is a potentially defensive trait against larval attack, and that relaxed selection in the absence of the seed predator has resulted in an evolutionary loss of this defence in the invasive range. Fruit wall thickness was different among three populations. Experimental exposure to moth eggs increased fruit abortion. Fruits built after attack on exposed plants did not have thicker fruit walls compared to fruits on non-exposed plants. Furthermore, fruits with thicker fruit walls were not less profitable, nor did they require longer handling time when exposed to larvae, suggesting no defensive role of fruit wall thickness. Our results show that there is high molecular and phenotypic variation in Silene latifolia and that traits potentially involved in reproductive success both for intra-specific (between sexes) and inter-specific interactions are heritable. Different selective forces may thus interact and cause differential evolution of geographically separated Silene latifolia populations in Europe, leading to the observed differentiation. Résumé Dans sa théorie de l'évolution, L'origine des espèces, ch. 4 (1859), Darwin décrit l'évolution comme un processus continu au cours du temps à l'intérieur de populations et que la sélection naturelle en est le moteur. La variation quantitative est en partie déterminée par plusieurs gènes, donc transmissible à la descendance. Associer le niveau de variation génétique à des marqueurs neutres au niveau de la variation à des traits quantitatifs, ainsi que la répartition à l'intérieur et entre les populations d'une espèce donnée de cette variation, sont importants dans la compréhension des forces évolutives. La plupart des études scientifiques sur la variation quantitative chez les plantes se sont intéressées à la morphologie et à la phénologie mais pas aux caractères impliqués dans le succès reproducteur. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre comment la répartition de la variation à des marqueurs neutres et des caractères quantitatifs influence l'évolution de la reproduction et des mécanismes de défense dans six populations Européennes de l'espèce dioïque Silene latifolia. Nous avons mis en évidence une grande diversité intra et inter-population à six loci microsatellites ainsi qu'à la plupart des caractères quantitatifs mesurés (morphologie, phénologie et traits reproducteurs) sur des plantes cultivées dans des conditions standardisées. Un résultat intéressant est la présence d'un cline latitudinal pour l'âge à la floraison. Ceci est probablement une conséquence de la sélection naturelle, puisque ce caractère est différencié entre les populations étudiées, héritable et que la différenciation de ce trait est supérieure à la différenciation des marqueurs neutres étudiés. Notre étude a ensuite porté plus précisément sur les pressions de sélection spécifiques aux sexes : la coadaptation entre les sexes et les mécanismes de défense contre l'insecte granivore Hadena bicruris. Afin d'évaluer la divergence sur les traits reproducteurs, nous avons étudié les effets des populations d'origine des mâles et des femelles et en particulier le succès reproducteur des mâles après pollinisation à l'aide de croisements inter et intra-population. Nous avons pollinisé la même femelle avec du pollen provenant d'un mâle de la même population ainsi qu'avec le pollen de deux mâles provenant de deux autres populations en situation de compétition avec un pollen provenant d'une population test. Des croisements contrôle ont été réalisés avec les mêmes mâles en pollinisation pure. Nous avons évalué le succès reproducteur de chaque mâle à l'aide d'analyses de paternité ainsi que la production de graines et la fitness de la descendance. L'origine du mâle avait un effet sur la paternité. Le taux de croissance in vitro du pollen est un caractère héritable et a eu un effet positif sur le succès reproducteur. De plus, l'origine de la femelle avait un effet sur le succès des mâles en compétition dans certaines populations. Nos résultats suggèrent qu'une divergence reproductive chez Silene latifolia pourrait apparaître suite à la compétition pollinique. Nous avons ensuite testé des mécanismes potentiels de défense constitutive et induite contre l'herbivore spécialiste Hadena bicruris, un papillon nocturne qui pourrait aussi jouer un rôle dans la différenciation des populations. L'épaisseur des fruits étant plus faible dans les régions où la plante est invasive (Amérique du Nord) et où l'insecte est absent, ce trait pourrait jouer un rôle défensif. Une pression de sélection plus faible causée par l'absence de l'herbivore aurait abouti à une perte de cette défense dans ces régions. Nous avons montré que l'épaisseur du fruit est variable selon les populations. L'infestation artificielle de fruit par l'insecte induit l'abscission sélective des fruits. Les fruits produits après une infestation n'étaient pas plus épais que les fruits issus de plantes non infestées. De plus, les fruits épais n'étaient pas moins nutritifs et ne causaient pas de perte de temps pour la prédation pour les larves, ce qui suggère que l'épaisseur des fruits ne joue pas un rôle défensif. Nos résultats montrent que plusieurs pressions de sélection interviennent et interagissent dans l'évolution de populations distantes, provoquant la divergence des populations Européennes de l'espèce Silene latifolia.

Molecular players shaping the arbuscular mycorrhizal symbiosis of rice

SUMMARY : The arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis is an evolutionarily ancient association between most land plants and Glomeromycotan fungi that is based on the mutual exchange of nutrients between the two partners. Its structural and physiological establishment is a multi-step process involving a tightly regulated signal exchange leading to intracellular colonization of roots by the fungi. Most research on the molecular biology and genetics of symbiosis development has been performed in dicotyledonous model legumes. In these, a plant signaling pathway, the common SYM pathway, has been found to be required for accommodation of both root symbionts rhizobia and AM fungi. Rice, a monocotyledon model and the world's most important staple crop also forms AM symbioses, has been largely ignored for studies of the AM symbiosis. Therefore in this PhD work functional conservation of the common SYM pathway in rice was addressed and demonstrated. Mycorrhiza-specific marker genes were established that are expressed at different stages of AM development and therefore represent readouts for various AM-specific signaling events. These tools were successfully used to obtain evidence for a yet unknown signaling network comprising common SYM-dependent and -independent events. In legumes AM colonization induces common SYM signaling dependent changes in root system architecture. It was demonstrated that also in rice, root system architecture changes in response to AM colonization but these alterations occur independently of common SYM signaling. The rice root system is complex and contains three different root types. It was shown that root type identity influences the quantity of AM colonization, indicating root type specific symbiotic properties. Interestingly, the root types differed in their transcriptional responses to AM colonization and the less colonized root type responded more dramatically than the more strongly colonized root type. Finally, in an independent project a novel mutant, inhospitable (iho), was discovered. It is perturbed at the most early step of AM colonization, namely differentiation of the AM fungal hyphae into a hyphopodium at the root surface. As plant factors required for this early step are not known, identification of the IHO gene will greatly contribute to the advance of mycorrhiza RÉSUMÉ : La symbiose mycorhizienne arbusculaire (AM) est une association évolutionnairement ancienne entre la majorité des plantes terrestres et les champignons du type Glomeromycota, basée sur l'échange mutuel d'éléments nutritifs entre les deux partenaires. Son établissement structural et physiologique est un processus en plusieurs étapes, impliquant des échanges de signaux étroitement contrôlés, aboutissant à la colonisation intracellulaire des racines par le champignon. La plupart des recherches sur la biologie moléculaire et la génétique du développement de la symbiose ont été effectuées sur des légumineuses dicotylédones modèles. Dans ces dernières, une voie de signalisation, la voie SYM, s'est avérée nécessaire pour permettre la mise en place de la symbiose mycorhizienne. Chez les plantes monocotylédones, comme le riz, une des céréales les plus importantes, nourrissant la moitié de la population mondiale, peu de recherches ont été effectuées sur les bases de la cette symbiose. Dans ce travail de thèse, la conservation fonctionnelle de la voie commune SYM chez le riz a été étudiée et démontrée. De plus, des gènes marqueurs spécifiques des différentes étapes du développement de l'AM ont été identifiés, permettant ainsi d'avoir des traceurs de la colonisation. Ces outils ont été utilisés avec succès pour démontrer l'existence d'un nouveau réseau de signalisation, comprenant des éléments SYM dépendant et indépendant. Chez les légumineuses, la colonisation par les AM induit des changements dans l'architecture du système racinaire, via la signalisation SYM dépendantes. Cependant chez le riz, il a été démontré que l'architecture de système racinaire changeait suite à la colonisation de l'AM, mais ceux, de façon SYM indépendante. Le système racinaire du riz est complexe et contient trois types différents de racines. Il a été démontré que le type de racine pouvait influencer l'efficacité de la colonisation par l'AM, indiquant que les racines ont des propriétés symbiotiques spécifiques différentes. De façon surprenante, les divers types de racines répondent de différemment suite à colonisation par l'AM avec des changements de la expression des gènes. Le type de racine le moins colonisé, répondant le plus fortement a la colonisation, et inversement. En parallèle, dans un projet indépendant, un nouveau mutant, inhospitable (iho), a été identifié. Ce mutant est perturbé lors de l'étape la plus précoce de la colonisation par l'AM, à savoir la différentiation des hyphes fongiques de l'AM en hyphopodium, à la surface des racines. Les facteurs d'origine végétale requis pour cette étape étant encore inconnus, l'identification du gène IHO contribuera considérablement a accroître nos connaissance sur les bases de la mise en place de cette symbiose.

A genetic and biochemical investigation of malondialdehyde production and turnover in Arabidopsis

Malondialdehyde (MDA) is a small reactive molecule which occurs ubiqui¬tous among eukaryotes. Interest in this molecule stems from the fact that it can be highly reactive. In green tissues of plants it is apparently formed pre¬dominantly by reactive oxygen species (ROS)-mediated non-enzymatic oxi¬dation (nLPO) of triunsaturated fatty acids (TFAs). MDA which is formed by nLPO is widely used as a disease marker and is regarded to be a cel-lular toxin. Surprisingly, sites of ROS production like mitochondria and chloroplasts possess membranes which are enriched in nLPO-prone polyun¬saturated fatty acids (PUFAs). In this work we showed that chloroplasts are the major site of MDA production in leaves of adult Arabidopsis thaliana plants, whereas analyses in seedlings revealed accumulation in meristematic tissues like the root tip, lateral roots and the apical meristem region. Char-acterizing the MDA pools in more detail, we could show that MDA in plants was predominantly present in a free, non-reactive enolate form. This might explain why it is tolerated in sites where its protonated form could poten¬tially damage the genome and proteome. Analyzing the biological fate of MDA in leaves using labeled MDA-isotopes. we were able to show that MDA is metabolized and used to assemble lipids. The major end-point metabolite was identified as 18:3-16:3-monqgalactosyldiacylglycerol (MGDG), which is the most abundant lipid in chloroplasts. We hypothesize that PUFAs in sites of ROS production, like at PS II in chloroplasts, might act as buffers pre¬venting damage of proteins, thereby generating molecules such as MDA. The MDA produced in this way appears predominantly in a non-reactive enolate form in the cell until it fulfills a biological function or until it is metabo¬lized in order to assemble polyunsaturated MGDGs. Additionally, nLPO has been reported to increase in pathogenesis and we challenged seedlings and adult plants with necrotrophic fungi. Monitoring MDA during the in¬fections, we found MDA pools in seedlings were highly inducible although they were tightly controlled in the leaves of adult plants. - Malondialdehyde (MDA) est une petite molecule réactive présente de manière ubiquitaire dans les eucaryotes. L'intérêt de cette molécule vient du fait que celle-ci pourrait être très réactive. Dans les tissus verts des plantes, la majorité du MDA est apparement formée par l'oxydation non-enzymatique (nLPO) des acides gras polyinsaturés (PUFAs) transmis par des espèces ac¬tives d'oxygène (ROS). Le MDA formé par nLPO est souvent utilisé comme marqueur de maladies et il est considéré comme une toxine cellulaire. Etonnament, les sites de production comme les mitochondries et les chloro- plastes sont riches en PUFAs qui sont sensibles à la nLPO. Dans cette thèse nous montrons que les chloroplastes répresentent le site de production de MDA dans les feuilles adultes d'Arabidopsis thaliana. Les analyses de MDA dans les plantules ont révélé que le MDA s'accumule dans les tissus meris- tematiques comme celles de la pointe de la racine, des racines latéralles et du meristème apical. Par la caractérisation du MDA présent nous avons pu montrer que la majorité du MDA était présent sous la forme d'un énolate non-réactif. Ceci pourrait expliquer pourquoi le MDA est toléré dans les sites où il pourrait casser le genome ou le protéome s'il est présent sous sa forme protonée. Les analyses du devenir du MDA dans les feuilles par des isotopes du MDA ont montré que celui-ci est metabolisé et utilisé pour assembler des lipides. Le lipide majoritairement métabolisé a été identifié comme étant le 18:3-16:3-monogalactosyldiacylglycerole (MGDG); le lipide le plus abondant dans les chloroplastes. Nous supposons que la présence des PUFAs dans les sites de production du ROS, tout comme le PS II dans les chloroplastes, pourrait jouer un rôle de tampon pour prevenir les protéines de différentes dégradations et ainsi générer des molécules telle que le MDA. La majorité du MDA produit par cette réaction est présente dans la cellule sous la forme d'énolate non-réactif, jusqu'au moment de son utilisation ou lorsqu'il serra metabolisé pour produire des MGDGs polyinsaturés. De plus, il a été décrit que nLPO pourait augmenter dans la pathogenèse, et nous avons testé des plantes adultes et des plantules en présence de champignons nécrotrophiques. L'observation du MDA pendant les infections a montré que les concentrations en MDA sont fortement induites dans les plantules mais contrôlées dans les plantes adultes.

" Arabidopsis Thaliana " response to insect feeding : new components controlling defense gene expression and plant resistance

Abstract: Plants cannot run away to escape attacking herbivores, but they defend themselves by producing anti-digestive proteins and toxic compounds (for example glucosinolates). The first goal of this thesis was to study changes in gene expression after insect attack using microarrays. The responses of Arabidopsis thaliana to feeding by the specialist Pieris rapae and the generalist Spodoptera liffora is were compared. We found that the transcript profiles after feeding by the two chewing insects were remarkably similar, although the generalist induced a slightly stronger response. The second goal was to evaluate the implication of the four signals jasmonic acid (JA), salicylic acid (SA), ethylene (ET), and abscisic acid (ABA) in the control of insect-regulated gene expression. Using signaling mutants, we observed that JA was the predominant signal and that ABA modulated defense gene expression. In contrast, SA and ET appeared to control slightly gene expression, but only after feeding by S. litforalis. The third goal was to establish whether plant responses are really effective against insects. In accordance with the transcript profile, both insects were affected by the JA-dependent defenses, as they performed better on the JA-insensitive mutant. S. littoralis also performed better on ABA-deficient mutants, providing evidence for the role of ABA in defense against insects. When testing indole or aliphatic glucosinolate deficient mutants, we found that they were also more susceptible to insect feeding, providing some of the first genetic evidence for the defensive role of glucosinolates in planta. Finally, a glutathione-deficient mutant, pad2-1, was also more susceptible to insect feeding and we could attribute this phenotype to a lowered accumulation of the major indole glucosinolate. In this thesis, we provide a comprehensive list of insect-regulated genes, including many transcription factors that constitute interesting candidate genes for the further study of insect-induced expression changes. Understanding how the plant responses to insects are regulated will provide tools for a better management of insect pest in the field. Résumé: Les plantes ne peuvent s'échapper pour fuir les insectes qui les attaquent, mais elles se défendent en produisant des protéines anti-digestives et des composés toxiques (par exemple des glucosinolates). Le premier but de cette thèse était d'étudier les changements de l'expression génétique lors d'attaque par des insectes en utilisant des puces à ADN. Nous avons comparé la réponse d'Arabidopsis thaliana à deux espèces d'insectes avec des habitudes alimentaires différentes : le spécialiste Pieris rapae et le généraliste Spodoptera littoralis. Nous avons trouvé que les profils de transcription après l'attaque par les deux insectes sont remarquablement similaires, bien que le généraliste induise une réponse légèrement plus forte. Le deuxième but était de déterminer l'implication de quatre signaux dans le contrôle de la réponse :l'acide jasmonique (JA), l'acide salicylique (SA), l'éthylène (ET), et l'acide abscissique (ABA). En utilisant de mutants de signalisation, nous avons montré que l'acide jasmonique était le signal prédominant et que l'acide abscissique modulait l'expression génétique. D'autre part, l'acide salicylique et l'éthylène contrôlent à un degré moindre l'expression génétique, mais seulement après l'attaque par S. littoralís. Le troisième but était d'établir si les réponses des plantes sont efficaces contre les insectes. En accord avec le profil de transcription, les deux espèces d'insectes se sont mieux développées sur un mutant insensible au JA, indiquant que les défenses contrôlées par ce signal sont cruciales pour la plante. De plus, les larves de S. littorales se sont mieux développées sur des mutants déficients en ABA, ce qui fournit une preuve du rôle de l'acide abscissique dans la défense contre les insectes. En testant des mutants déficients en glucosinolates de type indole ou aliphatique, nous avons trouvé qu'ils étaient plus sensibles aux insectes, démontrant ainsi le rôle défensif des glucosinolates in planta. Finalement, le mutant déficient en glutathion pad2-1 était aussi plus sensible à l'attaque des insectes, et nous avons pu attribuer ce phénotype à une plus faible augmentation d'un indole glucosinolate dans ce mutant. Dans cette thèse, nous avons mis en évidence un nombre important de gènes contrôlés par les insectes, comprenant de nombreux facteurs de transcription qui constituent des candidats intéressants pour`étudier plus en détail les changements d'expression génétique induits par les insectes. Une meilleure compréhension de la réponse des plantes contre l'attaque des insectes devrait nous permettre de développer de nouvelles stratégies pour mieux gérer les ravageurs des cultures.

Looking for factors involved in the light-dependent degradation of phytochrome A

SUMMARY : Phytochromes constitute a family of red/far-red photoreceptors regulating all the major transitions during the life cycle of plants. In Arabidopsis, five members: phyA,_ B, C, D and E, were identified. Phytochromes are synthesized in their inactive red-light absorbing form called Pr. Upon light absorbance they convert to the far-red light absorbing Pfr form. The Pfr form is the active conformer which converts back to the Pr form either rapidly upon far-red perception or in a slower process called dark reversion. ph~A represents an exception, in that it does not significantly dark-revert and two specific processes have been developed by the plants to decrease the amount of biologically active phyA. The first one is alight-dependent repression of the PHYA gene expression and the second one is alight-dependent degradation of the phyA protein. The latter is the most efficient process to rapidly decrease the level of active phyA. The ability of plants to regulate the amount of active phyA is critical in a far-red rich environment, a situation observed under a canopy. In these conditions, phyA is essential to induce the germination and the deetiolation of the young seedling. Later in the development the ability of phyA to repress growth counteracts the shade avoidance response. Therefore decreasing the amount of phyA allows stem growth and to compete with neighbours for the light. In this thesis, I investigate the light-dependent degradation of phyA. I developed a reverse genetic approach based on the systematic analysis of the light-dependent accumulation of phyA in the different cullin mutant cull, cul3a; cul3b and cul4. This analysis allowed me to show that CUL1 and CUL3A-based E3 ligase complexes are involved in the regulation of phyA degradation. Surprisingly, our results also demonstrate that cu14 is not affected in the degradation of phyA whereas constitutive Photomorphogenic 1 (COP1) a subunit of one CUL4based E3 complex was reported to be involved. Further investigations showed that the phenotype of cop1 is conditional, the mutant being defective in phyA degradation only in the presence of metabolisable sugars. I also showed that phyA is degraded by a proteasome-dependent mechanism both in the cytoplasm and in the nucleus using mutants and transgenic lines affected in the localization of phyA. Interestingly, I observed that phyA degradation was faster in the nucleus than in the cytosol and that rapid degradation of Pr also occurred in the nucleus suggesting that cytosolic accumulation of phyA in the dark is a way to regulate its proteolysis. Finally, we identify a short region similar to a PEST sequence required for phyA stability and we developed a unbiased genetic screen to identify new components involved in the regulation of the light-dependent degradation of phyA. The significance of these results are discussed. RESUME : Les phytochromes (phy) constituent une famille de photorécepteurs absorbant la lumière rouge et rouge lointaine et régulant toutes les étapes de transitions majeures dans la vie des plantes. Chez Arabidopsis, cinq membres : phyA, B, C, D et E ont été identifiés. Les phytochromes sont synthétisés sous une forme inactive appelée Pr absorbant la lumière rouge. Après perception de lumière ils passent sous une forme active Pfr absorbant dans le rouge lointain. La forme Pfr peut retourner sous la forme Pr après absorption de lumiëre rouge lointaine ou dans un processus lent appelé «réversion à l'obscurité ». phyA représente une exception à cette règle car il ne retoune pas significativement sous sa forme inactive dans le noir. Deux processus spécifiques ont donc été développés pour diminuer le taux de phyA actif. Le premier consiste en la répression du gène PHYA en condition de lumière et le second en une dégradation induite par la lumière de la protéine phyA. Ce dernier processus est le plus efficace pour diminuer rapidement le niveau de phyA. La capacité des plantes à réguler le taux de phyA actifs est critique dans un environnement riche en lumière rouge lointaine, une situation observée sous une canopée. Sous une canopée, phyA est essentiel pour induire la germination et la dé-étiolation de la jeune pousse. Plus tard dans le développement la capacité de phyA de réprimer la croissance freine la «réponse à l'évitement de l'ombre ». Par conséquent diminuer le taux de phyA permet la croissance de la tige et donc de rentrer en compétition pour la lumière avec les plantes avoisinantes. Dans cette thèse, j'ai étudié la dégradation de phyA. J'ai développé une approche génétique inverse basée sur l'analyse systématique de l'accumulation de phyA en condition de lumière dans les différents mutants cullin, cul1, cul3a, cul3b et cul4. Ces analyses nous ont permis d'identifier qu'un complexe E3 ligase CUL1 et un complexe E3 ligase CUL3A sont impliqués dans la régulation de la dégradation de phyA. Mes résultats démontrent aussi que le mutant cul4 n'est pas affecté dans la dégradation de phyA alors que Çonstitutive Photomorphogenic 1 (COPI) une sous unité d'un complexe CUL4 à été identifier dans la régulation de cette dégradation. Des analyses supplémentaires suggèrent que l'effet de la mutation cop1 est dépendante dë la présence de sucres métabolisables. J'ai aussi montré que phyA est dégradé dans le noyau et dans le cytoplasme par un mécanisme dépendant du protéasome et que la dégradation dans le.noyau est non seulement aspécifique de la forme Pr ou Pfr mais aussi est plus rapide que dans le cytoplasme. Ceci suggère que l'accumulation de phyA dans le cytoplasme permet son accumulation à des niveaux élevés à l'obscurité. Enfin j'ai identifié une région similaire à un motif PEST requise pour la stabilité de phyA et j'ai aussi développé un criblage génétique non biaisé pour identifier de nouveaux composants impliqués dans la régulation de la dégradation de phyA. L'importance de ces résultats est discutée dans le dernier chapitre de cette thèse.

Lipoxygenase 2 and the early steps of jasmonic acid biosynthesis in "Arabidopsis thaliana"

Résumé Les oxylipines, telles que l'acide jasmonique (AJ ou jasmonate), jouent un rôle central en réponse à la blessure et à la pathogenèse. De nombreuses études ont montré l'importance de la voie canonique du jasmonate lors de la défense des plantes. De plus, un précurseur cyclopentenone de l'AJ, l'acide oxo-phyto-dienoic (OPDA), a été impliqué comme jouant le rôle d'une molécule signal lors de la défense contre certains pathogènes. En utilisant des mutants bloqués dans la biosynthèse de l'acide jasmonique (aos) ou dans sa perception (coi1-1), nous avons cherché à définir dans quelle mesure l'OPDA joue un rôle de signal induisant l'expression génétique en réponse à la blessure chez Arabidopsis. A l'aide de puces à ADN (microarray), nous avons montré que les transcriptomes d'aos et de coi1-1 sont très semblables après blessure, ce qui suggère que les produits d'AOS sont tous perçus via COI1. Pourtant, lorsqu'on analyse les métabolites présents chez ces mutants, une différence est visible, puisque aos n'accumule pas d'AJ, alors que coi1-1 en accumule encore rapidement après blessure. Nous avons étudié la possibilité qu'un mécanisme de régulation post-traductionnelle sur la voie de biosynthèse du jasmonate explique l'accumulation d'AJ chez coi1-1 après blessure. La lipoxygenase 2 (LOX2) est la première enzyme impliquée dans la biosynthèse de l'AJ et est donc une cible potentielle d'un tel mécanisme. Un indice sur la manière dont l'activité LOX pourrait être régulée vient du mutant fou2 (pour fatty acid oxygenation upregcilated 2) dans lequel l'activité LOX ainsi que le niveau d'AJ sont constitutivement élevés. Cette mutation implique un flux de cation dans la régulation de la production de l'AJ. De plus, il a été montré que plusieurs LOXs, dans des organismes autres que des plantes, peuvent lier le calcium. Nous montrons que l'activité LOX requiert l'addition de cations divalents pour être maximale in vitro, et que non seulement le calcium mais aussi le magnésium joue ce rôle. De plus, nous caractérisons un mutant récessif de LOX2 chez Arabidopsis (lox2-1). Ces plantes sont fertiles, et une analyse quantitative montre qu'elles accumulent toujours un peu d'AJ après blessure. Ceci suggère que LOX2 n'est pas la seule LOX impliquée dans la synthèse d'AJ. Aussi les plantes lox2-1 ne sont pas plus sensibles que les plantes de type sauvage lorsqu'elles sont infectées par la moisissure Botrytis cinerea ou lorsqu'elles sont exposées à un détritivore, néanmoins elles sont plus sensibles lorsqu'elles sont offertes en nourriture à un insecte herbivore. Les insectes et les plantes ont co-évolué conjointement, ainsi une plante ne contenant qu'un niveau réduit d'AJ favorise l'insecte. La disponibilité d'un mutant avec un niveau intermédiaire d'AJ va permettre de mieux comprendre pourquoi les plantes produisent autant de jasmonate. Abstract Oxylipins such as jasmonic acid (JA) play central roles in the wound response and during pathogenesis and many studies have confirmed the important role of the canonical jasmonate pathway in plant defense. Moreover, the cyclopentenone precursor of JA, oxo-phytodienoic acid (OPDA), is also thought to function as a signaling molecule in defense towards some pathogens. Its action was reported to depend on a different signal pathway to JA. By using mutants blocked in the biosynthesis (aos) or perception (coil-1) of JA, we investigated to which extend OPDA works as signaling molecule to trigger gene expression in the wound response of Arabidopsis. Using microarrays, we showed that aos and coil-1 transcriptome are similar in response to wounding, suggesting that products of AOS are all perceived by COI1. However, we found a difference between the two mutants at the metobolomic level, since aos is devoid of JA, but coil-1 can still rapidly accumulate JA upon wounding. We investigated the possibility that the post-translational activation of JA biosynthesis could explain the fast accumulation of JA in coil-1 plants upon wounding. Lipoxygenase (LOX) 2 is the first enzyme implicated in JA synthesis and was thus chosen as a potential target for posttranslational regulation. A clue as to how LOX activity might be regulated came from the fatty acid oxygenation upregulated 2 (foul) mutant in which LOX activity and JA levels are elevated. The foul mutant implicates cations flux in the regulation of JA production, and several LOXs in organisms other than plants have been shown to bind calcium. We showed that Arabidopsis LOX requires divalent cations for full activity in vitro, and that not only calcium but also magnesium can play this role. Moreover, a single recessive mutant of AtLOX2 was characterized. These plants are fully fertile. Quantitative oxylipin analysis showed that lox2-1 can still accumulate some JA after wounding, which suggests that LOX2 is not the only LOX involved in JA biosynthesis. lox2-1 plants do not show altered susceptibility to the fungus Botrytis cinerea or to a detritivore, however, they are more susceptible to an insect herbivore. The insect and plants are closely co-evolved and a reduced ability to synthesize JA favors the insect. The availability of a lox2-1 mutant with intermediate JA levels will further help understanding why plants produce elevated JA levels.

Defining molecular components of symbiotic phosphate uptake in rice

Phosphate (Pi) acquisition of crops via arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis acquires increasing importance due to the limited rock Pi reserves and the demand for environmentally sustainable agriculture. However, the symbiotic Pi uptake machinery has not been characterized in any monocotyledonous plant species. Among these, rice is the primary staple food for more than half of the human population and thus central for future food security. However, the relevance of the AM symbiosis for rice Pi nutrition is presently unclear. Here, we show that 70% of the overall Pi acquired by rice is delivered via the symbiotic route. To better understand this pathway we combined genetic, molecular and physiological approaches to determine the specific functions of the two rice Pi transporters, PT11 and PT13, which are expressed only during AM symbiosis. The PT11 lineage of proteins is present in mono- and dicotyledons whereas PT13, while found across the Poaceae, is absent from dicotyledons. Surprisingly, mutations in either PT11 or PT13 affected fungal colonization and arbuscule formation demonstrating that both genes are essential for AM symbiosis between rice and Glomus intra.rad.ices. Importantly, for symbiotic Pi uptake, only PT11 is necessary and sufficient. We found that mycorrhizal rice, remarkably, received almost all Pi via the symbiotic route. Such dominating mycorrhizal Pi uptake was found in plants grown under controlled conditions as well as in field soils, suggesting that the AM symbiosis is relevant for the Pi nutrition of field grown rice. Development of smaller arbuscules in PT11 mutants suggested that symbiotic Pi signaling is required for fungal nourishment by the plant. However, co-culture of mutant with wild type nurse plants did not restore normal arbuscule size in mutant roots, indicating that other factors than malnutrition accounted for the altered arbuscule phenotype. Surprisingly, the loss of PT13 did not affect symbiotic Pi uptake although it impacted arbuscule morphology, suggesting that PT13 is involved in signaling during arbuscule development. However, induction of PT13 was not only monitored in arbusculated cells but also in inner cortex cells of non-inoculated roots of plants grown under high Pi fertilization conditions. According to preliminary observations, PT13 localized at the tonoplast in arbusculated and non-arbusculated cells, suggesting that it might be involved in transporting Pi into the vacuole, possibly for maintaining cellular Pi homeostasis. The further investigation showed that fungal colonization level was significantly affected in the crown roots of two ptlS mutant alleles, but not in large lateral roots, implying the possible role of PT13 for maintaining Pi homeostasis in the crown roots. - L'acquisition de phosphate (Pi) par les plantes cultivées s'effectue grâce à une symbiose mycorhizienne arbasculaire (AM). L'étude de cette symbiose devient fondamentale puisque d'une part, les réserves en phosphate minéral sont limitées, et, d'autre part, la demande pour une agriculture écologiquement soutenable se renforce. La machinerie d'absorption symbiotique du phosphate n'est cependant pas encore élucidée chez les plantes monocotylédones. Parmi celles-ci, le riz occupe une place primordiale. Aliment de base pour plus de la moitié de la population mondiale, il revêt de ce fait une dimension essentielle en termes de sécurité alimentaire. Pourtant, l'importance de la symbiose AM chez le riz dans le processus d'acquisition du phosphate n'est, encore de nos jours, que peu comprise. Dans cette étude, nous montrons que 70% du phosphate acquis par le riz est mis à disposition de la plante grâce à la symbiose AM. Afin de mieux comprendre ce mécanisme, nous avons employé des approches physiologiques et génétiques nous permettant de déterminer les fonctions spécifiques de deux transporteurs de Pi, PT11 et PT13, présents chez le riz et exprimés uniquement durant la symbiose AM. La famille de gènes à laquelle appartient PT11 est présente chez les monocotylédones ainsi que chez les dicotylédones tandis que PT13, bien que retrouvé au sein des Poaceae, est absent chez les dicotylédones. Etonnamment, des versions mutées de PT11 ou de PT13 affectent la colonisation par le champignon endo-mycorhizien ainsi que la formation d'arbuscules, démontrant l'importance de ces deux gènes dans la symbiose AM entre le riz et Glomus intraradices. Il est à noter que seul PT11 se révèle nécessaire et suffisant pour l'apport de Pi grâce à la symbiose. Nous avons observé que la presque totalité du phosphate dont dispose le riz lors d'une symbiose AM provient du champignon. De telles proportions ont été observées tant chez des plantes cultivées en conditions contrôlées que chez des plantes cultivées dans les champs. Cela suggère l'importance de la symbiose AM dans le processus d'acquisition du Pi chez le riz cultivé à l'extérieur. Le développement d'arbuscules plus petits chez le mutant PT11 tend à montrer qu'une voie signalétique impliquant le Pi symbiotique est nécessaire pour l'entretien du champignon par la plante. Toutefois, une co-culture du mutant avec des plantes sauvages ne permet pas de restaurer des arbuscules de taille normale dans les racines du mutant. Ce résultat indique le rôle de facteurs autres que la malnutrition aboutissant à la formation d'arbuscules altérés. Si la perte de PT13 n'affecte pas l'acquisition de phosphate symbiotique, la morphologie de l'arbuscule est, quant à elle, modifiée. Ceci suggère un rôle de PT13 durant le développement de l'arbuscule. Or, l'induction de PT13 est non seulement détectée dans des cellules contenant des arbuscules mais également dans des cellules du cortex, ceci chez des plantes cultivées sans champignon mais dans des conditions de fortes concentrations en engrais phosphaté. En accord avec des observations précédentes, PT13 est localisé au niveau du tonoplaste des cellules contenant ou non des arbuscules. Ceci suggère que PT13 pourrait être impliqué dans le transport du Pi vers la vacuole, éventuellement pour maintenir une certaine homéostasie du phosphate. Dans cette étude, nous démontrons également que le niveau de colonisation par le champignon est affecté de manière significative dans les racines principales des deux allèles du mutants ptl3, mais pas dans les grosses racines latérales. Cela impliquerait un rôle possible de PT13 dans le maintien de l'homéostasie du phosphate dans les racines principales. RESUME POUR UN LARGE PUBLIC Le phosphate (Pi), l'un des éléments minéraux essentiel au développement des plantes, se trouve généralement en faible quantité dans le sol, limitant ainsi la croissance des plantes. Le rendement de la production agricole dépend dès lors de l'addition d'engrais contenant du phosphate inorganique (Pi), obtenu à partir de ressources minières riches en phosphate. Or, ces ressources devraient être épuisées d'ici la fin du siècle. Les racines des plantes possèdent des transporteurs de phosphate efficaces leur permettant d'acquérir rapidement le Pi présent dans le sol. Comme le Pi s'avère immobile dans le sol, l'absorption rapide par les racines crée des zones pauvres en Pi autour des systèmes racinaires. Pour surmonter cet obstacle, les plantes ont développé une symbiose avec des champignons endomycorhiziens, la symbiose mycorhizienne arbusculaire (AM). Cette association leur donne accès à d'autres ressources en phosphate puisque le mycélium de ces champignons se développe sur une surface 100 fois supérieure à celle des racines. Cela augmente considérablement la surface de nutrition, dépassant ainsi la zone appauvrie en Pi. Le phosphate, transporté grâce au champignon jusqu'à l'intérieur des racines, est fourni à la plante par le biais de structures établies à l'intérieur des cellules végétales, appelées arbuscules. De leur côté, les plantes possèdent des transporteurs spécifiques afin de recevoir le Pi fourni par les champignons. A l'heure actuelle, la machinerie nécessaire à cette absorption a été uniquement décrite chez des plantes dicotylédones. Or, comprendre l'apport de phosphate par les champignons mycorhiziens s'avère particulièrement pertinent dans le cas des espèces monocotylédones cultivées telles que les céréales. Ces dernières constituent en effet la majeure partie de l'alimentation humaine. Parmi les céréales, le riz demeure l'aliment de base de la population mondiale, d'où son importance en terme de sécurité alimentaire. Durant mon travail de thèse, j'ai identifié et caractérisé le transporteur du riz impliqué dans l'apport de phosphate par ce type de symbiose AM. J'ai également démontré que le riz, lorsqu'il vit en symbiose, bénéficie de la presque totalité du Pi transporté par le champignon. Environ 40% de la production globale de riz est cultivée dans des conditions permettant la symbiose avec des mycorhizes arbusculaires. Les variétés de riz adaptées à ces conditions aérobiques deviennent des alternatives favorables aux cultivars actuels nécessitant une forte irrigation. Elles se révèlent en effet plus tolérantes aux pénuries d'eau et permettent l'utilisation de pratiques agricoles moins intensives. Les données présentées dans cette étude enrichissent nos connaissances concernant l'absorption du phosphate chez le riz grâce à la symbiose AM. Ces connaissances peuvent s'avérer décisives pour le développement de cultivars du riz plus adaptés à une agriculture écologiquement soutenable.

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.

Le dialogisme intertextuel des contes des Grimm

Ute Heidmann Le dialogisme intertextuel des contes des Grimm Préalables pour une enquête à mener « Le caractère le plus important de l'énoncé, ou en tous les cas le plus ignoré, est son dialogisme, c'est-à-dire sa dimension intertextuelle », constate Todorov en référence à la conception dialogique du langage proposée par Bakthine. Cet article introductif postule que ce constat s'applique aussi aux contes des Grimm. En partant des recherches déjà menées sur Apulée, Straporola, Basile, Perrault, La Fontaine et Lhéritier*, il présente des concepts (réponse intertextuelle, reconfiguration générique et scénographie en trompe-l'oeil) dont il illustre l'efficacité pour l'analyse des Kinder- und Hausmärchen. L'analyse de la préface de 1812 montre que les Grimm créent une scénographie pour légitimer le genre des Kinder- und Hausmärchen en les présentant comme des contes "d'origine" qui auraient "poussé" comme des plantes dans leur région et qu'ils n'auraient fait que "collecter". Cette scénographie en trompe-l'oeil permet de dissimuler le fort impact des contes européens et notamment français sur les Kinder- und Hausmärchen. Leurs commentaires paratextuels permettent en revanche de retracer ces dialogues intertextuels qui ne se limitent pas à imiter les "voix déjà présentes dans le choeur complexe" des narrateurs des contes déjà racontés, mais qui créent des effets de sens nouveaux et significativement différents en guise de réponse aux "histoires ou contes du passé", comme l'avaient déjà fait Charles Perrault avant eux. *(dans Féeries 8 et Textualité et intertextualité des contes, Editions Classiques Garnier 2010) "The most important feature of the utterance, or at least the most neglected, is its dialogism, that is, its intertextual dimension" states Todorov in reference to Bakthin's dialogical conception of human speech. Ute Heidmann's introductory essay argues that this applies also to the Grimm's tales. Extending her former theoretical and intertextual investigation on Apuleius, Straporala, Basile, Perrault, La Fontaine and Lhéritier*, she proposes a series of conceptual options (as intertextual response, scenography, trompe l'oeil, generic reconfiguration, discursive strategy) that can efficiently be used for the work on the Kinder- und Hausmärchen, gesammelt durch die Brüder Grimm. The article shows how the Grimms skilfully construct a highly suggestive scenography and topography for the new generic form thus creating the idea of a genuine tale, having grown naturally in the earth of their own region and how it is efficiently used to dissimulate the strong impact of the European and namely the French fairy tales on the Grimm's tales. The extensive paratextual commentaries are shown to serve the same purpose. Once these strategies are "deconstructed" as such, the way is free to trace the very complex intertextual dialogues with already existing Italian, French, German tales, that underlie the Kinder- und Hausmärchen. Comparative textual analysis can then make us discover, that these dialogues are from just "imitating" "the many other voices already present in the complex chorus" of fairy tale writers and narrators: they actually create new and different meaning by responding to them. * (in Féeries 8, Textualité et intertextualité des contes, Classiques Garnier 2010)

Effects of the relatedness of arbuscular mycorrhizal fungi on associated species ecology

More than 80 % of vascular plants in the world form symbioses with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). AMF supply plants with nutrients such as phosphate and nitrogen, and can also help the plants to take up water. Hence, the symbiosis can greatly influence the growth and the defence of plants. By modifying plant productivity and diversity, AMF are considered as keystone species in ecosystems, playing a role that ultimately affects many food webs. This is why mycorrhizal symbioses have been investigated for several decades by many research groups.¦However, a large part of the scientific research done on AMF symbiosis has focused on the interaction between one plant and one fungus. This situation is far from realistic, as in natural ecosystems, many different fungal strains and species are co-existing and interacting in a belowground network. The main goal of this PhD was to investigate first, the interaction occurring among different co-existing AMF depending on their genetic relatedness and second, the outcome of the interaction and their effects on associated species.¦We found that AMF genetic relatedness partly explains the interaction among AMF, and this was in agreement with theories made for completely different species. Briefly, we demonstrated that AMF isolates of the same species coexisted more easily when they were closely-related, whereas AMF from different species were more in competition in this case of high relatedness. We also demonstrated that coexistence and competition among AMF can mediate plant growth as well as herbivore behaviour, opening new insights in our understanding of AMF effects on ecosystem functioning.¦Overall, the results of the different experiments of this PhD highlight the necessity of using multiple AMF to understand their interactions. Even so, we demonstrated here that simple species richness is not enough to understand these interactions and genetic relatedness among the co-existing AMF is a parameter that must be taken into account.¦-¦Sur Terre, plus de 80 % des plantes vasculaires forment des symbioses avec des champignons endomycorhiziens à arbuscules (CEA). Ces CEA permettent aux plantes d'acquérir plus facilement des nutriments tels que des phosphates, des nitrates, ou simplement de l'eau. Ainsi, cette symbiose peut avoir un effet important à la fois sur la croissance mais aussi sur la défense des plantes. En modulant la productivité et la diversité des plantes, les CEA sont donc des espèces clefs dans l'écosystème. Leur présence peut avoir des répercussions sur l'ensemble des réseaux trophiques. C'est pourquoi de nombreuses équipes de recherches étudient ces symbioses mycorhizienes depuis plusieurs décennies.¦La plupart des études concernant ces symbioses se sont focalisées sur l'action d'une espèce de CEA sur une espèce de plante. Malheureusement, cette situation ne correspond pas à ce que l'on peut retrouver dans la nature, où de nombreuses souches et de nombreuses espèces de CEA coexistent et interagissent dans un réseau mycélien souterrain. Le principal but de cette thèse était d'étudier, premièrement les interactions entre les différent CEA en fonction de leur apparentement génétique, et deuxièmement, d'étudier l'effet de ces interactions fongiques sur l'écologie des espèces associées.¦Au cours des différentes expériences de cette thèse, nous avons démontré que l'apparentement génétique entre les CEA expliquait une part non négligeable de leurs interactions. En résumé, plus l'apparentement génétique entre des souches de CEA d'une même espèce sera grand, plus ces souches seront capables de coexister. En revanche, s'il s'agit d'espèces différentes de CEA, plus elles seront apparentées, plus la compétition sera grande entre elles. Nous avons également démontré que la coexistence et la compétition entre différents CEA peut modifier à la fois la croissance des plantes mais aussi le comportement de leur prédateurs, ce qui ouvre de nouvelles perspectives sur notre compréhension des effets des CEA dans le fonctionnement des écosystèmes.¦Globalement, les résultats de nos différentes expériences mettent en évidence la nécessité d'utiliser plusieurs souches ou espèces de CEA pour mieux comprendre leurs interactions. Quand bien même, nos expériences démontrent que le simple recensement du nombre d'espèces de CEA n'est pas suffisant pour comprendre les interactions et que l'apparentement génétique des CEA coexistants est un paramètre qui doit être pris en compte.

MOLECULAR MECHANISMS OF A ROOT SYSTEM TO SOIL ADAPTATION

Contrairement aux animaux, les plantes sont des organismes sessiles qui ne possèdent pas de mécanismes de fuite quand les conditions environnementales ne sont plus optimales. Les plantes sont physiquement ancrées à l'endroit où elles ont germées et aux conditions environnementales qui parfois peuvent être extrêmes. Les possibilités d'acclimatation de différentes espèces, parfois même de groupes de plantes au sein d'une même espèce, peuvent varier mais repose sur une adaptation génétique de la plante. L'adaptation est un long processus qui repose sur l'apparition spontanée de mutations génétiques, leur mise à l'épreuve face aux conditions environnementales, et dans le cas où la mutation a un impact positif sur la survie dans cet habitat particulier, elle sera maintenue dans une population donnée de plantes. De telles populations, appelées écotypes, sont le matériel de départ pour la découverte de gènes qui induisent un bénéfice pour la plante dans un environnement donné. La plante la plus étudiée en biologie moléculaire est Arabidopsis thaliana, l'arabette des prés. Dans une étude précédente, les racines d'écotypes naturels d'Arabidopsis ont été comparées et un écotype, Uk-1, avait le système racinaire le plus particulier. Cet écotype possède des racines beaucoup plus courtes et plus ramifiées que tous les autres écotypes. Des analyses plus poussées ont montré qu'une seule mutation dans un gène était la cause de ce phénotype, le gène BREVIS RADIX (BRX), mot latin signifiant 'racine courte'. Bien que l'on connaisse le gène BRX, on connaît finalement peu de choses sur son importance adaptative. Dans cette étude, nous avons montré que la mutation dans le gène BRX rend la plante plus résistante aux sols acides. Dans l'optique de mieux comprendre cette valeur adaptative du mutant brx, nous avons analysé dans quels tissus le gène BRX jouait un rôle important. Nous avons pu mettre en évidence que BRX est important pour le développement du protophloème. Le protophloème est un élément du système vasculaire de la plante. En général, les plantes supérieures possèdent deux systèmes de transport à longue distance. L'un d'eux, appelé xylème, transporte l'eau et les nutriments absorbés du sol par les racines vers les feuilles. Les feuilles sont le siège du processus de photosynthèse au cours duquel sont produits des sucres qui devront être distribués partout dans les autres parties de la plante. Le tissu cellulaire chargé de livrer les produits de la photosynthèse, ainsi que les régulateurs de croissance, est le phloème. Ce dernier regroupe le métaphloème et le protophloème. Le protophloème est essentiel pour la livraison des sucres synthétisés ainsi que des signaux de croissance aux pointes des racines, centres organogéniques responsables de la production de nouvelles cellules durant la phase de croissance de la racine. La structure du protophloème peut être décrite comme des tubes continus, vides et résistants, faits de cellules spécialisées qui permettent un transport efficace et rapide. Nous avons montré que dans les mutants brx ces canaux de transports sont discontinus car certaines cellules n'ont pas terminé leur cycle de différenciation. Ces cellules obstruent le conduit ce qui fait que les sucres et les signaux de croissance, comme l'auxine, ne peuvent plus être transportés aux méristèmes. En conséquence, la prolifération de l'activité des méristèmes est compromise, ce qui explique les racines courtes. Au lieu d'être délivré aux méristèmes, l'auxine se concentre en amont des méristèmes où cela provoque l'apparition de nouvelles racines branchées et, très probablement, l'activation des pompes à protons. Sur des sols acides, la concentration en ion H+ est très élevée. Ces ions entrent dans les cellules de la racine par diffusion et perturbent notablement la croissance des racines et de la plante en général. Si les cellules de la racine possédaient des pompes à protons hyperactives, elles seraient capable d'évacuer le surplus d'ions H+ en dehors de la cellule, ce qui leur assurerait de meilleures chances de survie sur sols acides. De fait, le mutant brx est capable d'acidifier le milieu de culture dans lequel il est cultivé plus efficacement que la plante sauvage. Ce mutant est également capable de donner plus de progéniture sur ce type de milieu de croissance que les plantes sauvages. Finalement, nous avons trouvé d'autres mutants brx en milieu naturel poussant sur sols acides, ce qui suggère fortement que la mutation du gène BRX est une des causes de l'adaptation aux sols acides. -- Plants as sessile organisms have developed different mechanisms to cope with the complex environmental conditions in which they live. Adaptation is the process through which traits evolve by natural selection to functionally improve in a given environmental context. An adaptation to the environment is characterized by the genetic changes in the entire populations that have been fixed by natural selection over many generations. BREVIS RADIX (BRX) gene was found through natural Arabidopsis accessions screen and was characterized as a root growth regulator since loss-of-function mutants exhibit arrested post-embryonic primary root growth in addition to a more branched root system. Although brx loss-of-function causes a complete alteration in root architecture, BRX activity is only required in the root vasculature, in particular in protophloem cell file. Protophloem is a part of the phloem transport network and is responsible for delivery of photo-assimilates and growth regulators, coming from the shoot through mature phloem component - metaphloem, to the all plant primary meristems. In order to perform its function, protophloem is the first cell file to differentiate within the root meristem. During this process, protophloem cells undergo a partial programmed cell death, during which they build a thicker cell wall, degrade nucleus and tonoplast while plasma membrane stays functional. Interestingly, protophloem cells enter elongation process only after differentiation into sieve elements is completed. Here we show that brx mutants fail to differentiate protophloem cell file properly, a phenotype that can be distinguished by a presence of a "gap" cells, non-differentiated cells between two flanking differentiated cells. Discontinuity of protophloem differentiation in brx mutants is considered to be a consequence of local hyperactivity of CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3) signaling module. Interestingly, a CLE45 activity, most probably at the level of receptor binding, can be modulated by apoplastic pH. Altogether, our results imply that the activity of proton pumps, expressed in non-differentiated cells of protophloem, must be maintained under certain threshold, otherwise CLE45-BAM3 signaling pathway will be stimulated and in turn protophloem will not differentiate. Based on vacuolar morphology, a premature cell wall acidification in brx mutants stochastically prevents the protophloem differentiation. Only after protophloem differentiates, proton pumps can be activated in order to acidify apoplast and to support enucleated protophloem multifold elongation driven by surrounding cells growth. Finally, the protophloem differentiation failure would result in an auxin "traffic jam" in the upper parts of the root, created from the phloem-transported auxin that cannot be efficiently delivered to the meristem. Physiologically, auxin "leakage" from the plant vasculature network could have various consequences, since auxin is involved in the regulation of almost every aspect of plant growth and development. Thus, given that auxin stimulates lateral roots initiation and growth, this scenario explains more branched brx root system. Nevertheless, auxin is considered to activate plasma membrane proton pumps. Along with this, it has been shown that brx mutants acidify media much more than the wild type plants do, a trait that was proposed as an adaptive feature of naturally occurring brx null alleles in Arabidopsis populations found on acidic soils. Additionally, in our study we found that most of accessions originally collected from acidic sampling sites exhibit hypersensitivity to CLE45 treatment. This implies that adaptation of plants to acidic soil involves a positive selection pressure against upstream negative regulators of CLE45-BAM3 signaling, such as BRX. Perspective analysis of these accessions would provide more profound understanding of molecular mechanisms underlying plant adaptation to acidic soils. All these results are suggesting that targeting of the factors that affect protophloem differentiation is a good strategy of natural selection to change the root architecture and to develop an adaptation to a certain environment. -- Les plantes comme organismes sessiles ont développé différents mécanismes pour s'adapter aux conditions environnementales complexes dans lesquelles elles vivent. L'adaptation est le processus par lequel des traits vont évoluer via la sélection naturelle vers une amélioration fonctionnelle dans un contexte environnemental donné. Une adaptation à l'environnement est caractérisée par des changements génétiques dans des populations entières qui ont été fixés par la sélection naturelle sur plusieurs générations. Le gène BREVIS RADIX (BRX) a été identifié dans le crible d'une collection d'accessions naturelles d'Arabidopsis et a été caractérisé comme un régulateur de la croissance racinaire étant donné que le mutant perte-de-fonction montre une croissance racinaire primaire arrêtée au stade post-embryonnaire et présente de plus un système racinaire plus ramifié que la plante sauvage. Bien que le mutant perte-de-fonction brx cause une altération complète de l'architecture racinaire, l'activité de BRX n'est requise que dans la vascularisation racinaire, en particulier au niveau du protophloème. Le protophloème est un composant du réseau de transport du phloème et est responsable du transit des dérivés de la photosynthèse ainsi que des régulateurs de croissances, venant de la partie aérienne par le phloème mature (métaphloème) vers tous les méristèmes primaires de la plante. Pour pouvoir réaliser sa fonction, le protophloème est la première file de cellules à se différencier à l'intérieur du méristème de la racine. Pendant ce processus, les cellules du protophloème subissent une mort cellulaire programmée partielle durant laquelle elles épaississent leur paroi cellulaire, dégradent le noyau et le tonoplaste tandis que la membrane plasmique demeure fonctionnelle. De manière intéressante, les cellules du protophloème entament le processus d'allongement seulement après que la différenciation en tubes criblés soit complète. Ce travail montre que le mutant brx est incapable de mener à bien la différenciation de la file de cellules du protophloème, phénotype qui peut être visualisé par la présence de cellules 'trous', de cellules non différenciées entourées de deux cellules différenciées. La discontinuité de la différenciation du phloème dans le mutant brx est considérée comme la conséquence de l'hyperactivité localisée du module de signalisation CLA VA TA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3). De manière intéressante, l'activité de CLE45, très probablement au niveau de la liaison avec le récepteur, peut être modulé par le pH apoplastique. Pris ensemble, nos résultats impliquent que l'activité des pompes à protons, actives dans les cellules non différenciées du protophloème, doit être maintenue en dessous d'un certain seuil autrement la cascade de signalisation CLE45-BAM3 serait stimulée, en conséquence de quoi le protophloème ne pourrait se différencier. D'après la morphologie vacuolaire, une acidification prématurée de la paroi cellulaire dans le mutant brx empêche la différenciation du protophloème de manière stochastique. Une fois que le protophloème se différencie, les pompes à protons peuvent alors être activées afin d'acidifier l'apoplaste et ainsi faciliter l'allongement des cellules énuclées du protophloème, entraînées par la croissance des cellules environnantes. Finalement, la différenciation défectueuse du protophloème produit une accumulation d'auxine dans la partie supérieure de la racine car le phloème ne peut plus acheminer efficacement l'auxine au méristème. Physiologiquement, la 'fuite' d'auxine à partir du réseau vasculaire de la plante peut avoir des conséquences variées puisque l'auxine est impliquée dans la régulation de la majorité des aspects de la croissance et développement de la plante. Etant donné que l'auxine stimule l'initiation et développement des racines latérales, ce scénario pourrait expliquer le système racinaire plus ramifié du mutant brx. En plus, l'auxine est considérée comme un activateur des pompes à protons. Par ailleurs, nous avons montré que les mutants brx ont la capacité d'acidifier le milieu plus efficacement que les plantes sauvages, une caractéristique des populations sauvages <¥Arabidopsis poussant sur des sols acides et contenant les allèles délétés brx. De plus, dans nos résultats nous avons mis en évidence que la plupart des accessions collectées originellement sur des sites acidophiles montre une hypersensibilité au traitement par CLE45. Ceci implique que l'adaptation des plantes aux sols acides repose sur la pression de sélection positive à rencontre des régulateurs négatifs de CLE45- BAM3, situés en amont de la cascade, tel le produit du gène BRX. Les analyses de ces accessions pourraient aboutir à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires responsables de l'adaptation des plantes aux sols acides. Tous nos résultats suggèrent que le ciblage des facteurs affectant la différenciation du protophloème serait une stratégie gagnante dans la sélection naturelle pour changer l'architecture de la racine et ainsi s'adapter efficacement à un nouvel environnement.

Providing more informative projections of climate change impact on plant distribution in a mountain environment

Summary Due to their conic shape and the reduction of area with increasing elevation, mountain ecosystems were early identified as potentially very sensitive to global warming. Moreover, mountain systems may experience unprecedented rates of warming during the next century, two or three times higher than that records of the 20th century. In this context, species distribution models (SDM) have become important tools for rapid assessment of the impact of accelerated land use and climate change on the distribution plant species. In my study, I developed and tested new predictor variables for species distribution models (SDM), specific to current and future geographic projections of plant species in a mountain system, using the Western Swiss Alps as model region. Since meso- and micro-topography are relevant to explain geographic patterns of plant species in mountain environments, I assessed the effect of scale on predictor variables and geographic projections of SDM. I also developed a methodological framework of space-for-time evaluation to test the robustness of SDM when projected in a future changing climate. Finally, I used a cellular automaton to run dynamic simulations of plant migration under climate change in a mountain landscape, including realistic distance of seed dispersal. Results of future projections for the 21st century were also discussed in perspective of vegetation changes monitored during the 20th century. Overall, I showed in this study that, based on the most severe A1 climate change scenario and realistic dispersal simulations of plant dispersal, species extinctions in the Western Swiss Alps could affect nearly one third (28.5%) of the 284 species modeled by 2100. With the less severe 61 scenario, only 4.6% of species are predicted to become extinct. However, even with B1, 54% (153 species) may still loose more than 80% of their initial surface. Results of monitoring of past vegetation changes suggested that plant species can react quickly to the warmer conditions as far as competition is low However, in subalpine grasslands, competition of already present species is probably important and limit establishment of newly arrived species. Results from future simulations also showed that heavy extinctions of alpine plants may start already in 2040, but the latest in 2080. My study also highlighted the importance of fine scale and regional. assessments of climate change impact on mountain vegetation, using more direct predictor variables. Indeed, predictions at the continental scale may fail to predict local refugees or local extinctions, as well as loss of connectivity between local populations. On the other hand, migrations of low-elevation species to higher altitude may be difficult to predict at the local scale. Résumé La forme conique des montagnes ainsi que la diminution de surface dans les hautes altitudes sont reconnues pour exposer plus sensiblement les écosystèmes de montagne au réchauffement global. En outre, les systèmes de montagne seront sans doute soumis durant le 21ème siècle à un réchauffement deux à trois fois plus rapide que celui mesuré durant le 20ème siècle. Dans ce contexte, les modèles prédictifs de distribution géographique de la végétation se sont imposés comme des outils puissants pour de rapides évaluations de l'impact des changements climatiques et de la transformation du paysage par l'homme sur la végétation. Dans mon étude, j'ai développé de nouvelles variables prédictives pour les modèles de distribution, spécifiques à la projection géographique présente et future des plantes dans un système de montagne, en utilisant les Préalpes vaudoises comme zone d'échantillonnage. La méso- et la microtopographie étant particulièrement adaptées pour expliquer les patrons de distribution géographique des plantes dans un environnement montagneux, j'ai testé les effets d'échelle sur les variables prédictives et sur les projections des modèles de distribution. J'ai aussi développé un cadre méthodologique pour tester la robustesse potentielle des modèles lors de projections pour le futur. Finalement, j'ai utilisé un automate cellulaire pour simuler de manière dynamique la migration future des plantes dans le paysage et dans quatre scénarios de changement climatique pour le 21ème siècle. J'ai intégré dans ces simulations des mécanismes et des distances plus réalistes de dispersion de graines. J'ai pu montrer, avec les simulations les plus réalistes, que près du tiers des 284 espèces considérées (28.5%) pourraient être menacées d'extinction en 2100 dans le cas du plus sévère scénario de changement climatique A1. Pour le moins sévère des scénarios B1, seulement 4.6% des espèces sont menacées d'extinctions, mais 54% (153 espèces) risquent de perdre plus 80% de leur habitat initial. Les résultats de monitoring des changements de végétation dans le passé montrent que les plantes peuvent réagir rapidement au réchauffement climatique si la compétition est faible. Dans les prairies subalpines, les espèces déjà présentes limitent certainement l'arrivée de nouvelles espèces par effet de compétition. Les résultats de simulation pour le futur prédisent le début d'extinctions massives dans les Préalpes à partir de 2040, au plus tard en 2080. Mon travail démontre aussi l'importance d'études régionales à échelle fine pour évaluer l'impact des changements climatiques sur la végétation, en intégrant des variables plus directes. En effet, les études à échelle continentale ne tiennent pas compte des micro-refuges, des extinctions locales ni des pertes de connectivité entre populations locales. Malgré cela, la migration des plantes de basses altitudes reste difficile à prédire à l'échelle locale sans modélisation plus globale.

Dissection of hormone-responsive plasma membrane to nucleus signaling of Bravis Radix : its role in vascular differentiation and root meristem growth

AbstractPlants continuously grow during their complete life span and understanding the mechanisms that qualitatively regulate their traits remains a challenging topic in biology. The hormone auxin has been identified as a crucial molecule for shaping plant growth, as it has a role in most developmental processes. In the root, the directional, so-called polar transport of auxin generates a peak of concentration that specifies and maintains the stem cell niche and a subsequent gradient of decreasing concentration that also regulates cell proliferation and differentiation. For these reasons, auxin is considered the main morphogen of the root, as it is fundamental for its organization and maintenance. Recently, in Arabidopsis thaliana, a natural variation screen allowed the discovery of BREVIS RADIX (BRX) gene as a limiting factor for auxin responsive gene expression and thus for root growth.In this study, we discovered that BRX is a direct target of auxin that positively feeds back on auxin signaling, as a transcriptional co-regulator, through interaction with the Auxin Response Factor (ARF) MONOPTEROS (MP), modulating the auxin gene response magnitude during the transition between division and differentiation in the root meristem. Moreover, we provide evidence that BRX is activated at the plasma membrane level as an associated protein before moving into the nucleus to modulate cellular growth.To investigate the discrepancy between the auxin concentration and the expression pattern of its downstream targets, we combined experimental and computational approaches. Expression profiles deviating from the auxin gradient could only be modeled after intersection of auxin activity with the observed differential endocytosis pattern and with positive auto- regulatory feedback through plasma- membrane-to-nucleus transfer of BRX. Because BRX is required for expression of certain auxin response factor targets, our data suggest a cell-type-specific endocytosis-dependent input into transcriptional auxin perception. This input sustains expression of a subset of auxin-responsive genes across the root meristem's division and transition zones and is essential for meristem growth. Thus, the endocytosis pattern provides specific positional information to modulate auxin response. RésuméLes plantes croissent continuellement tout au long de leur cycle de vie. Comprendre et expliquer les mécanismes impliqués dans ce phénomène reste à l'heure actuelle, un défi. L'hormone auxine a été identifiée comme une molécule essentielle à la régulation de la croissance des plantes, car impliquée dans la plupart des processus développementaux. Dans la racine, le transport polaire de l'auxine, par la génération d'un pic de concentration, spécifie et maintient la niche de cellules souches, et par la génération d'un gradient de concentration, contrôle la prolifération et la différentiation cellulaire. Puisque l'auxine est essentielle pour l'organisation et la maintenance du système racinaire, il est considéré comme son principal morphogène. Récemment, dans la plante modèle, Arabidopsis thalinana, un criblage des variations génétique a permis d'identifier le gène Brevis radix (BRX) comme facteur limitant l'expression des gènes de réponse à l'auxine et par là même, la croissance de la racine.Dans ce travail, nous avons découvert que BRX est une cible direct de l'auxine qui rétroactive positivement le signalement de l'hormone, agissant ainsi comme un régulateur transcriptionnel à travers l'interaction avec la protéine Monopteros (MP) de la famille des facteurs de réponse à l'auxine (Auxin Responsive Factor, ARF), et modulant ainsi la magnitude de la réponse des gènes reliés à l'auxine durant la division et la différentiation cellulaire dans le méristème de la racine. De plus, nous fournissons des preuves que BRX est activées au niveau de la membrane plasmique, tel une protéine associée se déplaçant à l'intérieur du noyau et modulant la croissance cellulaire.Pour mener à bien l'investigation des divergences entre la concentration de l'auxine et les schémas d'expression de ses propres gènes cibles, nous avons combiné les approches expérimentales et computationnelles. Les profiles d'expressions déviant du gradient d'auxine pourraient seulement être modéliser après intersection de l'activité de l'auxine avec les schémas différentiels d'endocytose observés et les boucles de rétroaction positives et autorégulatrices par le transfert de BRX de la membrane plasmique au noyau. Puisque BRX est requis pour l'expression de certains gènes cibles des facteurs de réponse à l'auxine, nos données suggèrent une contribution dépendante d'une endocytose spécifique au type de cellule dans la perception transcriptionnelle à l'auxine Cette contribution soutient l'expression d'un sous-set de gène de réponse à l'auxine dans la division du méristème racinaire et la zone de transition, et par conséquent, est essentielle pour la croissance méristematique. Ainsi, le schéma d'endocytose fournit des informations positionnelles spécifiques à la modulation de la réponse à l'auxine.

Multi-scale systems analysis of plant development : beyond cellular signaling and tissue morphodynamics

Les plantes sont essentielles pour les sociétés humaines. Notre alimentation quotidienne, les matériaux de constructions et les sources énergétiques dérivent de la biomasse végétale. En revanche, la compréhension des multiples aspects développementaux des plantes est encore peu exploitée et représente un sujet de recherche majeur pour la science. L'émergence des technologies à haut débit pour le séquençage de génome à grande échelle ou l'imagerie de haute résolution permet à présent de produire des quantités énormes d'information. L'analyse informatique est une façon d'intégrer ces données et de réduire la complexité apparente vers une échelle d'abstraction appropriée, dont la finalité est de fournir des perspectives de recherches ciblées. Ceci représente la raison première de cette thèse. En d'autres termes, nous appliquons des méthodes descriptives et prédictives combinées à des simulations numériques afin d'apporter des solutions originales à des problèmes relatifs à la morphogénèse à l'échelle de la cellule et de l'organe. Nous nous sommes fixés parmi les objectifs principaux de cette thèse d'élucider de quelle manière l'interaction croisée des phytohormones auxine et brassinosteroïdes (BRs) détermine la croissance de la cellule dans la racine du méristème apical d'Arabidopsis thaliana, l'organisme modèle de référence pour les études moléculaires en plantes. Pour reconstruire le réseau de signalement cellulaire, nous avons extrait de la littérature les informations pertinentes concernant les relations entre les protéines impliquées dans la transduction des signaux hormonaux. Le réseau a ensuite été modélisé en utilisant un formalisme logique et qualitatif pour pallier l'absence de données quantitatives. Tout d'abord, Les résultats ont permis de confirmer que l'auxine et les BRs agissent en synergie pour contrôler la croissance de la cellule, puis, d'expliquer des observations phénotypiques paradoxales et au final, de mettre à jour une interaction clef entre deux protéines dans la maintenance du méristème de la racine. Une étude ultérieure chez la plante modèle Brachypodium dystachion (Brachypo- dium) a révélé l'ajustement du réseau d'interaction croisée entre auxine et éthylène par rapport à Arabidopsis. Chez ce dernier, interférer avec la biosynthèse de l'auxine mène à la formation d'une racine courte. Néanmoins, nous avons isolé chez Brachypodium un mutant hypomorphique dans la biosynthèse de l'auxine qui affiche une racine plus longue. Nous avons alors conduit une analyse morphométrique qui a confirmé que des cellules plus anisotropique (plus fines et longues) sont à l'origine de ce phénotype racinaire. Des analyses plus approfondies ont démontré que la différence phénotypique entre Brachypodium et Arabidopsis s'explique par une inversion de la fonction régulatrice dans la relation entre le réseau de signalisation par l'éthylène et la biosynthèse de l'auxine. L'analyse morphométrique utilisée dans l'étude précédente exploite le pipeline de traitement d'image de notre méthode d'histologie quantitative. Pendant la croissance secondaire, la symétrie bilatérale de l'hypocotyle est remplacée par une symétrie radiale et une organisation concentrique des tissus constitutifs. Ces tissus sont initialement composés d'une douzaine de cellules mais peuvent aisément atteindre des dizaines de milliers dans les derniers stades du développement. Cette échelle dépasse largement le seuil d'investigation par les moyens dits 'traditionnels' comme l'imagerie directe de tissus en profondeur. L'étude de ce système pendant cette phase de développement ne peut se faire qu'en réalisant des coupes fines de l'organe, ce qui empêche une compréhension des phénomènes cellulaires dynamiques sous-jacents. Nous y avons remédié en proposant une stratégie originale nommée, histologie quantitative. De fait, nous avons extrait l'information contenue dans des images de très haute résolution de sections transverses d'hypocotyles en utilisant un pipeline d'analyse et de segmentation d'image à grande échelle. Nous l'avons ensuite combiné avec un algorithme de reconnaissance automatique des cellules. Cet outil nous a permis de réaliser une description quantitative de la progression de la croissance secondaire révélant des schémas développementales non-apparents avec une inspection visuelle classique. La formation de pôle de phloèmes en structure répétée et espacée entre eux d'une longueur constante illustre les bénéfices de notre approche. Par ailleurs, l'exploitation approfondie de ces résultats a montré un changement de croissance anisotropique des cellules du cambium et du phloème qui semble en phase avec l'expansion du xylème. Combinant des outils génétiques et de la modélisation biomécanique, nous avons démontré que seule la croissance plus rapide des tissus internes peut produire une réorientation de l'axe de croissance anisotropique des tissus périphériques. Cette prédiction a été confirmée par le calcul du ratio des taux de croissance du xylème et du phloème au cours de développement secondaire ; des ratios élevés sont effectivement observés et concomitant à l'établissement progressif et tangentiel du cambium. Ces résultats suggèrent un mécanisme d'auto-organisation établi par un gradient de division méristématique qui génèrent une distribution de contraintes mécaniques. Ceci réoriente la croissance anisotropique des tissus périphériques pour supporter la croissance secondaire. - Plants are essential for human society, because our daily food, construction materials and sustainable energy are derived from plant biomass. Yet, despite this importance, the multiple developmental aspects of plants are still poorly understood and represent a major challenge for science. With the emergence of high throughput devices for genome sequencing and high-resolution imaging, data has never been so easy to collect, generating huge amounts of information. Computational analysis is one way to integrate those data and to decrease the apparent complexity towards an appropriate scale of abstraction with the aim to eventually provide new answers and direct further research perspectives. This is the motivation behind this thesis work, i.e. the application of descriptive and predictive analytics combined with computational modeling to answer problems that revolve around morphogenesis at the subcellular and organ scale. One of the goals of this thesis is to elucidate how the auxin-brassinosteroid phytohormone interaction determines the cell growth in the root apical meristem of Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), the plant model of reference for molecular studies. The pertinent information about signaling protein relationships was obtained through the literature to reconstruct the entire hormonal crosstalk. Due to a lack of quantitative information, we employed a qualitative modeling formalism. This work permitted to confirm the synergistic effect of the hormonal crosstalk on cell elongation, to explain some of our paradoxical mutant phenotypes and to predict a novel interaction between the BREVIS RADIX (BRX) protein and the transcription factor MONOPTEROS (MP),which turned out to be critical for the maintenance of the root meristem. On the same subcellular scale, another study in the monocot model Brachypodium dystachion (Brachypodium) revealed an alternative wiring of auxin-ethylene crosstalk as compared to Arabidopsis. In the latter, increasing interference with auxin biosynthesis results in progressively shorter roots. By contrast, a hypomorphic Brachypodium mutant isolated in this study in an enzyme of the auxin biosynthesis pathway displayed a dramatically longer seminal root. Our morphometric analysis confirmed that more anisotropic cells (thinner and longer) are principally responsible for the mutant root phenotype. Further characterization pointed towards an inverted regulatory logic in the relation between ethylene signaling and auxin biosynthesis in Brachypodium as compared to Arabidopsis, which explains the phenotypic discrepancy. Finally, the morphometric analysis of hypocotyl secondary growth that we applied in this study was performed with the image-processing pipeline of our quantitative histology method. During its secondary growth, the hypocotyl reorganizes its primary bilateral symmetry to a radial symmetry of highly specialized tissues comprising several thousand cells, starting with a few dozens. However, such a scale only permits observations in thin cross-sections, severely hampering a comprehensive analysis of the morphodynamics involved. Our quantitative histology strategy overcomes this limitation. We acquired hypocotyl cross-sections from tiled high-resolution images and extracted their information content using custom high-throughput image processing and segmentation. Coupled with an automated cell type recognition algorithm, it allows precise quantitative characterization of vascular development and reveals developmental patterns that were not evident from visual inspection, for example the steady interspace distance of the phloem poles. Further analyses indicated a change in growth anisotropy of cambial and phloem cells, which appeared in phase with the expansion of xylem. Combining genetic tools and computational modeling, we showed that the reorientation of growth anisotropy axis of peripheral tissue layers only occurs when the growth rate of central tissue is higher than the peripheral one. This was confirmed by the calculation of the ratio of the growth rate xylem to phloem throughout secondary growth. High ratios are indeed observed and concomitant with the homogenization of cambium anisotropy. These results suggest a self-organization mechanism, promoted by a gradient of division in the cambium that generates a pattern of mechanical constraints. This, in turn, reorients the growth anisotropy of peripheral tissues to sustain the secondary growth.