Phytohormone collaboration: zooming in on auxin-brassinosteroid interactions.

Similar to animal hormones, classic plant hormones are small organic molecules that regulate physiological and developmental processes. In development, this often involves the regulation of growth through the control of cell size or division. The plant hormones auxin and brassinosteroid modulate both cell expansion and proliferation and are known for their overlapping activities in physiological assays. Recent molecular genetic analyses in the model plant Arabidopsis suggest that this reflects interdependent and often synergistic action of the two hormone pathways. Such pathway interactions probably occur through the combinatorial regulation of common target genes by auxin- and brassinosteroid-controlled transcription factors. Moreover, auxin and brassinosteroid signaling and biosynthesis and auxin transport might be linked by an emerging upstream connection involving calcium-calmodulin and phosphoinositide signaling.

Family business: Multiple members of major phytohormone classes orchestrate plant stress responses

Low-molecular-weight compounds such as jasmonic, abscisic and salicylic acids are commonly thought to be regulators of plant stress responses. However, it is becoming clear that these molecules, often referred to as phytohormones, are only a part of bigger groups of compounds with biological activity. We propose that the concept of "hormone families" may help to better understand plant physiological responses by taking into account not only the alleged main regulators, but also their precursors, conjugates and catabolites. Novel approaches to profile potentially active compounds in plants are discussed.

Transcriptome, carbohydrate, and phytohormone analysis of Petunia hybrida reveals a complex disturbance of plant functional integrity under mild chilling stress

Cultivation of chilling-tolerant ornamental crops at lower temperature could reduce the energy demands of heated greenhouses. To provide a better understanding of how sub-optimal temperatures (12 degrees C vs. 16 degrees C) affect growth of the sensitive Petunia hybrida cultivar 'SweetSunshine Williams', the transcriptome, carbohydrate metabolism, and phytohormone homeostasis were monitored in aerial plant parts over 4 weeks by use of a microarray, enzymatic assays and GC-MS/MS. The data revealed three consecutive phases of chilling response. The first days were marked by a strong accumulation of sugars, particularly in source leaves, preferential up-regulation of genes in the same tissue and down-regulation of several genes in the shoot apex, especially those involved in the abiotic stress response. The midterm phase featured a partial normalization of carbohydrate levels and gene expression. After 3 weeks of chilling exposure, a new stabilized balance was established. Reduced hexose levels in the shoot apex, reduced ratios of sugar levels between the apex and source leaves and a higher apical sucrose/hexose ratio, associated with decreased activity and expression of cell wall invertase, indicate that prolonged chilling induced sugar accumulation in source leaves at the expense of reduced sugar transport to and reduced sucrose utilization in the shoot. This was associated with reduced levels of indole-3-acetic acid and abscisic acid in the apex and high numbers of differentially, particularly up-regulated genes, especially in the source leaves, including those regulating histones, ethylene action, transcription factors, and a jasmonate-ZIM-domain protein. Transcripts of one Jumonji C domain containing protein and one expansin accumulated in source leaves throughout the chilling period. The results reveal a dynamic and complex disturbance of plant function in response to mild chilling, opening new perspectives for the comparative analysis of differently tolerant cultivars.

Isolation of a novel G-protein gamma-subunit from Arabidopsis thaliana and its interaction with G beta

There is increasing evidence that heterotrimeric G-proteins (G-proteins) are involved in many plant processes including phytohormone response, pathogen defence and stomatal control. In animal systems, each of the three G-protein subunits belong to large multigene families; however, few subunits have been isolated from plants. Here we report the cloning of a second plant G-protein γ-subunit (AGG2) from Arabidopsis thaliana. The predicted AGG2 protein sequence shows 48% identity to the first identified Arabidopsis Gγ-subunit, AGG1. Furthermore, AGG2 contains all of the conserved characteristics of γ-subunits including a small size (100 amino acids, 11.1 kDa), C-terminal CAAX box and a N-terminal α-helix region capable of forming a coiled-coil interaction with the β-subunit. A strong interaction between AGG2 and both the tobacco (TGB1) and Arabidopsis (AGB1) β-subunits was observed in vivo using the yeast two-hybrid system. The strong association between AGG2 and AGB1 was confirmed in vitro. Southern and Northern analyses showed that AGG2 is a single copy gene in Arabidopsis producing two transcripts that are present in all tissues tested. The isolation of a second γ-subunit from A. thaliana indicates that plant G-proteins, like their mammalian counterparts, may form different heterotrimer combinations that presumably regulate multiple signal transduction pathways.

Endophytische Mikroorganismen als Produzenten von Pflanzenmetaboliten - Ein Überblick

In vorliegender Bachelorarbeit werden publizierte Panzenmetaboliten, die von endophytischen Mikroorganismen produziert werden, in einer Übersicht zusammengefasst. Endophyten sind Mikroorganismen, die symptomlos in Panzen vorkommen. Sie verursachen keine offensichtlichen Schäden, da sie nach ersten Definitionen nicht pathogen sind. Spätere Publikationen geben an, dass durch Veränderungen des ausgewogenen Erreger-Wirts-Antagonismus eine pathogene Interaktion auftreten kann. Mögliche Endophyten-Wirts-Interaktionen werden genannt. Anschlieÿend wird aufproduzierte Metaboliten wie z. B. Phytohormone oder Alkaloide eingegangen, diedas Panzenwachstum oder die Insektenabwehr beeinussen. Die Gewinnung der Metaboliten aus den Endophyten wird anschließend angeschnitten. Letztendlich werden Produkte vorgestellt, die auf dem Markt verfügbar sind. Als durchgehendes Beispiel wird Paclitaxel benutzt, ein anticancerogener Wirkstoff, der ursprünglich aus der Rinde der Pazifischen Eibe gewonnen wurde.

Peroxisomal beta-oxidation--a metabolic pathway with multiple functions.

Fatty acid degradation in most organisms occurs primarily via the beta-oxidation cycle. In mammals, beta-oxidation occurs in both mitochondria and peroxisomes, whereas plants and most fungi harbor the beta-oxidation cycle only in the peroxisomes. Although several of the enzymes participating in this pathway in both organelles are similar, some distinct physiological roles have been uncovered. Recent advances in the structural elucidation of numerous mammalian and yeast enzymes involved in beta-oxidation have shed light on the basis of the substrate specificity for several of them. Of particular interest is the structural organization and function of the type 1 and 2 multifunctional enzyme (MFE-1 and MFE-2), two enzymes evolutionarily distant yet catalyzing the same overall enzymatic reactions but via opposite stereochemistry. New data on the physiological roles of the various enzymes participating in beta-oxidation have been gathered through the analysis of knockout mutants in plants, yeast and animals, as well as by the use of polyhydroxyalkanoate synthesis from beta-oxidation intermediates as a tool to study carbon flux through the pathway. In plants, both forward and reverse genetics performed on the model plant Arabidopsis thaliana have revealed novel roles for beta-oxidation in the germination process that is independent of the generation of carbohydrates for growth, as well as in embryo and flower development, and the generation of the phytohormone indole-3-acetic acid and the signal molecule jasmonic acid.

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

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

The Role of AtPHO1 in the Guard Cell Movements of Arabidopsis thaliana

In plants, stomatal opening and closing are driven by ion fluxes that cause changes in guard cell turgor and volume, a process that is in turn regulated by complex environ¬mental and hormonal signals such as light and the phytohormone abscisic acid (ABA). With this study, we present genetic evidence that stomatal movements in response to ABA are influenced by PHOl expression in guard cells of Arabidopsis thaliana. PHOl is a phosphate exporter involved in phosphate loading into the root xylem ves¬sels and, as a result, the phol mutant is characterized by low shoot phosphate lev¬els. In leaves, PHOl was found expressed at higher level in guard cells, and was quickly up-regulated following treatment with ABA. The phol mutant was unaffected in ROS production following ABA treatment, and in stomatal movements in response to different light cues, high extracellular calcium, auxin, and fusicoccin. However, stomatal movements in response to ABA treatment were severely impaired, both in terms of induction of closure and inhibition of opening. Stomatal movements in re¬sponse to hydrogen peroxide and reduced CO2 was altered as well. Micro-grafting a phol shoot scion onto wild-type root stock resulted in plants with normal shoot growth and Pi content, but failed to restore normal stomatal response to ABA treat-ment, showing that the impairment was not a simple pleiotropic consequence of phos¬phate deficiency. PHOl knockdown using RNAi specifically in guard cells of wild-type plants caused a reduced stomatal response to ABA. In agreement, specific expression of PHOl in guard cells of phol plants complemented the mutant guard cell phenotype and re-established ABA sensitivity, although full functional complementation was co- dependent on shoot Pi sufficiency. Down-regulation of PHOl in guard cells did not alter the expression of ABA marker genes, indicating that PHOl does not affect the ABA signal transduction cascade at the transcriptional level. Together, these data reveal an important role for phosphate and PHOl action in the stomatal response to ABA. Résumé L'ouverture et la fermeture des stomates des plantes sont des mouvements contrôlés par des flux d'ions causant des fluctuations de la turgescence des cellules de garde. Ce procédé est en retour régulé par des signaux environnementaux et hormonaux complexes, comme la lumière et l'hormone végétale acide abscissique (ABA). Nous présentons ici des preuves génétiques montrant que les mouvements stomatiques en réponse à l'ABA sont influencés par l'expression de PHOl dans les cellules de garde d'Arabidopsis thaliana. PHOl est un exporteur de phosphate, impliqué dans l'efflux de phosphate des cellules corticales racinaires vers les vaisseaux de xylème. En con¬séquence, le mutant phol est caractérisé par de faibles niveaux de phosphate dans les parties aériennes. Dans les feuilles, PHOl est exprimé préférentiellement dans les cellules de garde, comparé au mésophylle, et est rapidement induit par le traitement à l'ABA. Le mutant phol n'est pas affecté dans la perception de l'ABA, dans la pro¬duction de ROS en réponse à l'ABA, et dans la réponse des stomates aux traitements de lumière, à l'auxine, à la fusiccocine, et la forte concentration extracellulaire de cal¬cium. En revanche, les mouvements de stomates en réponse aux traitements à l'ABA sont fortement affectés, dans l'induction de la fermeture des stomates comme dans l'inhibition de leur ouverture. De plus, les mouvements de stomates en réponse au péroxyde d'hydrogène et à la diminution du CO2 sont aussi compromis. La création de micro-greffes composées d'une partie aérienne phol greffés sur un système racinaire sauvage génère des plantes avec une croissance et une teneur en phosphate normale, mais ne permet pas de restaurer la réponse des stomates à l'ABA, ce qui démontre que le défaut de réponse à l'ABA n'est pas une simple conséquence pléiotropique de la carence en phosphate. La répression par RNAi de l'expression de PHOl dans les stomates de plantes sauvages provoque une réduction de la réponse des stomates à l'ABA, mais n'affecte pas la réponse de gènes marqueurs à l'ABA, ce qui suggère que PHOl n'agit pas au niveau transcriptionnel. Parallèlement, l'expression de PHOl dans les cellules de gardes de mutants phol complémente le phénotype stomatique mutant et rétablit la réponse à l'ABA, bien que la totale complémentation nécessite l'apport normal de phosphate aux parties aériennes. Ensemble, ces résultats révè¬lent l'influence importante de PHOl et du phosphate dans la réponse des stomates à l'ABA.

Plasma membrane H+-ATPase regulation is required for auxin gradient formation preceding phototropic growth.

Phototropism is a growth response allowing plants to align their photosynthetic organs toward incoming light and thereby to optimize photosynthetic activity. Formation of a lateral gradient of the phytohormone auxin is a key step to trigger asymmetric growth of the shoot leading to phototropic reorientation. To identify important regulators of auxin gradient formation, we developed an auxin flux model that enabled us to test in silico the impact of different morphological and biophysical parameters on gradient formation, including the contribution of the extracellular space (cell wall) or apoplast. Our model indicates that cell size, cell distributions, and apoplast thickness are all important factors affecting gradient formation. Among all tested variables, regulation of apoplastic pH was the most important to enable the formation of a lateral auxin gradient. To test this prediction, we interfered with the activity of plasma membrane H(+)-ATPases that are required to control apoplastic pH. Our results show that H(+)-ATPases are indeed important for the establishment of a lateral auxin gradient and phototropism. Moreover, we show that during phototropism, H(+)-ATPase activity is regulated by the phototropin photoreceptors, providing a mechanism by which light influences apoplastic pH.

TRANSCRIPTION FACTORS INVOLVED IN PLANT DEFENCE AGAINST INSECT HERBIVORES IN ARABIDOPSIS THALIANA

Afin de pouvoir se défendre contre les insectes nuisibles, les plantes ont développé plusieurs stratégies leur permettant de maximiser leurs chances de survie et de reproduction. Parmi elles, les plantes sont souvent pourvues de barrières physiques telles que les poils urticants, les épines et la cuticule. En plus, les plantes sont capables de produire des protéines anti-digestives et des métabolites secondaires insecticides tels que la nicotine, les tannins ou les glucosinolates (GS). La mise en place de ces barrières physiques et chimiques comporte un coût énergétique au détriment de la croissance et de la reproduction. Par conséquent, en absence d'insectes, la plante investit la majeure partie de son énergie dans le développement et la croissance. A l'inverse, une blessure causée par un insecte provoquera une croissance ralentie, une augmentation de la densité de poils urticants ainsi que la synthèse de défenses chimiques. Au niveau moléculaire, cette défense inductible est régulée par l'hormone végétale acide jamsonique (AJ). En réponse à l'attaque d'un insecte, la plante produit cette hormone en grande quantité, ce qui se traduira par une forte expression de gènes de défense. Pendant ma thèse, j'ai essayé de découvrir quels étaient les facteurs de transcription (FT) responsables de l'expression des gènes de défense dans Arabidopsis thaliana. J'ai ainsi pu démontrer que des plantes mutées dans les FTs comme MYC2, MYC3, MYC4, ZAT10, ZAT12, AZF2, WRKY18, WRKY40, WRKY6, ANAC019, ANAC55, ERF13 et RRTF1 deviennent plus sensibles aux insects de l'espèce Spodoptera littoralis. Par la suite, j'ai également pu montrer que MYC2, MYC3 et MYC4 sont probablement la cible principale de la voie de signalisation du AJ et qu'ils sont nécessaires pour l'expression de la majorité des gènes de défense dont la plupart sont essentiels à la biosynthèse des GS. Une plante mutée simultanément dans ces trois protéines est par conséquent incapable de synthétiser des GS et devient hypersensible aux insectes. J'ai également pu démontrer que les GS sont uniquement efficaces contre les insectes généralistes tels S. littoralis et Heliothis virescens alors que les insectes spécialisés sur les Brassicaceae comme Pieris brassicae et Plutella xylostella se sont adaptés en développant des mécanismes de détoxification. - In response to herbivore insects, plants have evolved several defence strategies to maximize their survival and reproduction. For example, plants are often endowed with trichomes, spines and a thick cuticule. In addition, plants can produce anti-digestive proteins and toxic secondary metabolites like nicotine, tannins and glucosinolates (GS). These physical and chemical barriers have an energetic cost to the detriment of growth and reproduction. As a consequence, in absence of insects, plants allocate their energy to development and growth. On the contrary, an attack by herbivore insects will affect plant growth, increase trichome density and induce the production of anti-digestive proteins and secondary metabolites. At the molecular level, this inducible defence is regulated by the phytohormone jasmonic acid (JA). Thus, an attack by herbivores will be followed by a burst of JA that will induce the expression of defence genes. The aim of my thesis was to characterize which transcription factors (TF) regulate the expression of these defence genes in Arabidopsis thaliana. I could show that plants mutated in various TFs like MYC2, MYC3, MYC4, ZAT10, ZAT12, AZF2, WRKY18, WRKY40, WRKY6, ANAC019, ANAC55, ERF 13 and RRTFl were more susceptible to the herbivore Spodoptera littoralis. Furthermore, I could demonstrate that MYC2, MYC3 and MYC4 are probably the main target of the JA-signalling pathway and that they are necessary for the insect-mediated induction of most defence genes including genes involved in the biosynthesis of GS. A triple mutant myc2myc3myc4 is depleted of GS and consequently hypersensitive to insects. Moreover, I showed that GS are only efficient against generalist herbivores like S. littoralis and Heliothis virescens whereas specialized insects like Pieris brassicae and Plutella xylostella have evolved detoxification mechanisms against GS.

Cobalt and molybdenum concentrated suspension for soybean seed treatment

The concentrated suspension (CS), the basis of Mo trioxide, allows high Mo concentrations and is therefore a technical advance for seed treatment, since it allows the recommendation of the Mo at lower dosage than with the liquid solution formulations (LS). The purpose of this research was to evaluate the efficiency and doses of fertilizer with Mo and Co in concentrated suspension in comparison with liquid solution as well as fertilizers associated with phytohormones, applied in seed treatments, and their effect on soybean yield. Two experiments were carried out in the growing seasons of 2004/2005 and 2005/2006 at the Universidade Federal de Uberlandia (UFU).The first was conducted in an experimental area on the Fazenda Capim Branco, with six treatments and four replications: (1) Mo and Co (CS) - 22 g ha-1 + 1.08 g ha-1; (2) Mo and Co (CS) - 22 g ha-1 + + 1.08 g ha-1 + phytohormone -200 mL ha-1; 3) Mo and Co (LS), 20.7 g ha-1 + 4.13 g ha-1; 4) Mo and Co (LS), 20.7 g ha-1 + 4.13 g ha-1 + phytohormone -200 mL ha-1; (5) + control phytohormone-200 mL ha-1; and (6) control (free of Mo and Co in the seed treatment). The phytohormone consisted of: auxin (11 mg L-1) and cytokynin (0.031 mg L-1). The soybean cultivar Monsoy 8004 was used and a fertilization of 400 kg ha-1 of 02-20-20 NPK fertilizer was applied at sowing. Based on the results of the first experiment, the second was conducted on the Fazenda Floresta do Lobo, in Uberlândia, MG, evaluated in a randomized block design with nine treatments and four replications. The treatments consisted of Mo and Co (g ha-1) doses applied to soybean seeds, as CS formulation (15, 25, 35, 45, 60 and 0.74; 1.23; 1.72; 2.21; 2.95) and LS- (15; 20; 25 and 3.18; 4.25; 5.31), respectively, and the control (free of Mo and Co in the seed treatment). The variety Monarch was used, fertilized with 300 kg ha-1 of NPK fertilizer (03-32-06) at sowing; and 78 kg ha-1 (K2O) in topdressing 30 days after soybean emergence. The Mo and Co doses in the seed treatment with LS and CS resulted in higher soybean yields than in the control, from 20 g ha-1 Mo and 4.25 g ha-1 Co in liquid solution and 35 g ha-1Mo and 1.72 g ha-1 Co in the concentrated suspension.

Study of the regulation of antifungal activity in plant-associated pseudomas fluorescens

RésuméEn agriculture d'énormes pertes sont causées par des champignons telluriques pathogènes tels que Thielaviopsis, Fusarium, Gaeumannomyces et Rhizoctonia ou encore l'oomycète Pythium. Certaines bactéries dites bénéfiques, comme Pseudomonas fluorescens, ont la capacité de protéger les plantes de ces pathogènes par la colonisation de leur racines, par la production de métabolites secondaires possédants des propriétés antifongiques et par l'induction des mécanismes de défenses de la plante colonisée. P. fluorescens CHAO, une bactérie biocontrôle isolée d'un champ de tabac à Payerne, a la faculté de produire un large spectre de métabolites antifongiques, en particulier le 2,4- diacétylphloroglucinol (DAPG), la pyolutéorine (PLT), le cyanure d'hydrogène (HCN), la pyrrolnitrine (PRN) ainsi que des chélateurs de fer.La plante, par sécrétion racinaire, produit des rhizodéposites, source de carbone et d'azote, qui profitent aux populations bactériennes vivant dans la rhizosphere. De plus, certains stresses biotiques et abiotiques modifient cette sécrétion racinaire, en terme quantitatif et qualitatif. De leur côté, les bactéries bénéfiques, améliorent, de façon direct et/ou indirect, la croissance de la plante hôte. De nombreux facteurs biotiques et abiotiques sont connus pour réguler la production de métabolites secondaires chez les bactéries. Des études récentes ont démontré l'importance de la communication entre la plante et les bactéries bénéfiques afin que s'établisse une interaction profitant à chacun des deux partis. Il est ainsi vraisemblable que les populations bactériennes associées aux racines soient capables d'intégrer ces signaux et d'adapter spécifiquement leur comportement en conséquence.La première partie de ce travail de thèse a été la mise au point d'outils basés sur la cytométrie permettant de mesurer l'activité antifongique de cellules bactériennes individuelles dans un environnent naturel, les racines des plantes. Nous avons démontré, grâce à un double marquage aux protéines autofluorescentes GFP et mCherry, que les niveaux d'expression des gènes impliqués dans la biosynthèse des substances antifongiques DAPG, PLT, PRN et HCN ne sont pas les mêmes dans des milieux de cultures liquides que sur les racines de céréales. Par exemple, l'expression de pltA (impliqué dans la biosynthèse du PLT) est quasiment abolie sur les racines de blé mais atteint un niveau relativement haut in vitro. De plus cette étude a mis en avant l'influence du génotype céréalien sur l'expression du gène phlA qui est impliqué dans la biosynthèse du DAPG.Une seconde étude a révélé la communication existant entre une céréale (orge) infectée par le pathogène tellurique Pythium ultimum et P. fluorescens CHAO. Un système de partage des racines nous a permis de séparer physiquement le pathogène et la bactérie bénéfique sur la plante. Cette méthode a donné la possibilité d'évaluer l'effet systémique, causé par l'attaque du pathogène, de la plante sur la bactérie biocontrôle. En effet, l'infection par le phytopathogène modifie la concentration de certains composés phénoliques dans les exsudats racinaires stimulant ainsi l'expression de phi A chez P.fluorescens CHAO.Une troisième partie de ce travail focalise sur l'effet des amibes qui sont des micro-prédateurs présents dans la rhizosphere. Leur présence diminue l'expression des gènes impliqués dans la biosynthèse du DAPG, PLT, PRN et HCN chez P.fluorescens CHAO, ceci en culture liquide et sur des racines d'orge. De plus, des molécules provenant du surnageant d'amibes, influencent l'expression des gènes requis pour la biosynthèse de ces antifongiques. Ces résultats illustrent que les amibes et les bactéries de la rhizosphere ont développé des stratégies pour se reconnaître et adapter leur comportement.La dernière section de ce travail est consacrée à l'acide indole-acétique (LA.A), une phytohormone connue pour son effet stimulateur sur phlA. Une étude moléculaire détaillée nous a démontré que cet effet de l'IAA est notamment modulé par une pompe à efflux (FusPl) et de son régulateur transcriptionnel (MarRl). De plus, les gènes fusPl et marRl sont régulés par d'autres composés phénoliques tels que le salicylate (un signal végétal) et l'acide fusarique (une phytotoxine du pathogène Fusarium).En résumé, ce travail de thèse illustre la complexité des interactions entre les eucaryotes et procaryotes de la rhizosphère. La reconnaissance mutuelle et l'instauration d'un dialogue moléculaire entre une plante hôte et ses bactéries bénéfiques associées? sont indispensables à la survie des deux protagonistes et semblent être hautement spécifiques.SummaryIn agriculture important crop losses result from the attack of soil-borne phytopathogenic fungi, including Thielaviopsis, Fusarium, Gaeumannomyces and Rhizoctonia, as well as from the oomycete Pythium. Certain beneficial microorganisms of the rhizosphere, in particular Pseudomonas fluorescens, have the ability to protect plants against phytopathogens by the intense colonisation of roots, by the production of antifungal exoproducts, and by induction of plant host defences. P. fluorescens strain CHAO, isolated from a tobacco field near Payerne, produces a large array of antifungal exoproducts, including 2,4-diacetylphloroglucinol (DAPG), pyoluteorin (PLT), hydrogen cyanide (HCN), pyrrolnitrin (PRN) and iron chelators. Plants produce rhizodeposites via root secretion and these represent a relevant source of carbon and nitrogen for rhizosphere microorganisms. Various biotic and abiotic stresses influence the quantity and the quality of released exudates. One the other hand, beneficial bacteria directly or indirectly promote plant growth. Biotic and abiotic factors regulate exoproduct production in biocontrol microorganisms. Recent studies have highlighted the importance of communication in establishing a fine-tuned mutualist interaction between plants and their associated beneficial bacteria. Bacteria may be able to integrate rhizosphere signals and adapt subsequently their behaviour.In a first part of the thesis, we developed a new method to monitor directly antifungal activity of individual bacterial cells in a natural environment, i.e. on roots of crop plants. We were able to demonstrate, via a dual-labelling system involving green and red fluorescent proteins (GFP, mCherry) and FACS-based flow cytometry, that expression levels of biosynthetic genes for the antifungal compounds DAPG, PLT, PRN, and HCN are highly different in liquid culture and on roots of cereals. For instance, expression of pltA (involved in PLT biosynthesis) was nearly abolished on wheat roots whereas it attained a relatively high level under in vitro conditions. In addition, we established the importance of the cereal genotype in the expression of phi A (involved in DAPG biosynthesis) in P. fluorescens CHAO.A second part of this work highlighted the systemic communication that exists between biocontrol pseudomonads and plants following attack by a root pathogen. A split-root system, allowing physical separation between the soil-borne oomycete pathogen Phytium ultimum and P. fluorescens CHAO on barley roots, was set up. Root infection by the pathogen triggered a modification of the concentration of certain phenolic root exudates in the healthy root part, resulting in an induction ofphlA expression in P. fluorescens CHAO.Amoebas are micro-predators of the rhizosphere that feed notably on bacteria. In the third part of the thesis, co-habitation of Acanthamoeba castellanii with P. fluorescens CHAO in culture media and on barley roots was found to significantly reduce bacterial expression of genes involved in the biosynthesis of DAPG, PLT, HCN and PRN. Interestingly, molecular cues present in supernatant of A. castelanii induced the expression of these antifungal genes. These findings illustrate the strategies of mutual recognition developed by amoeba and rhizosphere bacteria triggering responses that allow specific adaptations of their behaviour.The last section of the work focuses on indole-3-acetic acid (IAA), a phytohormone that stimulates the expression of phi A. A detailed molecular study revealed that the IAA-mediated effect on phi A is notably modulated by an efflux pump (FusPl) and its transcriptional regulator (MarRl). Remarkably, transcription of fusPl and marRl was strongly upregulated in presence of other phenolic compounds such as salicylate (a plant signal) and fusaric acid (a phytotoxin of the pathogenic fungus Fusarium).To sum up, this work illustrates the great complexity of interactions between eukaryotes and prokaryotes taking place in the rhizosphere niche. The mutual recognition and the establishment of a molecular cross-talk between the host plant and its associated beneficial bacteria are essential for the survival of the two partners and these interactions appear to be highly specific.

Auxin-mediated plant architectural changes in response to shade and high temperature.

The remarkable plasticity of their architecture allows plants to adjust growth to the environment and to overcome adverse conditions. Two examples of environmental stresses that drastically affect shoot development are imminent shade and high temperature. Plants in crowded environments and plants in elevated ambient temperature display very similar phenotypic adaptations of elongated hypocotyls in seedlings and elevated and elongated leaves at later developmental stages. The comparable growth responses to shade and high temperature are partly regulated through shared signaling pathways, of which the phytohormone auxin and the phytochrome interacting factors (PIFs) are important components. During both shade- and temperature-induced elongation growth auxin biosynthesis and signaling are upregulated in a PIF-dependent manner. In this review we will discuss recent progress in our understanding of how auxin mediates architectural adaptations to shade and high temperature.

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.

Genome-wide transcriptional responses to shade: Linking shade avoidance and auxin

Plants have the ability to use the composition of incident light as a cue to adapt development and growth to their environment. Arabidopsis thaliana as well as many crops are best adapted to sunny habitats. When subjected to shade, these plants exhibit a variety of physiological responses collectively called shade avoidance syndrome (SAS). It includes increased growth of hypocotyl and petioles, decreased growth rate of cotyledons and reduced branching and crop yield. These responses are mainly mediated by phytochrome photoreceptors, which exist either in an active, far-red light (FR) absorbing or an inactive, red light (R) absorbing isoform. In direct sunlight, the R to FR light (R/FR) ratio is high and converts the phytochromes into their physiologically active state. The phytochromes interact with downstream transcription factors such as PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR (PIF), which are subsequently degraded. Light filtered through a canopy is strongly depleted in R, which result in a low R/FR ratio and renders the phytochromes inactive. Protein levels of downstream transcription factors are stabilized, which initiates the expression of shade-induced genes such as HFR1, PIL1 or ATHB-2. In my thesis, I investigated transcriptional responses mediated by the SAS in whole Arabidopsis seedlings. Using microarray and chromatin immunoprecipitation data, we identified genome-wide PIF4 and PIF5 dependent shade regulated gene as well as putative direct target genes of PIF5. This revealed evidence for a direct regulatory link between phytochrome signaling and the growth promoting phytohormone auxin (IAA) at the level of biosynthesis, transport and signaling. Subsequently, it was shown, that free-IAA levels are upregulated in response to shade. It is assumed that shade-induced auxin production takes predominantly place in cotyledons of seedlings. This implies, that IAA is subsequently transported basipetally to the hypocotyl and enhances elongation growth. The importance of auxin transport for growth responses has been established by chemical and genetic approaches. To gain a better understanding of spatio-temporal transcriptional regulation of shade-induce auxin, I generated in a second project, an organ specific high throughput data focusing on cotyledon and hypocotyl of young Arabidopsis seedlings. Interestingly, both organs show an opposite growth regulation by shade. I first investigated the spatio-transcriptional regulation of auxin re- sponsive gene, in order to determine how broad gene expression pattern can be explained by the hypothesized movement of auxin from cotyledons to hypocotyls in shade. The analysis suggests, that several genes are indeed regulated according to our prediction and others are regulated in a more complex manner. In addition, analysis of gene families of auxin biosynthetic and transport components, lead to the identification of essential family members for shade-induced growth re- sponses, which were subsequently experimentally confirmed. Finally, the analysis of expression pattern identified several candidate genes, which possibly explain aspects of the opposite growth response of the different organs.