Phytohormone spielen eine zentrale Rolle in der Regelung normalen Wachstums, der Entwicklung und der Mitwirkung an Abwehrmechanismen in Pflanzen. Allgemein betrachtet können Phytohormone in zwei Klassen unterteilt werden – in solche, die in Beziehung zu Stressreaktionen stehen und in jene, die das Wachstum begünstigen. Salizylsäure, und Jasmonsäure sind in erster Linie an der Stressresonanz, Ethylen, Auxine, Cytokinine (CKs) und Gibberilline an Entwicklungsprozessen beteiligt. In den letzten Jahrzehnten wurde den Phytohormonen aus diesem Betrachtungswinkel starke Aufmerksamkeit gewidmet und heute stehen ihre wechselseitigen Beeinflussungen im Fokus. Die Tatsache, dass Pflanzenpathogene ein hormonelles Ungleichgewicht an der Wirtspflanzen-Pathogen Schnittstelle bedingen und es begleitend zu physiologischen Veränderungen kommt, wird dabei als Werkzeug für Erforschungen in Pflanzengeweben genutzt. Abgesehen von der bekannten Bedeutung, die Cytokinine für Wachstum und Entwicklung haben, sind sie bisher am meisten vernachlässigt worden und eher als Konsequenz denn als Grund von Pathogeninfektionen angesehen worden. Die Ergebnisse dieser Arbeit basieren auf der Hyphothese, dass erhöhte Gehalte an CKs die Pflanzen mit einer Resistenz gegen hemibiotrophe Pathogene ausstatten. In diesem Zusammenhang wurden transgenetische Pflanzen untersucht, in welchen das bakterielle Gen IPT überexpremiert wurde. Kontrolliert wurde die Expression durch einen pathogen-induzierbaren, einen tetracyclin-induzierbaren oder durch einen wachstumsabhängigen Promotor. Für die weitere Validierung der an den transgenetischen Pflanzen gewonnenen Ergebnisse wurden unterschiedliche Cytokinin von abgeschnittenen Tabakblätter aufgenommen. Alle transgenetischen Ansätze und exogen applizierten Cytokiningaben zeigten ähnliche verringerte Krankheitsanzeichen. Diese Art der Resistenz wurde im Weiteren mit verschiedenen zellulären, biochemischen, mikrobiellen Techniken sowie durch Signalwirkungstests fundiert. Die Gehalte von SA und JA blieben unverändert, während die Expression des Gens PR1 in Proben mit erhöhtem Cytokiningehalt stark hoch reguliert wurde. Darüber hinaus konnte eine verringerte Akkumulation von ROS in IPT exprimierenden Blättern gegenüber der entsprechende Kontrolle beobachtet wurden. Zusätzlich konnte weder ein direkter Effekt im Wachstum von P. syringae pv. tabaci noch die Präsenz von antimikrobiellen Peptiden in Cytokinin-angereicherten Extrakten festgestellt werden. Interessanterweise ist die verstärkte Akkumulation von Phytoalexinen bei erhöhtem CKs-Status der Pflanze als ein mögliches Anzeichen für die Gefährdung durch die Ausbreitung von Pathogenen belegt. Im Gegensatz dazu konnten wir keine Wachstumsverlangsamung für Sclerotinia sclerotiorum in Blättern mit erhöhten CKs-Gehalten feststellen. Neben der Wirt-Pathogen Interaktion im Hinblick auf erhöhte CK-Gehalte wurden die Auswirkungen eines modulierten Kohlenstoffhaushalts auf das Wachstum von Pathogenen untersucht. Dafür wurden zuvor generierte transgenetische Tabakpflanzen, basierend auf ein regulierbarem Invertase Enzym verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass induzierte und nicht-induzierte Expression von CIN1 unter der Kontrolle des Tet-Promotors das Wachstum von P. syringae pv. tabaci nicht beeinflusst. Darüber hinaus zeigten Linien, welche den Invertaseinhibitor NtCIF unter Kontrolle desselben Tet-Promotors exprimieren, keine differenzielle Veränderung des Wachstums von P. syringae pv. tabaci bei induziertem und nicht-induziertem Status der Pflanze. Ähnlich waren die Resultate in der transgenetischen Tomaten-Linie Lin6::NtCIF für P.syringae pv. tomato DC 3000. Interessanterweise zeigten die Blätter von Lin6::NtCIF Tomatenpflanzen starke Symptome nach Behandlung mit Botrytis cinerea verglichen zum Wildtyp. Eine mögliche Verbindung zwischen Cytokininen und Zuckermetabolismus im Bezug auf die Wirt-Pathogen Beziehung wurde ebenfalls untersucht. Die Expression des IPT-Gens unter der Kontrolle des pathogeninduzierbaren Promotors (4xJERE::IPT) im transgenetischen Hintergrund von Tet::CIN1 ergab lokale Unterschiede in der Entwicklung der Symptom von P. syringae pv. tabaci. Bei exogen appliziertem Kinetin an abgeschnittenen Tabakblättern von Tet::CIN1 verzögerte sich ebenfalls das Wachstum von P. syringae pv. Tabaci im Vergleich zu Tet-induzierten Blättern. Diese Ergebnisse führen zu der Schlussfolgerung, dass die extrazelluläre Invertase keine essentielle Rolle in der Cytokinin-vermittelten Resistenz gegen hemibiotrophe Pathogene spielt. / Phytohormones are known for their pivotal roles in promoting normal growth and development of the plants and contributing to the mechanism of defense. Although an over simplification, however, they may be categorized as stress specific and growth promoting. SA and JA/Ethylene are implicated in stress responses while auxins, cytokinins and gibberellins are involved in developmental processes. Phytohormones from the above perspective got much attention in the last few decades; however their reciprocal role is currently in focus. It is because of the reason that plant pathogens cause overall hormonal imbalance at host pathogen interface and alter host physiology for the sake of pathogenecity. Despite their importance in growth and development, cytokinins are among the most neglected phytohormones that are usually noticed as consequence rather than a cause of pathogen infection. Results presented in this thesis are based on the hypothesis that elevated levels of CKs embody plants with resistance against hemibiotrophic pathogens. To explore a connection between the spread of P. syringae and its tobacco host, CKs over producing transgenic plants were investigated whereby bacterial IPT gene was expressed under the control of pathogen inducible, tetracycline inducible and developmentally inducible promoters. To further validate the out-come of transgenic plants, various types of cytokinins were exogenously fed to detached tobacco leaves. Mentioned transgenics and exogenous CKs feeding approaches unanimously resulted in, “more cytokinins less disease symptoms” and vice versa. This state of cytokinins mediated resistance was further substantiated with various cellular, signaling, biochemical and microbial approaches wherein levels of SA and JA remained unaffected. Conversely, PR1 gene expression was strongly up-regulated in enhanced cytokinins accumulating samples. Moreover, less accumulation of ROS was observed in IPT expressing sites of the plants as compared to their corresponding controls. Additionally, we neither noticed any direct effect of cytokinins on the growth of P. syringae pv. tabaci nor found presence of anti-microbial peptides in cytokinins enriched extracts. Interestingly, enhanced accumulation of phtyoalexins in elevated CKs status of the plant proved to be a possible gesture in jeopardizing the spread of pathogen. Contrarily, no reduction was observed in the spread of fungal necrotrophic pathogen Sclerotinia sclerotiorum when leaves of elevated CKs were inoculated. Besides host-pathogen interaction in perspective of elevated cytokinins, impact of modulated sugar status of the plant on the spread of pathogen was also investigated. For this purpose, previously generated modulated invertase enzyme tobacco transgenic plants were analyzed. We showed that repression and de-repression of CIN1 gene under the control of tetracycline inducible-promoter did not affect the growth of P. syrinage pv. tabaci in Tet::CIN1 transgenic plants. Moreover, invertase inhibitor tobacco lines expressing NtCIF gene under the control of the same promoter failed to exhibit differential pathogenic responses in induced and non induced status of the plant. Similar was the case of tomato transgenic plants expressing NtCIF gene under the control of invertase gene Lin6 promoter in Lin6:: NtCIF plants for P.syringae pv. tomato DC 3000. Interestingly, when challenged Lin6:: NtCIF tomato plants with Botrytis cinerea, severe disease symptoms were observed on transgenic leaves as compared to control plants. To dissect a potential link between cytokinins and sugar metabolism with its effect on the growth of pathogen, invertase transgenic plants with elevated CKs were probed. When expressed exogenous IPT gene under the control of pathogen inducible promoter (4xJERE::IPT) in transgenic background of Tet::CIN1, we observed localized differences in symptom development for P.syringae pv. tabaci. Similarly, when exogenously fed with kinetin, detached leaves of Tet::CIN1 exhibited retarded growth of P.syringae pv. tabaci as compared to the tetracycline induced leaves. These results led to the conclusion that extracellular invertase may not play an essential role in cytokinins mediated disease resistance against hemibiotrophic pathogens.

Universiẗat, Diss., 2001--Tübingen. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2002.

Universiẗat, Diss.--Jena, 2004.

Universiẗat, Diss., 2003--Bayreuth.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les Bradyrhizobium photosynthétiques sont capables d'induire la formation de nodules fixateurs d'azote chez certaines légumineuses du genre Aeschynomene. La découverte récente que certaines de ces souches ne possèdent pas les gènes canoniques nodABC indique l'existence d'un nouveau processus symbiotique rhizobium-légumineuse indépendant des facteurs Nod. L'objectif de ce travail de thèse a consisté à avancer dans la compréhension des mécanismes mis en jeu lors de cette nouvelle interaction. Dans un premier temps, à travers différentes approches cytologiques, le processus par lequel la bactérie infecte la plante en l'absence de facteurs Nod a été décrit. Dans un deuxième temps, afin de mettre en évidence les bases moléculaires de cette interaction, une banque de 15 000 mutants Tn5 de la souche ORS278 a été criblée sur plante. Ce criblage a permit l'identification de plus d'une centaine de gènes bactériens intervenant durant le processus symbiotique. Les résultats obtenus nous ont conduits à proposer un modèle dans lequel la mise en place de la symbiose Nod-indépendante impliquerait, d'une part, la synthèse bactérienne d'une cytokinine permettant le déclenchement de l'organogenèse nodulaire, et d'autre part, d'autres signaux bactériens intervenant dans l'étape de reconnaissance avec la plante hôte. Enfin, nous avons mis en place une technique de transformation génétique d'Aeschynomene et validé cet outil à travers l'étude de l'expression hétérologue de la noduline précoce MtENOD11. Il peut à présent être envisagé de conduire des études fonctionnelles sur Aeschynomene en vue de caractériser la voie de signalisation Nod-indépendante. / The photosynthetic Bradyrhizobium are able to induce the formation of nitrogen-fixing nodules in some legumes of the Aeschynomene genus. The recent discovery that some of these strains lack the canonical nodABC genes indicates the existence of a new symbiotic rhizobium-legume process that is independent of Nod factors. The aim of this work was to improve our understanding of the mechanisms involved in this new interaction. First, through various cytological approaches, the process by which the bacterium infects the plant in the absence of Nod factors has been described. Second, in order to decipher the molecular basis of this interaction, a library of 15,000 Tn5 mutants of the ORS278 strain was screened on plant. This screening allowed the identification of about one hundred bacterial genes involved in this symbiotic process. These results led us to propose a model in which the establishment of the Nod-independent symbiosis involves, on one han d, the synthesis of a bacterial cytokinin that triggers nodule organogenesis, and on the other hand, others bacterial signals that permit the recognition with the host plant. Finally, we developed a genetic transformation procedure of Aeschynomene and we validated this tool by studying the heterologous expression of the early nodulin MtENOD11. Now, functional studies on Aeschynomene are possible to permit the characterization of the Nod-independent signaling pathway.

En se développant, les plantes produisent des organes le long des tiges suivant des organisations stéréotypées, appelées phyllotaxies. Ces structures se forment dans les méristèmes, qui abritent une niche de cellules souches : les organes y sont produits successivement et leur positionnement dépendrait d'interactions dynamiques avec les organes pré-existants. Ces interactions seraient notamment dues à des champs inhibiteurs générés par le transport polaire de l'hormone végétale auxine. Afin de rechercher si d'autres facteurs que l'auxine contrôlent la phyllotaxie chez Arabidopsis thaliana, nous nous sommes intéressés au rôle possible des cytokinines, une autre hormone végétale. Nous avons développé des nouvelles méthodes statistiques pour analyser la structure de la phyllotaxie. Cette approche nous a permis d'identifier des anomalies de phyllotaxie chez des plantes mutantes pour le gène AHP6 (ARABIDOPSIS HISTIDINE PHOSPHOTRANSFER protein 6), un inhibiteur de la signalisation des cytokinines. Notre analyse suggérait des possibles perturbations du plastochrone, la période de temps séparant l'initiation de deux organes, ce que nous avons alors confirmé par imagerie confocale en temps réel. Nos données montrent que AHP6 contrôle la régularité du plastochrone, et suggèrent que les perturbations de phyllotaxies sont dues à l'initiation simultanée de deux à trois organes dans le méristème. De plus, AHP6 est exprimé dans les organes et sa protéine établit des champs qui inhibent la signalisation des cytokinines au delà des organes. Pour mieux comprendre les rôles possibles de ces champs, nous avons généré un modèle numérique théorique de la phyllotaxie. Notre étude suggère que le plastochrone pourrait être déstabilisé par du bruit affectant le seuil d'activation nécessaire aux cellules méristématiques pour se différencier en organe. Des champs inhibiteurs pourraient filtrer les effets de ce bruit en influant sur la cinétique d'émergence des organes. Les propriétés observées des champs de AHP6 sont en accord avec ce modèle et nos données expérimentales suggèrent en effet que AHP6 et les cytokinines peuvent moduler la signalisation auxine lors de l'émergence des organes. Nous proposons comme modèle que le transport et la signalisation de l'auxine positionnent de manière robuste les organes mais génèrent un plastochrone irrégulier en présence de bruit. Des champs inhibiteurs de cytokinines stabiliseraient le plastochrone, assurant un couplage plus robuste entre le temps et l'espace lors de l'établissement de la phyllotaxie.

TCTP (Translationally Controlled Tumor Protein) est une protéine très conservée chez l'ensemble des eucaryotes. C’est une protéine vitale impliquée dans divers processus essentiels, et pour de nombreux organismes son absence conduit à la létalité dès les stades embryonnaires.Chez les animaux comme chez les végétaux, TCTP joue un rôle primordial dans la croissance et le développement des individus. En plus de son implication dans l’apoptose et la réparation de l’ADN, TCTP favorise la prolifération cellulaire, et se trouve donc être un élément important de la tumorigenèse. Chez les végétaux, la forte conservation de TCTP a permis la préservation de la plupart des fonctions décrites chez les animaux, mais les facteurs qui interviennent en amont ne sont pas encore connus.Par la mise en place, la conduite et la finalisation de deux cribles génétiques utilisant la plante modèle Arabidopsis thaliana, ce travail de thèse a cherché à identifier des facteurs situés en amont de TCTP. En parallèle, une seconde étude fut menée afin de mesurer l'impact de l'absence de TCTP sur les voies de l’auxine et des cytokinines au cours du développement embryonnaire, permettant de mieux comprendre l’origine de l’embryolétalité du mutant tctp. / TCTP (Translationally Controlled Tumor Protein) is strongly conserved among eukaryotes. It is a vital protein implicated in various major processes, and its absence leads to early embryolethality in many organisms. In plants as in animals, TCTP is a key factor of growth and development. Implicated in apoptosis and DNA repair, TCTP is also an enhancer of cell proliferation, and is a key element of tumorigenesis. Major functions of TCTP are conserved between plants and animals, but upstream factors are not known yet. Using a genetic screen on the model plant Arabidopsis thaliana, the principal goal of this thesis was to discover regulators of TCTP.In parallel, the impact of TCTP knockout on auxin and cytokinin pathways during embryo development was investigated.

En se développant, les plantes produisent des organes le long des tiges suivant des organisations stéréotypées, appelées phyllotaxies. Ces structures se forment dans les méristèmes, qui abritent une niche de cellules souches : les organes y sont produits successivement et leur positionnement dépendrait d'interactions dynamiques avec les organes pré-existants. Ces interactions seraient notamment dues à des champs inhibiteurs générés par le transport polaire de l'hormone végétale auxine. Afin de rechercher si d'autres facteurs que l'auxine contrôlent la phyllotaxie chez Arabidopsis thaliana, nous nous sommes intéressés au rôle possible des cytokinines, une autre hormone végétale. Nous avons développé des nouvelles méthodes statistiques pour analyser la structure de la phyllotaxie. Cette approche nous a permis d'identifier des anomalies de phyllotaxie chez des plantes mutantes pour le gène AHP6 (ARABIDOPSIS HISTIDINE PHOSPHOTRANSFER protein 6), un inhibiteur de la signalisation des cytokinines. Notre analyse suggérait des possibles perturbations du plastochrone, la période de temps séparant l'initiation de deux organes, ce que nous avons alors confirmé par imagerie confocale en temps réel. Nos données montrent que AHP6 contrôle la régularité du plastochrone, et suggèrent que les perturbations de phyllotaxies sont dues à l'initiation simultanée de deux à trois organes dans le méristème. De plus, AHP6 est exprimé dans les organes et sa protéine établit des champs qui inhibent la signalisation des cytokinines au delà des organes. Pour mieux comprendre les rôles possibles de ces champs, nous avons généré un modèle numérique théorique de la phyllotaxie. Notre étude suggère que le plastochrone pourrait être déstabilisé par du bruit affectant le seuil d'activation nécessaire aux cellules méristématiques pour se différencier en organe. Des champs inhibiteurs pourraient filtrer les effets de ce bruit en influant sur la cinétique d'émergence des organes. Les propriétés observées des champs de AHP6 sont en accord avec ce modèle et nos données expérimentales suggèrent en effet que AHP6 et les cytokinines peuvent moduler la signalisation auxine lors de l'émergence des organes. Nous proposons comme modèle que le transport et la signalisation de l'auxine positionnent de manière robuste les organes mais génèrent un plastochrone irrégulier en présence de bruit. Des champs inhibiteurs de cytokinines stabiliseraient le plastochrone, assurant un couplage plus robuste entre le temps et l'espace lors de l'établissement de la phyllotaxie. / During development, plant aerial organs are produced along the stems following stereotyped patterns. This so-called phyllotaxis is initiated at the shoot meristem, which contains the stem cell niche: organs are produced iteratively and their precise position is thought to depend on dynamic interactions with preexisting organs. These interactions would notably result from inhibitory fields generated by the polar transport of the plant hormone auxin. To investigate whether other factors than auxin regulate phyllotaxis, we studied the potential role of cytokinin signaling. We developed a new pipeline of methods based on statistics to analyze phyllotactic patterns. This approach allowed us to identify phyllotactic perturbations in mutants of the AHP6 (ARABIDOPSIS HISTIDINE PHOSPHOTRANSFER protein 6), an inhibitor of cytokinin signaling that suggested perturbations in the plastochron, the time between two organ initiations. This was further confirmed using confocal live-imaging. We demonstrated that AHP6 controls the regularity of the plastochron, and our results suggest that the defective phyllotaxis in ahp6 is caused by concomitant initiations of two or three organs in the meristem. Interestingly, AHP6 is expressed in organs and the protein can move beyond these domains, generating cytokinin signaling inhibitory fields. To explore further the putative role of these secondary fields, we generated a mathematical model of phyllotaxis. This suggested that plastochron instabilities could be caused by noise affecting the threshold at which meristematic cells are recruited into organs. Inhibitory fields generated by AHP6 could filter out the effect of noise by modifying the kinetics of early organ emergence. Consistently, the properties of AHP6 fields fit the model predictions and our experimental data show that AHP6 and cytokinin modulate auxin signaling during organ emergence. We thus propose a model in which auxin transport and signaling robustly control organ positioning but generates plastochron instablities in noisy backgrounds. In this scenario cytokinin inhibitory fields would stabilize the rhythmicity of organ initiation, ensuring a robust coupling of space and time during pattern formation.

Catharanthus roseus est une plante tropicale qui produit spécifiquement des alcaloïdes indoliques monoterpéniques (AIM) d’intérêt thérapeutique. Chez C. roseus, la branche terpénique incluant la voie du méthylérythritol phosphate (MEP) est considérée comme limitante et présente une régulation transcriptionnelle coordonnée en réponse aux hormones inductrices de l’accumulation alcaloïdique. Lors de ce travail, suite à des analyses bioinformatiques et à la caractérisation de promoteurs de gènes de la voie MEP, nous avons identifié de nouvelles familles de facteurs de transcription impliquées dans la régulation de la biosynthèse des AIM. Des membres de la famille des ZCT, des WRKY et des RR type B interagissent avec le promoteur du gène hds de la voie MEP et régulent son activité. Ces travaux ont permis d’approfondir les connaissances sur les réseaux transcriptionnels régulateurs de la biosynthèse des AIM. L’utilisation de ces nouveaux facteurs de transcription activateurs peut désormais être envisagée dans le cadre d’expériences d’ingénierie métabolique afin d’augmenter l’accumulation d’alcaloïdes d’intérêt pharmaceutique chez C. roseus. / Catharanthus roseus is a tropical plant producing specifically monoterpene indole alkaloids (MIA) of high interest due to their therapeutical values. In C. roseus cells, the terpenoid branch including the methyl erythritol phosphate pathway (MEP) provides the MIA terpenoid moiety and is regarded as limited for MIA biosynthesis. This branch presents a coordinated transcriptional regulation in response to hormonal signals leading to MIA production. In this context, bioinformatic analysises and functional characterization of MEP pathway gene promoters allowed the identification of new transcription factor families involved in the MIA pathway regulation. Members of ZCT proteins, WRKY and type B RR families specifically interact with the hds promoter from the MEP pathway and regulate its activity. This work permits to gain into insight the transcriptional network controlling the MIA biosynthesis. It is possible now to consider using transcription factor that act as activators and target genes from the terpenoid branch to increase the accumulation of alkaloids of pharmaceutical interest in C. roseus by metabolic engineering approaches.