The half-size ABC transporters STR1 and STR2 are indispensable for mycorrhizal arbuscule formation in rice.

The central structure of the symbiotic association between plants and arbuscular mycorrhizal (AM) fungi is the fungal arbuscule that delivers minerals to the plant. Our earlier transcriptome analyses identified two half-size ABCG transporters that displayed enhanced mRNA levels in mycorrhizal roots. We now show specific transcript accumulation in arbusculated cells of both genes during symbiosis. Presently, arbuscule-relevant factors from monocotyledons have not been reported. Mutation of either of the Oryza sativa (rice) ABCG transporters blocked arbuscule growth of different AM fungi at a small and stunted stage, recapitulating the phenotype of Medicago truncatula stunted arbuscule 1 and 2 (str1 and str2) mutants that are deficient in homologous ABCG genes. This phenotypic resemblance and phylogenetic analysis suggest functional conservation of STR1 and STR2 across the angiosperms. Malnutrition of the fungus underlying limited arbuscular growth was excluded by the absence of complementation of the str1 phenotype by wild-type nurse plants. Furthermore, plant AM signaling was found to be intact, as arbuscule-induced marker transcript accumulation was not affected in str1 mutants. Strigolactones have previously been hypothesized to operate as intracellular hyphal branching signals and possible substrates of STR1 and STR2. However, full arbuscule development in the strigolactone biosynthesis mutants d10 and d17 suggested strigolactones to be unlikely substrates of STR1/STR2. Interestingly, rice STR1 is associated with a cis-natural antisense transcript (antiSTR1). Analogous to STR1 and STR2, at the root cortex level, the antiSTR1 transcript is specifically detected in arbusculated cells, suggesting unexpected modes of STR1 regulation in rice.

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.

Species distribution models reveal apparent competitive and facilitative effects of a dominant species on the distribution of tundra plants

Abiotic factors are considered strong drivers of species distribution and assemblages. Yet these spatial patterns are also influenced by biotic interactions. Accounting for competitors or facilitators may improve both the fit and the predictive power of species distribution models (SDMs). We investigated the influence of a dominant species, Empetrum nigrum ssp. hermaphroditum, on the distribution of 34 subordinate species in the tundra of northern Norway. We related SDM parameters of those subordinate species to their functional traits and their co-occurrence patterns with E. hermaphroditum across three spatial scales. By combining both approaches, we sought to understand whether these species may be limited by competitive interactions and/or benefit from habitat conditions created by the dominant species. The model fit and predictive power increased for most species when the frequency of occurrence of E. hermaphroditum was included in the SDMs as a predictor. The largest increase was found for species that 1) co-occur most of the time with E. hermaphroditum, both at large (i.e. 750 m) and small spatial scale (i.e. 2 m) or co-occur with E. hermaphroditum at large scale but not at small scale and 2) have particularly low or high leaf dry matter content (LDMC). Species that do not co-occur with E. hermaphroditum at the smallest scale are generally palatable herbaceous species with low LDMC, thus showing a weak ability to tolerate resource depletion that is directly or indirectly induced by E. hermaphroditum. Species with high LDMC, showing a better aptitude to face resource depletion and grazing, are often found in the proximity of E. hermaphroditum. Our results are consistent with previous findings that both competition and facilitation structure plant distribution and assemblages in the Arctic tundra. The functional and co-occurrence approaches used were complementary and provided a deeper understanding of the observed patterns by refinement of the pool of potential direct and indirect ecological effects of E. hermaphroditum on the distribution of subordinate species. Our correlative study would benefit being complemented by experimental approaches.

Using life strategies to explore the vulnerability of ecosystem services to invasion by alien plants

Invasive plants can have different effects of ecosystem functioning and on the provision of ecosystem services, from strongly deleterious impacts to positive effects. The nature and intensity of such effects will depend on the service and ecosystem being considered, but also on features of life strategies of invaders that influence their invasiveness as well as their influence of key processes of receiving ecosystems. To address the combined effect of these various factors we developed a robust and efficient methodological framework that allows to identify areas of possible conflict between ecosystem services and alien invasive plants, considering interactions between landscape invasibility and species invasiveness. Our framework combines the statistical robustness of multi-model inference, efficient techniques to map ecosystem services, and life strategies as a functional link between invasion, functional changes and potential provision of services by invaded ecosystems. The framework was applied to a test region in Portugal, for which we could successfully predict the current patterns of plant invasion, of ecosystem service provision, and finally of probable conflict (expressing concern for negative impacts, and value for positive impacts on services) between alien species richness (total and per plant life strategy) and the potential provision of selected services. Potential conflicts were identified for all combinations of plant strategy and ecosystem service, with an emphasis for those concerning conflicts with carbon sequestration, water regulation and wood production. Lower levels of conflict were obtained between invasive plant strategies and the habitat for biodiversity supporting service. The added value of the proposed framework in the context of landscape management and planning is discussed in perspective of anticipation of conflicts, mitigation of negative impacts, and potentiation of positive effects of plant invasions on ecosystems and their services.

Influence of seasons and sampling strategy on assessment of bioaerosols in sewage treatment plants in Switzerland

An assessment of sewage workers' exposure to airborne cultivable bacteria, fungi and inhaled endotoxins was performed at 11 sewage treatment plants. We sampled the enclosed and unenclosed treatment areas in each plant and evaluated the influence of seasons (summer and winter) on bioaerosol levels. We also measured personal exposure to endotoxins of workers during special operation where a higher risk of bioaerosol inhalation was assumed. Results show that only fungi are present in significantly higher concentrations in summer than in winter (2331 +/- 858 versus 329 +/- 95 CFU m(-3)). We also found that there are significantly more bacteria in the enclosed area, near the particle grids for incoming water, than in the unenclosed area near the aeration basins (9455 +/- 2661 versus 2435 +/- 985 CFU m(-3) in summer and 11 081 +/- 2299 versus 2002 +/- 839 CFU m(-3) in winter). All bioaerosols were frequently above the recommended values of occupational exposure. Workers carrying out special tasks such as cleaning tanks were exposed to very high levels of endotoxins (up to 500 EU m(-3)) compared to routine work. The species composition and concentration of airborne Gram-negative bacteria were also studied. A broad spectrum of different species within the Pseudomonadaceae and the Enterobacteriaceae families were predominant in nearly all plants investigated. [Authors]

Using active learning for monitoring networks design: The example of wind power plants sites evaluation

Locating new wind farms is of crucial importance for energy policies of the next decade. To select the new location, an accurate picture of the wind fields is necessary. However, characterizing wind fields is a difficult task, since the phenomenon is highly nonlinear and related to complex topographical features. In this paper, we propose both a nonparametric model to estimate wind speed at different time instants and a procedure to discover underrepresented topographic conditions, where new measuring stations could be added. Compared to space filling techniques, this last approach privileges optimization of the output space, thus locating new potential measuring sites through the uncertainty of the model itself.

PKS2: A link between phototropin signalling and auxin transport - a study on how plants sense and respond to light.

The blue light photoreceptors phototropins (phot1 and phot2 in Arabidopsis thaliana (L.)) carry out various light responses of great adaptive value that optimize plant growth. These processes include phototropism (the bending of an organ induced by unequal light distribution), chloroplast movements, stomatal opening, leaf flattening and solar tracking. The biochemical pathways controlling these important blue light responses are just starting to be elucidated. The PHYTOCHROME KINASE SUBSTRATE (PKS1-4) proteins - the subject of this research - have recently been identified as novel phototropism signalling components. PKS1 (the founding member of this family) interacts in a same complex in vivo with phot1 and the important phot1 signalling element NON-PHOTOTROPIC HYPOCOTYL 3 (NPH3). This suggested that the PKS may act as early components of phot signalling. This work further investigates the role of this protein family during phototropin signalling Genetic experiments clearly showed that the PKS do not control chloroplast movements or stomatal opening. However, PKS2 plays a critical role with NPH3 during leaf flattening and solar tracking. Epistasis data indicated that both proteins act in phot1 and phot2 pathways, which is consistent with their in vivo interaction with both phototropins. Because phototropism, leaf flattening and solar tracking are developmental processes regulated by the hormone auxin, the role of PKS2 and NPH3 during auxin homeostasis was also investigated. Interestingly, PKS2 loss-of-function restores leaf flattening in the auxin transporter mutant aux1. Moreover, PKS2 and NPH3 are found in a same complex with AUX1 in vivo. Taken together, these results suggest that PKS2 may act with NPH3 as a connecting point between phot signalling and auxin transport. Further experiments were performed to explore the molecular mode of action of PKS2 and NPH3 in this process. The significance of these results is discussed.

Réactions cutanées allergiques et toxiques aux plantes [Allergic and toxic cutaneous reactions to plants]

Numerous professional or leisure activities expose individuals to plants susceptible to provoke contact allergies. The immunological mechanisms that are responsible for these ailments (delayed cellular reaction linked to allergic dermatitis or immediate IgE mediated reaction of the allergic urticaria) differ according to the plant families involved. A differential diagnosis must be made in the case of the even more frequent non-allergic reactions implying either a simple mechanical irritation, or a contact with toxic substances. The role of UV (phytophotodermatosis), as well as the contact allergy to wood is also evoked in this paper.

Ultraviolet induction of antifungal activity in plants.

Ultraviolet-C irradiation as a method to induce the production of plant compounds with antifungal properties was investigated in the leaves of 18 plant species. A susceptibility assay to determine the antifungal susceptibility of filamentous fungi was developed based on an agar dilution series in microtiter plates. UV irradiation strongly induced antifungal properties in five species against a clinical Fusarium solani strain that was responsible for an onychomycosis case that was resistant to classic pharmacological treatment. The antifungal properties of three additional plant species were either unaffected or reduced by UV-C irradiation. This study demonstrates that UV-C irradiation is an effective means of modulating the antifungal activity of very diverse plants from a screening perspective.

Rapid, combinatorial analysis of membrane compartments in intact plants with a multicolor marker set.

Plant membrane compartments and trafficking pathways are highly complex, and are often distinct from those of animals and fungi. Progress has been made in defining trafficking in plants using transient expression systems. However, many processes require a precise understanding of plant membrane trafficking in a developmental context, and in diverse, specialized cell types. These include defense responses to pathogens, regulation of transporter accumulation in plant nutrition or polar auxin transport in development. In all of these cases a central role is played by the endosomal membrane system, which, however, is the most divergent and ill-defined aspect of plant cell compartmentation. We have designed a new vector series, and have generated a large number of stably transformed plants expressing membrane protein fusions to spectrally distinct, fluorescent tags. We selected lines with distinct subcellular localization patterns, and stable, non-toxic expression. We demonstrate the power of this multicolor 'Wave' marker set for rapid, combinatorial analysis of plant cell membrane compartments, both in live-imaging and immunoelectron microscopy. Among other findings, our systematic co-localization analysis revealed that a class of plant Rab1-homologs has a much more extended localization than was previously assumed, and also localizes to trans-Golgi/endosomal compartments. Constructs that can be transformed into any genetic background or species, as well as seeds from transgenic Arabidopsis plants, will be freely available, and will promote rapid progress in diverse areas of plant cell biology.

Activation of the heat shock response in plants by chlorophenols: transgenic Physcomitrella patens as a sensitive biosensor for organic pollutants.

The ability to detect early molecular responses to various chemicals is central to the understanding of biological impact of pollutants in a context of varying environmental cues. To monitor stress responses in a model plant, we used transgenic moss Physcomitrella patens expressing the beta-glucuronidase reporter (GUS) under the control of the stress-inducible promoter hsp17.3B. Following exposure to pollutants from the dye and paper industry, GUS activity was measured by monitoring a fluorescent product. Chlorophenols, heavy metals and sulphonated anthraquinones were found to specifically activate the hsp17.3B promoter (within hours) in correlation with long-term toxicity effects (within days). At mildly elevated physiological temperatures, the chemical activation of this promoter was strongly amplified, which considerably increased the sensitivity of the bioassay. Together with the activation of hsp17.3B promoter, chlorophenols induced endogenous chaperones that transiently protected a recombinant thermolabile luciferase (LUC) from severe heat denaturation. This sensitive bioassay provides an early warning molecular sensor to industrial pollutants under varying environments, in anticipation to long-term toxic effects in plants. Because of the strong cross-talk between abiotic and chemical stresses that we find, this P. patens line is more likely to serve as a direct toxicity bioassay for pollutants combined with environmental cues, than as an indicator of absolute toxicity thresholds for various pollutants. It is also a powerful tool to study the role of heat shock proteins (HSPs) in plants exposed to combined chemical and environmental stresses.

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

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

Recombinant " Physcomitrella patens " as a sensitive tool to study heat sensing and heat-shock signal transduction in plants

SUMMARY When exposed to heat stress, plants display a particular set of cellular and molecular responses, such as chaperones expression, which are highly conserved in all organisms. In chapter 1, I studied the ability of heat shock genes to become transiently and abundantly induced under various temperature regimes. To this aim, I designed a highly sensitive heat-shock dependent conditional gene expression system in the moss Physcomitrella patens, using the soybean heatinducible promoter (hsp17.3B). Heat-induced expression of various reporter genes was over three orders of magnitude, in tight correlation with the intensity and duration of the heat treatments. By performing repeated heating/cooling cycles, a massive accumulation of recombinant proteins was obtained. Interestingly, the hsp17.3B promoter was also activated by specific organic chemicals. Thus, in chapter 2, I took advantage of the extreme sensitivity of this promoter to small temperature variations to further address the role of various natural and organic chemicals and develop a plant based-bioassay that can serve as an early warning indicator of toxicity by pollutants and heavy metals. A screen of several organic pollutants from textile and paper industry showed that chlorophenols as well as sulfonated anthraquinones elicited a heat shock like response at noninducing temperatures. Their effects were synergistically amplified by mild elevated temperatures. In contrast to standard methods of pollutant detection, this plant-based biosensor allowed to monitor early stress-responses, in correlation with long-term toxic effect, and to attribute effective toxicity thresholds for pollutants, in a context of varying environmental cues. In chapter 3, I deepened the study of the primary mechanism by which plants sense mild temperature variations and trigger a cellular signal leading to the heat shock response. In addition to the above described heat-inducible reporter line, I generated a P. patens transgenic line to measure, in vivo, variations of cytosolic calcium during heat treatment, and another line to monitor the role of protein unfolding in heat-shock sensing and signalling. The heat shock signalling pathway was found to be triggered by the plasma membrane, where temperature up shift specifically induced the transient opening of a putative high afimity calcium channel. The calcium influx triggered a signalling cascade leading to the activation of the heat shock genes, independently on the presence of misfolded proteins in the cytoplasm. These results strongly suggest that changes in the fluidity of the plasma membrane are the primary trigger of the heatshocksignalling pathway in plants. The present thesis contributes to the understanding of the basic mechanism by which plants perceive and respond to heat and chemical stresses. This may contribute to developing appropriate better strategies to enhance plant productivity under the increasingly stressful environment of global warming. RÉSUME Les plantes exposées à des températures élevées déclenchent rapidement des réponses cellulaires qui conduisent à l'induction de gènes codant pour les heat shock proteins (HSPs). En fonction de la durée d'exposition et de la vitesse à laquelle la température augmente, les HSPs sont fortement et transitoirement induites. Dans le premier chapitre, cette caractéristique aété utilisée pour développer un système inductible d'expression de gènes dans la mousse Physcomitrella patens. En utilisant plusieurs gènes rapporteurs, j'ai montré que le promoteur du gène hsp17.3B du Soja est activé d'une manière. homogène dans tous les tissus de la mousse proportionnellement à l'intensité du heat shock physiologique appliqué. Un très fort taux de protéines recombinantes peut ainsi être produit en réalisant plusieurs cycles induction/recovery. De plus, ce promoteur peut également être activé par des composés organiques, tels que les composés anti-inflammatoires, ce qui constitue une bonne alternative à l'induction par la chaleur. Les HSPs sont induites pour remédier aux dommages cellulaires qui surviennent. Étant donné que le promoteur hsp17.3B est très sensible à des petites augmentations de température ainsi qu'à des composés chimiques, j'ai utilisé les lignées développées dans le chapitre 1 pour identifier des polluants qui déclenchent une réaction de défense impliquant les HSPs. Après un criblage de plusieurs composés, les chlorophénols et les antraquinones sulfonés ont été identifiés comme étant activateurs du promoteur de stress. La détection de leurs effets a été réalisée seulement après quelques heures d'exposition et corrèle parfaitement avec les effets toxiques détectés après de longues périodes d'exposition. Les produits identifiés montrent aussi un effet synergique avec la température, ce qui fait du biosensor développé dans ce chapitre un bon outil pour révéler les effets réels des polluants dans un environnement où les stress chimiques sont combinés aux stress abiotiques. Le troisième chapitre est consacré à l'étude des mécanismes précoces qui permettent aux plantes de percevoir la chaleur et ainsi de déclencher une cascade de signalisation spécifique qui aboutit à l'induction des gènes HSPs. J'ai généré deux nouvelles lignées afin de mesurer en temps réel les changements de concentrations du calcium cytosolique ainsi que l'état de dénaturation des protéines au cours du heat shock. Quand la fluidité de la membrane augmente après élévation de la température, elle semble induire l'ouverture d'un canal qui permet de faire entrer le calcium dans les cellules. Ce dernier initie une cascade de signalisation qui finit par activer la transcription des gènes HSPs indépendamment de la dénaturation de protéines cytoplasmiques. Les résultats présentés dans ce chapitre montrent que la perception de la chaleur se fait essentiellement au niveau de la membrane plasmique qui joue un rôle majeur dans la régulation des gènes HSPs. L'élucidation des mécanismes par lesquels les plantes perçoivent les signaux environnementaux est d'une grande utilité pour le développement de nouvelles stratégies afin d'améliorer la productivité des plantes soumises à des conditions extrêmes. La présente thèse contribue à décortiquer la voie de signalisation impliquée dans la réponse à la chaleur.

Synthesis of novel biomaterials in plants.

Metabolic engineering of plants allows the possibility of using crops for the synthesis of novel polymers having useful material properties. Strong and flexible protein-based polymers, which are based on the structure of silk and elastin have been synthesized in transgenic plants. A wide range of polyhydroxyalkanoates having properties ranging from stiff plastics to soft elastomers and glues have been synthesized in various compartments of plants, such as the cytoplasm, plastid and peroxisome. These plant biomaterials could replace, in part, the synthetic plastics, fibers and elastomers produced from petroleum, thus offering the advantage of renewability, sustainability and biodegradability.

The cuticle : not only a barrier for plant defence: A novel defence syndrome in plants with cuticular defects.

The cuticle is a physical barrier that prevents water loss and protects against irradiation, xenobiotics and pathogens. This classic textbook statement has recently been revisited and several observations were made showing that this dogma falls short of being universally true. Both transgenic Arabidopsis thaliana lines expressing cell wall-targeted fungal cutinase (so-called CUTE plants) or lipase as well as several A. thaliana mutants with altered cuticular structure remained free of symptoms after an inoculation with Botrytis cinerea. The alterations in cuticular structure lead to the release of fungitoxic substances and changes in gene expression that form a multifactorial defence response. Several models to explain this syndrome are discussed.