Molecular genetic approaches to the biology of the moss "Physcomitrella patens"

La mousse haplobiontique Physcomitrella patens est utilisée comme système génétique modèle pour l'étude du développement des plantes. Cependant, l'absence d'un protocole efficace de transformation a constitué jusqu'à présent un gros désavantage méthodologique pour le développement futur de ce système expérimental. Les résultats présentés dans le premier chapitre relatent la mise au point d'un protocole de transformation basé sur la technique de transfert direct de gènes dans des protoplastes par précipitation au PEG. Un essai d'expression transitoire de gènes a été mis au point. Ce protocole a été adapté afin de permettre l'introduction in vivo d'anticorps dans des protoplastes. Le protocole modifié permet d'introduire simultanément du DNA et des IgG dans les cellules, et nous avons démontré que ces anticorps peuvent inactiver spécifiquement le produit d'un gène co-introduit (GUS), ainsi que certaines protéines impliquées dans des processus cellulaires (tubuline). Cet essai, baptisé "essai transitoire d'immuno-inactivation in vivo", devrait être directement applicable à d'autres protoplastes végétaux, et permettre l'élaboration de nouvelles stratégies dans l'étude de processus cellulaires. Le second chapitre est consacré aux expériences de transformation de la mousse avec des gènes conférant une résistance à des antibiotiques. Nos résultats démontrent que l'intégration de gènes de résistance dans le génome de P. patens est possible, mais que cet événement est rare. Il s'agit là néanmoins de la première démonstration d'une transformation génétique réussie de cet organisme. L'introduction de gènes de résistance aux antibiotiques dans les protoplastes de P. patens génère à haute fréquence des clones résistants instables. Deux classes de clones instables ont été identifiés. La caractérisation phénotypique, génétique et moléculaire de ces clones suggère fortement que les séquences transformantes sont concaténées pour former des structures de haut poids moléculaire, et que ces structures sont efficacement répliquées et maintenues dans les cellules résistantes en tant qu'éléments génétiques extrachromosomaux. Ce type de transformation nous permet d'envisager des expériences permettant l'identification des séquences génomiques impliquées dans la replication de l'ADN de mousse. Plusieurs lignées transgéniques ont été retransformées avec des plasmides portant des séquences homologues aux séquences intégrées dans le génome, mais conférant une résistance à un autre antibiotique. Les résultats présentés dans le troisième chapitre montrent que les fréquences de transformation intégrative dans les lignées transgéniques sont 10 fois plus élevées que dans la lignée sauvage, et que cette augmentation est associée à une coségrégation des gènes de résistance dans la plupart des clones testés. Ces résultats génétiques indiquent que l'intégration de séquences d'ADN étranger dans le génome de P. patens a lieu en moyenne 10 fois plus fréquemment par recombinaison homologue que par intégration aléatoire. Ce rapport homologue/aléatoire est 10000 fois supérieur aux rapports obtenus avec d'autres plantes, et fournit l'outil indispensable à la réalisation d'expériences de génétique inverse dans cet organisme à haplophase dominante. THESIS SUMMARY The moss Physcomitrella patens is used as a model genetic system to study plant development, taking advantage of the fact that the haploid gametophyte dominates in its life cycle. But further development of this model system was hampered by the lack of a protocol allowing the genetic transformation of this plant. We have developed a transformation protocol based on PEG-mediated direct gene transfer to protoplasts. Our data demonstrate that this procedure leads to the establishment of an efficient transient gene expression assay. A slightly modified protocol has been developed allowing the in vivo introduction of antibodies in moss protoplasts. Both DNA and IgGs can be loaded simultaneously, and specific antibodies can immunodeplete the product of an expression cassette (GUS) as well as proteins involved in cellular processes (tubulins). This assay, named transient in vivo immunodepletion assay, should be applicable to other plant protoplasts, and offers new approaches to study cellular processes. Transformations have been performed with bacterial plasmids carrying antibiotic resistance expression cassette. Our data demonstrate that integrative transformation occurs, but at low frequencies. This is the first demonstration of a successful genetic transformation of mosses. Resistant unstable colonies are recovered at high frequencies following transformation, and two different classes of unstable clones have been identified. Phenotypical, genetic and molecular characterisation of these clones strongly suggests that bacterial plasmids are concatenated to form high molecular arrays which are efficiently replicated and maintained as extrachromosomal elements in the resistant cells. Replicative transformation in P. patens should allow the design of experiments aimed at the identification of genomic sequences involved in moss DNA replication. Transgenic strains have been retransformed with bacterial plasmids carrying sequences homologous to the integrated transloci, but conferring resistance to another antibiotic. Our results demonstrate an order of magnitude increase of integrative transformation frequencies in transgenic strains as compared to wild-type, associated with cosegregation of the resistance genes in most of these double resistant transgenic strains. These observations provide strong genetic evidence that gene targeting occurs about ten times more often than random integration in the genome of P. patens. Such ratio of targeted to random integration is about 10 000 times higher than previous reports of gene targeting in plants, and provides the essential requirement for the development of efficient reverse genetics in the haplodiplobiontic P. patens.

Sociogenetics of fire ants

RÉSUMÉ GRAND PUBLIC La complexité des sociétés d'insectes (telles que les abeilles, les termites ou les fourmis) a depuis longtemps fasciné l'Homme. Depuis le débfit du XIXème siècle, de nombreux travaux observationnels, comportementaux et théoriques leur on été consacrés afin de mieux les décrire et comprendre. L'avènement de la biologie moléculaire à la fin du XXèrne siècle a offert de nouveaux outils scientifiques pour identifier et étudier les gènes et molécules impliqués dans le développement et le comportement des êtres vivants. Alors que la majorité de ces études s'est focalisée sur des organismes de laboratoire tel que la mouche ou les nématodes, l'utilisation de ces outils est restée marginale jusqu'à présent dans l'étude des sociétés d'insectes. Lors de ma thèse, j'ai développé des outils moléculaires permettant de déterminer le niveau d'activité de zo,ooo gènes chez la fourmi de feu, Solenopsis invicta, ainsi qu'une base de données et un portail en ligne regroupant les informations relatives à l'étude génétique des fourmis: Fourmidable. J'ai ensuite utilisé ces outils dans le cadre d'une étude comportementale chez la fourmis S. invicta. Dans les sociétés d'insectes, une hiérarchie peut déterminer le statut reproducteur des individus. Suite à la mort d'un dominant, les subordonnés entrent en compétition en vue d'améliorer leur statut. Un tel phénomène se produit au sein des colonies de S. invicta contenant une unique reine mère, des milliers d'ouvrières et des centaines de reines vierges ailées. A la mort de la reine mère, un grand nombre de reines vierges tentent de la remplacer en arrachant leurs ailes et en activant leurs organes reproducteurs plutôt que de partir en vol nuptial. Ces tentatives sont le plus souvent arrêtées par les ouvrières qui exécutent la plupart de ces reines sur la base de signaux olfactifs produits lors de l'activation des organes reproducteurs. Afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués, j'ai étudié l'activité de gènes au sein des reines au début de ce processus. J'ai ainsi déterminé que des gènes impliqués dans communication olfactive, le développement des organes reproducteurs et la métabolisation de l'hormone juvénile sont activês à ce moment là. La vitesse à laquelle les reines perdent leurs ailes ainsi que les niveaux d'expression de gènes sont ensuite liés à leur probabilité de survie. ABSTRACT : Honeybees, termites and ants occupy the "pinnacle of social evolution" with societies of a complexity that rivals our own. Humans have long been fascinated by social insects, but studying them has been mostly limited to observational and behavioral experiments. The advent of molecular biology first made it possible to investigate the molecular-genetic basis of development in model systems such as the fruit fly Drosophila melarcogaster or the roundworm Caenorhabditis elegans and subsequently their behavior. Molecular and genomic tools are now becoming available for the study of social insects as well. To permit genomic research on the fire ant, Solenopsis invicta, we developed a cDNA microarray that can simultaneously determine the expression levels of approximately 1oooo genes. These genes were assembled and bioinformatically annotated using custom pipelines. The obtained data formed the cornerstones for Fourmidable, a web portal centralizing sequence, gene annotation and gene expression data as well as laboratory protocols for research on ants. In many animals living in groups the reproductive status of individuals is determined by their social status. In species with social hierarchies, the death of dominant individuals typically upheaves the social hierarchy and provides an opportunity for subordinate individuals to improve their social status. Such a phenomenon occurs in the monogyne form of S. invicta, where colonies typically contain a single wingless reproductive queen, thousands of workers and hundreds of winged non-reproductive virgin queens. Upon the death of the mother queen, many virgin queens shed their wings and initiate reproductive development instead of departing on a mating flight. Workers progressively execute almost all of them over the following weeks. The workers base their collective decision on pheromonal cues associated with the onset of reproductive development of the virgin queens which occurs after orphaning. We used the aforementioned tools to determine that genes putatively involved in processes including olfactory signaling, reproductive development and Juvenile Hormone metabolism are differentially expressed at the onset of competition. Additionally, we found that queens that initiate reproductive development faster and, to a certain extent, shed their wings faster after orphaning are more likely to become replacement queens. These results provide candidate genes that are putatively linked to competition outcome. To determine the extent to which specific genes affect different aspects of life in ant colonies, functional tests such as gene activation and silencing will still be required. We conclude by discussing some of the challenges and opportunities for molecular-genetic research on ants. RÉSUMÉ Les sociétés d'abeilles, de termites et de fourmis sont d'une complexité proche de celle de la nôtre et ont depuis longtemps fasciné l'Homme. Cependant, leur étude était jusqu'à présent limitée aux observations et expériences comportementales. L'avènement de la biologie moléculaire a d'abord rendu possible l'étude moléculaire et génétique du développement d'organismes modèles tels que la mouche Drosophila melanogaster ou le nématode Caenorhabditis elegans, puis dans un second temps de leur comportement. De telles études deviennent désormais possibles pour les insectes sociaux. Nous avons développé une puce à ADN permettant de déterminer simultanément les niveaux d'expression de 1oooo gènes de la fourmi de feu, Solenopsís invicta. Ces gènes ont été séquencés puis assemblés et annotés à l'aide de pipelines que nous avons développés. En se basant sur les informations obtenues, nous avons créé un portail web, Fourmidable. Ce portail vise à centraliser toutes les informations de séquence, d'annotation et d'expression de gènes, ainsi que les protocoles de laboratoire utilisés pour la recherche sur les fourmis. Par la suite, nous avons utilisé les outils développés pour étudier un aspect particulier de S. invicta. Chez les animaux grégaires, une hiérarchie sociale peut déterminer le statut reproducteur des individus. Suite à la mort d'un individu dominant, les individus subordonnés peuvent entrer en compétition en vue d'améliorer leur statut. Un tel phénomène se produit au sein des colonies monogynes de S. invicta, qui contiennent habituellement une unique reine mère, des milliers d'ouvrières et des centaines de reines vierges ailées. Suite à la mort de la reine mère, dominante, un grand nombre de reines vierges, subordonnées, perdent leurs ailes et activent leurs organes reproducteurs au lieu de partir en vol nuptial. Au cours des semaines suivantes, les ouvrières exécutent la plupart de ces reines sur la base de signaux olfactifs produits lors de l'activation des organes reproducteurs. Afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires impliqués, nous avons étudié l'expression de gènes au début de cette compétition. Nous avons identifié 297 gènes différemment exprimés, dont l'annotation indique qu'ils seraient impliqués dans des processus biologiques dont la communication olfactive, le développement des organes reproducteurs et la métabolisation de l'hormone juvénile. Par la suite, nous avons déterminé que la vitesse à laquelle les reines perdent leurs ailes en début de compétition ainsi que les niveaux d'expression de gènes sont corrélés à la probabilité de survie des reines. Nous concluons en discutant des opportunités offertes par la recherche génétique sur les fourmis ainsi que les défis qu'elle devra surmonter.

Determination of hydraulic properties of a tropical soil of Hawaii using column experiments and inverse modeling

A method for determining soil hydraulic properties of a weathered tropical soil (Oxisol) using a medium-sized column with undisturbed soil is presented. The method was used to determine fitting parameters of the water retention curve and hydraulic conductivity functions of a soil column in support of a pesticide leaching study. The soil column was extracted from a continuously-used research plot in Central Oahu (Hawaii, USA) and its internal structure was examined by computed tomography. The experiment was based on tension infiltration into the soil column with free outflow at the lower end. Water flow through the soil core was mathematically modeled using a computer code that numerically solves the one-dimensional Richards equation. Measured soil hydraulic parameters were used for direct simulation, and the retention and soil hydraulic parameters were estimated by inverse modeling. The inverse modeling produced very good agreement between model outputs and measured flux and pressure head data for the relatively homogeneous column. The moisture content at a given pressure from the retention curve measured directly in small soil samples was lower than that obtained through parameter optimization based on experiments using a medium-sized undisturbed soil column.

Decay of unstable states in the presence of colored noise and random initial conditions. II. Analog experiments and digital simulations

The decay of an unstable state under the influence of external colored noise has been studied by means of analog experiments and digital simulations. For both fixed and random initial conditions, the time evolution of the second moment ¿x2(t)¿ of the system variable was determined and then used to evaluate the nonlinear relaxation time. The results obtained are found to be in excellent agreement with the theoretical predictions of the immediately preceding paper [Casademunt, Jiménez-Aquino, and Sancho, Phys. Rev. A 40, 5905 (1989)].

Pressure-dependent scaling scenarios in experiments of spontaneous imbibition

The scaling properties of the rough liquid-air interface formed in the spontaneous imbibition of a viscous liquid by a model porous medium are found to be very sensitive to the magnitude of the pressure difference applied at the liquid inlet. Interface fluctuations change from obeying intrinsic anomalous scaling at large negative pressure differences, to being super-rough with the same dynamic exponent z¿3 at less negative pressure differences, to finally obeying ordinary Family-Vicsek scaling with z¿2 at large positive pressure differences. This rich scenario reflects the relative importance on different length scales of capillary and permeability disorder, and the role of surface tension and viscous pressure in damping interface fluctuations.

Experiments of periodic forcing of Saffman-Taylor fingers

We report on an experimental study of long normal Saffman-Taylor fingers subject to periodic forcing. The sides of the finger develop a low amplitude, long wavelength instability. We discuss the finger response in stationary and nonstationary situations, as well as the dynamics towards the stationary states. The response frequency of the instability increases with forcing frequency at low forcing frequencies, while, remarkably, it becomes independent of forcing frequency at large forcing frequencies. This implies a process of wavelength selection. These observations are in good agreement with previous numerical results reported in [Ledesma-Aguilar et al., Phys. Rev. E 71, 016312 (2005)]. We also study the average value of the finger width, and its fluctuations, as a function of forcing frequency. The average finger width is always smaller than the width of the steady-state finger. Fluctuations have a nonmonotonic behavior with a maximum at a particular frequency.

Experiments in a rotating Hele-Shaw cell

We introduce a modification to Hele-Shaw flows consisting of a rotating cell. A viscous fluid (oil) is injected at the rotation axis of the cell, which is open to air. The morphological instability of the oil-air interface is thus driven by centrifugal force and is controlled by the density (not viscosity) difference. We derive the linear dispersion relation and verify the maximum growth rate selection of initial patterns within experimental uncertainty. The nonlinear growth regime is studied in the case of vanishing injection rate. Several characteristic lengths are studied to quantify the patterns obtained. Experimental data exhibit good collapse for two characteristic lengths, namely, the radius of gyration and the radial finger length, which in the nonlinear regime appear to grow linearly in time.