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.

Artificial Snow Optimization in Winter Sport Destinations Using a Multi-agent Simulation

This paper presents the Juste-Neige system for predicting the snow height on the ski runs of a resort using a multi-agent simulation software. Its aim is to facilitate snow cover management in order to i) reduce the production cost of artificial snow and to improve the profit margin for the companies managing the ski resorts; and ii) to reduce the water and energy consumption, and thus to reduce the environmental impact, by producing only the snow needed for a good skiing experience. The software provides maps with the predicted snow heights for up to 13 days. On these maps, the areas most exposed to snow erosion are highlighted. The software proceeds in three steps: i) interpolation of snow height measurements with a neural network; ii) local meteorological forecasts for every ski resort; iii) simulation of the impact caused by skiers using a multi-agent system. The software has been evaluated in the Swiss ski resort of Verbier and provides useful predictions.

Prototype of a web-based participative decision support platform in natural hazards and risk management

This paper presents the current state and development of a prototype web-GIS (Geographic Information System) decision support platform intended for application in natural hazards and risk management, mainly for floods and landslides. This web platform uses open-source geospatial software and technologies, particularly the Boundless (formerly OpenGeo) framework and its client side software development kit (SDK). The main purpose of the platform is to assist the experts and stakeholders in the decision-making process for evaluation and selection of different risk management strategies through an interactive participation approach, integrating web-GIS interface with decision support tool based on a compromise programming approach. The access rights and functionality of the platform are varied depending on the roles and responsibilities of stakeholders in managing the risk. The application of the prototype platform is demonstrated based on an example case study site: Malborghetto Valbruna municipality of North-Eastern Italy where flash floods and landslides are frequent with major events having occurred in 2003. The preliminary feedback collected from the stakeholders in the region is discussed to understand the perspectives of stakeholders on the proposed prototype platform.

Error and attack tolerance of layered complex networks.

Many complex systems may be described by not one but a number of complex networks mapped on each other in a multi-layer structure. Because of the interactions and dependencies between these layers, the state of a single layer does not necessarily reflect well the state of the entire system. In this paper we study the robustness of five examples of two-layer complex systems: three real-life data sets in the fields of communication (the Internet), transportation (the European railway system), and biology (the human brain), and two models based on random graphs. In order to cover the whole range of features specific to these systems, we focus on two extreme policies of system's response to failures, no rerouting and full rerouting. Our main finding is that multi-layer systems are much more vulnerable to errors and intentional attacks than they appear from a single layer perspective.

Analysis, modelling and visualisation of spatiotemporal data for urban studies

The proportion of population living in or around cites is more important than ever. Urban sprawl and car dependence have taken over the pedestrian-friendly compact city. Environmental problems like air pollution, land waste or noise, and health problems are the result of this still continuing process. The urban planners have to find solutions to these complex problems, and at the same time insure the economic performance of the city and its surroundings. At the same time, an increasing quantity of socio-economic and environmental data is acquired. In order to get a better understanding of the processes and phenomena taking place in the complex urban environment, these data should be analysed. Numerous methods for modelling and simulating such a system exist and are still under development and can be exploited by the urban geographers for improving our understanding of the urban metabolism. Modern and innovative visualisation techniques help in communicating the results of such models and simulations. This thesis covers several methods for analysis, modelling, simulation and visualisation of problems related to urban geography. The analysis of high dimensional socio-economic data using artificial neural network techniques, especially self-organising maps, is showed using two examples at different scales. The problem of spatiotemporal modelling and data representation is treated and some possible solutions are shown. The simulation of urban dynamics and more specifically the traffic due to commuting to work is illustrated using multi-agent micro-simulation techniques. A section on visualisation methods presents cartograms for transforming the geographic space into a feature space, and the distance circle map, a centre-based map representation particularly useful for urban agglomerations. Some issues on the importance of scale in urban analysis and clustering of urban phenomena are exposed. A new approach on how to define urban areas at different scales is developed, and the link with percolation theory established. Fractal statistics, especially the lacunarity measure, and scale laws are used for characterising urban clusters. In a last section, the population evolution is modelled using a model close to the well-established gravity model. The work covers quite a wide range of methods useful in urban geography. Methods should still be developed further and at the same time find their way into the daily work and decision process of urban planners. La part de personnes vivant dans une région urbaine est plus élevé que jamais et continue à croître. L'étalement urbain et la dépendance automobile ont supplanté la ville compacte adaptée aux piétons. La pollution de l'air, le gaspillage du sol, le bruit, et des problèmes de santé pour les habitants en sont la conséquence. Les urbanistes doivent trouver, ensemble avec toute la société, des solutions à ces problèmes complexes. En même temps, il faut assurer la performance économique de la ville et de sa région. Actuellement, une quantité grandissante de données socio-économiques et environnementales est récoltée. Pour mieux comprendre les processus et phénomènes du système complexe "ville", ces données doivent être traitées et analysées. Des nombreuses méthodes pour modéliser et simuler un tel système existent et sont continuellement en développement. Elles peuvent être exploitées par le géographe urbain pour améliorer sa connaissance du métabolisme urbain. Des techniques modernes et innovatrices de visualisation aident dans la communication des résultats de tels modèles et simulations. Cette thèse décrit plusieurs méthodes permettant d'analyser, de modéliser, de simuler et de visualiser des phénomènes urbains. L'analyse de données socio-économiques à très haute dimension à l'aide de réseaux de neurones artificiels, notamment des cartes auto-organisatrices, est montré à travers deux exemples aux échelles différentes. Le problème de modélisation spatio-temporelle et de représentation des données est discuté et quelques ébauches de solutions esquissées. La simulation de la dynamique urbaine, et plus spécifiquement du trafic automobile engendré par les pendulaires est illustrée à l'aide d'une simulation multi-agents. Une section sur les méthodes de visualisation montre des cartes en anamorphoses permettant de transformer l'espace géographique en espace fonctionnel. Un autre type de carte, les cartes circulaires, est présenté. Ce type de carte est particulièrement utile pour les agglomérations urbaines. Quelques questions liées à l'importance de l'échelle dans l'analyse urbaine sont également discutées. Une nouvelle approche pour définir des clusters urbains à des échelles différentes est développée, et le lien avec la théorie de la percolation est établi. Des statistiques fractales, notamment la lacunarité, sont utilisées pour caractériser ces clusters urbains. L'évolution de la population est modélisée à l'aide d'un modèle proche du modèle gravitaire bien connu. Le travail couvre une large panoplie de méthodes utiles en géographie urbaine. Toutefois, il est toujours nécessaire de développer plus loin ces méthodes et en même temps, elles doivent trouver leur chemin dans la vie quotidienne des urbanistes et planificateurs.

A bio-inspired agent-based programming environment for pervasive platforms

Abstract in English : Ubiquitous Computing is the emerging trend in computing systems. Based on this observation this thesis proposes an analysis of the hardware and environmental constraints that rule pervasive platforms. These constraints have a strong impact on the programming of such platforms. Therefore solutions are proposed to facilitate this programming both at the platform and node levels. The first contribution presented in this document proposes a combination of agentoriented programming with the principles of bio-inspiration (Phylogenesys, Ontogenesys and Epigenesys) to program pervasive platforms such as the PERvasive computing framework for modeling comPLEX virtually Unbounded Systems platform. The second contribution proposes a method to program efficiently parallelizable applications on each computing node of this platform. Résumé en Français : Basée sur le constat que les calculs ubiquitaires vont devenir le paradigme de programmation dans les années à venir, cette thèse propose une analyse des contraintes matérielles et environnementale auxquelles sont soumises les plateformes pervasives. Ces contraintes ayant un impact fort sur la programmation des plateformes. Des solutions sont donc proposées pour faciliter cette programmation tant au niveau de l'ensemble des noeuds qu'au niveau de chacun des noeuds de la plateforme. La première contribution présentée dans ce document propose d'utiliser une alliance de programmation orientée agent avec les grands principes de la bio-inspiration (Phylogénèse, Ontogénèse et Épigénèse). Ceci pour répondres aux contraintes de programmation de plateformes pervasives comme la plateforme PERvasive computing framework for modeling comPLEX virtually Unbounded Systems . La seconde contribution propose quant à elle une méthode permettant de programmer efficacement des applications parallélisable sur chaque noeud de calcul de la plateforme