A member of the PLEIOTROPIC DRUG RESISTANCE family of ATP binding cassette transporters is required for the formation of a functional cuticle in Arabidopsis.

Although the multilayered structure of the plant cuticle was discovered many years ago, the molecular basis of its formation and the functional relevance of the layers are not understood. Here, we present the permeable cuticle1 (pec1) mutant of Arabidopsis thaliana, which displays features associated with a highly permeable cuticle in several organs. In pec1 flowers, typical cutin monomers, such as ω-hydroxylated fatty acids and 10,16-dihydroxypalmitate, are reduced to 40% of wild-type levels and are accompanied by the appearance of lipidic inclusions within the epidermal cell. The cuticular layer of the cell wall, rather than the cuticle proper, is structurally altered in pec1 petals. Therefore, a significant role for the formation of the diffusion barrier in petals can be attributed to this layer. Thus, pec1 defines a new class of mutants. The phenotypes of the pec1 mutant are caused by the knockout of ATP BINDING CASSETTEG32 (ABCG32), an ABC transporter from the PLEIOTROPIC DRUG RESISTANCE family that is localized at the plasma membrane of epidermal cells in a polar manner toward the surface of the organs. Our results suggest that ABCG32 is involved in the formation of the cuticular layer of the cell wall, most likely by exporting particular cutin precursors from the epidermal cell.

Genetic and hormonal regulation of cambial development.

The stems and roots of most dicot plants increase in diameter by radial growth, due to the activity of secondary meristems. Two types of meristems function in secondary plant body formation: the vascular cambium, which gives rise to secondary xylem and phloem, and the cork cambium, which produces a bark layer that replaces the epidermis and protects the plant stem from mechanical damage and pathogens. Cambial development, the initiation and activity of the vascular cambium, leads to an accumulation of wood, the secondary xylem tissue. The thick, cellulose-rich cell walls of wood provide a source of cellulose and have the potential to be used as a raw material for sustainable and renewable energy production. In this review, we will discuss what is known about the mechanisms regulating the cambium and secondary tissue development.

Vascular continuity, cell axialization and auxin.

Phytohormones have been implicated in vascular development in various ways, but their precise function and the extent of their influence is still controversial. Recent results from experimental manipulation of developing organs and Arabidopsis developmental genetics support a role for polar auxin flow in cell axis formation within the vascular system and, interestingly, also in the embryonic establishment of the plant body axis. Vascular responses to auxin transport inhibition indicate patterns of auxin distribution during leaf development and new technologies may enable these predictions to be tested within the near future. Moreover, recently discovered Arabidopsis axialisation mutants seem to identify essential genes that relay auxin signals in vascular development. A first gene in this class, MONOPTEROS (MP) has been cloned and encodes a transcription factor capable of binding to auxin response elements in the control regions of auxin regulated genes. Molecular identification of further axialisation genes may provide access to a mechanistic understanding of plant cell axis formation.

Calcineurin A of Candida albicans: involvement in antifungal tolerance, cell morphogenesis and virulence.

The azole antifungal fluconazole possesses only fungistatic activity in Candida albicans and, therefore, this human pathogen is tolerant to this agent. However, tolerance to fluconazole can be inhibited when C. albicans is exposed to fluconazole combined with the immunosuppressive drug cyclosporin A, which is known to inhibit calcineurin activity in yeast. A mutant lacking both alleles of a gene encoding the calcineurin A subunit (CNA) lost viability in the presence of fluconazole, thus making calcineurin essential for fluconazole tolerance. Consistent with this observation, tolerance to fluconazole was modulated by calcium ions or by the expression of a calcineurin A derivative autoactivated by the removal of its C-terminal inhibitory domain. Interestingly, CNA was also essential for tolerance to other antifungal agents (voriconazole, itraconazole, terbinafine, amorolfine) and to several other metabolic inhibitors (caffeine, brefeldin A, mycophenolic acid, fluphenazine) or cell wall-perturbing agents (SDS, calcofluor white, Congo red), thus indicating that the calcineurin pathway plays an important role in the survival of C. albicans in the presence of external growth inhibitors. Several genes, including PMC1, a vacuolar calcium P-type ATPase, were regulated in a calcineurin- and fluconazole-dependent manner. However, PMC1 did not play a direct role in the survival of C. albicans when exposed to fluconazole. In addition to these different properties, calcineurin was found to affect colony morphology in several media known to modulate the C. albicans dimorphic switch. In particular, calcineurin was found to be essential for C. albicans viability in serum-containing media. Finally, calcineurin was found to be necessary for the virulence of C. albicans in a mice model of infection, thus making calcineurin an important element for adequate adaptation to the conditions of the host environment.

Molecular mechanisms of action of herbal antifungal alkaloid berberine, in Candida albicans.

Candida albicans causes superficial to systemic infections in immuno-compromised individuals. The concomitant use of fungistatic drugs and the lack of cidal drugs frequently result in strains that could withstand commonly used antifungals, and display multidrug resistance (MDR). In search of novel fungicidals, in this study, we have explored a plant alkaloid berberine (BER) for its antifungal potential. For this, we screened an in-house transcription factor (TF) mutant library of C. albicans strains towards their susceptibility to BER. Our screen of TF mutant strains identified a heat shock factor (HSF1), which has a central role in thermal adaptation, to be most responsive to BER treatment. Interestingly, HSF1 mutant was not only highly susceptible to BER but also displayed collateral susceptibility towards drugs targeting cell wall (CW) and ergosterol biosynthesis. Notably, BER treatment alone could affect the CW integrity as was evident from the growth retardation of MAP kinase and calcineurin pathway null mutant strains and transmission electron microscopy. However, unlike BER, HSF1 effect on CW appeared to be independent of MAP kinase and Calcineurin pathway genes. Additionally, unlike hsf1 null strain, BER treatment of Candida cells resulted in dysfunctional mitochondria, which was evident from its slow growth in non-fermentative carbon source and poor labeling with mitochondrial membrane potential sensitive probe. This phenotype was reinforced with an enhanced ROS levels coinciding with the up-regulated oxidative stress genes in BER-treated cells. Together, our study not only describes the molecular mechanism of BER fungicidal activity but also unravels a new role of evolutionary conserved HSF1, in MDR of Candida.

A mechanism for localized lignin deposition in the endodermis.

The precise localization of extracellular matrix and cell wall components is of critical importance for multicellular organisms. Lignin is a major cell wall modification that often forms intricate subcellular patterns that are central to cellular function. Yet the mechanisms of lignin polymerization and the subcellular precision of its formation remain enigmatic. Here, we show that the Casparian strip, a lignin-based, paracellular diffusion barrier in plants, forms as a precise, median ring by the concerted action of a specific, localized NADPH oxidase, brought into proximity of localized peroxidases through the action of Casparian strip domain proteins (CASPs). Our findings in Arabidopsis provide a simple mechanistic model of how plant cells regulate lignin formation with subcellular precision. We speculate that scaffolding of NADPH oxidases to the downstream targets of the reactive oxygen species (ROS) that they produce might be a widespread mechanism to ensure specificity and subcellular precision of ROS action within the extracellular matrix.

A spatial accommodation by neighboring cells is required for organ initiation in Arabidopsis.

Lateral root formation in plants can be studied as the process of interaction between chemical signals and physical forces during development. Lateral root primordia grow through overlying cell layers that must accommodate this incursion. Here, we analyze responses of the endodermis, the immediate neighbor to an initiating lateral root. Endodermal cells overlying lateral root primordia lose volume, change shape, and relinquish their tight junction-like diffusion barrier to make way for the emerging lateral root primordium. Endodermal feedback is absolutely required for initiation and growth of lateral roots, and we provide evidence that this is mediated by controlled volume loss in the endodermis. We propose that turgidity and rigid cell walls, typical of plants, impose constraints that are specifically modified for a given developmental process.

Reprogramming plant cells for endosymbiosis.

The establishment of arbuscular mycorrhizal (AM) symbioses, formed by most flowering plants in association with glomeromycotan fungi, and the root-nodule (RN) symbiosis, formed by legume plants and rhizobial bacteria, requires an ongoing molecular dialogue that underpins the reprogramming of root cells for compatibility. In both endosymbioses, there are distinct phases to the interaction, including a presymbiotic anticipation phase and, subsequently, an intraradical accommodation of the microsymbiont. Maintenance of the endosymbiosis then depends on reciprocal nutrient exchange with the microsymbiont-obtaining plant photosynthates in exchange for mineral nutrients: enhanced phosphate and nitrogen uptake from AM fungi and fixed nitrogen from rhizobia. Despite the taxonomically distinct groups of symbionts, commonalities are observed in the signaling components and the modulation of host cell responses in both AM and RN symbioses, reflecting common mechanisms for plant cell reprogramming during endosymbiosis.

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.

RETINOBLASTOMA RELATED1 Regulates Asymmetric Cell Divisions in Arabidopsis.

Formative, also called asymmetric, cell divisions produce daughter cells with different identities. Like other divisions, formative divisions rely first of all on the cell cycle machinery with centrally acting cyclin-dependent kinases (CDKs) and their cyclin partners to control progression through the cell cycle. However, it is still largely obscure how developmental cues are translated at the cellular level to promote asymmetric divisions. Here, we show that formative divisions in the shoot and root of the flowering plant Arabidopsis thaliana are controlled by a common mechanism that relies on the activity level of the Cdk1 homolog CDKA;1, with medium levels being sufficient for symmetric divisions but high levels being required for formative divisions. We reveal that the function of CDKA;1 in asymmetric cell divisions operates through a transcriptional regulation system that is mediated by the Arabidopsis Retinoblastoma homolog RBR1. RBR1 regulates not only cell cycle genes, but also, independent of the cell cycle transcription factor E2F, genes required for formative divisions and cell fate acquisition, thus directly linking cell proliferation with differentiation. This mechanism allows the implementation of spatial information, in the form of high kinase activity, with intracellular gating of developmental decisions.

The endodermis.

A Casparian strip-bearing endodermis is a feature that has been invariably present in the roots of ferns and angiosperms for approximately 400 million years. As the innermost cortical layer that surrounds the central vasculature of roots, the endodermis acts as a barrier to the free diffusion of solutes from the soil into the stele. Based on an enormous body of anatomical and physiological work, the protective endodermal diffusion barrier is thought to be of major importance for many aspects of root biology, reaching from efficient water and nutrient transport to defense against soil-borne pathogens. Until recently, however, we were ignorant about the genes and mechanisms that drive the differentiation of this intricately structured barrier. Recent work in Arabidopsis has now identified the first major players in Casparian strip formation. A mechanistic understanding of endodermal differentiation will finally allow us to specifically interfere with endodermal barrier function and study the effects on plant growth and survival under various stress conditions. Here, I critically review the major findings and models related to endodermal structure and function from other plant species and assess them in light of recent molecular data from Arabidopsis, pointing out where the older, descriptive work can provide a framework and inspiration for further molecular dissection.

Dynamic single cell measurements of kinase activity by synthetic kinase activity relocation sensors.

BACKGROUND: Mitogen activated protein kinases (MAPK) play an essential role in integrating extra-cellular signals and intra-cellular cues to allow cells to grow, adapt to stresses, or undergo apoptosis. Budding yeast serves as a powerful system to understand the fundamental regulatory mechanisms that allow these pathways to combine multiple signals and deliver an appropriate response. To fully comprehend the variability and dynamics of these signaling cascades, dynamic and quantitative single cell measurements are required. Microscopy is an ideal technique to obtain these data; however, novel assays have to be developed to measure the activity of these cascades. RESULTS: We have generated fluorescent biosensors that allow the real-time measurement of kinase activity at the single cell level. Here, synthetic MAPK substrates were engineered to undergo nuclear-to-cytoplasmic relocation upon phosphorylation of a nuclear localization sequence. Combination of fluorescence microscopy and automated image analysis allows the quantification of the dynamics of kinase activity in hundreds of single cells. A large heterogeneity in the dynamics of MAPK activity between individual cells was measured. The variability in the mating pathway can be accounted for by differences in cell cycle stage, while, in the cell wall integrity pathway, the response to cell wall stress is independent of cell cycle stage. CONCLUSIONS: These synthetic kinase activity relocation sensors allow the quantification of kinase activity in live single cells. The modularity of the architecture of these reporters will allow their application in many other signaling cascades. These measurements will allow to uncover new dynamic behaviour that previously could not be observed in population level measurements.

Role of an LRR receptor-like kinase in the establishment of a functional root endodermal barrier

The endodermis is a highly conserved cell layer present in the root of all vascular plants, except Lycophytes. This tissue layer establishes a protective diffusion barrier surrounding the vasculature and is expected to prevent passive, uncontrolled flow of nutrients through the root. This barrier property is achieved by the production of Casparian strips (CS), a localized cell wall impregnation of lignin in the anticlinal walls of each endodermal cell, forming a belt-like structure sealing the extracellular space. The CS act as a selective barrier between the external cell layers and the vascular cylinder and are thought to be important in many aspects of root function. For instance, selective nutrient uptake and sequestration from the soil, resistance to different abiotic and biotic stresses are expected to involve functional CS. Although discovered 150 years ago, nothing was known about the genes involved in CS establishment until recently. The use of the model plant Arabidopsis thaliana together with both reverse and forward genetic approaches led to the discovery of an increasing number of genes involved in different steps of CS formation during the last few years. One of these genes encodes SCHENGEN3 (SGN3), a leucine-rich repeat receptor-like kinase (LRR-RLK). SGN3 was discovered first by reverse genetic due to its endodermis-enriched expression, and the corresponding mutant displays strong endodermal permeability of the apoplastic tracer Propidium Iodide (PI) indicative of defective CS. One aim of this thesis is to study the role of SGN3 at the molecular level in order to understand its involvement in establishing an impermeable CS. The endodermal permeability of sgn3 is shown to be the result of incorrect localization of key proteins involved in CS establishment (the "Casparian strip domain proteins", CASPs), leading to non-functional CS interrupted by discontinuities. CASPs localize in the plasma membrane domain subjacent to the CS, named the Casparian Strip membrane Domain (CSD). The CSD discontinuities in sgn3 together with SGN3 localization in close proximity to the CASPs lead to the assumption that SGN3 is involved in the formation of a continuous CSD. In addition, SGN3 might have a second role, acting as a kinase reporting CSD integrity leading to lignin and suberin production in CSD/CS defective plants. Up to now, sgn3 is the strongest and most specific CS mutant available, displaying tracer penetration along the whole length of the seedling root. For this reason, this mutant is well suited in order to characterize the physiological behaviour of CS affected plants. Due to the lack of such mutants in the past, it was not possible to test the presumed functions of CS by using plants lacking this structure. We decided to use sgn3 for this purpose. Surprisingly, sgn3 overall growth is only slightly affected. Nevertheless, processes expected to rely on functional CS, such as water transport through the root, nutrient homeostasis, salt tolerance and resistance to an excess of some nutrients are altered in this mutant. On the other hand, homeostasis for most elements and drought tolerance are not affected in sgn3. It is surprising to observe that homeostatic defects are specific, with a decrease in potassium and an increase in magnesium levels. It indicates a backup system, set up by the plant in order to counteract free diffusion of nutrients into the stele. For instance, potassium shortage in sgn3 upregulates the transcription of potassium influx transport proteins and genes known to be induced by potassium starvation. Moreover, sgn3 mutant is hypersensitive to low potassium conditions. Hopefully, these results about SGN3 will help our understanding of CS establishment at the molecular level. In addition, physiological experiments using sgn3 should give us a framework for future experiments and help us to understand the different roles of CS and their involvement during nutrient radial transport through the root. -- L'endoderme est un tissu présent dans les racines de toutes les plantes vasculaires à l'exception des Lycophytes. Ce tissu établit une barrière protectrice entourant les tissus vasculaires dans le but d'éviter la diffusion passive et incontrôlée des nutriments au travers de la racine. Cette propriété de barrière provient de la production des cadres de Caspary, une imprégnation localisée de lignine des parties anticlinales de la paroi de chaque cellule d'endoderme. Cela donne naissance à un anneau/cadre qui rend étanche l'espace extracellulaire. Les cadres de Caspary agissent comme une barrière sélective entre les couches externes de la racine et le cylindre central et sont supposés être importants dans beaucoup d'aspects du fonctionnement de la racine. Par exemple, l'absorption sélective de nutriments et leur séquestration à partir du sol ainsi que la résistance contre différents stress abiotiques et biotiques sont supposés impliquer des cadres de Caspary fonctionnels. Bien que découverts il y a 150 ans, rien n'était connu concernant les gènes impliqués dans Ja formation des cadres de Caspary jusqu'à récemment. Durant ces dernière années, l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thaliana ainsi que des approches de génétique inverse et classique ont permis la découverte d'un nombre croissant de gènes impliqués à différentes étapes de la formation de cette structure. Un des ces gènes code pour SCHENGEN3 (SGN3), un récepteur kinase "leucine-rich repeat receptor-like kinase" (LRR-RLK). SGN3 a été découvert en premier par génétique inverse grâce à son expression enrichie dans l'endoderme. Les cadres de Caspary ne sont pas fonctionnels dans le mutant correspondant, ce qui est visible à cause de la perméabilité de l'endoderme au traceur apoplastique Propidium Iodide (PI). Un des objectifs de cette thèse est d'étudier la fonction de SGN3 au niveau moléculaire dans le but de comprendre son rôle dans la formation des cadres de Caspary. J'ai pu démontrer que la perméabilité de l'endoderme du mutant sgn3 est le résultat de la localisation incorrecte de protéines impliquées dans la formation des cadres de Caspary, les "Casparian strip domain proteins" (CASPs). Cela induit des cadres de Caspary non fonctionnels, contenant de nombreuses interruptions. Les CASPs sont localisés à la membrane plasmique dans un domaine sous-jacent les cadres de Caspary appelé Casparian Strip membrane Domain (CSD). Les interruptions du CSD dans le mutant sgn3, ainsi que la localisation de SGN3 à proximité des CASPs nous font penser à un rôle de SGN3 dans l'élaboration d'un CSD ininterrompu. De plus, SGN3 pourrait avoir un second rôle, agissant en tant que kinase reportant l'intégrité du CSD et induisant la production de lignine et de subérine dans des plantes contenant des cadres de Caspary non fonctionnels. Jusqu'à ce jour, sgn3 est le mutant en notre possession le plus fort et le plus spécifique, ayant un endoderme perméable tout le long de la racine. Pour cette raison, ce mutant est adéquat dans le but de caractériser la physiologie de plantes ayant des cadres de Caspary affectés. De manière surprenante, la croissance de sgn3 est seulement peu affectée. Néanmoins, des processus censés nécessiter des cadres de Caspary fonctionnels, comme le transport de l'eau au travers de la racine, l'homéostasie des nutriments, la tolérance au sel et la résistance à l'excès de certains nutriments sont altérés dans ce mutant. Malgré tout, l'homéostasie de la plupart des nutriments ainsi que la résistance au stress hydrique ne sont pas affectés dans sgn3. De manière surprenante, les altérations de l'ionome de sgn3 sont spécifiques, avec une diminution de potassium et un excès de magnésium. Cela implique un système de compensation établi par la plante dans le but d'éviter la diffusion passive des nutriments en direction du cylindre central. Par exemple, le manque de potassium dans sgn3 augmente la transcription de transporteurs permettant l'absorption de cet élément. De plus, des gènes connus pour être induits en cas de carence en potassium sont surexprimés dans sgn3 et la croissance de ce mutant est sévèrement affectée dans un substrat pauvre en potassium. Ces résultats concernant SGN3 vont, espérons-le, aider à la compréhension du processus de formation des cadres de Caspary au niveau moléculaire. De plus, les expériences de physiologie utilisant sgn3 présentées dans cette thèse devraient nous donner une base pour des expériences futures et nous permettre de comprendre mieux le rôle des cadres de Caspary, et plus particulièrement leur implication dans le transport radial des nutriments au travers de la racine. -- Les plantes terrestres sont des organismes puisant l'eau et les nutriments dont elles ont besoin pour leur croissance dans le sol grâce à leurs racines. De par leur immobilité, elles doivent s'adapter à des sols contenant des quantités variables de nutriments et il leur est crucial de sélectionner ce dont elles ont besoin afin de ne pas s'intoxiquer. Cette sélection est faite grâce à un filtre formé d'un tissu racinaire interne appelé endoderme. L'endoderme fabrique une barrière imperméable entourant chaque cellule appelée "cadre de Caspary". Ces cadres de Caspary empêchent le libre passage des nutriments, permettant un contrôle précis de leur passage. De plus, ils sont censés permettre de résister contre différents stress environnementaux comme la sécheresse, la salinité du sol ou l'excès de nutriments. Bien que découverts il y a 150 ans, rien n'était connu concernant les gènes impliqués dans la formation des cadres de Caspary jusqu'à récemment. Durant ces dernière années, l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thaliana a permis la découverte d'un nombre croissant de gènes impliqués à différentes étapes de la formation de cette structure. Un de ces gènes code pour SCHENGEN3 (SGN3), un récepteur kinase "leucine-rich repeat receptor-like kinase" (LRR- RLK). Nous montrons dans cette étude que le gène SGN3 est impliqué dans la formation des cadres de Caspary, et que le mutant correspondant sgn3 a des cadres de Caspary interrompus. Ces interruptions rendent l'endoderme perméable, l'empêchant de bloquer le passage des molécules depuis le sol vers le centre de la racine. En utilisant ce mutant, nous avons pu caractériser la physiologie de plantes ayant des cadres de Caspary affectés. Cela a permis de découvrir que le transport de l'eau au travers de la racine était affecté dans le mutant sgn3. De plus, l'accumulation de certains éléments dans les feuilles de ce mutant est altérée. Nous avons également pu montrer une sensibilité de ce mutant à un excès de sel ou de certains nutriments comme le fer et le manganèse.

Adaptation of Root Function by Nutrient-Induced Plasticity of Endodermal Differentiation.

Plant roots forage the soil for minerals whose concentrations can be orders of magnitude away from those required for plant cell function. Selective uptake in multicellular organisms critically requires epithelia with extracellular diffusion barriers. In plants, such a barrier is provided by the endodermis and its Casparian strips-cell wall impregnations analogous to animal tight and adherens junctions. Interestingly, the endodermis undergoes secondary differentiation, becoming coated with hydrophobic suberin, presumably switching from an actively absorbing to a protective epithelium. Here, we show that suberization responds to a wide range of nutrient stresses, mediated by the stress hormones abscisic acid and ethylene. We reveal a striking ability of the root to not only regulate synthesis of suberin, but also selectively degrade it in response to ethylene. Finally, we demonstrate that changes in suberization constitute physiologically relevant, adaptive responses, pointing to a pivotal role of the endodermal membrane in nutrient homeostasis.