Les propriétés du bois de pin maritime varient aux niveaux chimique, anatomique et mécanique. Six types de bois peuvent être trouvés au sein d’un même arbre : bois précoce, bois tardif, bois de couronne, bois de base, bois de compression et bois opposé. Au cours de cette thèse, nous avons testé l’hypothèse selon laquelle la variabilité phénotypique des propriétés de bois, serait liée à l’expression différentielle des protéines lors de la xylogénèse. Par une approche protéomique basée sur l’électrophorèse bidimensionnelle et la spectrométrie de masse en tandem (LC ESI MS/MS), nous avons identifié 165 protéines différentiellement exprimées le long d’un gradient d’âge cambial (bois juvénile vs. bois mature) ainsi que 93 protéines différentiellement exprimées au cours de la saison de végétation (bois de printemps vs. bois d’été) chez le pin maritime. Une analyse chimique complémentaire des échantillons a été réalisée par pyrolyse analytique. Nos résultats montrent que le xylème secondaire formé en début de saison ainsi que celui qui est initié par un cambium jeune présentent une sur-expression de protéines participant à la division cellulaire. Dans le xylème issu d’un cambium âgé ou formé à la fin de l’été nous avons mis en évidence des protéines impliquées dans la défense cellulaire (dont le rôle serait de retarder la mort cellulaire programmée), ainsi que des protéines impliqués dans la biosynthèse des éléments constitutifs de la paroi. Cette étude contribue à renforcer nos connaissances sur les acteurs moléculaires intervenant lors de la xylogénèse. Elle ouvre par ailleurs des pistes de recherche sur la détection de gènes impliqués dans le contrôle génétique des propriétés du bois dans un objectif de sélection assisté par marqueurs. / Wood properties in maritime pine are highly variable at chemical, anatomical and mechanical levels. Six types of wood can be found in a single tree, early wood, late wood, crown wood, base wood, compression wood and opposite wood. In this thesis report, we tested the hypothesis that the observed variability at the phenotypic level, can be bound to the differential expression of proteins during the process of wood formation. We use the tools of proteomics, Bidimensional electrophoresis and LC ESI MS/MS for the discovery of 165 proteins differentially expressed in a cambial age gradient, (from base wood to crown wood), an 93 overexpressed proteins in a seasonal gradient (from early wood collected at the beginning of the growing season, to late wood, collected at summer) Complementary, chemical characterization of the samples was performed using analitycal pyrolisis. Our results showed that the secondary xylem formed at the beginning of the growing season, and the xylem formed by a young cambium, present a overexpression of proteins participating in the intense cell division, characteristical of those tissues, e.g. Biogenesis of cytoskeleton and hemicelluloses, RNA transcription, synthesis, folding and modification of proteins. In the xylem formed at the base of the trunk and at the end of the growing season we have found an over-expression of proteins from cell defense (they role will be to delay programmed cell death) and cell wall formation related proteins e.g. lignin biosynthesis. This study contributes to reinforce our knowledge over the molecular actors involved in the xylogenesis process. It opens, in another hand , research guides for the detection of genes involved in the genetic control of wood properties towards an objecive of marker assisted selection.

Du fait de sa croissance exceptionnelle combinée aux propriétés supérieures de son bois, l'Eucalyptus est devenu le feuillu le plus planté au monde et s'est imposé comme source de biomasse pour la production de papier et de biocarburants de seconde génération. Le bois est composé de parois secondaires lignifiées et sa formation est finement régulée par un réseau complexe, et globalement mal connu, de facteurs de transcription (FT). Les parois secondaires sont composées de 80% de polysaccharides, ciblés pour la plupart des bioproduits à haute valeur ajoutée, tandis que la lignine (20%) est responsable de la récalcitrance de la biomasse à la dégradation enzymatique mais augmente le potentiel énergétique du bois par combustion. Malgré son adaptabilité remarquable à différents sols et climats, la croissance de l'Eucalyptus varie fortement suivant ces facteurs. L'Eucalyptus est largement planté sur des sols lessivés dans les régions tropicales et subtropicales où les plantations industrielles font face à des épisodes de sécheresse de plus en plus fréquents, en combinaison avec des forts manques de nutriments, nécessitant de gros apports en fertilisants. Dans les région tempérées telles que l'Europe du Nord, la principale limitation à l'implantation de cet arbre dépourvu d'endodormance, est l'exposition au froid. Ces contraintes abiotiques sont aggravées par le changement climatique et leur impact sur la formation du bois et sa qualité restent peu documentés. Quelques données suggèrent que ces stress affectent le dépôt de la paroi secondaire ainsi que la structure du xylème. Cependant, ces résultats sont très hétérogènes entre différentes espèces et principalement focalisés sur des tissus différents du bois. La sélection de clones adaptés et le développement de pratiques culturales plus viables, sont essentiels pour améliorer la productivité et la qualité du bois, ce qui requiert une meilleure compréhension de la réponse des arbres au froid et au manque d'eau en interaction avec la nutrition. Dans le but de décrypter les régulations induites par le froid dans la différenciation du xylème, nous avons effectué une approche ciblée sur des Eucalyptus acclimatés au froid. Des analyses de biochimie, d'histochimie et de transcriptomique, ont révélé que le froid déclenche un dépôt de paroi secondaire précoce dans les cellules du xylème en développement, caractérisé par un fort dépôt de lignine. En parallèle, pour caractériser l'effet du manque d'eau combiné à différents régimes nutritifs, sur la formation et la qualité du bois, nous avons tiré profit d'un dispositif expérimental mis en place au champ avec un clone commercial d'Eucalyptus, soumis à une exclusion de pluie combinée à une fertilisation au potassium. Nous avons combiné des analyses globales du transcriptome et du métabolome, avec l'analyse des propriétés structurales et biochimiques du bois. L'approche intégrative de ces jeux de données a révélé que la fertilisation au potassium induit une répression de la biosynthèse de la paroi secondaire ainsi qu'une régulation de l'activité cambiale et la modification dans les propriétés du bois, avec une forte interaction avec l'exclusion d'eau. Ces deux approches ont permis l'identification de différents FT non caractérisés qui constituent des candidats prometteurs dans le contrôle de l'activité cambiale et du dépôt de paroi secondaire chez un ligneux. Leur caractérisation fonctionnelle chez le peuplier et l'Eucalyptus a révélé un nouveau régulateur clé de la biosynthèse de paroi secondaire, et plusieurs facteurs MYB potentiellement impliqués dans la balance entre formation de la paroi secondaire et croissance. / Due to its outstanding growth combined to superior wood properties, Eucalyptus genus has become the most planted hardwood on earth and emerged as the most appealing sources of renewable biomass feedstock for paper and second-generation biofuels. Wood is composed of lignified secondary cell walls (SCWs) and its formation is tightly regulated by a complex, partially unknown, transcription factors (TFs) network. SCWs are composed by 80% of polysaccharides targeted for most of value-added bioproducts, whereas lignin (20%) is responsible for biomass recalcitrance to enzymatic degradation but increase wood energetic potential for combustion. Despite its remarkable adaptability to various soils and climate environment Eucalyptus growth varies strongly according to these factors. Eucalyptus is extensively grown in highly weathered soils in tropical and subtropical regions where plantations are facing more frequent drought episodes in combination to nutrient starvation, requiring high amounts of expensive fertilizers. In temperate regions such as North of Europe, the main limitation for the expansion of this non-dormant tree is cold exposure, which reduces dramatically its growth. The effects of these stresses are emphasized in the actual context of climate change which induces sharp contrasting periods, and their impacts on wood formation and quality remain unknown. Scarce data from literature suggest that these stresses affect secondary cell wall (SCW) deposition as well as xylem cell patterning. However these results are highly heterogeneous among different species and mainly focused on non-woody tissues. The selection of adapted clones and the development of more sustainable cultural practices are crucial to improve wood productivity and quality, which require a better understanding of tree response to cold and water stress in interaction with nutrition. In order to unravel the regulation of xylem differentiation by low temperature, we performed a targeted approach on cold-acclimated Eucalyptus trees. By biochemical, histochemical and transcriptomic analyses, we revealed that low temperature trigger a precocious SCW deposition in developing xylem cells, characterized by a strong lignin deposition. In parallel, we aimed to characterize the effect of water stress combined to different mineral nutrition regimes, on wood formation and quality. To this end, we took advantage of an experimental design set up on field with a highly productive Eucalyptus commercial clone submitted to both rainfall exclusion combined to potassium fertilization. We combined large scale analyses of transcriptome and metabolome, with wood structural and biochemical properties analyses. The integrative approach with these datasets revealed that potassium fertilization induces a repression of SCW biosynthesis, together with regulation of cambial activity and modifications in wood properties, with a strong interaction with water exclusion. Both approaches allowed to point out several uncharacterized yet TFs which are highly promising candidates in the control of cambial activity and SCW deposition in a woody perennial. Characterization of their function in poplar and Eucalyptus revealed a new key regulator of SCW biosynthesis in wood, and several MYB TFs potentially involved in the trade-off between SCW biosynthesis and growth.

L'Eucalyptus, feuillu le plus planté dans le monde, est fortement exposé au froid en raison de l'absence de dormance. Les gènes DREB sont connus comme étant les principaux régulateurs de la réponse aux stress abiotiques. Un nombre élevé de gènes DREB1/CBF (C-Repeat Factor) a été identifié chez Eucalyptus grandis. Le but de l'étude est de mieux comprendre le rôle de la voie DREB chez Eucalyptus pour le contrôle de la tolérance au stress, du développement et de la formation du bois. La présente étude a permis une annotation des gènes CBF et DREB2 dans le cadre d'un projet de sequençage partiel du génome d'E. gunnii. Une analyse complète de l'expression des genes par qRT-PCR a été réalisée sur les différents organes des deux espèces d'Eucalyptus après les traitements au stress. L'existence d'une copie de CBF supplémentaire dans le génome E. gunnii par rapport à E. grandis suggère que ce groupe est encore en évolution contrairement au groupe DREB2. Un nombre élevé de transcrits CBF chez E. gunnii, tolérant au froid, et forte une vitesse d'induction ce ces facteurs chez E. grandis, à croissance rapide, suggère que les facteurs CBF sont impliqués à la fois dans la protection au stress et la limitation de croissance. Des facteurs de transcription des familles MYB, NAC, KNOX et AP2/ERF impliqués dans le contrôle de la croissance et de la formation de la paroi cellulaire ont été identifiés comme étant des gènes putatifs cibles de CBF. Ces résultats sont en accord avec le phénotype modifié de surexpresseurs CBF. Les deux approches suggèrent un rôle central de la voie de DREB dans le compromis entre la croissance et la résistance au stress chez cette espèce ligneuse. / Eucalyptus, the most widely planted hardwood in the world, is highly exposed to the cold due to the lack of dormancy. DREB (Drought Responsive Element Binding) genes are known as master regulators of abiotic stress response. A high number of the DREB1/CBF (C-Repeat Factor) genes has been annotated in Eucalyptus grandis. The aim of the study was to better understand the role of DREB pathway in Eucalyptus for the control of stress tolerance, development and wood formation. The present study provides an annotation of the CBF and DREB2 genes from a partial draft of the E. gunnii genome sequence. A comprehensive transcriptional analysis through high-throughput qRT-PCR was carried out on different organs from the two Eucalyptus species after stress treatments. An additional CBF copy in the E. gunnii genome compared to E. grandis suggests that this group is still evolving unlike the DREB2 group. The higher CBF transcript amounts in the cold tolerant E. gunnii together with higher induction rates in the fast growing E. grandis suggest that CBF factors promote both stress protection and growth limitation. In addition, transcription factors from MYB, NAC, KNOX and AP2/ERF families involved in the control of growth and cell wall formation have been identified as putative CBF target genes. These results are in agreement with the modified phenotype of CBF overexpressors. Both approaches suggest a central role of DREB pathway in the trade-off between growth and stress resistance in this woody species.

Le genre Larix intéresse les reboiseurs en raison de sa croissance rapide et de son bois apprécié. En particulier, le mélèze est une alternative intéressante au douglas pour les reboisements à basse et moyenne altitude. L'adaptation à l'environnement est une question clé pour les améliorateurs d'arbres forestiers. Cette question est particulièrement importante dans le cadre du changement climatique, où une diminution de la disponibilité en eau durant la saison de végétation est prédite. Trois espèces principales de mélèzes sont utilisées en reboisement en France : le mélèze d'Europe, le mélèze du Japon et leur hybride. Les bonnes performances du mélèze hybride en plantation témoignent de son grand potentiel. La structure cellulaire des cernes annuels reflète la réponse du cambium (division cellulaire, allongement et épaississement des parois) aux facteurs environnementaux (climat, fertilité, compétition...), ainsi que des stades physiologiques et l'effet de la génétique. La densité du bois peut être interprétée comme le produit de l'activité cambiale, et sa variation comme la réponse de l'arbre à son environnement. Toutefois, afin de bien avons combiné de façon originale microdensitométrie et blessures du cambium comprendre cette réponse et les variations du processus de xylogenèse lui-même, il est important de repérer les évènements qui se succèdent lors de la production des cellules de bois. Plusieurs approches permettent de dater la formation du bois. Nous (pinning method) afin d'étudier la dynamique de la fabrication du bois. Nous avons analysé les données obtenues du point de vue de l'améliorateur d'arbres forestiers. Cette nouvelle approche nous a permis d'aller au-delà le caractère statique du profil microdensitométrique (où la densité varie en fonction de la distance) afin de le convertir en profil dynamique (où la densité varie en fonction du temps). La variation de la phénologie de l'activité cambiale peut être vue comme un mécanisme ajustant bois peuvent être interprétées comme des caractères d'adaptation. L'intérêt pour les les le fonctionnement des arbres à leur environnement. Si cet ajustement améliore leur valeur adaptative (fitness), alors les variations correspondantes de l'anatomie du entre phénologie cambiale, formation du bois et stress pédoclimatiques afin de améliorateurs est double : d'un côté, il est urgent de mieux comprendre les liens concevoir des génotypes mieux adaptés à leur environnement. [...] Suite et fin du résumé dans la thèse.

La formation du bois (xylogénèse) produit une large partie de la biomasse de la planète et une ressource essentielle pour l'Homme. Les cellules du bois sont produites par division dans le cambium puis s'élargissent, forment une paroi épaisse lignifiée et meurent. Pendant l'année, ces processus sont définis par des dates, durées et vitesses qui caractérisent la dynamique intra-annuelle de la xylogénèse. Cette dynamique reste peu explorée alors que c'est un aspect clé, car c'est elle qui détermine la quantité et la qualité du bois produit et c'est sur elle que les facteurs de régulation agissent. Ce travail vise à améliorer nos connaissances sur la dynamique intra-annuelle de la xylogénèse. Pendant trois ans (2007-2009), la xylogénèse a été suivie pour 45 arbres de trois espèces de conifères (sapin pectiné, épicéa commun et pin sylvestre) dans les Vosges. Pour ça, des petits échantillons de bois ont été prélevés chaque semaine sur le tronc des arbres sélectionnés. Les échantillons ont été préparés au laboratoire, puis des sections anatomiques ont été réalisées pour observer la xylogénèse au microscope. Cette thèse a permis d'améliorer notre connaissance du fonctionnement de la xylogénèse, un système biologique d'une fascinante complexité. Nous avons caractérisé - grâce à l'innovation d'une méthode statistique performante - les aspects méconnus de la dynamique de différenciation des cellules du bois. Nous avons alors pu dévoiler les mécanismes par lesquels la dynamique de la xylogénèse donne forme à la structure du cerne, établir la dynamique intra-annuelle de l'accumulation du carbone dans le bois et évaluer les mécanismes de l'influence du climat sur la xylogénèse / Wood formation (xylogenesis) produces a large part of the biomass of this planet and provides a crucial resource to Mankind. Wood cells are produced by division in the cambium, after what they enlarge, build a lignified thick wall and die. During a year, these processes take place at certain dates, last for certain durations and go at certain rates. These dates, durations and rates characterize the intra-annual dynamics of xylogenesis. This dynamics remains poorly explored whereas it is a key aspect as it determines the quantity and quality of the produced wood and conveys the influence of intrinsic (gene, hormone) and extrinsic (environment) regulatory factors. This work aims to improve our knowledge on the intra-annual dynamics of xylogenesis. During three years (2007-2009), xylogenesis was monitored for 45 trees of three conifer species (silver fir, Norway spruce, and Scots pine) in northeast France. For that, small wood samples were collected weekly on tree stem. Samples were prepared at the laboratory, and anatomical sections were cut to observe xylogenesis under a light microscope. This thesis has improved our knowledge on the functioning of xylogenesis, a biological system of a fascinating complexity. We characterized - thanks to the development of an efficient statistical method - the little known aspects of wood cell differentiation dynamics. Based on this characterization, we eluded the mechanisms by which xylogenesis dynamics shapes tree ring structure, we established the intra-annual dynamics of carbon accumulation in wood and we evaluated the mechanisms of the climate influence on xylogenesis

Le genre Larix intéresse les reboiseurs en raison de sa croissance rapide et de son bois apprécié. En particulier, le mélèze est une alternative intéressante au douglas pour les reboisements à basse et moyenne altitude. L'adaptation à l'environnement est une question clé pour les améliorateurs d'arbres forestiers. Cette question est particulièrement importante dans le cadre du changement climatique, où une diminution de la disponibilité en eau durant la saison de végétation est prédite. Trois espèces principales de mélèzes sont utilisées en reboisement en France : le mélèze d'Europe, le mélèze du Japon et leur hybride. Les bonnes performances du mélèze hybride en plantation témoignent de son grand potentiel. La structure cellulaire des cernes annuels reflète la réponse du cambium (division cellulaire, allongement et épaississement des parois) aux facteurs environnementaux (climat, fertilité, compétition…), ainsi que des stades physiologiques et l'effet de la génétique. La densité du bois peut être interprétée comme le produit de l'activité cambiale, et sa variation comme la réponse de l'arbre à son environnement. Toutefois, afin de bien avons combiné de façon originale microdensitométrie et blessures du cambium comprendre cette réponse et les variations du processus de xylogenèse lui-même, il est important de repérer les évènements qui se succèdent lors de la production des cellules de bois. Plusieurs approches permettent de dater la formation du bois. Nous (pinning method) afin d'étudier la dynamique de la fabrication du bois. Nous avons analysé les données obtenues du point de vue de l'améliorateur d'arbres forestiers. Cette nouvelle approche nous a permis d‘aller au-delà le caractère statique du profil microdensitométrique (où la densité varie en fonction de la distance) afin de le convertir en profil dynamique (où la densité varie en fonction du temps). La variation de la phénologie de l'activité cambiale peut être vue comme un mécanisme ajustant bois peuvent être interprétées comme des caractères d'adaptation. L'intérêt pour les les le fonctionnement des arbres à leur environnement. Si cet ajustement améliore leur valeur adaptative (fitness), alors les variations correspondantes de l'anatomie du entre phénologie cambiale, formation du bois et stress pédoclimatiques afin de améliorateurs est double : d'un côté, il est urgent de mieux comprendre les liens concevoir des génotypes mieux adaptés à leur environnement. […] Suite et fin du résumé dans la thèse. / Larix is a genus of high interest for plantation due to its fast growth rate and appreciated wood quality. Larch has a great potential to be introduced in middle and lowland afforestations as an alternative to Douglas-fir. One important question for breeders is adaptation to environment. It is particularly relevant in the context of climatic changes where a strong decrease of soil water availability during the growth period is predicted. Three larch species are used by foresters in France for plantation establishment, for which breeders must supply more adapted material: European and Japanese larch and their interspecific hybrid. The higher performance of hybrid larch in afforestations demonstrates its great potential. The tissue structure of annual rings reflects the response of cambium (cell division, elongation and thickening of cell walls) to environmental factors (climate, soil fertility, competition, etc), as well as physiological states and genetics. Then, wood density can be interpreted as the result of cambial activity and its variation as the response of the tree to environment. However, to gain a better understanding of this response and of the variation of the xylogenesis process itself, it is important to spot the timing of wood cell production. There are different approaches to study the timing of wood formation. We used a combination of wood microdensitometry and of pinning method as a new approach to study the dynamic of wood formation from a tree improvement point of view. This new approach allowed us to go beyond the static character of the microdensity profile (where density variation is related to distance) and to transform it into a dynamic profile (where density variation is related to time). Variation in phenology of cambial activity can be seen as a mechanism better adjusting trees to their environment. If this adjustment improves fitness, then the corresponding tree anatomical response to environment variation may be seen as an adaptive response. As breeders, our interest is twice: on one side, a better understanding of cambial phenology and of wood formation in relation to pedo-climatic factors and climatic stress is urgent for profiling genotypes better fitted to their environment. On the other side, exploitation design trees with better wood properties. In larch, phenotypic variation of variables through breeding of knowledge about phenology of wood formation will help to related to the dates of initiation and completion of the formation of different tissues and to the total duration of ring formation is low. Last and final summary in the thesis.

Notre objectif était de mieux comprendre la régulation de la biosynthèse des parois secondaires lors de la formation du bois chez l'Eucalyptus, le feuillu le plus planté au monde et le deuxième dont le génome est séquencé. Nous avons caractérisé trois facteurs de transcription de la famille MYB-R2R3 et montré que EgMYB137 était un nouveau régulateur de la biosynthèse des parois secondaires. Nous avons aussi démontré que l'activité transcriptionnelle de EgMYB1, un répresseur de la biosynthèse des lignines, était régulée par une interaction protéine-protéine impliquant une histone linker (EgH1.3). Enfin, nous avons mis au point une méthode de transformation homologue chez l'Eucalyptus via A. rhizogenes. Les " hairy roots " transgéniques sont adaptées à la caractérisation fonctionnelle de gènes reliés à la formation du xylème. Nos résultats ont permis de découvrir de nouveaux acteurs impliqués dans la régulation des parois secondaires, mettant en lumière la complexité de ce processus mais aussi offrant de nouvelles perspectives pour l'amélioration du bois pour des applications industrielles comme la production de bioéthanol de deuxième génération. / Our objective was to better understand the regulation of the biosynthesis of the lignified secondary cell walls during wood formation in Eucalyptus, the most planted hardwood tree, and the second whose genome has been sequenced. We functionally characterized three Eucalyptus transcription factors of the R2R3-MYB family and identified EgMYB137 as a new regulator of secondary cell wall deposition. We also showed that the transcriptional activity of EgMYB1, a repressor of lignin biosynthesis was modulated by protein-protein interactions involving a linker histone (EgH1.3). Finally, we set up a homologous transformation system for Eucalyptus using Agrobacterium rhizogenes. The transgenic hairy roots are suitable for high throughput functional characterization of cell wall-related genes. Our findings not only allowed getting new insights into the complexity of the network regulating secondary cell walls but also open new avenues to improve wood quality for industrial applications such as second-generation bioethanol.