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.

Flight, feeding and reproductive behavior of Phyllophaga cuyabana (Moser) (Coleoptera: Melolonthidae) adults

Phyllophaga cuyabana is a univoltine species and its development occurs completely underground. Its control by conventional methods, such as chemical and biological insecticides, is difficult, so it is important to understand its dispersion, reproduction, and population behavior in order to determine best pest management strategies. The objective of this work was to study the behavior of adults of P. cuyabana. This study was carried out in the laboratory, greenhouse and field sites in Paraná State, Brazil (24º25' S and 52º48' W), during four seasons. The results obtained demonstrate that: a) P. cuyabana adults have a synchronized short-flight period when mating and reproduction occurs; b) adults tend to aggregate in specific sites for mating; c) the majority of adults left the soil on alternate nights; d) the choice of mating and oviposition sites was made by females before copulation, since after copulation adults did not fly from or bury themselves at nearby locations; e) females that fed on leaves after mating, oviposited more eggs than females that had not fed;f) plant species such as sunflower (Helianthus annuus) and the Crotalaria juncea are important food sources for adults.

Effects of the relatedness of arbuscular mycorrhizal fungi on associated species ecology

More than 80 % of vascular plants in the world form symbioses with arbuscular mycorrhizal fungi (AMF). AMF supply plants with nutrients such as phosphate and nitrogen, and can also help the plants to take up water. Hence, the symbiosis can greatly influence the growth and the defence of plants. By modifying plant productivity and diversity, AMF are considered as keystone species in ecosystems, playing a role that ultimately affects many food webs. This is why mycorrhizal symbioses have been investigated for several decades by many research groups.¦However, a large part of the scientific research done on AMF symbiosis has focused on the interaction between one plant and one fungus. This situation is far from realistic, as in natural ecosystems, many different fungal strains and species are co-existing and interacting in a belowground network. The main goal of this PhD was to investigate first, the interaction occurring among different co-existing AMF depending on their genetic relatedness and second, the outcome of the interaction and their effects on associated species.¦We found that AMF genetic relatedness partly explains the interaction among AMF, and this was in agreement with theories made for completely different species. Briefly, we demonstrated that AMF isolates of the same species coexisted more easily when they were closely-related, whereas AMF from different species were more in competition in this case of high relatedness. We also demonstrated that coexistence and competition among AMF can mediate plant growth as well as herbivore behaviour, opening new insights in our understanding of AMF effects on ecosystem functioning.¦Overall, the results of the different experiments of this PhD highlight the necessity of using multiple AMF to understand their interactions. Even so, we demonstrated here that simple species richness is not enough to understand these interactions and genetic relatedness among the co-existing AMF is a parameter that must be taken into account.¦-¦Sur Terre, plus de 80 % des plantes vasculaires forment des symbioses avec des champignons endomycorhiziens à arbuscules (CEA). Ces CEA permettent aux plantes d'acquérir plus facilement des nutriments tels que des phosphates, des nitrates, ou simplement de l'eau. Ainsi, cette symbiose peut avoir un effet important à la fois sur la croissance mais aussi sur la défense des plantes. En modulant la productivité et la diversité des plantes, les CEA sont donc des espèces clefs dans l'écosystème. Leur présence peut avoir des répercussions sur l'ensemble des réseaux trophiques. C'est pourquoi de nombreuses équipes de recherches étudient ces symbioses mycorhizienes depuis plusieurs décennies.¦La plupart des études concernant ces symbioses se sont focalisées sur l'action d'une espèce de CEA sur une espèce de plante. Malheureusement, cette situation ne correspond pas à ce que l'on peut retrouver dans la nature, où de nombreuses souches et de nombreuses espèces de CEA coexistent et interagissent dans un réseau mycélien souterrain. Le principal but de cette thèse était d'étudier, premièrement les interactions entre les différent CEA en fonction de leur apparentement génétique, et deuxièmement, d'étudier l'effet de ces interactions fongiques sur l'écologie des espèces associées.¦Au cours des différentes expériences de cette thèse, nous avons démontré que l'apparentement génétique entre les CEA expliquait une part non négligeable de leurs interactions. En résumé, plus l'apparentement génétique entre des souches de CEA d'une même espèce sera grand, plus ces souches seront capables de coexister. En revanche, s'il s'agit d'espèces différentes de CEA, plus elles seront apparentées, plus la compétition sera grande entre elles. Nous avons également démontré que la coexistence et la compétition entre différents CEA peut modifier à la fois la croissance des plantes mais aussi le comportement de leur prédateurs, ce qui ouvre de nouvelles perspectives sur notre compréhension des effets des CEA dans le fonctionnement des écosystèmes.¦Globalement, les résultats de nos différentes expériences mettent en évidence la nécessité d'utiliser plusieurs souches ou espèces de CEA pour mieux comprendre leurs interactions. Quand bien même, nos expériences démontrent que le simple recensement du nombre d'espèces de CEA n'est pas suffisant pour comprendre les interactions et que l'apparentement génétique des CEA coexistants est un paramètre qui doit être pris en compte.

Differences in ureide and amino acid content of water stressed soybean inoculated with Bradyrhizobium japonicum and B. elkanii

The objective of this work was to study the response to water stress of a drought sensitive soybean cultivar inoculated with Bradyrhizobium japonicum (strain CB1809, Semia 586) and B. elkanii (strain 29W, Semia 5019). CB1809 nodulated plants produced a significantly higher root fraction (19%) than 29W (14.6%). Plants inoculated with CB1809 produced less nodules and accumulated more nitrogen than those inoculated with 29W. In general, low amounts of ureides in nodules were found in watered plants inoculated with either CB1809 or 29W strains, but those levels were five-fold increased in stressed plants inoculated with CB1809. Nodules formed by strain CB1809 had aspartate and glutamate as major amino acids, while those formed by 29W had glutamate, asparagine and alanine. In nodules of plants inoculated with CB1809 aspartate showed the highest accumulation (5 µmol g-1); in stressed plants this amino acid reached a value of 26 µmol g-1, and asparagine was not detected. Nodules formed by the strain 29W accumulated 1 µmol g-1 of aspartate, whether plants were stressed or not. Asparagine was the major amino acid found in nodules from watered plants (6 µmol g-1) and the amount of this amino acid was six-fold increased when plants were water stressed.

MOLECULAR MECHANISMS OF A ROOT SYSTEM TO SOIL ADAPTATION

Contrairement aux animaux, les plantes sont des organismes sessiles qui ne possèdent pas de mécanismes de fuite quand les conditions environnementales ne sont plus optimales. Les plantes sont physiquement ancrées à l'endroit où elles ont germées et aux conditions environnementales qui parfois peuvent être extrêmes. Les possibilités d'acclimatation de différentes espèces, parfois même de groupes de plantes au sein d'une même espèce, peuvent varier mais repose sur une adaptation génétique de la plante. L'adaptation est un long processus qui repose sur l'apparition spontanée de mutations génétiques, leur mise à l'épreuve face aux conditions environnementales, et dans le cas où la mutation a un impact positif sur la survie dans cet habitat particulier, elle sera maintenue dans une population donnée de plantes. De telles populations, appelées écotypes, sont le matériel de départ pour la découverte de gènes qui induisent un bénéfice pour la plante dans un environnement donné. La plante la plus étudiée en biologie moléculaire est Arabidopsis thaliana, l'arabette des prés. Dans une étude précédente, les racines d'écotypes naturels d'Arabidopsis ont été comparées et un écotype, Uk-1, avait le système racinaire le plus particulier. Cet écotype possède des racines beaucoup plus courtes et plus ramifiées que tous les autres écotypes. Des analyses plus poussées ont montré qu'une seule mutation dans un gène était la cause de ce phénotype, le gène BREVIS RADIX (BRX), mot latin signifiant 'racine courte'. Bien que l'on connaisse le gène BRX, on connaît finalement peu de choses sur son importance adaptative. Dans cette étude, nous avons montré que la mutation dans le gène BRX rend la plante plus résistante aux sols acides. Dans l'optique de mieux comprendre cette valeur adaptative du mutant brx, nous avons analysé dans quels tissus le gène BRX jouait un rôle important. Nous avons pu mettre en évidence que BRX est important pour le développement du protophloème. Le protophloème est un élément du système vasculaire de la plante. En général, les plantes supérieures possèdent deux systèmes de transport à longue distance. L'un d'eux, appelé xylème, transporte l'eau et les nutriments absorbés du sol par les racines vers les feuilles. Les feuilles sont le siège du processus de photosynthèse au cours duquel sont produits des sucres qui devront être distribués partout dans les autres parties de la plante. Le tissu cellulaire chargé de livrer les produits de la photosynthèse, ainsi que les régulateurs de croissance, est le phloème. Ce dernier regroupe le métaphloème et le protophloème. Le protophloème est essentiel pour la livraison des sucres synthétisés ainsi que des signaux de croissance aux pointes des racines, centres organogéniques responsables de la production de nouvelles cellules durant la phase de croissance de la racine. La structure du protophloème peut être décrite comme des tubes continus, vides et résistants, faits de cellules spécialisées qui permettent un transport efficace et rapide. Nous avons montré que dans les mutants brx ces canaux de transports sont discontinus car certaines cellules n'ont pas terminé leur cycle de différenciation. Ces cellules obstruent le conduit ce qui fait que les sucres et les signaux de croissance, comme l'auxine, ne peuvent plus être transportés aux méristèmes. En conséquence, la prolifération de l'activité des méristèmes est compromise, ce qui explique les racines courtes. Au lieu d'être délivré aux méristèmes, l'auxine se concentre en amont des méristèmes où cela provoque l'apparition de nouvelles racines branchées et, très probablement, l'activation des pompes à protons. Sur des sols acides, la concentration en ion H+ est très élevée. Ces ions entrent dans les cellules de la racine par diffusion et perturbent notablement la croissance des racines et de la plante en général. Si les cellules de la racine possédaient des pompes à protons hyperactives, elles seraient capable d'évacuer le surplus d'ions H+ en dehors de la cellule, ce qui leur assurerait de meilleures chances de survie sur sols acides. De fait, le mutant brx est capable d'acidifier le milieu de culture dans lequel il est cultivé plus efficacement que la plante sauvage. Ce mutant est également capable de donner plus de progéniture sur ce type de milieu de croissance que les plantes sauvages. Finalement, nous avons trouvé d'autres mutants brx en milieu naturel poussant sur sols acides, ce qui suggère fortement que la mutation du gène BRX est une des causes de l'adaptation aux sols acides. -- Plants as sessile organisms have developed different mechanisms to cope with the complex environmental conditions in which they live. Adaptation is the process through which traits evolve by natural selection to functionally improve in a given environmental context. An adaptation to the environment is characterized by the genetic changes in the entire populations that have been fixed by natural selection over many generations. BREVIS RADIX (BRX) gene was found through natural Arabidopsis accessions screen and was characterized as a root growth regulator since loss-of-function mutants exhibit arrested post-embryonic primary root growth in addition to a more branched root system. Although brx loss-of-function causes a complete alteration in root architecture, BRX activity is only required in the root vasculature, in particular in protophloem cell file. Protophloem is a part of the phloem transport network and is responsible for delivery of photo-assimilates and growth regulators, coming from the shoot through mature phloem component - metaphloem, to the all plant primary meristems. In order to perform its function, protophloem is the first cell file to differentiate within the root meristem. During this process, protophloem cells undergo a partial programmed cell death, during which they build a thicker cell wall, degrade nucleus and tonoplast while plasma membrane stays functional. Interestingly, protophloem cells enter elongation process only after differentiation into sieve elements is completed. Here we show that brx mutants fail to differentiate protophloem cell file properly, a phenotype that can be distinguished by a presence of a "gap" cells, non-differentiated cells between two flanking differentiated cells. Discontinuity of protophloem differentiation in brx mutants is considered to be a consequence of local hyperactivity of CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3) signaling module. Interestingly, a CLE45 activity, most probably at the level of receptor binding, can be modulated by apoplastic pH. Altogether, our results imply that the activity of proton pumps, expressed in non-differentiated cells of protophloem, must be maintained under certain threshold, otherwise CLE45-BAM3 signaling pathway will be stimulated and in turn protophloem will not differentiate. Based on vacuolar morphology, a premature cell wall acidification in brx mutants stochastically prevents the protophloem differentiation. Only after protophloem differentiates, proton pumps can be activated in order to acidify apoplast and to support enucleated protophloem multifold elongation driven by surrounding cells growth. Finally, the protophloem differentiation failure would result in an auxin "traffic jam" in the upper parts of the root, created from the phloem-transported auxin that cannot be efficiently delivered to the meristem. Physiologically, auxin "leakage" from the plant vasculature network could have various consequences, since auxin is involved in the regulation of almost every aspect of plant growth and development. Thus, given that auxin stimulates lateral roots initiation and growth, this scenario explains more branched brx root system. Nevertheless, auxin is considered to activate plasma membrane proton pumps. Along with this, it has been shown that brx mutants acidify media much more than the wild type plants do, a trait that was proposed as an adaptive feature of naturally occurring brx null alleles in Arabidopsis populations found on acidic soils. Additionally, in our study we found that most of accessions originally collected from acidic sampling sites exhibit hypersensitivity to CLE45 treatment. This implies that adaptation of plants to acidic soil involves a positive selection pressure against upstream negative regulators of CLE45-BAM3 signaling, such as BRX. Perspective analysis of these accessions would provide more profound understanding of molecular mechanisms underlying plant adaptation to acidic soils. All these results are suggesting that targeting of the factors that affect protophloem differentiation is a good strategy of natural selection to change the root architecture and to develop an adaptation to a certain environment. -- Les plantes comme organismes sessiles ont développé différents mécanismes pour s'adapter aux conditions environnementales complexes dans lesquelles elles vivent. L'adaptation est le processus par lequel des traits vont évoluer via la sélection naturelle vers une amélioration fonctionnelle dans un contexte environnemental donné. Une adaptation à l'environnement est caractérisée par des changements génétiques dans des populations entières qui ont été fixés par la sélection naturelle sur plusieurs générations. Le gène BREVIS RADIX (BRX) a été identifié dans le crible d'une collection d'accessions naturelles d'Arabidopsis et a été caractérisé comme un régulateur de la croissance racinaire étant donné que le mutant perte-de-fonction montre une croissance racinaire primaire arrêtée au stade post-embryonnaire et présente de plus un système racinaire plus ramifié que la plante sauvage. Bien que le mutant perte-de-fonction brx cause une altération complète de l'architecture racinaire, l'activité de BRX n'est requise que dans la vascularisation racinaire, en particulier au niveau du protophloème. Le protophloème est un composant du réseau de transport du phloème et est responsable du transit des dérivés de la photosynthèse ainsi que des régulateurs de croissances, venant de la partie aérienne par le phloème mature (métaphloème) vers tous les méristèmes primaires de la plante. Pour pouvoir réaliser sa fonction, le protophloème est la première file de cellules à se différencier à l'intérieur du méristème de la racine. Pendant ce processus, les cellules du protophloème subissent une mort cellulaire programmée partielle durant laquelle elles épaississent leur paroi cellulaire, dégradent le noyau et le tonoplaste tandis que la membrane plasmique demeure fonctionnelle. De manière intéressante, les cellules du protophloème entament le processus d'allongement seulement après que la différenciation en tubes criblés soit complète. Ce travail montre que le mutant brx est incapable de mener à bien la différenciation de la file de cellules du protophloème, phénotype qui peut être visualisé par la présence de cellules 'trous', de cellules non différenciées entourées de deux cellules différenciées. La discontinuité de la différenciation du phloème dans le mutant brx est considérée comme la conséquence de l'hyperactivité localisée du module de signalisation CLA VA TA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3). De manière intéressante, l'activité de CLE45, très probablement au niveau de la liaison avec le récepteur, peut être modulé par le pH apoplastique. Pris ensemble, nos résultats impliquent que l'activité des pompes à protons, actives dans les cellules non différenciées du protophloème, doit être maintenue en dessous d'un certain seuil autrement la cascade de signalisation CLE45-BAM3 serait stimulée, en conséquence de quoi le protophloème ne pourrait se différencier. D'après la morphologie vacuolaire, une acidification prématurée de la paroi cellulaire dans le mutant brx empêche la différenciation du protophloème de manière stochastique. Une fois que le protophloème se différencie, les pompes à protons peuvent alors être activées afin d'acidifier l'apoplaste et ainsi faciliter l'allongement des cellules énuclées du protophloème, entraînées par la croissance des cellules environnantes. Finalement, la différenciation défectueuse du protophloème produit une accumulation d'auxine dans la partie supérieure de la racine car le phloème ne peut plus acheminer efficacement l'auxine au méristème. Physiologiquement, la 'fuite' d'auxine à partir du réseau vasculaire de la plante peut avoir des conséquences variées puisque l'auxine est impliquée dans la régulation de la majorité des aspects de la croissance et développement de la plante. Etant donné que l'auxine stimule l'initiation et développement des racines latérales, ce scénario pourrait expliquer le système racinaire plus ramifié du mutant brx. En plus, l'auxine est considérée comme un activateur des pompes à protons. Par ailleurs, nous avons montré que les mutants brx ont la capacité d'acidifier le milieu plus efficacement que les plantes sauvages, une caractéristique des populations sauvages <¥Arabidopsis poussant sur des sols acides et contenant les allèles délétés brx. De plus, dans nos résultats nous avons mis en évidence que la plupart des accessions collectées originellement sur des sites acidophiles montre une hypersensibilité au traitement par CLE45. Ceci implique que l'adaptation des plantes aux sols acides repose sur la pression de sélection positive à rencontre des régulateurs négatifs de CLE45- BAM3, situés en amont de la cascade, tel le produit du gène BRX. Les analyses de ces accessions pourraient aboutir à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires responsables de l'adaptation des plantes aux sols acides. Tous nos résultats suggèrent que le ciblage des facteurs affectant la différenciation du protophloème serait une stratégie gagnante dans la sélection naturelle pour changer l'architecture de la racine et ainsi s'adapter efficacement à un nouvel environnement.

Forage yield and quality of a dense thorny and thornless "jurema-preta" stand

The objective of this work was to compare forage production and quality of thorny and thornless "jurema-preta" (Mimosa tenuiflora (Willd.) Poiret) in a dense planted stand, subjected to annual pruning of fine branches, in Patos, PB, Brazil. The experiment consisted of two treatments (thornless and thorny "jurema-preta") in a complete randomized block design, with ten replicates of two linear plots subdivided in time. Forage mass and chemical composition of fine branches and the basal diameter of plants were measured during five years. Pruning decreased (p<0.05) increments in basal diameter and forage production. Annual dry matter yields reached 4,108 and 5,833 kg ha-1, respectively, for thornless and thorny plants, and forage quality was similar (p>0.05) for both genotypes. This roughage fodder (minimum NDF and ADF averages were 56±1.1% and 43±1.0%, respectively) had low P and K concentrations. Its average crude protein content was greater than 9.9±0.5%, which exceeds the minimum necessary for animal maintenance. Both "jurema-preta" genotypes tolerated pruning of fine branches and contributed with a significant amount of roughage fodder for animal maintenance in the dry season.

Functional expression of PHO1 to the Golgi and trans-Golgi network and its role in export of inorganic phosphate.

Arabidopsis thaliana PHO1 is primarily expressed in the root vascular cylinder and is involved in the transfer of inorganic phosphate (Pi) from roots to shoots. To analyze the role of PHO1 in transport of Pi, we have generated transgenic plants expressing PHO1 in ectopic A. thaliana tissues using an estradiol-inducible promoter. Leaves treated with estradiol showed strong PHO1 expression, leading to detectable accumulation of PHO1 protein. Estradiol-mediated induction of PHO1 in leaves from soil-grown plants, in leaves and roots of plants grown in liquid culture, or in leaf mesophyll protoplasts, was all accompanied by the specific release of Pi to the extracellular medium as early as 2-3 h after addition of estradiol. Net Pi export triggered by PHO1 induction was enhanced by high extracellular Pi and weakly inhibited by the proton-ionophore carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone. Expression of a PHO1-GFP construct complementing the pho1 mutant revealed GFP expression in punctate structures in the pericycle cells but no fluorescence at the plasma membrane. When expressed in onion epidermal cells or in tobacco mesophyll cells, PHO1-GFP was associated with similar punctate structures that co-localized with the Golgi/trans-Golgi network and uncharacterized vesicles. However, PHO1-GFP could be partially relocated to the plasma membrane in leaves infiltrated with a high-phosphate solution. Together, these results show that PHO1 can trigger Pi export in ectopic plant cells, strongly indicating that PHO1 is itself a Pi exporter. Interestingly, PHO1-mediated Pi export was associated with its localization to the Golgi and trans-Golgi networks, revealing a role for these organelles in Pi transport.

Organic acids in the rhizosphere and phytoavailability of sewage sludge-borne trace elements

The aim of this work was to quantify low molecular weight organic acids in the rhizosphere of plants grown in a sewage sludge-treated media, and to assess the correlation between the release of the acids and the concentrations of trace-elements in the shoots of the plants. The species utilized in the experiment were cultivated in sand and sewage sludge-treated sand. The acetic, citric, lactic, and oxalic acids, were identified and quantified by high performance liquid chromatography in samples collected from a hydroponics system. Averages obtained from each treatment, concentration of trace elements in shoots and concentration of organic acids in the rhizosphere, were compared by Tukey test, at 5% of probability. Linear correlation analysis was applied to verify an association between the concentrations of organic acids and of trace elements. The average composition of organic acids for all plants was: 43.2, 31.1, 20.4 and 5.3% for acetic, citric, lactic, and oxalic acids, respectively. All organic acids evaluated, except for the citric acid, showed a close statistical agreement with the concentrations of Cd, Cu, Ni, and Zn found in the shoots. There is a positive relationship between organic acids present in the rhizosphere and trace element phytoavailability.

Real-time, in vivo intracellular recordings of caterpillar-induced depolarization waves in sieve elements using aphid electrodes.

Plants propagate electrical signals in response to artificial wounding. However, little is known about the electrophysiological responses of the phloem to wounding, and whether natural damaging stimuli induce propagating electrical signals in this tissue. Here, we used living aphids and the direct current (DC) version of the electrical penetration graph (EPG) to detect changes in the membrane potential of Arabidopsis sieve elements (SEs) during caterpillar wounding. Feeding wounds in the lamina induced fast depolarization waves in the affected leaf, rising to maximum amplitude (c. 60 mV) within 2 s. Major damage to the midvein induced fast and slow depolarization waves in unwounded neighbor leaves, but only slow depolarization waves in non-neighbor leaves. The slow depolarization waves rose to maximum amplitude (c. 30 mV) within 14 s. Expression of a jasmonate-responsive gene was detected in leaves in which SEs displayed fast depolarization waves. No electrical signals were detected in SEs of unwounded neighbor leaves of plants with suppressed expression of GLR3.3 and GLR3.6. EPG applied as a novel approach to plant electrophysiology allows cell-specific, robust, real-time monitoring of early electrophysiological responses in plant cells to damage, and is potentially applicable to a broad range of plant-herbivore interactions.

Preliminary characterization of Psidium germplasm in different Brazilian ecogeographic regions

The objective of this work was to characterize 119 accessions of guava and 40 accessions of "araçá" sampled in 35 Brazilian ecoregions, according to the International Union for the Protection of New Varieties of Plants (UPOV) descriptors. The majority of "araçá" accessions presented wide spacing of leaf veins, while guava accessions presented medium to close spacing. Most fruits of "araçá" accessions were classified as small, contrasting with medium to large fruits of guava accessions. Most of "araçá" accessions (91%) presented white flesh fruit color, while 58% of guava accessions presented pale pink, pink and dark pink colors. Fruit differences among wild and cultivated Psidium species indicate fruit as the most altered trait under artificial selection.

Agronomic performance, chromosomal stability and resistance to velvetbean caterpillar of transgenic soybean expressing cry1Ac gene

The objective of this work was to analyze the agronomic performance and chromosomal stability of transgenic homozygous progenies of soybean [Glycine max (L.) Merrill.], and to confirm the resistance of these plants against Anticarsia gemmatalis. Eleven progenies expressing cry1Ac, hpt and gusA genes were evaluated for agronomic characteristics in relation to the nontransformed parent IAS 5 cultivar. Cytogenetical analysis was carried out on transgenic and nontransgenic plants. Two out of the 11 transgenic progenies were also evaluated, in vitro and in vivo, for resistance to A. gemmatalis. Two negative controls were used in resistance bioassays: a transgenic homozygous line, containing only the gusA reporter gene, and nontransgenic 'IAS 5' plants. The presence of cry1Ac transgene affected neither the development nor the yield of plants. Cytogenetical analysis showed that transgenic plants presented normal karyotype. In detached-leaf bioassay, cry1Ac plants exhibited complete efficacy against A. gemmatalis, whereas negative controls were significantly damaged. Whole-plant feeding assay confirmed a very high protection of cry1Ac against velvetbean caterpillar, while nontransgenic 'IAS 5' plants and homozygous gusA line exhibited 56.5 and 71.5% defoliation, respectively. The presence of cry1Ac transgene doesn't affect the majority of agronomic traits (including yield) of soybean and grants high protection against A. gemmatalis.

Processing of metacaspase into a cytoplasmic catalytic domain mediating cell death in Leishmania major.

Metacaspases are cysteine peptidases that could play a role similar to caspases in the cell death programme of plants, fungi and protozoa. The human protozoan parasite Leishmania major expresses a single metacaspase (LmjMCA) harbouring a central domain with the catalytic dyad histidine and cysteine as found in caspases. In this study, we investigated the processing sites important for the maturation of LmjMCA catalytic domain, the cellular localization of LmjMCA polypeptides, and the functional role of the catalytic domain in the cell death pathway of Leishmania parasites. Although LmjMCA polypeptide precursor form harbours a functional mitochondrial localization signal (MLS), we determined that LmjMCA polypeptides are mainly localized in the cytoplasm. In stress conditions, LmjMCA precursor forms were extensively processed into soluble forms containing the catalytic domain. This domain was sufficient to enhance sensitivity of parasites to hydrogen peroxide by impairing the mitochondrion. These data provide experimental evidences of the importance of LmjMCA processing into an active catalytic domain and of its role in disrupting mitochondria, which could be relevant in the design of new drugs to fight leishmaniasis and likely other protozoan parasitic diseases.

Colonization by mites of glacier-free areas in King George Island, Antarctica

This work aimed to investigate the ratio of colonization by terrestrial mites on ice-free areas created by the ongoing climate-induced melting of Antarctic glaciers. Glacier retreat opens new ice-free areas for the colonization by vegetation and animals. The study was undertaken on the Antarctic Specially Protected Area no. 128 (West Coast of the Admiralty Bay, King George Island, South Shetlands Islands). Transects marked between the Ecology, Baranowski and Windy Glaciers, and a sea shore were used to collect soil samples. Oribatid mites were found only on near-shore areas, on patches of vegetation of more than 30 years of age. The colonization by mite communities is strongly determined by the presence of plants.

Identification of reference genes for expression analysis by real-time quantitative PCR in drought-stressed soybean

The objective of this work was to validate, by quantitative PCR in real time (RT-qPCR), genes to be used as reference in studies of gene expression in soybean in drought-stressed trials. Four genes commonly used in soybean were evaluated: Gmβ-actin, GmGAPDH, GmLectin and GmRNAr18S. Total RNA was extracted from six samples: three from roots in a hydroponic system with different drought intensities (0, 25, 50, 75 and 100 minutes of water stress), and three from leaves of plants grown in sand with different soil moistures (15, 5 and 2.5% gravimetric humidity). The raw cycle threshold (Ct) data were analyzed, and the efficiency of each primer was calculated for an overall analysis of the Ct range among the different samples. The GeNorm application was used to evaluate the best reference gene, according to its stability. The GmGAPDH was the least stable gene, with the highest mean values of expression stability (M), and the most stable genes, with the lowest M values, were the Gmβ-actin and GmRNAr18S, when both root and leaves samples were tested. These genes can be used in RT-qPCR as reference gene for expression analysis.

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.