La réponse et l’adaptation des plantes à un stress métallique mettent en jeu de nombreux mécanismes afin de limiter les effets néfastes des éléments toxiques. Bien que certains de ces mécanismes soient bien caractérisés, de nombreux acteurs cellulaires et moléculaires restent à identifier pour mieux comprendre la diversité des stratégies mises en œuvre dans ces processus complexes et vitaux pour les plantes.Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés au rôle de deux modifications post-traductionnelles, la phosphorylation et la méthylation des protéines non-histone dans la réponse à un stress induit par deux éléments non essentiels et toxiques, le cadmium (Cd) et l’uranium (U). Nous avons analysé la dynamique de ces modifications chez trois espèces du genre Arabidopsis : A. thaliana et A. lyrata, deux espèces sensibles au Cd, et A. halleri, espèce naturellement capable de tolérer et d’hyper-accumuler ce métal toxique dans ses feuilles. En utilisant une combinaison d’analyses par Western blot et par spectrométrie de masse nous avons montré que les patterns de méthylation des protéines changent au cours de stress métalliques. Puis, nous avons analysé l’expression des gènes codant les enzymes impliquées dans les réactions de phosphorylation et méthylation des protéines dans différentes conditions de stress. Ces analyses ont montré qu’un grand nombre de protéines kinases sont régulés au niveau transcriptionnel par un stress métallique tandis que seules quelques une en ce qui concerne la méthylation. Pour finir, nous avons mis en place un criblage génétique de mutants d’A. thaliana et identifié deux gènes codant des protéines lysine méthyltransférases impliqués dans la tolérance au Cd.Dans un deuxième temps, nous avons étudié les mécanismes cellulaires de la réponse du système racinaire d’A. thaliana lors d’une exposition à l’U. L’utilisation de différents systèmes rapporteurs et la mesure de différents paramètres physiologiques nous ont permis de mettre en évidence que l’architecture racinaire est fortement modulée en réponse à l’U et ceci de façon dose dépendante. Cet effet est lié à l’inhibition du cycle cellulaire et à la synthèse d’espèces réactives de l’oxygène et d’oxyde nitrique dont l’accumulation provoque la mort cellulaire. Ces changements sont associés à une perturbation du transport et de la distribution de l’auxine dans les racines. Ces événements sont temporellement corrélés avec l’accumulation de polymères de défense (callose et lignine) impliqués dans l’imperméabilisation des cellules et des parois. Cette étude confirme enfin que le stress induit par l’U est intimement lié à une perturbation de l’homéostasie de certains macronutriments (phosphate et fer) et partage les cascades de signalisation d’une carence en phosphate.Ce travail met en évidence des mécanismes de réponse et d’adaptation aux métaux toxiques à travers la régulation fine des phénomènes de méthylation des protéines non-histone et l’identification de processus cellulaires impliqués dans la réponse à la toxicité de l’U dans le système racinaire. / Plant response and adaptation to metallic stress are involving numerous mechanisms limiting the toxic effect of metals. Although a large number of these mechanisms are well characterized, many processes are in need to be identified in order to have a better understanding of strategies involved in plant response to toxic elements.In first instance, we investigated the role of two post-translational modifications, phosphorylation and methylation of non-histone proteins in response to stress induced by two toxic metals, cadmium and uranium. We analyzed the dynamic of these modifications in three species of Arabidopsis: A. thaliana, A. lyrata two species sensitive to cadmium and A. halleri, a species which naturally tolerate and hyperaccumulate toxic metals in her leaves. By using Western blots and mass spectrometry in parallel, we showed that lysine methylation pattern were changing during metallic stresses. Next, we analyzed the gene expression of enzymes involved in phosphorylation and lysine methylation processes in plants exposed to different adverse conditions. These analyses showed that numerous kinases expressions were differentially regulated in response to metallic stress. Concerning protein lysine methyltransferases, only a few enzymes were differentially regulated. Finally, through a mutant genetic screening we identified two genes coding for protein lysine methyltransferases involved in tolerance to a stress induced by cadmium.Secondly, we studied the physiological and cellular processes involved in the response of A. thaliana root system to uranium. Through the utilization of several reporters and the measure of physiological parameters, we demonstrated that the root architecture was strongly modulated in response to a stress induced by uranium and that in a dose dependent manner. These effects are linked to a cell cycle inhibition and the synthesis and accumulation of reactive oxygen species and nitric oxyde wich participated in the root apex cell death. These changes were associated with perturbation in auxin transport and distribution at the root apex and were temporally correlated to the deposition of defense polymers (callose and lignin) involved in cell proofing and cell wall stiffness. This study is confirming the fact that uranium induced stress is intimately linked to a disruption of phosphate and iron homeostasis. Furthermore, uranium-signaling cascade are sharing a part of the phosphate starvation-signaling cascade.Together, these two studies are revealing mechanisms involved in plant response and adaptation to metallic trace elements through the thin tuning of non-histone methylation and the identification of cellular process involved in the toxicity of uranium in roots.

Les tempêtes hivernales causent des pertes en bois qui s’élèvent à 50% du volume des dégâts dans les forêts européennes. Les phénomènes de déracinement des arbres (chablis) sont les plus fréquents or ils sont encore mal compris. Cette thèse vise à mieux comprendre le processus de déracinement de l’arbre et à identifier les traits structuraux et matériels (racines, sol) ayant un effet du premier ordre sur l’ancrage racinaire dans le cas du Pinus pinaster. Un modèle d’éléments finis a été développé et permis de simuler et suivre la chronologie des ruptures successives au cours du déracinement. Un seuil de rupture globale de l’ancrage est ainsi défini comme une résultante de l’architecture et de la résistance des matériaux en jeu (racines, sol). Cela devrait permettre à terme d’améliorer les modèles de risque au vent qui actuellement n’incluent pas de relation mécaniste pour le chablis. Dans la même logique, nous nous sommes appuyés sur les données expérimentales pour construire une architecture simplifiée du système racinaire du P. pinaster. L’importance des différentes composantes sur le mécanisme d’ancrage a été étudiée et le rôle essentiel joué par le pivot et les racines traçantes montré. Ce résultat confirme de nombreuses études expérimentales et théoriques et pour la première fois permet de quantifier ces effets. Le nombre de paramètres pertinents pourra ainsi être réduit pour exprimer l’ancrage. Cela ouvre des perspectives intéressantes pour simplifier l’utilisation du modèle pour l’appliquer à d’autres espèces, d’autres conditions de sol et différentes pratiques sylvicoles. / Winter storms cause 50% of wood damage by volume to European forests. Tree uprooting isthe most frequent phenomenon during storms ; however the mechanism is not well understood.This thesis aims to better understand the tree uprooting process and to identify both rootstructural features and material properties which have first-order effects on tree anchoragestrength for the case ofPinus pinaster. A Finite Element Model has been developed and allowedsimulating and tracking the sequential root breakage during the course of tree overturning. Anoverall tree anchorage strength is thus defined as the resultant of contribution of root systemarchitecture and material strength (roots, soil). This would allow improving the risk modelswhich currently don’t include any mechanistic relationships to describe tree uprooting. In thesame spirit, we have relied on root architectural data to build a simplified root system patternwith features ofP. pinaster. Importance of different root components has been studied andthe essential role of the taproot and shallow roots demonstrated. This result has confirmednumerous experimental and theoretical studies and for the first time quantified these impacts.Therefore the number of relevant parameters can be reduced to express overall root anchorage.This opens new prospects to simplify the model in order to apply to other species under othersoil conditions and considering different silvicultural practices

La Chine est actuellement confrontée à de sérieux problèmes environnementaux et est listée parmi les pays qui contribuent le plus à la pollution et à la destruction de l'environnement mondial. En particulier, la Chine du Sud est une zone naturellement sujette aux glissements de terrain à cause de conditions tectoniques, climatiques et anthropiques particulièrement défavorables. Depuis la fin des années 1990, l'Etat chinois a mis en place des politiques de reforestation de grande envergure. mais il existe des lacunes de connaissances qu'il convient de combler. En particulier, le choix des espèces les plus adaptées n'est pas aisé parce que les processus par lesquels les plantes stabilisent les pentes ont besoin d'être mieux compris.En introduction, afin de mieux préciser les périmètres qui cadrent cette thèse, sont présentées la situation de la Chine du Sud au regard des glissements de terrain, la discipline d'éco-ingénierie et les solutions qu'elle peut apporter. Ainsi, ce travail (i) se concentre sur des espèces végétales locales, (ii) se limite aux glissements de terrain superficiels, et (iii) concerne à la fois les processus mécaniques et hydriques entre le sol et les racines. A l’intérieur de ces cadres, la thèse a pour objectif de répondre à la question scientifique : quels sont les propriétés racinaires qui influencent la stabilisation des pentes ? La réflexion est ensuite appliquée aux plantes de Chine du Sud afin d’identifier les meilleures espèces-outils. Pour répondre à cette question, à la fois les données de terrain (en Chine du Sud), les expériences de laboratoire (en France) et la formulation de concepts sont mobilisées. Les résultats sont organisés en deux chapitres. Le premier pose la question de l’efficacité de la présence de racines pour stabiliser les pentes, tous d’abord sous l’angle des processus mécaniques, puis sous l’angle des processus hydriques. Le deuxième chapitre permet d’identifier un panel de traits pertinents et non redondants évaluant l’efficacité d’une espèce pour la stabilisation des pentes puis s’appuie sur ce panel afin de sélectionner les espèces chinoises les plus efficaces. Enfin, la discussion aborde les limites de ce travail et propose de nouvelles pistes de recherche.Du point de vue mécanique comme du point de vue hydrique, c’est la conjonction des effets des racines de structure et des racines fines qui importe. Les racines de structure sanas racines fines ne sont pas optimales et peuvent même faire apparaître des lignes de fragilité. Plus précisément, les racines de structure sont particulièrement bienvenues vers l’aval de la pente pour des raisons à la fois mécaniques et hydriques. Les racines fines seules ne sont pas optimales non plus, elles peuvent faire apparaître localement des zones de faiblesse qui, si elles sont proches, participeront au déclenchement d’un glissement de terrain. Des ramifications racinaires denses améliorent la stabilité mécanique. Orientées vers l’aval de la pente, elles améliorent la stabilité hydrique. Les autres traits racinaires pertinents pour évaluer l’efficacité des racines à stabiliser le sol sont la contrainte et la déformation maximale en tension, la concentration en azote et la concentration en sucres solubles. / China is currently facing serious environmental issues and is listed among the countries that contribute most to pollution and destruction of the global environment. Particularly, Southern China is naturally prone to landslides because of unfavourable tectonic, climatic and anthropogenic conditions. Since the late 1990s, the Chinese government has implemented policies of large-scale reforestation, but the question of the most suitable species is still pending. The introduction of this thesis presents the different types of landslides, the context in Southern China and what eco-engineering means, in order to clarify the boundaries within which this work is situated. Thus, this study (i) limits itself to the study of superficial landslides, (ii) fits into the requirement scheme of low-cost solutions using local plant species, and (iii) focuses on the root, plant and hotspot degradation scales. Within those geographical, sociological, political and scientific frameworks, this thesis aims to answer the following scientific question: which species and root architectures are the most efficient to stabilize the steep slopes in Southern China? To answer this question, field data (in Southern China), laboratory experiments (in France) and the formulation of concepts are mobilized. The results are organized into two chapters. The first chapter identifies a panel of relevant and nonredundant traits assessing a given species effectiveness in slope stabilization, and then draws on that panel to select the most efficient Chinese species. The second chapter raises the question of the effectiveness of the presence of roots to stabilize slopes, first in terms of mechanical processes, then in terms of hydraulic processes. Finally, the discussion addresses the limitations of that work and suggests new avenues of research. Root traits relevant to assessing the root effectiveness to soil stabilization are maximum tensile stress and strain, nitrogen concentration as well as concentration in water-soluble sugars. The most efficient species among nine pioneer species measured on the Chinese slopes are Pueraria stricta, a legume native from Southeast Asia which plantation happened from reforestation programs, and Artemisia codonocephala, a spontaneous Asteraceae native from Southern China. Recommendations regarding the nine species are presented for the use of their characteristics in eco-engineering. From the mechanical as well as the hydraulic viewpoint, the conjunction of structural roots and fine roots is determinant. Structural roots alone are not optimal and may even bring up lines of weakness. Specifically, for both mechanical and hydric reasons, structural roots are particularly efficient when they grow downslope. Fine roots alone are not optimal either, as they can produce local areas of weakness which, if they are close, can participate in the triggering of a landslide. The branching organization is also particularly important: dense throughout the root profile, branches improve the mechanical stability. Oriented downslope, branching forks improve underground water flow and thus hydraulic stability. The limits of this thesis point out the difficulty to choose indicators and to follow their evolution over time. Another limitation lies in the difficulty to assess the relationship between roots and soil, as the only root resistance is not sufficient to prevent soil from sliding. Finally, the spatial integration of root properties remains challenging. In conclusion, this thesis contributes to improve the knowledge of the plant material available in the mountains of Southern China. Its results will optimize eco-engineering actions related to slope stability. It also upgrades the knowledge about processes at stake between roots and their environment during a landslide

Le cadmium (Cd) est naturellement présent dans les sols qui sont aussi enrichis par l'activité humaine. Le Cd contamine les produits végétaux alimentaires car il est absorbé par les racines des plantes. Elément toxique pour les organismes vivants, les concentrations dans les produits consommés sont soumises aux règlementations pour l'alimentation humaine et animale. Il est donc nécessaire de comprendre le transfert sol-organe consommé du Cd, spécialement pour le tournesol (Helianthus annuus L.), notre plante modèle, pouvant accumuler plus de Cd que d'autre plantes cultivées. Ce travail a testé l'hypothèse que la quantité de Cd absorbée par le système racinaire du tournesol était liée à l'architecture de ce dernier. Nous avons caractérisé au niveau des racines individuelles une variation longitudinale de l'influx d'absorption du Cd2+ en lien avec le milieu de culture, l'ordre et l'âge des racines. Ces variations ont été attribuées à la dynamique de développement des barrières apoplasmiques (dépôts de cellulose lignine et subérine) qui limitent l'internalisation du Cd2+ dans le cytoplasme cellulaire. Par simulation, il a été montré que ces variations pouvaient théoriquement impacter l'absorption totale de Cd2+ en fonction de l'architecture racinaire en hydroponie mais beaucoup moins sur substrat solide (sable). En outre, une comparaison de 14 cultivars de tournesol cultivé en hydroponie a montré que la variabilité des teneurs en Cd dans les parties aériennes était plutôt liée à des différences d'absorption indépendantes de l'architecture racinaire et à des variations de répartition dans la plante. Les variations longitudinales d'absorption du Cd peuvent alors être considérées comme mineures face à des variations inter-cultivars dont l'origine reste à élucider. Dans une optique de modélisation du prélèvement total en conditions de sol, il serait alors possible de ne considérer qu'un influx moyen de Cd pour la totalité du système racinaire indépendamment de son architecture