Teses / dissertações sobre o tema "Phénotypage plante"

La plupart des plantes maintiennent activement une posture érigée (principalement verticale et rectiligne) de tout ou partie de leur système aérien. Pour réaliser cela, les tiges développent des mouvements complexes. Lorsqu'une plante est penchée par rapport à la verticale en l'absence de la lumière, elle va se courber de sorte à se redresser. Des formes transitoires sont alors observés, différentes suivant les espèces, certaines ne dépassant jamais localement la verticale, lorsque d'autres présentent des formes en C, voire en S. Nous avons développé un modèle dynamique minimal qui ne dépend que de deux termes. Le premier terme, graviceptif, amène la tige à se courber vers le haut, tant qu'elle n'est pas verticale, et le deuxième, proprioceptif, tend au contraire à réduire la courbure pour maintenir la tige rectiligne. Un équilibre proprio-gravitropique, entre la verticalité et la courbure de la plante, est alors atteint. Un nombre sans dimension, B, rapport des sensibilités relatives, permet de décrire à la fois la dynamique et la forme d'équilibre et ainsi de comparer des espèces présentant des échelles très différentes, en taille ou en temps. Une estimation de B à partir de la mesure de la longueur en croissance et de la longueur de la zone courbée sur la forme finale, et de caractérisation simples des formes transitoires montre que le modèle graviproprioceptif capture bien les différentes transitions possibles. Cela permet de proposer un protocole simple de phénotypage des plantes. Une analyse cinématique fine de la croissance élongationelle et des courbures liées à la croissance différentielle mets en évidence d'autres effets plus subtils, comme un comportement oscillatoire propagatif couplé entre vitesse de croissance élongationelle et courbure-décourbure active. Cela suggère une régulation plus fine, probablement en lien avec le transport polarisé d'auxine et une croissance cellulaire rythmique.

Améliorer le taux de reprise des jeunes plants greffés/soudés afin de limiter leur dépérissement futur au vignoble est un enjeu majeur pour la pépinière viticole. Cela passe notamment par une meilleure compréhension des capacités d'enracinement et de la mise en place de l'architecture racinaire après implantation, en lien avec l'efficacité des racines à coloniser le sol et prélever les ressources hydro-minérales. De nombreux facteurs génétiques, physiologiques ou environnementaux modifient ces processus chez la vigne. Parmi eux, le statut nutritionnel du matériel végétal initial pourrait être déterminant. Cette thèse a pour objectif de caractériser, chez la jeune vigne en conditions contrôlées, l'influence de la disponibilité initiale en réserves carbonées et azotées sur la rhizogenèse, la croissance et la plasticité des traits morphologiques du système racinaire pour différents génotypes de porte-greffes, contrastés en termes de développement racinaire. Il sera notamment recherché si les processus d'émission, d'élongation et de ramification racinaire sont différemment impactés par la teneur locale en sucres et la nature du greffon. Ces données serviront également à calibrer un premier modèle de développement racinaire pour la vigne
Improving the recovery rate of young grafted grapevines in order to limit their future decline in vineyards is a major challenge for nurseries and grape growers. This requires a better understanding of their rooting capacities and the establisment of their root system architecture (RSA) after implantation, in particular in relation to their efficiencies in soil prospection and soil resources capture. Many genetic, physiological or environmental factors modify these processes in grapes. Among them, the nutritional status of the mother plant material could be decisive. The aim of this thesis is to characterize, in young vines mostly under controlled conditions, the influence of the initial availability of carbon and nitrogen reserves on rhizogenesis, growth and plasticity of the morphological traits of the root system for different Vitis rootstock genotypes contrasted in terms of root development. In particular, it will be investigated whether the processes of root emission, elongation and branching are differently affected by the local carbohydrates content and the nature of the graft. These data will also be used to calibrate a first model of root system development for the vine. Such functional-structural root model is a promising way to overcome in situ root phenotyping issues and can serve as a basis for the development of root ideotypes in silico by highlighting the underlying genetic mechanisms and parameters that are most likely influence RSA

D’ici la fin du siècle, les prévisions climatiques prévoient une diminution de la quantité et de la régularité des pluies s’accompagnant d’une augmentation du risque de sècheresse en Europe et dans de nombreuses régions du monde. La création de nouvelles variétés de maïs plus tolérantes au stress hydrique est un levier indispensable pour faire face à ces contraintes futures. L’objectif principal de cette thèse est d’approfondir les connaissances des déterminismes génétiques de la tolérance à la sècheresse chez le maïs. Pour ce faire, il est proposé de disséquer ce caractère complexe en caractères physiologiques sous-jacents dont le déterminisme génétique est a priori plus simple. L’évolution de l’indice foliaire vert (GLAI : Green Leaf Area Index) au cours du cycle de la plante, par son rôle majeur dans l’interception lumineuse, la transpiration et les échanges de CO2, est un caractère secondaire prometteur pour identifier les bases génétiques de la tolérance à la sècheresse et en améliorer la compréhension. Au cours de cette thèse, nous avons développé une méthode de phénotypage haut débit permettant d’estimer la cinétique du GLAI au champ. Cette méthode combine la caractérisation multispectrale par drone et l’utilisation d’un modèle physiologique simple de GLAI. Elle permet d’estimer la cinétique du GLAI de manière continue sur l’ensemble du cycle de la plante avec une bonne précision, tout en divisant par vingt le temps nécessaire au phénotypage. Nous avons utilisé cette méthode lors de deux essais en conditions optimales et deux essais en conditions de stress hydrique pour mesurer l’évolution du GLAI au sein d’un panel de 324 lignées issues d’une population MAGIC (Multi-parent Advanced Generation Inter-Cross). Les cinétiques estimées présentent une forte héritabilité et expliquent une part significative du rendement en conditions optimales et stressées. Afin d’identifier les bases génétiques de la cinétique du GLAI, trois approches de génétique d’association longitudinales ont été comparées : une approche univariée en deux étapes, une approche multivariée en deux étapes et une approche de régression aléatoire en une étape. Ces trois approches, couplées à la forte densité des données de génotypage disponibles (près de 8 millions de marqueurs), ont permis de révéler de nombreux QTL (Quantitative Trait Loci), dont certains colocalisent avec des QTL de rendement. Enfin, nous avons démontré que les QTL de GLAI identifiés lors de cette étude pouvaient expliquer près de 20 % de la variabilité du rendement observée dans un large réseau d’expérimentations sous stress hydrique. Ce travail fournit des méthodes qui permettront une meilleure caractérisation et une meilleure compréhension des déterminismes génétiques de la cinétique du GLAI, un caractère jusqu’ici inaccessible pour les populations de taille importante. Ce caractère présente toutes les caractéristiques requises pour améliorer l’efficacité des programmes de sélection en conditions de stress hydrique
By the end of the century, climate forecasts predict a decrease in the quantity and regularity of rainfall with an increasing risk of drought in Europe and in many regions of the world. Breeding for more tolerant varieties will be an essential lever to face these future constraints. The main objective of this work is to characterize the genetic determinisms of drought tolerance in maize. To this aim, it is proposed to dissect this complex trait into underlying physiological traits whose genetic determinism is supposed to be simpler. Green Leaf Area Index (GLAI) dynamics throughout the plant cycle, through its major role in light interception, transpiration and CO2 exchange, is a promising secondary trait to identify and better understand the genetic basis of drought tolerance. During this thesis, we developed a high-throughput method for phenotyping maize GLAI dynamics in the field. This method combines UAV multispectral imagery and a simple GLAI model. It makes possible the estimation of the dynamics of GLAI continuously throughout the whole plant cycle with good accuracy, while reducing the phenotyping time twentyfold. This method was used in two well-watered and two water-deficient trials to characterize the GLAI dynamics of 324 lines from a MAGIC population (Multi-parent Advanced Generation Inter-Cross). The estimated dynamics have a high heritability and explain a significant part of grain yield under well-watered and water-stressed conditions. To characterize the genetic basis of GLAI dynamics, three longitudinal GWAS (Genome Wide Association Study) approaches were compared: a univariate two-step approach, a multivariate two-step approach and a random regression one-step approach. These three approaches, combined with the high density of available genotyping data (nearly 8 million markers), have revealed many QTL (Quantitative Trait Loci), some of which were co-localized with yield QTL. Finally, we demonstrated that the GLAI QTL identified in this study could explain nearly 20 % of the grain yield variability observed in a large network of water-stressed experiments. This work provides methods that will enable a better characterization and understanding of the genetic determinisms of GLAI dynamics, a trait that was out of reach in large populations until now. This trait presents all the characteristics required to improve the effectiveness of selection programs under water stress conditions

Dans de nombreux domaines scientifiques, les expériences numériques nécessitent généralement de nombreuses étapes de traitement ou d'analyse sur d'énormes ensembles de données. Elles peuvent être représentées comme des flux de travail scientifiques. Ces flux de travail facilitent la modélisation, la gestion et l'exécution d'activités de calcul liées par des dépendances de données. Comme la taille des données traitées et la complexité des calculs ne cessent d'augmenter, ces flux de travail deviennent orientés-données. Afin d'exécuter ces flux de travail dans un délai raisonnable, ils doivent être déployés dans un environnement informatique distribué à haute performance, tel que le cloud. Le phénotypage des plantes vise à capturer les caractéristiques des plantes, telles que les caractéristiques morphologiques, topologiques et phénologiques. Des plateformes de phénotypage à haut débit ont vu le jour pour accélérer l'acquisition de données de phénotypage dans des conditions contrôlées (par exemple en serre) ou en plein champ. Ces plates-formes génèrent des téraoctets de données utilisées en sélection et en biologie végétale. Ces ensembles de données sont stockés dans différents sites géodistribués. Les scientifiques peuvent utiliser un système de gestion du flux de travail scientifique (SWMS) pour gérer l'exécution du flux de travail sur un cloud multisite. Dans le domaine des sciences biologiques, il est courant que les utilisateurs des flux de travail réutilisent d'autres les analyses ou des données générées par d'autres utilisateurs. La réutilisation et la réorientation des flux de travail permettent à l'utilisateur de développer de nouvelles analyses plus rapidement. En outre, un utilisateur peut avoir besoin d'exécuter un flux de travail plusieurs fois avec différents ensembles de paramètres et de données d'entrée pour analyser l'impact d'une étape expérimentale quelconque, représentée comme un fragment du flux de travail. Dans les deux cas, certains fragments du flux de travail peuvent être exécutés plusieurs fois, ce qui peut être très consommateur de ressources et inutilement long. La ré-exécution du flux de travail peut être évitée en stockant les résultats intermédiaires de ces fragments et en les réutilisant dans des exécutions ultérieures.Dans cette thèse, nous proposons une solution de mise en cache adaptative pour l'exécution efficace de flux de travail orientés-données dans des clouds monosites et multisites. En s'adaptant aux variations des temps d'exécution des tâches, notre solution peut maximiser la réutilisation des données intermédiaires produites par les flux de travail de plusieurs utilisateurs. Notre solution est basée sur une nouvelle architecture de SWMS qui gère automatiquement le stockage et la réutilisation des données intermédiaires. La gestion du cache intervient au cours de deux étapes principales : le prétraitement des flux de travail, pour supprimer tous les fragments du flux de travail qui n'ont pas besoin d'être exécutés ; et le provisionnement du cache, pour décider au moment de l'exécution quelles données intermédiaires doivent être mises en cache. Nous proposons un algorithme adaptatif de mise en cache qui tient compte des variations des temps d'exécution des tâches et de la taille des données. Nous avons évalué notre solution en l'implémentant dans OpenAlea et en réalisant des expériences approfondies sur des données réelles avec une application complexe orientés-données de phénotypage de plantes.Nos principales contributions sont i) une architecture SWMS pour gérer les algorithmes d’ordonancement utilisant le cache lors de l'exécution de flux de travail dans des clouds monosites et multisites, ii) un modèle de coût qui inclut les coûts financiers et temporels, iii) deux algorithmes de d’ordonancement adapté au cache, en monosite et multisite clouds, et iv) une validation expérimentale sur une application de phénotypage de plantes orienté-données
In many scientific domains, such as bio-science, complex numerical experiments typically require many processing or analysis steps over huge datasets. They can be represented as scientific workflows. These workflows ease the modeling, management, and execution of computational activities linked by data dependencies. As the size of the data processed and the complexity of the computation keep increasing, these workflows become data-intensive. In order to execute such workflows within a reasonable timeframe, they need to be deployed in a high-performance distributed computing environment, such as the cloud.Plant phenotyping aims at capturing plant characteristics, such as morphological, topological, phenological features. High-throughput phenotyping (HTP) platforms have emerged to speed up the phenotyping data acquisition in controlled conditions (e.g. greenhouse) or in the field. Such platforms generate terabytes of data used in plant breeding and plant biology to test novel mechanisms. These datasets are stored in different geodistributed sites (data centers). Scientists can use a Scientific Workflow Management System (SWMS) to manage the workflow execution over a multisite cloud.In bio-science, it is common for workflow users to reuse other workflows or data generated by other users. Reusing and re-purposing workflows allow the user to develop new analyses faster. Furthermore, a user may need to execute a workflow many times with different sets of parameters and input data to analyze the impact of some experimental step, represented as a workflow fragment, i.e., a subset of the workflow activities and dependencies. In both cases, some fragments of the workflow may be executed many times, which can be highly resource-consuming and unnecessary long. Workflow re-execution can be avoided by storing the intermediate results of these workflow fragments and reusing them in later executions.In this thesis, we propose an adaptive caching solution for efficient execution of data-intensive workflows in monosite and multisite clouds. By adapting to the variations in tasks’ execution times, our solution can maximize the reuse of intermediate data produced by workflows from multiple users. Our solution is based on a new SWMS architecture that automatically manages the storage and reuse of intermediate data. Cache management is involved during two main steps: workflows preprocessing, to remove all fragments of the workflow that do not need to be executed; and cache provisioning, to decide at runtime which intermediate data should be cached. We propose an adaptive cache provisioning algorithm that deals with the variations in task execution times and the size of data. We evaluated our solution by implementing it in OpenAlea and performing extensive experiments on real data with a complex data-intensive application in plant phenotyping.Our main contributions are i) a SWMS architecture to handle caching and cache-aware scheduling algorithms when executing workflows in both monosite and multisite clouds, ii) a cost model that includes both financial and time costs for both the workflow execution, and the cache management, iii) two cache-aware scheduling algorithms one adapted for monosite and one for multisite cloud, and iv) and an experimental validation on a data-intensive plant phenotyping application

Au cours de ce travail nous avons utilisé les potentialités de différentes modalités d'imagerie, que nous appliquons au domaine du végétal afin de contribuer au phénotypage haut-débit des semences et plantules. Nous nous somme principalement consacré à la recherche de réponses à deux problématiques spécifiques et importantes de ce secteur. Nous commençons par montrer l'applicabilité de l'imagerie en lumière visible inactinique et de l'imagerie thermographique passive pour imager le développement des semences et plantules, un phénomène biologique se déroulant normalement dans le sol et l’obscurité. Nous présentons nos apports à ce type d’imagerie, au travers de nos contributions à la conception et à la réalisation d’un système de vision en imagerie visible inactinique, ayant pour finalité la réalisation de mesures individualisées automatisées sur les semences, les plantules et les organes des plantules. Ce système gère les croisements de plantules, via l'utilisation originale de la diffusion anisotrope, ce qui nous a permis de multiplier, sans perte d'information, les débits par dix. De plus, ce système réalise la séparation des organes au moyen d’un critère générique basé sur le gravitropisme. La validation des algorithmes de traitement d'images du système de vision utilise des voies originales (simulation numérique et test de l'influence de l'incertitude via simulation agronomique). L’imagerie thermographique, qui capte le rayonnement thermique passif des objets, nous permet de visualiser et de mesurer les semences et plantules dans l'obscurité. Elle permet aussi de réaliser la segmentation et le suivi des organes de plantules. Cette technologie d'imagerie nous a aussi permis de montrer la faisabilité d'un dosage non destructif de teneur en sucre des organes de plantules de betterave. Ensuite nous proposons une méthodologie générique permettant la conception de capteurs bas-coût spectralement optimisés, en fonction de tâches applicatives déterminées. Cette méthodologie utilise la théorie de l’information, pour extraire de l’imagerie hyperspectrale, relativement coûteuse, l’information utile à la conception des capteurs dédiés bas-coût. L’intérêt de cette méthodologie pour le phénotypage des plantes est montré et justifie le transfert de celle-ci au monde de la recherche en biologie végétale
Along this work, we have used the potentiality of different modalities of imagery that we apply to the plant domain so as to contribute to the high-throughput phenotyping of seeds and seedlings. We have mainly committed ourselves to the search for answers to two specific and important problematic in this domain. We begin by showing the applicability of visible imaging using an inactinic light and passive thermographic imaging to image the development of seeds and seedlings, a biological phenomenon usually occurring in soil and darkness. We present our contributions to this type of imaging through our contributions to the conception and the realization of a vision system using visible inactinic imaging, whose finality is the realization of individualized automated measurement on the seeds, the seedlings and the organs of the seedlings. This system handle seedling crossing, through the original use of anisotropic diffusion, which allowed us to multiply, without information loss, the output by ten. Furthermore, this system carries out the separation of the organs by means of a generic criterion based on gravitropism. The validation of the image processing algorithms of the vision system use original ways (numerical simulation and test of the influence of the uncertainty through agronomic simulation). Thermographic imaging, which captures the passive heat radiation of objects, allows us to visualize and to measure seeds and seedlings in the darkness. It also allows realizing the segmentation and the tracking of the organs of seedlings. This imaging technology also allowed us to demonstrate the feasibility of a non-destructive determination of sugar quantity in organs of beet seedlings. We then propose a generic methodology that allows the conception of spectrally optimized low-cost sensors, according to determined application tasks. This methodology uses information theory, to extract from, relatively expensive, hyperspectral imaging, the information needed for the conception of the dedicated low-cost sensors. The interest of this methodology for plant phenotyping has been shown and justifies its transfer to the world of research in plant biology

L’architecture et le développement des plantes sont très plastiques au rayonnement incident. Ce travail a permis (i) d’analyser les réponses de l’architecture au rayonnement incident chez Arabidopsis thaliana, (ii) de quantifier la plasticité de la mise en place de la surface foliaire pour différents génotypes, et (iii) de construire un modèle de simulation du développement foliaire de la rosette prenant en compte la température et le rayonnement. Huit génotypes ont été cultivés en chambre de culture à différents niveaux de rayonnement incident. La quantité de rayonnement absorbé par la plante a été estimée avec un modèle architectural 3D et un modèle de bilan radiatif. Une réduction de rayonnement incident a réduit la surface foliaire et modifié la morphologie des limbes et des pétioles, sans affecter la phyllotaxie et le nombre de phytomères. La réduction de surface foliaire résulte des effets antagonistes d’une réduction de la vitesse d’initiation et d’expansion initiale des phytomères, et d’un allongement de leur durée d’expansion. Des relations quantitatives stables entre expérimentations ont été établies. La vitesse d’initiation et la vitesse d’expansion initiale ont été reliées au rayonnement absorbé. La durée d’expansion a été reliée au rayonnement incident. La réponse des génotypes a pu être comparée quantitativement sur la base de ces relations. Une large gamme de réponses a été observée entre génotypes pour la vitesse d’initiation et la durée d’expansion. Par contre, la vitesse d’expansion initiale varie entre génotypes mais sa réponse au rayonnement est similaire chez tous les génotypes. Le cadre d’analyse établi a permis de construire un modèle de simulation de la surface foliaire en fonction de la température et du rayonnement. La plante répond d’une manière intégrative à une réduction de rayonnement incident pour optimiser l’interception de la lumière. Les relations identifiées sont proposées comme outil de phénotypage de la plasticité au rayonnement
Plant development is highly plastic in response to light conditions. In this study, we have investigated how plant architecture is modified by a reduction in incident light in Arabidopsis thaliana. Here we have compared how organogenesis and morphogenesis responses to incident light vary among genotypes and proposed a functionnal-structural model of leaf development that responds to temperature and light. Plants of eight genotypes were grown in a growth chamber under various levels of incident light, characterized in term of spectral and directional components. The amount of light absorbed by the plants was estimated using 3D virtual plants and a radiative balance model. A reduction in incident light decreased leaf area and changed petiole and leaf morphology, without affecting the phyllotaxy and the leaf number. The leaf area reduction resulted from antagonist effects on leaf development processes, namely a decrease in the phytomer initiation rate and in the initial leaf expansion rate, and an increase in the duration of leaf expansion. The two former variables were quantitatively related to the amount of light absorbed by the plant whereas the latter to the light intensity. These relationships were used to compare the genotype responses to incident light. A broad range of responses was observed among genotypes for leaf initiation rate and the duration of leaf expansion. In contrast, the initial expansion rate varied among genotypes but its response to light was stable. The analysis framework established was also used to build a model of simulation that estimates leaf expansion at given temperature and irradiance. To conclude, plants respond in an integrated manner to reduced incident light in such a way to optimise light interception. The relationships identified are proposed as a possible way to analyse phenotypic plasticity of various genotypes of Arabidopsis

Thymus vulgaris est une espece gynodioique (ou coexistent femelles et hermaphrodites). Le determinisme du sexe et nucleo-cytoplasmique. Les femelles (ou male-steriles) sont presentes dans les populations en proportion variable et produisent plus de graines par fruit que les hermaphrodites. Nous avons mis en evidence l'existence d'une correlation negative entre production de graine et production de pollen chez les hermaphrodites. Nous avons ensuite etudie les differents facterus influencant l'allocation sexuelle et montre son role dans la meilleure production en graines des femelles. Par ailleurs, grace a la caracterisation moleculaire des cytoplasmes, nous avons pu suivre les lignees maternelles, et mettre en evidence le role des effets de fondation dans l'evolution des taux de femelles. La forte structuration spatiale des cytoplasmes dans les jeunes populations induit en effet des changements de determinisme du sexe, lesquels influent fortement sur le sexe-ratio. Afin de comprendre les origines du polymorphisme cytoplasmique, nous avons construit un modele simulant la dynamique du genome mitochondrial des plantes. Nous avons compare l'evolution de ce genome avec celle d'autres genomes a heredite maternelle, afin de comprendre les contraintes evolutives auxquelles les genomes cytoplasmiques sont soumis

Les interactions entre les contraintes environnementales sur le phénotype rendent complexe l'étude des mécanismes d'adaptation et d'évolution des plantes. Aborder une telle question nécessite une approche intégrée de l'orchestration, à différentes échelles, des réponses des plantes à des stimuli environnementaux isolés et combinés. Nous avons utilisé Arabidopsis thaliana pour évaluer les bases génétiques des réponses à deux contraintes abiotiques majeures en forte interaction au champ : la sécheresse et les hautes températures. Grâce à des outils performants pour l'analyse du phénotype, une large gamme de traits a été mesurée sur de nombreux génotypes différant dans leur plasticité. Nous avons caractérisé la croissance et des traits d'histoire de vie, la morphologie et la structure foliaire, ainsi que les capacités d'acquisition et de conservation des ressources, en particulier l'eau et le carbone. Après une description des réponses phénotypiques et de leur architecture génétique, les conséquences de ces réponses dans une perspective écologique et évolutive ont été évaluées. En particulier, nous avons analysé les variations des stratégies fonctionnelles mises en relief par les covariations phénotypiques et génétiques. De plus, les processus responsables des réponses observées ont été examinés. Les résultats ont permis de mettre en évidence des variations génétiques associées à plusieurs régions génomiques dont l'influence est probablement majeure pour les mécanismes d'adaptation des plantes. Certaines de ces régions génomiques, de par leur effet sur la performance, sont porteuses d'intérêt dans une perspective d'amélioration des espèces cultivées face aux changements climatiques actuels
The mechanisms of plant adaptation and evolution are difficult to investigate since environmental constraints have interactive effects on plant phenotypes. Such study requires an integrated approach about the coordination, at different organizational levels, of the plant phenotypic responses to multiple environmental cues. Using the model plant Arabidopsis thaliana, we assessed the genetic bases of the integrated responses to two major abiotic constraints that strongly interact in the field: water availability and high temperature. Using powerful tools for the analysis of the phenotype, a large range of traits was measured in many genotypes that differ in their plasticity. We focused on the traits related to plant growth and life history, leaf structure and morphology, and to the acquisition and conservation of resources, specifically water and carbon. After a description of the phenotypic responses and their genetic architecture, the ecological and evolutionary consequences of these responses were evaluated. Specifically, we examined the variations in the functional strategies that are highlighted by phenotypic and genetic covariations. Moreover, the processes responsible of the observed phenotypic responses to environmental constraints were investigated. Strong genetic variability associated to particular genomic regions was identified. Such loci have presumably important influence on the mechanisms of plant adaption to fluctuating environments. Some of these genomic regions have a strong effect on plant performance in stressing conditions, and therefore offer promising avenues for crop improvement facing current global climate change

Une faible disponibilité des macroéléments dans la plupart des sols cultivés limite fortement les rendements des cultures en absence de fertilisation. Une meilleure compréhension de l’adaptation des systèmes racinaires à des sols pauvres en ions nutritifs, et l’exploitation de la diversité génétique existante dans ce domaine, entre espèces et/ou variétés, sont susceptibles de contribuer au développement de nouveaux cultivars et de nouvelles pratiques agronomiques permettant de limiter les intrants de fertilisation chimique coûteux et polluants pour l’environnement. L'architecture du système racinaire et la production des poils absorbants à l'interface racine-sol, sont des déterminants majeurs de la capacité du système racinaire à explorer le sol et prélever les ions nutritifs. A ce jour, aucune méthodologie ne permettait de phénotyper les poils absorbants dans un système racinaire considéré dans sa totalité. Dans le cadre de cette thèse, j’ai développé une méthodologie de phénotypage global, intégratif, des systèmes racinaires, incluant les poils absorbants. Un dispositif original de type rhizobox a été développé, permettant d'acquérir des images à haute résolution, pour lesquelles j'ai mis au point une procédure d'analyse informatisée associant le logiciel libre Ilastik pour la segmentation des images, et les logiciels WinRHIZOTM et ImageJ pour l'analyse de traits globaux caractérisant le développement racinaire. Après validation de la méthodologie, les systèmes racinaires de deux génotypes de blé, un cultivar d’amidonnier (T.t. dicoccum, cv Escandia), ancêtre du blé dur, et une variété de pays de blé dur (T.t. durum, cv Oued Zenati) ont été comparés entre eux et par rapport à leur réponse à une faible disponibilité en phosphate (P), azote (N) ou potassium (K). Chez des plantules âgées de 15 jours (racines de ca. 30 cm de long), les carences en N, P ou K ont affecté différentiellement la croissance des plantes (allocation de la biomasse entre racines et feuilles, et développement préférentiel du système racinaire). Les trois carences se sont révélées entraîner une augmentation de la surface totale du système racinaire, qui s'est elle-même révélée comme résultant principalement d'une augmentation de la surface totale des poils absorbants sur le système racinaire entier (traduisant une augmentation de la densité et/ou longueur des poils sur tout le système). Le taux d'augmentation de la surface totale des poils absorbants était variable entre les deux variétés et selon l’élément limitant, plus fort en condition de carence en N chez l’amidonnier, et de carence en P chez la variété de pays. Toutes les réponses racinaires analysées, incluant ou non les poils absorbants, ont révélé une plus grande plasticité développementale en réponse aux carences nutritives chez la variété ancestrale. Une perspective ouverte par ce travail serait de comparer cette plasticité chez différentes variétés de blé récapitulant la domestication et l'amélioration de cette espèce. En perspective également, je montre que la méthodologie que j'ai développée peut permettre de phénotyper les réponses racinaires à des conditions biotiques (présence de bactéries de type Plant Growth Promoting Rhizobacteria)
Low macroelement availability in most cultivated soils severely limits crop yields in the absence of fertilization. A better understanding of the adaptation of root systems to nutrient-poor soils, and the exploitation of existing genetic diversity in this field, between species and/or varieties, are likely to contribute to the development of new cultivars and new agronomic practices allowing to limit costly and environmentally polluting chemical fertilization inputs. The architecture of the root system and the production of root hairs at the root-soil interface are major determinants of the capacity of the root system to explore the soil and take up nutrient ions. To date, no methodology has been available to phenotype root hairs in a root system considered entirely. In this thesis, I developed a methodology for global, integrative phenotyping of root systems, including root hairs. An original rhizobox-type device was developed, allowing to acquire high resolution images, for which I developed a computerized analysis procedure associating the free software Ilastik for image segmentation, and the softwares WinRHIZOTM and ImageJ for the analysis of global traits characterizing the root development. After validation of the methodology, the root systems of two wheat genotypes, a cultivated emmer wheat cultivar (T.t. dicoccum, cv Escandia), ancestor of durum wheat, and a landrace of durum wheat (T.t. durum, cv Oued Zenati) were compared with each other and with respect to their response to low phosphate (P), nitrogen (N) or potassium (K) availability. In 15-day-old seedlings (roots ca. 30 cm long), N, P or K deficiencies differentially affected plant growth (biomass allocation between roots and leaves, and preferential development of the root system). All three deficiencies were found to result in an increase in the total surface area of the root system, resulting primarily from an increase in the total surface area of root hairs over the entire root system (reflecting an increase in the density and/or length of hairs over the entire system). The rate of increase in total absorptive root hair area was variable between the two varieties and among limiting elements, stronger under N deficiency conditions in the emmer wheat, and P deficiency in the landrace. All the root responses analyzed, including or not the root hairs, revealed a greater developmental plasticity in response to nutrient deficiency in the ancestral variety. A perspective opened by this work would be to compare this plasticity in different wheat varieties recapitulating the domestication and improvement of this species. I also show that the methodology I have developed can be used to phenotype root responses to biotic conditions (presence of Plant Growth Promoting Rhizobacteria)

La transformation génétique d'explants foliaires et racinaires d'Arabidopsis thaliana, par différentes souches d'Agrobacterium tumefaciens (avec ou sans promoteur) permet l'obtention de nombreuses lignées transgéniques. L'étude de la descendance de celles-ci nous a permis d'isoler un phénotype nain d'Arabidopsis thaliana, caractérisé par un hypocotyle et des pétioles courts, avec des limbes de feuilles arrondies conférant un aspect Boule à la rosette. Des études génétiques et moléculaires nous ont permis de confirmer que nous étions bien en présence d'une mutation récessive et nucléaire, mais qu'elle était sans lien avec l'insertion de T-DNA dans le génome végétal. L'étude macroscopique et histologique de ce mutant Boule s'est avérée très intéressante car elle nous a permis de montrer qu'une des fonctions cellulaires les plus importantes est modifiée. En effet, l'élongation cellulaire est réduite, particulièrement au niveau de l'hypocotyle et des pétioles. Des tests de réponse aux hormones ainsi qu'avec un brassinolide, ou l'observation des microtubules corticaux nous ont permis de cerner cette mutation et de caractériser le mutant Boule qui se distingue des nombreux mutants d'Arabidopsis déjà décrits

L’objectif était d’analyser le développement et la croissance de Medicago truncatula en réponse aux facteurs environnementaux. Un préalable indispensable a consisté en l’élaboration d’un cadre de description et d’analyse du développement de la partie aérienne. La nutrition azotée a ensuite été caractérisée à l’échelle de la plante entière dans des conditions contrastées de disponibilité en nitrates et de rayonnement incident. Les données obtenues ont été agrégées au sein d’un modèle de simulation des relations entre mise en place de la surface foliaire et prélèvement de l’azote. Les variables clefs identifiées ont été utilisées comme critères pour caractériser la variabilité phénotypique associée à la nutrition azotée au sein d’une population de lignées recombinantes. Les connaissances issues de ces travaux devraient fournir une base pertinente pour l’identification de quantitative trait loci (QTL) impliqués dans la nutrition azotée de M. Truncatula
This work was devoted to the analysis of development and growth of M. Truncatula in response to environmental factors. A prerequisite consisted in establishing a framework for the description and the analysis of the development of the aerial part of the plant. Nitrogen nutrition was then investigated at the level of the whole plant using contrasted conditions of nitrate availability in the nutrient solution and quantity of incident radiation. Results were aggregated into a model simulating the relationships between the establishment of plant leaf area and plant nitrogen uptake. The key variables identified were used as criteria for characterising the phenotypic variability associated to nitrogen nutrition within a recombinant inbred line populations. This approach should provide a relevant basis for identifying quantitative trait loci (QTL) involved in the nitrogen nutrition of M. Truncatula

L'azote et l'eau sont essentiels à la survie des plantes ainsi qu'au rendement des cultures, mais les mécanismes moléculaires que les plantes mobilisent en réponse à une déficience en azote (N) en eau (W) et à leur combinaison restent en partie à élucider. Les interconnexions entre l'état hydrique des plantes et la disponibilité de l'azote ont attiré beaucoup d'attention. Étant donné leur importance cruciale, il est très important de disséquer le rôle de chaque stress dans le stress combiné. Nous abordons ici la question de l'intégration des réponses aux stress sécheresse et azoté modérés et de la manière dont ils entravent la croissance des rosettes et le métabolisme des plantes. Dans cette thèse, une investigation systématique a été effectuée pour comprendre comment la carence en azote et en eau se conjuguent pour agir sur la croissance de la rosette chez Arabidopsis. Nous avons intégré des données transcriptomiques et métabolomiques pour obtenir une vue globale des interactions entre sécheresse et stress azoté. De plus, 5 accessions divergentes ont été utilisées pour étudier comment les composants génétiques régulent les réponses au stress, en d'autres termes, les interactions GxWxN. L'évaluation de la déficience en eau, en N et de leur combinaison au niveau transcriptome et métabolome a révélé des signatures de réponse au stress communes et spécifiques qui peuvent être conservées principalement à travers les génotypes, bien que de nombreuses autres réponses spécifiques au génotype aient également été découvertes. Les ajustements des transcriptomes et le profil métabolique spécifiques à l'accession reflètent le niveau physiologique de base distinct de chaque fond génétique, comme Col-0 et Tsu-0. Nous avons également trouvé un sous-ensemble de gènes sensibles au stress qui sont responsables du réglage fin de la réponse combinée au stress, tels que les ​ROXY, TAR4, NRT2.5, GLN1;4​. En outre, nous avons intégré les données transcriptomiques et métabolomiques pour construire un réseau de régulation multi-omique. Deux métabolites réagissant au stress hydrique, le Raffinose et le Myoinositol, ont été mis en évidence par une analyse intégrée montrant des schémas de réponse à la carence en N partagés dans 5 accessions. Cette étude fournit une résolution moléculaire de la variation génétique dans les réponses combinées impliquant des interactions entre la carence en N et le stress hydrique et démontre cette plasticité transcriptomique et métabolomique. En outre, une analyse GWA à grande échelle utilisant un set d’accession mondial a été menée pour déchiffrer l'architecture génétique au niveau métabolique afin de rapprocher la compréhension de la plasticité métabolomique et de la diversité phénotypique et d'étendre notre vision de cette diversité à l'échelle des espèces. La comparaison de l'analyse GWA entre populations régionales et mondiale met en lumière la façon dont la structure de la population peut limiter le pouvoir de détection de l'analyse GWA
Nitrogen and water are crucial for plant survival as well as for crop yield, however the molecular mechanisms that plants mobilise to respond to Nitrogen (N) or Water (W) deficiency and their combination still remain partly unknown. The interconnections between water status and N availability have drawn much attention. Given their critical importance, it is of great importance to dissect the role of each stress in the combined stress. We here address the question of how mild drought and nitrogen stress responses are integrated and how they impaired rosette growth and plant metabolism. In this thesis, a systematic investigation was performed to understand how the N deficiency and drought conjugate to shape dynamic rosette growth in Arabidopsis. We integrated transcriptome and metabolomic data to draw a holistic view of drought x N-deficiency interactions. Moreover, as a case study, 5 highly divergent accessions were used to investigate how genetic components regulate stress responses, in other words, GxWxN interactions. Evaluation of drought, N deficiency and combined stress transcriptomes and metabolomes revealed shared and stress-specific response signatures that were conserved primarily across genotypes, although many more genotype-specific responses also were uncovered. The accession-specific transcriptome adjustments and metabolic profile reflected distinct physiological basal status, such as those of Col-0 and Tsu-0. We also found a subset of stress-responsive genes that are responsible for fine-tuning combined stress response, such as ​ROXYs, TAR4, NRT2.5, GLN1;4. In addition, we integrated transcriptomic and metabolomic data to construct a multi-omics regulatory network. Two drought stress-responsive metabolites, Raffinose and Myoinositol were highlighted by integrative analysis showing shared N-deficiency patterns in 5 accessions. This study provides molecular resolution of genetic variation in combined stress responses involving interactions between N-deficiency and drought stress and illustrates respective transcriptome and metabolome plasticity. Moreover, large-scale GWA analysis using worldwide populations was conducted to decipher the genetic architecture at the metabolic level and provide links between the metabolomic plasticity and phenotypic diversity behind local adaptation. In addition, this extends our vision of the diversity at the species scale. The comparison of GWA analysis based on regional-scale population and species-wide population also sheds light on how population structure can limit the detection power of GWA analysis

Les changements globaux observés au cours des dernières décennies peuvent être à l'origine de déplacements de l'aire de répartition géographique d’espèces biologiques. L'adaptabilité et la plasticité phénotypique conditionnent ces changements. La démographie des espèces et leurs capacités de dispersion déterminent leur capacité à coloniser des sites nouvellement favorables. Dans le cas de modification de répartition géographique, on peut s'attendre à observer le long de l’aire de répartition une variation des traits d’histoire de vie en relation avec la dynamique observée. En effet, la survie, la reproduction ainsi que la capacité de dispersion déterminent la réussite ou l’échec de l’implantation et du maintien d’une population. Les attendus théoriques prévoient alors qu’elles soient maximisées sur des fronts de colonisation. De fait, un faible taux de recrutement, une limitation en partenaires sexuels et la dépression de consanguinité, parmi d’autres facteurs, peuvent entrainer un déclin des populations, des extinctions locales, ou des échecs de colonisation. Sur des fronts de colonisation, on s’attend donc à observer une augmentation des capacités de dispersion et du taux d’autofécondation, une phénologie avancée, ainsi qu’une fécondité supérieure par rapport au centre de l’aire de répartition. Sur des fronts de rétractation, on peut s’attendre à une augmentation du taux d’autofécondation et à un investissement supérieur dans la survie, par rapport aux populations centrales. Comprendre l’évolution des traits d’histoire de vie en fonction de la dynamique des aires de répartition des espèces est donc primordial pour mieux comprendre l’évolution future de la biodiversité. Dans ce contexte, les variations spatiales de traits d’histoire de vie ont été caractérisées pour quatre espèces végétales en expansion ou en retrait dans le nord de la France : la Claytonie perfoliée (Claytonia perfoliata), la Cochléaire du Danemark (Cochlearia danica), le Crithme maritime (Crithmum maritimum) et la Pensée des dunes (Viola tricolor subsp. curtisii). Ces variations de traits d’histoire de vie ont été étudiées du centre vers la limite de leurs aires de répartition par le biais de mesures phénotypiques en milieu naturel et en jardin commun, et d’analyses de structure génétique spatiale pour deux espèces. La dynamique de répartition de ces quatre espèces s’explique par des facteurs qui sont propres à la biologie de chacune, en interaction avec leur environnement. La Claytonie et la Cochléaire, toutes deux en expansion, présentent une forte pression de propagules sur leurs fronts de colonisation : tandis que la Claytonie présente un taux de germination plus important en limite d’aire de répartition, la Cochléaire présente quant à elle une augmentation de ses capacités de dispersion dans les populations de limite d’aire. Le Crithme maritime, en expansion dans la région, ne montre aucune variation de ses traits d’histoire de vie le long de son aire de répartition. De fait, toutes les populations montrent une forte capacité de colonisation, et l’analyse de la structure génétique spatiale de l’espèce indique un apport conséquent de migrants depuis et vers toutes les populations, via une dispersion à longue distance des diaspores. La Pensée des dunes, espèce en rétractation, montre une augmentation des niveaux d’autofécondation dans ses populations de limite d’aire, ce qui pourrait lui conférer une certaine assurance pour la reproduction. Toutefois, l’investissement reproducteur moins important dans ces populations pourrait, à long terme, nuire à leur persistance. Au final, si chaque espèce montre des variations de traits d’histoire de vie conformes aux prédictions théoriques, aucune de ces prédictions ne s’applique à toutes les espèces. Il n’existe donc pas de syndrome évolutif de limite de répartition géographique et les réponses des espèces dépendent de leur biologie
Ongoing global changes may lead to shifts in the geographical range of biological species. Adaptive evolution and phenotypic plasticity will determine these shifts. The demography of the species and their dispersal capacities will also determine their ability to colonize newly favourable habitats. When geographical distributions are shifting, one can expect a variation in life history traits across the geographic range. Indeed, survival, reproduction and dispersal capacity will determine the success or failure of population establishment and persistence. These traits are thus theoretically expected to be maximized on colonization fronts because low recruitment rates, mate limitation and inbreeding depression, among other factors, can lead to population decline, local extinction, or colonization failure. On colonization fronts, we therefore expect to observe an increase in dispersal capacities and self-fertilization rate, advanced phenology, and higher fertility compared to populations located in the central part of the range. On retraction fronts, mate limitation can also drive selection for increased self-fertilization, and worsening habitat conditions can lead to higher investment in survival as compared to central populations. Understanding the evolution of life history traits in relation to species range dynamics is therefore essential to better understand the future evolution of biodiversity in the Anthropocene. In this context, spatial variations of life history traits were characterized for four plant species that show expansion or retraction fronts in northern France: Miner’ lettuce (Claytonia perfoliata), Danish scurvygrass (Cochlearia danica), Rock samphire (Crithmum maritimum) and Dune pansy (Viola tricolor subsp. curtisii). Variations of life history traits were surveyed from the core to the edge of their geographic ranges by using phenotypic measurements in the natural environment and in the common garden and by analysing the spatial genetic structure for a subset of two species. The geographical range dynamics of these focal species were explained by species-specific factors in interaction with their respective environment. Miner’s lettuce and Danish scurvygrass, both expanding in northern France, showed high propagule pressure on their colonization fronts: while Miner’s lettuce exhibited a higher germination rate at the edge of its range, marginal populations of Danish scurvygrass showed an increase in dispersal capacities. Rock samphire, which is expanding northwards, showed no variation in its life history traits along its geographical range. All populations may show a high capacity for successful colonization and analyses of spatial genetic structure indicated large amount of gene flow among populations via long-distance dispersal events of diaspores. Lastly, the retracting populations of Dune pansy showed an increase in selfing rate that may provide some reproductive assurance. However, their lower reproductive output could threaten their long-term persistence. Altogether, while each species shows variations in life history traits consistent with theoretical predictions, trait variations appeared to be idiosyncratic. This suggested that no common evolutionary syndrome occurred in expanding or receding range edges and that species' responses mostly depend on their specific biology. These results have therefore important implications relevant to conservation biology and to forecasting of geographical range shifts under rapidly changing environments

Le progrès génétique est l'un des principaux leviers utilisés pour accroître la production alimentaire et nourrir la population humaine croissante dans un contexte de changement global. La sélection ou la création du cultivar optimal pour un endroit donné est très difficile compte tenu de la très grande variabilité spatiale et temporelle des conditions environnementales. Le phénotypage au champ, c'est-à-dire le suivi quantitatif des variables d'état des cultures et du fonctionnement du couvert, a été reconnu comme le goulot d'étranglement pour accélérer le progrès génétique. Dans cette thèse pluridisciplinaire, des méthodes statistiques et de traitement d’images sont développées afin d’estimer différents traits structuraux de cultures de blé pour application à l’amélioration variétale. Cette thèse a été entreprise au moment où la technologie progresse très rapidement, à la fois sur les aspects matériels et logiciels : accessibilité aux plates-formes de drones et de véhicules sans pilote, diminution du coût des unités de traitement graphique (GPU) explosion du développement des algorithmes d'apprentissage profond. Cette thèse s’articule en cinq chapitres : Le premier chapitre introduit les motivations de l’étude ainsi que les besoins actuel en matière de phénotypage haut débit. Un état de l’art sur le phénotypage est aussi présenté en attirant l’attention sur les méthodes de traitements d’images et de réseaux de neurones convolutifs. Le deuxième chapitre présente le développement de méthodologies permettant d’estimer la hauteur du couvert à partir d’observations par drone ou par robot roulant au sol. La faisabilité de deux principales technologies et plateformes ont été comparées et prouvées: le LiDAR porté par un véhicule au sol et des images RVB acquises par drone. Les deux chapitres suivants adressent le problème de l’estimation de la densité d’épis et de tiges de blé par images à haute résolution spatiale. Les résultats montrent le potentiel et les limites de l’apprentissage profond pour ces applications. L’accent est aussi mis sur l’étude des différentes configurations d’acquisitions possibles et le débit de la méthode. Le dernier chapitre revient sur les principaux résultats élaborés au cours de cette thèse et ouvre différentes perspectives pour le phénotypage haut-débit en remplacement ou complément des mesures manuelles classiquement réalisées par les sélectionneurs et propose des pistes pour améliorer les méthodes développées
Genetic progress is one of the major leverage used to increase food production and satisfy the needs for the increasing human population under global change issues. Selecting or creating the optimal cultivar for a given location is quite challenging considering the very large spatial and temporal variability of the environmental conditions. Field phenotyping, i.e. the quantitative monitoring of crop state variables and canopy functioning, was recognized as the bottleneck to accelerate genetic progress and increase crop yield. This multidisciplinary study develops statistical and image processing methods to estimate the several structural traits of wheat to be applied to crop breeding. Further, this thesis was undertaken in the context of rapid hardware and software technological advancements illustrated by the increasing accessibility to UAV (Unmanned Aerial Vehicle) and UGV (Unmanned Ground Vehicle) platforms, the decreasing cost of processing units (GPUs, cloud computing) and the boom in the development of deep learning algorithms. This manuscript is divided into five chapters: The first chapter introduces the motivation behind the study as well as the current needs for high throughput phenotyping. A state of the art on phenotyping is also achieved by drawing attention to image processing methods and convolutional neural networks. The second chapter presents the development of methodologies for estimating the crop height. The feasibility of two main technologies and platforms were compared and proven: LiDAR mounted on a UGV and RGB (Red Green Blue) images acquired by a UAV. The next two chapters address the problem of estimating the density of wheat ears and stems from spatial high-resolution images. The results show the potential and limitations of deep learning for this application. Emphasis is also put on the study of the different possible acquisition configurations and the throughput of the method. The last chapter summarizes the pipelines developed and draws different perspectives of high throughput phenotyping to replace or supplement in-situ measurements as well as the improvement facilitated by the methods developed

Les changements globaux observés au cours des dernières décennies peuvent être à l'origine de déplacements de l'aire de répartition géographique d’espèces biologiques. L'adaptabilité et la plasticité phénotypique conditionnent ces changements. La démographie des espèces et leurs capacités de dispersion déterminent leur capacité à coloniser des sites nouvellement favorables. Dans le cas de modification de répartition géographique, on peut s'attendre à observer le long de l’aire de répartition une variation des traits d’histoire de vie en relation avec la dynamique observée. En effet, la survie, la reproduction ainsi que la capacité de dispersion déterminent la réussite ou l’échec de l’implantation et du maintien d’une population. Les attendus théoriques prévoient alors qu’elles soient maximisées sur des fronts de colonisation. De fait, un faible taux de recrutement, une limitation en partenaires sexuels et la dépression de consanguinité, parmi d’autres facteurs, peuvent entrainer un déclin des populations, des extinctions locales, ou des échecs de colonisation. Sur des fronts de colonisation, on s’attend donc à observer une augmentation des capacités de dispersion et du taux d’autofécondation, une phénologie avancée, ainsi qu’une fécondité supérieure par rapport au centre de l’aire de répartition. Sur des fronts de rétractation, on peut s’attendre à une augmentation du taux d’autofécondation et à un investissement supérieur dans la survie, par rapport aux populations centrales. Comprendre l’évolution des traits d’histoire de vie en fonction de la dynamique des aires de répartition des espèces est donc primordial pour mieux comprendre l’évolution future de la biodiversité. Dans ce contexte, les variations spatiales de traits d’histoire de vie ont été caractérisées pour quatre espèces végétales en expansion ou en retrait dans le nord de la France : la Claytonie perfoliée (Claytonia perfoliata), la Cochléaire du Danemark (Cochlearia danica), le Crithme maritime (Crithmum maritimum) et la Pensée des dunes (Viola tricolor subsp. curtisii). Ces variations de traits d’histoire de vie ont été étudiées du centre vers la limite de leurs aires de répartition par le biais de mesures phénotypiques en milieu naturel et en jardin commun, et d’analyses de structure génétique spatiale pour deux espèces. La dynamique de répartition de ces quatre espèces s’explique par des facteurs qui sont propres à la biologie de chacune, en interaction avec leur environnement. La Claytonie et la Cochléaire, toutes deux en expansion, présentent une forte pression de propagules sur leurs fronts de colonisation : tandis que la Claytonie présente un taux de germination plus important en limite d’aire de répartition, la Cochléaire présente quant à elle une augmentation de ses capacités de dispersion dans les populations de limite d’aire. Le Crithme maritime, en expansion dans la région, ne montre aucune variation de ses traits d’histoire de vie le long de son aire de répartition. De fait, toutes les populations montrent une forte capacité de colonisation, et l’analyse de la structure génétique spatiale de l’espèce indique un apport conséquent de migrants depuis et vers toutes les populations, via une dispersion à longue distance des diaspores. La Pensée des dunes, espèce en rétractation, montre une augmentation des niveaux d’autofécondation dans ses populations de limite d’aire, ce qui pourrait lui conférer une certaine assurance pour la reproduction. Toutefois, l’investissement reproducteur moins important dans ces populations pourrait, à long terme, nuire à leur persistance. Au final, si chaque espèce montre des variations de traits d’histoire de vie conformes aux prédictions théoriques, aucune de ces prédictions ne s’applique à toutes les espèces. Il n’existe donc pas de syndrome évolutif de limite de répartition géographique et les réponses des espèces dépendent de leur biologie
Ongoing global changes may lead to shifts in the geographical range of biological species. Adaptive evolution and phenotypic plasticity will determine these shifts. The demography of the species and their dispersal capacities will also determine their ability to colonize newly favourable habitats. When geographical distributions are shifting, one can expect a variation in life history traits across the geographic range. Indeed, survival, reproduction and dispersal capacity will determine the success or failure of population establishment and persistence. These traits are thus theoretically expected to be maximized on colonization fronts because low recruitment rates, mate limitation and inbreeding depression, among other factors, can lead to population decline, local extinction, or colonization failure. On colonization fronts, we therefore expect to observe an increase in dispersal capacities and self-fertilization rate, advanced phenology, and higher fertility compared to populations located in the central part of the range. On retraction fronts, mate limitation can also drive selection for increased self-fertilization, and worsening habitat conditions can lead to higher investment in survival as compared to central populations. Understanding the evolution of life history traits in relation to species range dynamics is therefore essential to better understand the future evolution of biodiversity in the Anthropocene. In this context, spatial variations of life history traits were characterized for four plant species that show expansion or retraction fronts in northern France: Miner’ lettuce (Claytonia perfoliata), Danish scurvygrass (Cochlearia danica), Rock samphire (Crithmum maritimum) and Dune pansy (Viola tricolor subsp. curtisii). Variations of life history traits were surveyed from the core to the edge of their geographic ranges by using phenotypic measurements in the natural environment and in the common garden and by analysing the spatial genetic structure for a subset of two species. The geographical range dynamics of these focal species were explained by species-specific factors in interaction with their respective environment. Miner’s lettuce and Danish scurvygrass, both expanding in northern France, showed high propagule pressure on their colonization fronts: while Miner’s lettuce exhibited a higher germination rate at the edge of its range, marginal populations of Danish scurvygrass showed an increase in dispersal capacities. Rock samphire, which is expanding northwards, showed no variation in its life history traits along its geographical range. All populations may show a high capacity for successful colonization and analyses of spatial genetic structure indicated large amount of gene flow among populations via long-distance dispersal events of diaspores. Lastly, the retracting populations of Dune pansy showed an increase in selfing rate that may provide some reproductive assurance. However, their lower reproductive output could threaten their long-term persistence. Altogether, while each species shows variations in life history traits consistent with theoretical predictions, trait variations appeared to be idiosyncratic. This suggested that no common evolutionary syndrome occurred in expanding or receding range edges and that species' responses mostly depend on their specific biology. These results have therefore important implications relevant to conservation biology and to forecasting of geographical range shifts under rapidly changing environments

Les insectes endophytophages, tels que les insectes foreurs de tiges, les galligènes et les mineurs de feuilles, vivent et se nourrissent à l’intérieur des végétaux. L'hypothèse de l'alimentation sélective stipule que ces organismes endophytes possèdent un avantage adaptatif par rapport aux ectophages en accédant aux tissus les plus nutritifs tout en évitant les principaux composés défensifs de la plante. Ce comportement d’alimentation sélective peut être également renforcé par une manipulation de la physiologie de la plante comme cela a été démontré chez les insectes galligènes mais également suggéré chez certains insectes mineurs. Ces derniers sont en effet capables d’induire un phénotype « îles vertes » qui se manifestent par la persistance de la photosynthèse au niveau de la zone minée à l'automne alors que le reste de la feuille entre en sénescence et jaunit. L’objectif de notre étude a été d’étudier, en conditions de terrain, les capacités de manipulation du végétal dans le système Malus domestica / Phyllonorycter blancardella. Cet insecte hautement spécialisé complète l’ensemble de son développement dans une zone restreinte d’une seule feuille
Endophytophagous insects, such as stem-boring, gall-forming and leaf-mining insects, live within plant tissues and feed internally. The selective feeding hypothesis states that this life-style presumably provides adaptive advantages for the insect over other external-feeding modes by allowing access to most nutritional tissues while avoiding main plant defensive compounds. This selective feeding behavior can be reinforced by manipulating the plant physiology which has been clearly demonstrated in gallers but also suggested in leaf-miner insects due to the autumnal formation of “green islands” around mining caterpillars in yellow leaves. This study aimed to investigate, under field conditions, the ability of insects to manipulate their host-plant in the Malus domestica / Phyllonorycter blancardella biological system. This insect is highly specialized and entirely develops within a restricted area of a single leaf. We first characterized the plant-insect interface by describing larval mouthparts and leaf anatomy alterations resulting from the insect feeding activity

Les plantes en coussins sont connues pour leur capacité fondatrice de nouvel habitat pour les autres espèces. Par ailleurs, des études ont montré que la variation morphologique au sein d’espèces fondatrices peut induire une variation des effets compétiteurs sur les espèces subordonnées, ce qui peut affecter la composition des communautés. Cette thèse a pour objectif d’étudier les conséquences d’une variation intraspécifique de deux espèces fondatrices (Festuca gautieri et Onobrychis cornuta) occupant des micro-environnements contrastés dans deux systèmes montagneux [les Pyrénées (France) et le Mont-Liban (Liban),respectivement] sur les communautés végétales associées (subalpines etoroméditerranéennes, respectivement). Nous avons évalué par des approches descriptives et/ou expérimentales (jardins expérimentaux, transplantations réciproques) les contributions de la génétique et de la plasticité à la variation morphologique entre deux phénotypes de coussins (dense et lâche) pour chaque espèce fondatrice, et à leurs effets contrastés sur les espèces subordonnées. Nous avons également quantifié les effets rétroactifs de la communauté pour la reproduction des espèces fondatrices. Nos résultats montrent une contribution à la fois de la génétique et de la plasticité à la variation phénotypique. La base génétique des variations morphologiques entre les phénotypes a induit des différences héréditaires d’effets compétiteurs sur les espèces subordonnées, tout en contrecarrant l’augmentation de la compétition avec la diminution du stress – le résultat dominant dans la littérature sur les systèmes subalpins. Nous avons aussi trouvé des effets rétroactifs négatifs des espèces subordonnées pour l’espèce fondatrice, avec une diminution de la production de fleurs (par les coussins) due au nombre croissant d’espèces subordonnées. La diversité des espèces subordonnées était plus élevée dans les conditions environnementales favorables que dans les stressantes. Par conséquent, nous avons conclu que les effets génétiques surmontent les effets environnementaux, limitant la compétition dans les milieux favorables, maintenant ainsi une plus grande diversité dans ces milieux que dans les milieux stressants
Alpine cushion plants are foundation species known for their nursingability. Moreover, studies have shown that morphological variation in foundationspecies can trigger variation in competitive effects on subordinate species, likely toaffect community composition. We investigated the consequences of intraspecificvariation within two alpine cushion species (Festuca gautieri and Onobrychis cornuta)across heterogeneous environments in two mountain ranges [the Pyrenees (France)and Mount-Lebanon (Lebanon), respectively] for the associated plant communities(subalpine and oromediterranean, respectively). We assessed with observationaland/or experimental (common-gardens, reciprocal transplantation experiments)approaches the relative contribution of genetics and plasticity to the morphologicalvariation between two cushion phenotypes (tight and loose) of the foundationspecies, and to their differential effects on subordinate species. Communityfeedbacks were also quantified. Our results show that both genetics and plasticitycontributed to the phenotypic variation. The genetic basis of the morphologicaldifferences between phenotypes induced heritable differences in competitive effectson subordinate species, but however counteracted the general increase incompetition with decreasing stress dominantly found in the literature on subalpinesystems. We also found negative feedbacks of subordinates on foundation speciesfitness, with higher cover of subordinate species reducing the cushions flowerproduction. Subordinate species diversity was higher in benign than in stressedenvironmental conditions. Consequently, we concluded that genetic effects overcomethe environmental effects by limiting competition in benign physical conditions, thusmaintaining a higher diversity in benign than stressed conditions

L'amélioration de la technique, permettant d'induire in situ la gynogenèse afin de fiabiliser la production de lignées haploïdes doublées (HD) de maïs, a été entreprise. L'intérêt de son intégration dans les schémas de sélection, par rapport aux méthodes conventionnelles a été évalué. Le pourcentage moyen de plantes haploïdes obtenues, est passé d'environs 2,5 à environs 5 , puis 7. Dans une très large variabilité génétique il n'a généralement pas été observé de génotypes ne répondant pas à l'induction de la gynogenèse. Les lignées HD ont des phénotypes très semblables à ceux des lignées obtenues par autofécondation. Pour le rendement, la variance génétique des lignées HD est presque deux fois supérieure à celle des familles S1 dont elles sont issues. Par cycle de sélection récurrente, les lignées HD sont plus efficaces que les familles S1. L'haplométhode, mise au point au cours de ce travail, peut donc être considéré comme efficace et intéressante pour la selection d'hybrides de maïs.

Pour soutenir la demande en denrées alimentaires d’une population mondiale croissante, les rendements des productions en céréales, notamment du blé, doivent être améliorés par sélection végétale. À cause du changement climatique et de l’épuisement des ressources fossiles, les systèmes racinaires des futures variétés de blé devront être adaptés aux épisodes de sécheresse et aux sols peu fertiles. Il est donc crucial de développer des outils de mesure de traits racinaires au champ répondant aux exigences de la sélection variétale. Ainsi, la pertinence des minirhizotrons et de l’impédance électrique des plantes a été évaluée en essai agronomique sur des variétés de blé, conçu pour obtenir un panel varié d’enracinement. Nous avons montré que les minirhizotrons fournissent une quantification dynamique et pertinente de la longueur de racines profondes, qui jouent rôle majeur dans les rendements obtenus en conditions pluviales. Malgré une sous-estimation de la partie superficielle des systèmes racinaires, la conversion volumétrique des données issues des minirhizotrons basée sur une profondeur de champ, et à l’aide de prélèvements pour les horizons de surface, a permis une estimation du ratio de masse racinaire sur masse aérienne.À travers une étude méthodologique en laboratoire, nous avons déterminé le montage optimal de mesure d’impédance électrique sur des plants de blé. Son application au champ montre que la qualité de l’estimation diminue au cours de la croissance et dépend de l’humidité du sol.Nous avons montré que l’impédance des plants de blé est décrite par un modèle de condensateur plan, les tissus végétaux formant un diélectrique imparfait. Ainsi, la réactance est un prédicteur de la masse racinaire, uniquement dans les couches superficielles et sèches du sol
Ensuring the food supply of an increasing world population could be achieved by improvingcrop yields through plant breeding. Due to the climate change and the rarefaction of fossilresources, the root systems of the future wheat cultivars should be adapted to low soilmoisture and low soil fertility. Developing tools for in situ root traits measurements fulfilling the high through put requirement of modern breeding is crucial. For this purpose, anagronomic trial was conducted on wheat cultivars to evaluate the relevance of minirhizotrons and plant electrical impedance on assessing varied rooting architecture.We showed that minirhizotrons provide dynamic and relevant quantifications of deep rootlengths, which was a key factor in crop yield under rainfed conditions. In spite ofunderestimated lengths in the shallow part of the root systems, a volumetric conversion ofminirhizotron data using a depth-of-field criterion, coupled with auger sampling for surfacelayers, allowed fairly estimation root to shoot ratio at different growth stages.We determined the optimal setup of plant impedance measurements by a methodological study performed under laboratory conditions. The application of this optimal set up to an in situ survey showed that the quality of the predictions decreased at later growth stages andunder low soil wetness. The plant impedance was described by an imperfect parallel-platecapacitor mode, where plant tissues acted as the separating medium. Consequently, electrical reactance is a root biomass sensor, but only in surface soil layers at low water content

Ce travail presente une etude comparative concernant l'installation de cinq especes vegetales perennes, originaires de la zone presaharienne du sud de la tunisie. Deux de ces especes sont des chamephytes: argyrolobium uniflorum et artemisia herba-alba, et trois des hemicryptophytes: cenchrus ciliaris, plantago albicans et stipa lagascae. Des plantules de ces especes ont ete transplantees dans des pots et soumises a des contraintes hydriques controlees et a des coupes simulant l'herbivorie. Au niveau individuel, la plasxticite phenotypique des especes dans la distribution de phytomasse entre les racines et la partie aerienne, ainsi que les possibilites d'ajustement de l'allocation de ressources entre la reproduction et la survie, apparaissent comme les elements cles pour la reussite de leur installation. Au niveau communautaire l'existence d'une complementarite fonctionnelle inter et intra-strate doit permettre de faire face a une vaste gamme d'aleas du milieu. Le corollaire de cette recherche est la proposition de trois modeles mathematiques portant sur l'ecologie fonctionnelle: un indice descriptif de l'etat phenologique de la plante, un modele sur l'allocation de ressources entre les racines et la partie aerienne et une theorie synthetique sur un systeme de coordination fonctionnelle au niveau de la plante entiere

La présence dans la rhizosphère des plantes de "Plant Growth Promoting Rhizobacteria" (PGPR) augmente la croissance de la plante. Cependant, les éléments génétiques de la plante qui sont requis lors de cette interaction bénéfique sont encore largement méconnus. Une meilleure connaissance des voies de signalisations ciblées par une PGPR permettrait d'améliorer l'utilisation des PGPR en agriculture car ils seraient possible de sélectionner des variétés de plante plus sensibles à l'effet bénéfique des PGPR. Au sein du LSTM, l'équipe utilise le modèle biologique formé d'une part par la plante modèle Arabidopsis thaliana et, d'autre part, par la bactérie PGPR Phyllobacterium brassicacearum STM196 découverte au contact des racines du colza. A l'aide d'approches phénotypiques, transcriptomiques et bioinformatiques, nous avons découvert certaines des cibles génétiques de STM196 chez Arabidopsis. L'implication de la protéine à F-box EBF2 dans l'allongement des poils racinaires induit par la bactérie a été mise en évidence. De plus, nous avons identifié un rôle des facteurs de transcription ZAT10 et WRKY46 dans l'accumulation du H202 et dans la répression ed l'activité de la PAL induits par STM196. Enfin, en collaboration avec des bioinformaticiens, nous avons développé un outil en ligne appelé "Virtual Lab Book on Arabidopsis" (base de données et interface Web). A l'avenir, cet outil devrait faciliter l'identification de nouvelles cibles génétiques de STM196 grâce à la méta-analyse de nos expériences
The presence in the plant rhizosphere of Plant Growth Promoting Rhizobacteria (PGPR) leads to an increase of plant growth. However, the plant genetic elements that are required during this beneficial interaction are still largely unknown. A better knowledge of the plant signaling components that are targeted by PGPR would help to improve the use of PGPR in agriculture as it would be possible to select plant varieties more sensitive to the beneficial effect of PGPR. In the LSTM, the team uses a biological model formed by the model plant Arabidopsis thaliana and the PGPR Phyllobacterium brassicacearum STM196 discovered in the rhizosphere of oil-seed rape. With the help of phenotypic, transcriptomics and Bioinformatics approaches, we had the opportunity to discover genetic targets of STM196 in Arabidopsis. The involvement of the F - box protein EBF2 in the root hair elongation triggered by the bacteria has been highlighted. Moreover, we have confirmed a role for ZAT10 and WRKY46 transcription factors in the H202 accumulation and PAL activity repression induced by STM196. Finally, in collaboration with bioinformaticians, we have developed an online tool called "Virtual Lab Book on Arabidopsis" (database and Web interface). In the future, this tool should help in the identification of new genetic targets of STM196 through the meta-analysis of our experiments

Améliorer le rendement du colza dans un contexte de bas intrants azotés (N) est un enjeu majeur de sélection. Ceci impose une connaissance approfondie de la variabilité génétique des processus sous-tendant l’efficacité d’utilisation de l’azote (NUE, rendement en graines par unité d’azote disponible). Cette thèse vise à mieux comprendre les processus écophysiologiques contribuant à la NUE et à ses composantes sous faible nutrition azotée, en identifiant et hiérarchisant les principaux traits sous-tendant leur variabilité génotypique. Six génotypes de colza d’hiver ont été étudiés en conditions semi-contrôlées sous des doses d’azote contrastées. Nous avons montré que la variable NUE_DM (biomasse totale produite par unité d’azote disponible) est un indicateur précoce de la NUE à la récolte valable dès la montaison, qui nous a permis de caractériser dynamiquement la NUE. L’efficience d'absorption d’azote (NUpE, N absorbé par unité d’azote disponible) s’est révélée être une composante majeure de la NUE sous contrainte azotée, expliquant 80 % des variations avant la floraison, et plus de 30 % après. De plus, sa variabilité génotypique dépend de la biomasse des racines fines et non de l’absorption spécifique d'azote. Grâce au développement d’un cadre conceptuel de modélisation du fonctionnement du colza décrivant les flux de carbone et d’azote dans la plante entière et valable jusqu’à floraison, nous avons fait ressortir l'assimilation spécifique de carbone, la part de carbone allouée aux tiges et la proportion de racines fines comme paramètres clés de la réponse génotypique à l’azote. Nos résultats suggèrent que la NUpE et la proportion de racines fines seraient des indicateurs de la NUE permettant de cribler précocement des variétés à haut débit
Improving rapeseed yields in a low-Nitrogen (N) agricultural context is a major issue for breeding. It requires a thorough knowledge of the genotypic variation of the processes related to Nitrogen Use Efficiency (NUE, seed yield per unit of N available). This PhD aims at better understanding the ecophysiological processes determining the NUE and its components under low-N availability by identifying and hierarchizing the main traits supporting observed genotypic variation. Six winter oilseed rape genotypes were investigated throughout the crop cycle under semi-controlled conditions and contrasting N-conditions. We proposed NUE_DM (plant dry matter per unit of N available), as a new proxy of NUE at harvest, valid as early as the beginning of stem elongation. This proxy allowed us to dynamically characterize NUE, highlighting NUpE (plant N-amount per unit of N available) as a main contributor of NUE under low-N conditions, which explained up to 80% of the NUE_DM variations before flowering, and more than 30% after. Moreover, NUpE genotypic variability resulted from fine root growth rather than specific N-uptake differences. We developed a whole-plant conceptual modeling framework of carbon and nitrogen absorption and partitioning for winter oilseed rape. This framework, validated up to flowering, highlighted specific carbon assimilation, carbon partitioning between leaves and stems, and fine root ratio as critical traits explaining contrasting genotypic behavior to N-conditions. Our results suggest NUpE and fine root ratio as promising traits for screening larger sets of varieties for NUE breeding purposes

Plus de 50% des médicaments utilisés aujourd'hui en chimiothérapie anticancéreuse sont des substances naturelles, dérivées ou inspirées de produits naturels isolés de plantes supérieures, micro-organismes et organismes marins. Ce travail est consacré à l'étude des Bryophytes, végétaux dits " inférieurs ", comme source potentielle de molécules actives sur la mitose. Le criblage de 237 échantillons sur un essai phénotypique de perturbation de la division cellulaire a révélé 44 extraits actifs. Le fractionnement bio-guidé de six extraits n'a pas permis de caractériser les substances actives. Nous avons montré que l'activité de certains extraits est en réalité portée par des organismes associés aux mousses. Les effets de sept extraits de mousses pour lesquelles l'activité est intrinsèque ont ensuite été évalués sur un essai de cytotoxicité, par l'analyse du cycle cellulaire en cytométrie en flux et par la caractérisation des anomalies cellulaires détectées avec l'essai phénotypique. Trois profils différents ont été identifiés incluant deux phénotypes inhabituels
Over half of the current anticancer agents in clinical use are natural substances or are derived from natural products mainly isolated from higher plants, micro-organisms and marine sources. The present work has focused on Bryophytes, considered as "lower" plants, as a potential source of compounds acting on mitosis. The screening of 237 samples using a phenotypic cell-based assay revealed forty-one extracts disturbing cell division. The bio-guided fractionation of six active extracts failed to isolate or identify the active substances. We showed that, in some cases, contaminants and/or closely associated micro-organisms might be involved in moss extract activity. Seven extracts from mosses displaying intrinsic activity were further studied using a cell viability assay, cell cycle analysis and quantification of abnormalities detected by the phenotypic assay. Three distinct pharmacological patterns, including two unusual phenotypes, have been identified

La domestication est un processus évolutif complexe au sein duquel les pressions de sélection exercées par l'Homme conduisent à des changements morphologiques et physiologiques importants qui permettent de différencier sans ambigüité les espèces domestiquées de leurs ancêtres sauvages. Les récentes études archéobotaniques, génétiques et génomiques sur différentes plantes annuelles telles que notamment, le maïs (Zea mays L.), le riz (Oryza sativa L.) ou la tomate (Solanum lycopersicum L.) ont considérablement fait progresser notre compréhension de la domestication des plantes. A la différence des espèces annuelles, la domestication des plantes pérennes, en particulier les espèces fruitières, reste énigmatique.Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est de contribuer à la compréhension du processus de domestication d'une plante pérenne fruitière emblématique, la vigne (Vitis vinifera L.) à travers l'étude de la diversité et de l'évolution de deux caractères majeurs du syndrome de domestication : la forme du pépin et le système de reproduction. Nos travaux sur la morphologie du pépin appréhendée par la méthode des transformées elliptiques de Fourier ont révélé des relations significatives entre la forme du pépin, le statut taxonomique (sauvage – domestiqué), l'origine géographique des cépages et leurs liens de parenté corroborant les résultats d'analyses génétiques acquises antérieurement. D'autre part, le changement de forme du pépin se produisant au cours de la domestication serait intimement lié à l'augmentation de la taille de la baie due aux pressions de sélection exercée par l'Homme. Concernant la transition de la diécie vers l'hermaphrodisme opérée au cours de la domestication, l'analyse du polymorphisme de séquences du locus du sexe a révélé que les vignes domestiquées seraient les descendantes d'individus mâles capables de produire des baies. Le patron de diversité de ces mêmes séquences corrobore l'idée d'un événement de domestication majeur de la vigne dans le Proche Orient et témoigne de l'existence d'introgressions du compartiment domestiqué par le compartiment sauvage dans l'Ouest du bassin Méditerranéen
Domestication is a complex evolutionary process in which, human selection pressures lead to great morphological and physiological changes that allow to differentiate domesticated species from their wild ancestors. Recent archaeobotanical, genetic and genomic studies of various annual crops such as maize (Zea mays L.), rice (Oryza sativa L.) and tomato (Solanum lycopersicum L.) have significantly advanced our understanding of plant domestication. However, the domestication of perennial plants, particularly fruit trees, remains poorly documented compared to the domestication of annual crop plants.In this framework, this work aims to contribute to the understanding of the domestication process of the emblematic perennial plant, the grapevine (Vitis vinifera L.) through the study of diversity and evolution of two major traits of the domestication syndrome: the seed shape and the reproductive system. Our work on seed shape based on the method of the elliptic Fourier transforms revealed significant relationships between seed shape, the taxonomic status (wild – domesticated), the geographic origin of cultivars and their parentage relationships, corroborating former results from genetic analysis. On the other hand, seed shape changes occurred during domestication seem to be linked to the increase of the berry size as the consequence of major human selection pressures. Regarding the transition from diecy to hermaphroditism to diecy operated during domestication, the analysis of sequence polymorphism in the sex locus revealed that domesticated grapevine would be the descendant of wild male individuals able to produce berries. The pattern of diversity of these sequences supports the hypothesis of the occurrence of a major domestication event in the Near East and testify of introgressions of Western European cultivars by local wild grapes

La plasticite phenotypique et l'interaction genotype x milieu de nombreux caracteres ont ete etudiees sur vingt genotypes de l'espece medicago lupulina, experimentes dans trois milieux differents (coupe a la floraison, temoin et competition interspecifique avec de l'orge). Les genotypes montraient differents degres de perennite et de domestication. Les milieux influencent fortement l'expression des parametres genetiques, variances et covariances. La variabilite genetique s'exprime mieux dans les milieux stressants que dans le milieu riche non controle, par tassement de la variabilite intra-genotype. La majorite des correlations genetiques est axee sur les caracteres refletant les facteurs limitants des milieux stressants et permet de mettre en evidence des phenomenes de compensations physiologiques. La variance intra-parcelle peut etre un predicteur des variances inter-milieux. Parmi les differents modeles d'analyse testes dans cette etude la structuration est la methode statistique qui rend le mieux compte de l'interaction et met en evidence des interactions non decelees par les modeles globaux d'analyse de variance

Plants produce a rich variety of natural products to face environmental constraints. Enzymes of the cytochrome P450 CYP98 family are key actors in the production of phenolic bioactive compounds. They hydroxylate phenolic esters for lignin biosynthesis in angiosperms, but also produce various other bioactive phenolics. We characterized CYP98s from a moss, a lycopod, a fern, a conifer, a basal angiosperm, a monocot and from two eudicots. We found that substrate preference of the enzymes has changed during evolution of land plants with typical lignin-related activities only appearing in angiosperms, suggesting that ferns, similar to lycopods, produce lignin through an alternative route. A moss CYP98 knock-out mutant revealed coumaroyl-threonate as CYP98 substrate in vivo and showed a severe phenotype. Multiple CYP98s per species exist only in the angiosperms, where we generally found one isoform presumably involved in the biosynthesis of monolignols, and additional isoforms, resulting from independent duplications, with a broad range of functions in vitro
Graduate
2017-08-31

Les microtubules constituent l’un des réseaux du cytosquelette des cellules eucaryotes. Ils jouent un rôle central dans de multiples fonctions comme la division cellulaire, les trafics intracellulaires et la morphogenèse cellulaire. Chez les plantes supérieures, les microtubules (MTs) forment différents réseaux qui s'assemblent au cours du cycle cellulaire. Cette spécificité nécessite un recrutement régulé des complexes de nucléation des MTs à l’enveloppe nucléaire, au cortex et au niveau de MTs préexistants, qui sont des sites de nucléation caractérisés. L'équipe d’A.C. Schmit (IBMP, CNRS, Strasbourg), dans laquelle j'ai effectué mon travail de thèse, se focalise sur la caractérisation des complexes de nucléation des MTs (γ-TuRCs) et la régulation de l'assemblage du fuseau mitotique chez les plantes. Deux nouvelles protéines associées au γ-TuRC ont été mises en évidence par une interaction directe avec l'un de ses composants AtGCP3. Ces protéines, AtGIP1 et AtGIP2 (GCP3 Interacting Protein 1 et 2), sont très conservées au cours de l'évolution, mais leur fonction reste totalement inconnue. Mon travail a été consacré à la caractérisation de cette nouvelle classe de protéines dans le but de comprendre leur rôle. Nos résultats suggèrent que l'association des protéines GIPs aux γ-TuRCs participe à la régulation de leur activité et à la formation d'un fuseau mitotique robuste. Le profil de localisation des protéines GIPs au cours du cycle cellulaire et les phénotypes observés chez les mutants "perte de fonction" gip1gip2 indiquent que ces protéines interviennent dans le recrutement des γ-TuRCs, la nucléation des MTs, l’assemblage du fuseau mitotique, le déroulement du cycle cellulaire et l'organisation des méristèmes. L’étude des mécanismes de régulation de cette famille de protéines a été initiée. Nos résultats ont permis d’identifier GIP1comme un substrat de la kinase Aurora1 in vitro. Les résultats d’expérience de complémentation avec des phosphomutants GIP1 indiquent que la/les fonction(s) des GIPs pourrai(en)t être dépendante(s) de la phosphorylation par la kinase Aurora1, qui est un régulateur avéré du cycle cellulaire. L’ensemble de mes travaux a ainsi contribué à la caractérisation de nouveaux acteurs du cytosquelette microtubulaire. Une meilleure connaissance de leur réseau d'interaction (interactome) ainsi que l’étude de leur homologue humain pourraient ouvrir de nouvelles perspectives de recherche dans le contrôle de la division cellulaire et la lutte contre le cancer
Microtubules (MTs) constitute one of the cytoskeletal networks in eukaryotic cells. They are involved in various processes such as cell division, intracellular transport and cell morphogenesis. In higher plants, MTs can be organized into dynamic structures, which undergo continual assembly and disassembly during the cell cycle. This specificity requires the recruitment of the nucleation complexes of the MTs to the nuclear envelope, to the cortex and to pre-existing MTs. The work of A. C. Schmit’s team (IBMP, CNRS, Strasbourg), in which I did my thesis, focuses on the characterization of MT nucleation complexes (γ-TuRCs) and the regulation of mitotic spindle assembly in plants. We have identified small proteins interacting with Gamma-tubulin Complex Protein 3 (GCP) and named GIP1 and GIP2 (GCP3-Interacting Proteins). The aim of these studies was to characterize this new class of proteins in order to understand their role. It shows that GIPs are conserved among eukaryotes and suggests that their association with the γ-TuRC participates in the regulation of their activity and the formation of a robust mitotic spindle. The localization of GIPs during the cell cycle and the phenotypes observed in T-DNA insertional gip1gip2 double mutants indicatethat GIPs are required for the recruitment of γ-TuRCs, MT nucleation, spindle assembly, cell cycle regulation and stem cell maintenance. Likewise, in vitro assays showed that GIP1 is a novel substrate for Aurora kinase1, which is a well known cell cycle regulator. The results of complementation experiments with GIP1 phosphomutants indicate that the phosphorylation of GIPs may be required for their function(s). Altogether, our results have contributed to the characterization of a new class of proteins involved in MT nucleation/organization and functions. The study of the interaction network (interactome) of GIPs and oftheir homologues could open new ways of research in the control of cell division and in the fight against cancer