Gas exchange rates, plant height, yield components, and productivity of upland rice as affected by plant regulators

The objective of this work was to evaluate gas exchange rates, plant height, yield components, and productivity of upland rice, as affected by type and application time of plant growth regulators. A randomized block design, in a 4x2 factorial arrangement, with four replicates was used. Treatments consisted of three growth regulators (mepiquat chloride, trinexapac-ethyl, and paclobutrazol), besides a control treatment applied at two different phenological stages: early tillering or panicle primordial differentiation. The experiment was performed under sprinkler-irrigated field conditions. Net CO2 assimilation, stomatal conductance, plant transpiration, and water-use efficiency were measured four times in Primavera upland rice cultivar, between booting and milky grain phenophases. Gas exchange rates were neither influenced by growth regulators nor by application time. There was, however, interaction between these factors on the other variables. Application of trinexapac-ethyl at both tillering and differentiation stages reduced plant height and negatively affected yield components and rice productivity. However, paclobutrazol and mepiquat chloride applied at tillering, reduced plant height without affecting rice yield. Mepiquat chloride acted as a growth stimulator when applied at the differentiation stage, and significantly increased plant height, panicle number, and grain yield of upland rice.

Comparative population genetic structure in a plant-pollinator/seed predator system.

Comparative analyses of spatial genetic structure of populations of plants and the insects they interact with provide an indication of how gene flow, natural selection and genetic drift may jointly influence the distribution of genetic variation and potential for local co-adaptation for interacting species. Here, we analysed the spatial scale of genetic structure within and among nine populations of an interacting species pair, the white campion Silene latifolia and the moth Hadena bicruris, along a latitudinal gradient across Northern/Central Europe. This dioecious, short-lived perennial plant inhabits patchy, often disturbed environments. The moth H. bicruris acts both as its pollinator and specialist seed predator that reproduces by laying eggs in S. latifolia flowers. We used nine microsatellite markers for S. latifolia and eight newly developed markers for H. bicruris. We found high levels of inbreeding in most populations of both plant and pollinator/seed predator. Among populations, significant genetic structure was observed for S. latifolia but not for its pollinator/seed predator, suggesting that despite migration among populations of H. bicruris, pollen is not, or only rarely, carried over between populations, thus maintaining genetic structure among plant populations. There was a weak positive correlation between genetic distances of S. latifolia and H. bicruris. These results indicate that while significant structure of S. latifolia populations creates the potential for differentiation at traits relevant for the interaction with the pollinator/seed predator, substantial gene flow in H. bicruris may counteract this process in at least some populations.

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.

Plant growth and leaf-spot severity on eucalypt at different CO2concentrations in the air

The objective of this work was to evaluate the effects of increased air-CO2 concentration on plant growth and on leaf-spot caused by Cylindrocladium candelabrumin Eucalyptus urophylla. Seedlings were cultivated for 30 days at 451, 645, 904, and 1,147 µmol mol-1 CO2 ; then, they were inoculated with the pathogen and kept under the same conditions for seven days. Increased CO2concentration increased plant height and shoot dry matter mass, and decreased disease incidence and severity. Stem diameter was not affected by the treatments. Increased concentrations of atmospheric CO2 favorably affect eucalypt growth and reduce leaf-spot severity.

Modelling of a Hydrogen Catalytic Recombiner for Nuclear Power Plant Containment Studies; Case: Siemens FR90/1-150 Recombiner in TONUS OD Code

Ydinvoimalaitokset on suunniteltu ja rakennettu niin, että niillä on kyky selviytyä erilaisista käyttöhäiriöistä ja onnettomuuksista ilman laitoksen vahingoittumista sekä väestön ja ympäristön vaarantumista. On erittäin epätodennäköistä, että ydinvoimalaitosonnettomuus etenee reaktorisydämen vaurioitumiseen asti, minkä seurauksena sydänmateriaalien hapettuminen voi tuottaa vetyä. Jäädytyspiirin rikkoutumisen myötä vety saattaa kulkeutua ydinvoimalaitoksen suojarakennukseen, jossa se voi muodostaa palavan seoksen ilman hapen kanssa ja palaa tai jopa räjähtää. Vetypalosta aiheutuvat lämpötila- ja painekuormitukset vaarantavat suojarakennuksen eheyden ja suojarakennuksen sisällä olevien turvajärjestelmien toimivuuden, joten tehokas ja luotettava vedynhallintajärjestelmä on tarpeellinen. Passiivisia autokatalyyttisiä vetyrekombinaattoreita käytetäänyhä useammissa Euroopan ydinvoimaitoksissa vedynhallintaan. Nämä rekombinaattorit poistavat vetyä katalyyttisellä reaktiolla vedyn reagoidessa katalyytin pinnalla hapen kanssa muodostaen vesihöyryä. Rekombinaattorit ovat täysin passiivisiaeivätkä tarvitse ulkoista energiaa tai operaattoritoimintaa käynnistyäkseen taitoimiakseen. Rekombinaattoreiden käyttäytymisen tutkimisellatähdätään niiden toimivuuden selvittämiseen kaikissa mahdollisissa onnettomuustilanteissa, niiden suunnittelun optimoimiseen sekä niiden optimaalisen lukumäärän ja sijainnin määrittämiseen suojarakennuksessa. Suojarakennuksen mallintamiseen käytetään joko keskiarvoistavia ohjelmia (Lumped parameter (LP) code), moniulotteisia virtausmalliohjelmia (Computational Fluid Dynamics, CFD) tai näiden yhdistelmiä. Rekombinaattoreiden mallintaminen on toteutettu näissä ohjelmissa joko kokeellisella, teoreettisella tai yleisellä (eng. Global Approach) mallilla. Tämä diplomityö sisältää tulokset TONUS OD-ohjelman sisältämän Siemens FR90/1-150 rekombinaattorin mallin vedynkulutuksen tarkistuslaskuista ja TONUS OD-ohjelmalla suoritettujen laskujen tulokset Siemens rekombinaattoreiden vuorovaikutuksista. TONUS on CEA:n (Commissariat à 1'En¬ergie Atomique) kehittämä LP (OD) ja CFD -vetyanalyysiohjelma, jota käytetään vedyn jakautumisen, palamisenja detonaation mallintamiseen. TONUS:sta käytetään myös vedynpoiston mallintamiseen passiivisilla autokatalyyttisillä rekombinaattoreilla. Vedynkulutukseen vaikuttavat tekijät eroteltiin ja tutkittiin yksi kerrallaan. Rekombinaattoreiden vuorovaikutuksia tutkittaessa samaan tilavuuteen sijoitettiin eri kokoisia ja eri lukumäärä rekombinaattoreita. Siemens rekombinaattorimalli TONUS OD-ohjelmassa laskee vedynkulutuksen kuten oletettiin ja tulokset vahvistavat TONUS OD-ohjelman fysikaalisen laskennan luotettavuuden. Mahdollisia paikallisia jakautumia tutkitussa tilavuudessa ei voitu havaita LP-ohjelmalla, koska se käyttäälaskennassa suureiden tilavuuskeskiarvoja. Paikallisten jakautumien tutkintaan tarvitaan CFD -laskentaohjelma.

From pathogen defence to food allergy; The multiple facets of the mucosal immune system

Résumé destiné à un large public Le système immunitaire associé aux muqueuses gastro-intestinales doit être capable de protéger notre organisme contre l'invasion de pathogènes. Parallèlement, il doit identifier en Cant que tels, des composés inoffensifs comme la nourriture ou les milliards de bactéries qui résident dans notre intestin. Le travail présenté ici aborde ces deux aspects essentiels au bon fonctionnement de notre muqueuse intestinale. Dans une première partie, la protéine nommée pièce sécrétoire a été étudiée pour ses propriétés protectrices contre le pathogène viral rotavirus. Le rôle de la pièce sécrétoire est de transporter les anticorps que nous produisons vers la surface des muqueuses. En dehors de cette fonction bien connue, il se peut que cette protéine soit également capable de protéger notre organisme contre certains virus. L'hypothèse de travail était donc que la pièce sécrétoire se lie directement au virus, l'empêchant ainsi d'infecter des cellules épithéliales de l'intestin. En utilisant différentes techniques biochimiques, cette hypothèse s'est révélée fausse car aucune interaction entre la pièce sécrétoire et le virus n'a pu être observée, et logiquement, aucune protection n'a pu prendre place. En revanche, la pièce sécrétoire se lie à d'autres structures pathogéniques et permet ainsi de neutraliser leurs effets néfastes. La pièce sécrétoire participe donc activement à la protection de nos muqueuses, en plus de son rôle de transporteur. La deuxième partie de ce travail avait pour sujet les réactions inappropriées que le système immunitaire induit parfois contre un aliment, ou, autrement dit, les allergies alimentaires. Un modèle d'allergie alimentaire à donc été développé chez la souris et a permis de mesurer plusieurs symptômes et facteurs liés à l'allergie. Puis, ce modèle a été utilisé afin de tester les effets bénéfiques d'une bactérie lactique, dite probiotique, sur le développement de l'allergie. Il a été observé que, sous certaines circonstances, l'administration de la bactérie lactique protégeait entièrement les souris contre les réactions allergiques. L'effet bénéfique dépend donc du probiotique mais également d'autres facteurs encore inconnus â ce jour. Cette étude ouvre la voie sur la compréhension des mécanismes liés aux allergies alimentaires et sur l'impact que peuvent avoir les bactéries probiotiques sur cette maladie. Résumé Le système immunitaire associé aux muqueuses intestinales doit être capable de différencier les antigènes inoffensifs tels que 1a nourriture ou les bactéries commensales des microorganismes potentiellement dangereux. Cet aspect est essentiel pour le maintien de l'homéostase intestinale et fait l'objet du travail présenté ici. Dans un premier projet, les propriétés protectrices de la protéine appelée pièce sécrétoire (SC) ont été étudiées. SC est une protéine connue pour le transport des immunoglobulines à la surface des muqueuses. Cette protéine est fortement glycosylée paz des sucres complexes, ce qui nous a mené à postuler que SC puisse interagir avec le pathogène rotavirus. Cette hypothèse était soutenue par le fait que ce virus adhère aux cellules épithéliales par des résidus glycosylés. Des analyses biochimiques et biologiques ont démontré qu'aucune interaction entre SC et le virus ne prenait place, et que par conséquent SC n'offrait aucune protection contre ce pathogène. En revanche, SC interagit avec d'autres structures pathogéniques, comme la toxine A de Clostridium difficile, et la molécule d'adhésion intimine de la bactérie entéropathogène Escherichia coli. La liaison se fait par l'intermédiaire des sucres et confère ainsi une protection contre ces pathogènes. Ainsi, SC a été identifié comme agent neutralisant au niveau de l'intestin. La deuxième partie de ce travail abordait le sujet des allergies alimentaires, et avait pour but de tester les effets bénéfiques potentiels d'une bactérie probiotique, Lactobacillus paracasei NCC2461, contre les réactions allergiques. Un modèle marin d'allergie alimentaire a été mis au point, permettant de mesurer des immunoglobulines E, des symptômes allergiques, et la dégranulation de mastocytes. Lorsque le probiotique a été administré aux souris, celles-ci ont été complètement protégées des réactions allergiques dans une première expérience. Cependant, cette protection n'a pas été reproduite et suggère que des facteurs environnementaux encore inconnus sont critiques pour que le probiotique agisse positivement. Ce travail a permis de mettre en évidence la complexité de l'approche des traitements liés aux probiotiques et ouvre la voie sur la compréhension des mécanismes liés à l'allergie. Abstract The mucosal immune system associated to the gastrointestinal mucosa must efficiently distinguish between innocuous antigens, such as food proteins and commensal bacteria and potentially infectious agents. The work presented here deals with these two essential aspects guaranteeing intestinal homeostasis. In the first part of this work, the protective properties of secretory component (SC) toward the pathogen rotavirus were investigated. SC, which allows the transport of polymeric immunoglobulins (Ig) to mucosal surfaces, is highly glycosylated with complex glycan structures. The abundance and the nature of these carbohydrates led us to speculate that SC might interact with rotavirus, which is known to bind target cells with glycan receptors. Using various biological and biochemical techniques, we demonstrated that SC did not interact with rotaviruses, nor protected epithelial cells from infection. However, SC was shown to bind to Clostridium difficile toxin A and to the enteropathogenic Echerischia coli adhesion molecule intimin in a glycan-dependent fashion. These interactions allow in vitro protection of epithelial cells using physiological concentrations of SC. These data identify SC as a microbial scavenger at mucosal surfaces, and in the context of secretory IgA, further enhance the neutralising properties of the complex. The second project was inscribed in the domain of food allergy and aimed to test the modulatory functions of a probiotic strain of Lactobacillus paracasei toward allergic reactions. A model of food-mediated allergy was developed in the mouse using mucosal sensitisation. Several parameters associated to allergy were quantified after allergen challenge, and included allergen-specific IgE, allergic signs like diarrhea and temperature drop, and degranulation of mast cells. Administration of the probiotic strain was shown to completely protect mice from allergic reactions. However, these data were not reproduced, suggesting that unknown environmental factors are required so that protection mediated by the probiotic strain occurs. This study paves the way to the understanding of the mechanisms associated to allergy, and highlights the tremendous complexity that probiotic treatments will have to face.

Acetylation of cell wall is required for structural integrity of the leaf surface and exerts a global impact on plant stress responses.

The epidermis on leaves protects plants from pathogen invasion and provides a waterproof barrier. It consists of a layer of cells that is surrounded by thick cell walls, which are partially impregnated by highly hydrophobic cuticular components. We show that the Arabidopsis T-DNA insertion mutants of REDUCED WALL ACETYLATION 2 (rwa2), previously identified as having reduced O-acetylation of both pectins and hemicelluloses, exhibit pleiotrophic phenotype on the leaf surface. The cuticle layer appeared diffused and was significantly thicker and underneath cell wall layer was interspersed with electron-dense deposits. A large number of trichomes were collapsed and surface permeability of the leaves was enhanced in rwa2 as compared to the wild type. A massive reprogramming of the transcriptome was observed in rwa2 as compared to the wild type, including a coordinated up-regulation of genes involved in responses to abiotic stress, particularly detoxification of reactive oxygen species and defense against microbial pathogens (e.g., lipid transfer proteins, peroxidases). In accordance, peroxidase activities were found to be elevated in rwa2 as compared to the wild type. These results indicate that cell wall acetylation is essential for maintaining the structural integrity of leaf epidermis, and that reduction of cell wall acetylation leads to global stress responses in Arabidopsis.

Tracking the ghost of coevolution in specific plant-insect interactions : the case of the pollination system between the globeflower Trollius europaeus and seven european Chiastocheta flies

This study aims at understanding the evolutionary processes at work in specialized species interactions. Prom the macroevolutionary perspective, coevolution among specialized taxa was proposed to be one of the major processes generating biodiversity. We challenge this idea from the theoretical and practical perspective and through a literature review and show that the major hypotheses linking coevolutionary process with macroevolutionary patterns do not necessarily predict lineage co diversification and parallel speciation, limit¬ing the utility of the comparative phylogenenetic approach for investigating coevolution¬ary processes. We also point to the rarity of observed long-term coevolutionary dynamics among lineages and propose that coevolution rather occurs in shorter timescales, followed by ecological fitting. Prom the empirical point, we focus on the nursery pollination interaction between the European globeflower Trollius europaeus (Ranunculaceae) and its associated Chiastocheta flies (Anthomyiidae; Diptera) as a model system of evolution and maintenance of special¬ized interactions. The flies are obligate parasites of the seeds, but also pollinate the plant - it was thus proposed that both species are mutually dependent. Contrasting with the paradigm used for two decades of research on this system, we show that the female fitness component of the plant is similar in the populations with and without Chiastocheta. The plant is thus not exclusively dependent on the flies for reproduction. We discuss this result in the context of the factors responsible for the evolution of mutualistic systems. Understanding the evolution of a biological system requires understanding of its phylo- genetic context. Previous studies showed large mismatch between mtDNA phylogeny and morphological taxonomy in Chiastocheta. By using a large set of RAD-sequencing loci, we delineate the species limits that are congruent with morphology, and show that the discordance is best explained by the scenario of mitochondrial capture among fly species. Finally, we examine this system from a phylogeographic perspective, and identify the lack of congruence in spatial genetic structures of the plant and associated insects across their whole geographic range. The flies show lower numbers of spatial genetic groups than the plant, indicating that not all of the plant réfugia were shared by all the fly species or that the migration dynamics homogenized some of the groups. The incongruence in spatial genetic patterns indicates that fly migrations were largely independent from the genetic background of the plant, following rather a scenario of resource tracking, without the signature of coevolutionary process at this scale. Indeed, while the flies require the plant to survive climatic oscillations, the opposite is not true. Eventually, we show that there is no phylogenetic signal of spatial genetic structures, meaning that neither histories nor life- history traits are shared among closely related species and that species are characterized by unique trajectories of their genes. -- Cette étude vise à comprendre les processus évolutifs à l'oeuvre au sein d'interactions en¬tre espèces spécialisées. Du point de vue macroévolutif, la coévolution entre les taxons spécialisée a été considérée comme l'un des principaux processus générateur de biodiversité. Nous contestons cette idée du point de vue théorique et pratique à travers une revue de la littérature. Nous montrons que les hypothèses majeures reliant les processus coévolutifs avec les patterns de diversité au niveau macroévolutif ne prédisent pas nécessairement la co- diversification des lignées et leur spéciation parallèle, ce qui limite l'utilité de l'approche de phylogénie comparative pour étudier les processus coévolutifs . Nous rappelons également le peu d'exemples de dynamique coévolutive à long terme et proposons que la coévolution se produit plutôt dans des intervalles courts, suivis d'ajustements écologiques. Du point empirique, nous nous concentrons sur l'interaction de pollinisation entre le Trolle d'Europe Trollius europaeus (Ranunculaceae) et ses pollinisateurs associés, du genre Chiastocheta (Anthomyiidae; Diptera) en tant que système-modèle pour étudier l'évolution et le maintien des interactions spécialisées. Les mouches sont des parasites obligatoires des semences, mais pollinisent également la plante. Il a donc été proposé que les deux espèces soient mutuellement dépendantes. Contrastant avec le paradigme utilisé pendant deux décennies de recherche sur ce système, nous montrons, que la composante de fitness femelle de la plante est similaire dans les populations avec et sans Chiastocheta. La plante ne dépend donc pas exclusivement de son interaction avec les mouches pour la reproduction. Nous discutons de ce résultat dans le contexte des facteurs responsables de l'évolution des systèmes mutualistes. Comprendre l'évolution d'un système biologique nécessite la compréhension de son con- texte phylogénétique. Des études antérieures ont montré, chez Chiastocheta, de grandes disparités entre les phylogénies obtenues à partir d'ADN mitochondrial et la taxonomie basée sur les critères morphologiques. En utilisant un grand nombre de loci obtenus par RAD-sequencing, nous traçons les limites des espèces, qui concordent avec les car¬actéristiques morphologies, et montrons que la discordance s'explique en fait par un scénario de capture mitochondriale entre espèces de mouches. Enfin, nous examinons le système d'un point de vue phylogéographique, et identi¬fions les incohérences entre structurations génétiques spatiales de la plante et des insectes associés dans toute leur aire de distribution géographique. Les mouches présentent un nombre de groupes génétiques inférieur à la plante, indiquant que tous les refuges de la plante n'étaient pas partagés par toutes les espèces de mouches ou que les dynamiques migratoires ont homogénéisés certains des groupes chez les mouches. Les différences ob¬servées dans les patrons de structuration génétique spatiale indique que les migrations et dispersions des mouches ont été indépendantes du contexte génétique de la plante, et ces dernières ont été uniquement tributaires de la disponibilité des ressources, sans qu'il n'y ait de signature du processus de coévolution à cette échelle. En effet, tandis que les mouches ont besoin de la plante pour survivre aux oscillations climatiques, le contraire n'est pas exact. Finalement, nous montrons qu'il n'y a pas de signal phylogénétique des structurations génétiques spatiales chez les mouches, ce qui signifie que ni l'histoire, ni les traits d'histoire de vie ne sont partagés entre les espèces phylogénétiquement proches et que les espèces sont caractérisées par des trajectoires uniques de leurs gènes.

Molecular basis and regulation of insect pathogenicity in plant-beneficial pseudomonads

Les bactéries du genre Pseudomonas ont la capacité étonnante de s'adapter à différents habitats et d'y survivre, ce qui leur a permis de conquérir un large éventail de niches écologiques et d'interagir avec différents organismes hôte. Les espèces du groupe Pseudomonas fluorescens peuvent être facilement isolées de la rhizosphère et sont communément connues comme des Pseudomonas bénéfiques pour les plantes. Elles sont capables d'induire la résistance systémique des plantes, d'induire leur croissance et de contrer des phytopathogènes du sol. Un sous-groupe de ces Pseudomonas a de plus développé la capacité d'infecter et de tuer certaines espèces d'insectes. Approfondir les connaissances sur l'interaction de ces bactéries avec les insectes pourraient conduire au développement de nouveaux biopesticides pour la protection des cultures. Le but de cette thèse est donc de mieux comprendre la base moléculaire, l'évolution et la régulation de la pathogénicité des Pseudomonas plante-bénéfiques envers les insectes. Plus spécifiquement, ce travail a été orienté sur l'étude de la production de la toxine insecticide appelée Fit et sur l'indentification d'autres facteurs de virulence participant à la toxicité de la bactérie envers les insectes. Dans la première partie de ce travail, la régulation de la production de la toxine Fit a été évaluée par microscopie à épifluorescence en utilisant des souches rapportrices de Pseudomonas protegens CHA0 qui expriment la toxine insecticide fusionnée à une protéine fluorescente rouge, au site natif du gène de la toxine. Celle-ci a été détectée uniquement dans l'hémolymphe des insectes et pas sur les racines des plantes, ni dans les milieux de laboratoire standards, indiquant une production dépendante de l'hôte. L'activation de la production de la toxine est contrôlée par trois protéines régulatrices dont l'histidine kinase FitF, essentielle pour un contrôle précis de l'expression et possédant un domaine "senseur" similaire à celui de la kinase DctB qui régule l'absorption de carbone chez les Protéobactéries. Il est donc probable que, durant l'évolution de FitF, un réarrangement de ce domaine "senseur" largement répandu ait contribué à une production hôte-spécifique de la toxine. Les résultats de cette étude suggèrent aussi que l'expression de la toxine Fit est plutôt réprimée en présence de composés dérivés des plantes qu'induite par la perception d'un signal d'insecte spécifique. Dans la deuxième partie de ce travail, des souches mutantes ciblant des facteurs de virulence importants identifiés dans des pathogènes connus ont été générées, dans le but d'identifier ceux avec une virulence envers les insectes atténuée. Les résultats ont suggéré que l'antigène O du lipopolysaccharide (LPS) et le système régulateur à deux composantes PhoP/PhoQ contribuent significativement à la virulence de P. protegens CHA0. La base génétique de la biosynthèse de l'antigène O dans les Pseudomonas plante-bénéfiques et avec une activité insecticide a été élucidée et a révélé des différences considérables entre les lignées suite à des pertes de gènes ou des acquisitions de gènes par transfert horizontal durant l'évolution de certaines souches. Les chaînes latérales du LPS ont été montrées comme vitales pour une infection des insectes réussie par la souche CHA0, après ingestion ou injection. Les Pseudomonas plante-bénéfiques, avec une activité insecticide sont naturellement résistants à la polymyxine B, un peptide antimicrobien modèle. La protection contre ce composé antimicrobien particulier dépend de la présence de l'antigène O et de la modification du lipide A, une partie du LPS, avec du 4-aminoarabinose. Comme les peptides antimicrobiens cationiques jouent un rôle important dans le système immunitaire des insectes, l'antigène O pourrait être important chez les Pseudomonas insecticides pour surmonter les mécanismes de défense de l'hôte. Le système PhoP/PhoQ, connu pour contrôler les modifications du lipide A chez plusieurs bactéries pathogènes, a été identifié chez Pseudomonas chlororaphis PCL1391 et P. protegens CHA0. Pour l'instant, il n'y a pas d'évidence que des modifications du lipide A contribuent à la pathogénicité de cette bactérie envers les insectes. Cependant, le senseur-kinase PhoQ est requis pour une virulence optimale de la souche CHA0, ce qui suggère qu'il régule aussi l'expression des facteurs de virulence de cette bactérie. Les découvertes de cette thèse démontrent que certains Pseudomonas associés aux plantes sont de véritables pathogènes d'insectes et donnent quelques indices sur l'évolution de ces microbes pour survivre dans l'insecte-hôte et éventuellement le tuer. Les résultats suggèrent également qu'une recherche plus approfondie est nécessaire pour comprendre comment ces bactéries sont capables de contourner ou surmonter la réponse immunitaire de l'hôte et de briser les barrières physiques pour envahir l'insecte lors d'une infection orale. Pour cela, les futures études ne devraient pas uniquement se concentrer sur le côté bactérien de l'interaction hôte-microbe, mais aussi étudier l'infection du point de vue de l'hôte. Les connaissances gagnées sur la pathogénicité envers les insectes des Pseudomonas plante-bénéfiques donnent un espoir pour une future application en agriculture, pour protéger les plantes, non seulement contre les maladies, mais aussi contre les insectes ravageurs. -- Pseudomonas bacteria have the astonishing ability to survive within and adapt to different habitats, which has allowed them to conquer a wide range of ecological niches and to interact with different host organisms. Species of the Pseudomonas fluorescens group can readily be isolated from plant roots and are commonly known as plant-beneficial pseudomonads. They are capable of promoting plant growth, inducing systemic resistance in the plant host and antagonizing soil-borne phytopathogens. A defined subgroup of these pseudomonads evolved in addition the ability to infect and kill certain insect species. Profound knowledge about the interaction of these particular bacteria with insects could lead to the development of novel biopesticides for crop protection. This thesis thus aimed at a better understanding of the molecular basis, evolution and regulation of insect pathogenicity in plant-beneficial pseudomonads. More specifically, it was outlined to investigate the production of an insecticidal toxin termed Fit and to identify additional factors contributing to the entomopathogenicity of the bacteria. In the first part of this work, the regulation of Fit toxin production was probed by epifluorescence microscopy using reporter strains of Pseudomonas protegens CHAO that express a fusion between the insecticidal toxin and a red fluorescent protein in place of the native toxin gene. The bacterium was found to express its insecticidal toxin only in insect hemolymph but not on plant roots or in common laboratory media. The host-dependent activation of Fit toxin production is controlled by three local regulatory proteins. The histidine kinase of this regulatory system, FitF, is essential for the tight control of toxin expression and shares a sensing domain with DctB, a sensor kinase regulating carbon uptake in Proteobacteria. It is therefore likely that shuffling of a ubiquitous sensor domain during the evolution of FitF contributed to host- specific production of the Fit toxin. Findings of this study additionally suggest that host-specific expression of the Fit toxin is mainly achieved by repression in the presence of plant-derived compounds rather than by induction upon perceiving an insect-specific signal molecule. In the second part of this thesis, mutant strains were generated that lack factors previously shown to be important for virulence in prominent pathogens. A screening for attenuation in insect virulence suggested that lipopolysaccharide (LPS) O-antigen and the PhoP-PhoQ two-component regulatory system significantly contribute to virulence of P. protegens CHAO. The genetic basis of O-antigen biosynthesis in plant-beneficial pseudomonads displaying insect pathogenicity was elucidated and revealed extensive differences between lineages due to reduction and horizontal acquisition of gene clusters during the evolution of several strains. Specific 0 side chains of LPS were found to be vital for strain CHAO to successfully infect insects by ingestion or upon injection. Insecticidal pseudomonads with plant-beneficial properties were observed to be naturally resistant to polymyxin B, a model antimicrobial peptide. Protection against this particular antimicrobial compound was dependent on the presence of O-antigen and modification of the lipid A portion of LPS with 4-aminoarabinose. Since cationic antimicrobial peptides play a major role in the immune system of insects, O-antigenic polysaccharides could be important for insecticidal pseudomonads to overcome host defense mechanisms. The PhoP-PhoQ system, which is well-known to control lipid A modifications in several pathogenic bacteria, was identified in Pseudomonas chlororaphis PCL1391 and P. protegens CHAO. No evidence was found so far that lipid A modifications contribute to insect pathogenicity in this bacterium. However, the sensor kinase PhoQ was required for full virulence of strain CHAO suggesting that it additionally regulates the expression of virulence factors in this bacterium. The findings of this thesis demonstrate that certain plant-associated pseudomonads are true insect pathogens and give some insights into how these microbes evolved to survive within and eventually kill the insect host. Results however also point out that more in-depth research is needed to know how exactly these fascinating bacteria manage to bypass or overcome host immune responses and to breach physical barriers to invade insects upon oral infection. To achieve this, future studies should not only focus on the bacterial side of the microbe-host interactions but also investigate the infection from a host-oriented view. The knowledge gained about the entomopathogenicity of plant-beneficial pseudomonads gives hope for their future application in agriculture to protect plants not only against plant diseases but also against insect pests.

Asymmetrical nature of the Trollius-Chiastocheta interaction: insights into the evolution of nursery pollination systems

The mutualistic versus antagonistic nature of an interaction is defined by costs and benefits of each partner, which may vary depending on the environment. Contrasting with this dynamic view, several pollination interactions are considered as strictly obligate and mutualistic. Here, we focus on the interaction between Trollius europaeus and Chiastocheta flies, considered as a specialized and obligate nursery pollination system - the flies are thought to be exclusive pollinators of the plant and their larvae develop only in T.europaeus fruits. In this system, features such as the globelike flower shape are claimed to have evolved in a coevolutionary context. We examine the specificity of this pollination system and measure traits related to offspring fitness in isolated T.europaeus populations, in some of which Chiastocheta flies have gone extinct. We hypothesize that if this interaction is specific and obligate, the plant should experience dramatic drop in its relative fitness in the absence of Chiastocheta. Contrasting with this hypothesis, T.europaeus populations without flies demonstrate a similar relative fitness to those with the flies present, contradicting the putative obligatory nature of this pollination system. It also agrees with our observation that many other insects also visit and carry pollen among T.europaeus flowers. We propose that the interaction could have evolved through maximization of by-product benefits of the Chiastocheta visits, through the male flower function, and selection on floral traits by the most effective pollinator. We argue this mechanism is also central in the evolution of other nursery pollination systems.

Embryonic gene expression of Coregonus palaea (whitefish) under pathogen stress as analyzed by high-throughput RNA-sequencing.

Most fishes produce free-living embryos that are exposed to environmental stressors immediately following fertilization, including pathogenic microorganisms. Initial immune protection of embryos involves the chorion, as a protective barrier, and maternally-allocated antimicrobial compounds. At later developmental stages, host-genetic effects influence susceptibility and tolerance, suggesting a direct interaction between embryo genes and pathogens. So far, only a few host genes could be identified that correlate with embryonic survival under pathogen stress in salmonids. Here, we utilized high-throughput RNA-sequencing in order to describe the transcriptional response of a non-model fish, the Alpine whitefish Coregonus palaea, to infection, both in terms of host genes that are likely manipulated by the pathogen, and those involved in an early putative immune response. Embryos were produced in vitro, raised individually, and exposed at the late-eyed stage to a virulent strain of the opportunistic fish pathogen Pseudomonas fluorescens. The pseudomonad increased embryonic mortality and affected gene expression substantially. For example, essential, upregulated metabolic pathways in embryos under pathogen stress included ion binding pathways, aminoacyl-tRNA-biosynthesis, and the production of arginine and proline, most probably mediated by the pathogen for its proliferation. Most prominently downregulated transcripts comprised the biosynthesis of unsaturated fatty acids, the citrate cycle, and various isoforms of b-cell transcription factors. These factors have been shown to play a significant role in host blood cell differentiation and renewal. With regard to specific immune functions, differentially expressed transcripts mapped to the complement cascade, MHC class I and II, TNF-alpha, and T-cell differentiation proteins. The results of this study reveal insights into how P. fluorescens impairs the development of whitefish embryos and set a foundation for future studies investigating host pathogen interactions in fish embryos.

Genotypic comparison of Pantoea agglomerans plant and clinical strains

Pantoea agglomerans strains are among the most promising biocontrol agents for avariety of bacterial and fungal plant diseases, particularly fire blight of apple and pear. However, commercial registration of P. agglomerans biocontrol products is hampered because this species is currently listed as a biosafety level 2 (BL2) organism due to clinical reports as an opportunistichuman pathogen. This study compares plant-origin and clinical strains in a search for discriminating genotypic/phenotypic markers using multi-locus phylogenetic analysis and fluorescent amplified fragment length polymorphisms (fAFLP) fingerprinting.Results: Majority of the clinical isolates from culture collections were found to be improperly designated as P. agglomerans after sequence analysis. The frequent taxonomic rearrangements underwent by the Enterobacter agglomerans/Erwinia herbicola complex may be a major problem in assessing clinical associations within P. agglomerans. In the P. agglomerans sensu stricto (in the stricter sense) group, there was no discrete clustering of clinical/biocontrol strains and no marker was identified that was uniquely associated to clinical strains. A putative biocontrol-specific fAFLP marker was identified only in biocontrol strains. The partial ORF located in this band corresponded to an ABC transporter that was found in all P. agglomerans strains. Conclusion: Taxonomic mischaracterization was identified as a major problem with P.agglomerans, and current techniques removed a majority of clinical strains from this species. Although clear discrimination between P. agglomerans plant and clinical strains was not obtained with phylogenetic analysis, a single marker characteristic of biocontrol strains was identified whichmay be of use in strain biosafety determinations. In addition, the lack of Koch's postulate fulfilment, rare retention of clinical strains for subsequent confirmation, and the polymicrobial nature of P. agglomerans clinical reports should be considered in biosafety assessment of beneficial strains in this species

Phytotoxic effects of metabolites from Alternaria euphorbiicola against its host plant Euphorbia heterophylla

A bioassay-guided fractionation of culture filtrates of the fungus Alternaria euphorbiicola, a pathogen of the weed Euphorbia heterophylla, led to the isolation of anhydromevalonolactone (1), tyrosol (2), (R)-( - )-mevalonolactone (3), and cycloglycylproline (4). When tested on the punctured leaves of the host plant, these compounds produced bleached lesions with dark brown margins at concentrations as low as 80 µM. When tested on the leaves of other relevant weeds, only cycloglycylproline showed selective activity against E. heterophylla. This is the first report on the isolation of phytotoxins from A. euphorbiicola and on the phytotoxicity of anhydromevalonolactone, (R)-( - )-mevalonolactone, and cycloglycylproline.

Concepts in plant disease resistance

Resistance to nearly all pathogens occurs abundantly in our crops. Much of the resistance exploited by breeders is of the major gene type. Polygenic resistance, although used much less, is even more abundantly available. Many types of resistance are highly elusive, the pathogen apparently adapting very easily them. Other types of resistance, the so-called durable resistance, remain effective much longer. The elusive resistance is invariably of the monogenic type and usually of the hypersensitive type directed against specialised pathogens. Race-specificity is not the cause of elusive resistance but the consequence of it. Understanding acquired resistance may open interesting approaches to control pathogens. This is even truer for molecular techniques, which already represent an enourmously wide range of possibilities. Resistance obtained through transformation is often of the quantitative type and may be durable in most cases.

White mold intensity on common bean in response to plant density, irrigation frequency, grass mulching, Trichoderma spp., and fungicide

The purpose of this study was to evaluate the efficiency of integrated managements on white mold control on common bean. Initially, in vitro testing was made to assess the antagonism of 11 Trichoderma isolates against Sclerotinia sclerotiorum and to investigate fungicides (fluazinam and procymidone) inhibitory effects on those fungi. In two field experiments the following combinations were tested: irrigation frequencies (seven or 14 days), plant densities (six or 12 plants per meter), and three disease controls (untreated control, fungicide or Trichoderma spp.). In a third experiment plant densities were replaced by grass mulching treatments (with or without mulching). Fluazinam was applied at 45 and 55 days after emergence (DAE). The antagonists T. harzianum (experiments 1 and 3) and T. stromatica (experiment 2) were applied through sprinkler irrigation at 10 and 25 DAE, respectively. Most of the Trichoderma spp. were effective against the pathogen in vitro. Fluazinam was more toxic than procymidone to both the pathogen and the antagonist. Fungicide applications increased yield between 32 % and 41 %. In field one application of Trichoderma spp. did not reduce disease intensity and did not increase yield. The reduction from 12 to six plants per meter did not decrease yield, and disease severity diminished in one of the two experiments. It is concluded that of the strategies for white mold control just reduction of plant density and applications of fungicide were efficient.