L’algue brune Ectocarpus présente un cycle de vie haplo-diploïde avec l’alternance de deux générations multicellulaires : un gamétophyte haploïde et un sporophyte diploïde. Deux mutants présentent un changement homéotique entre les programmes de développement des générations sporophyte et gamétophyte. Les mutants réitèrent le programme de développement du gamétophyte à la place du sporophyte. Ces mutants, appelés ouroboros (oro) et samsara (sam), sont affectés dans deux gènes différents codant pour des facteurs de transcription à homéodomaine de classe TALE. Ma thèse porte sur la caractérisation des deux facteurs de transcription ORO et SAM ainsi que sur les dynamiques chromatiniennes sous-jacentes. Cette thèse présente les phénotypes des deux mutants oro et sam ainsi qu’une comparaison du transcriptome des mutants avec celui du gamétophyte et sporophyte. L’interaction entre ORO et SAM a été également testée et a lieu au niveau de chaque homéodomaine. Les préférences de liaison à l’ADN des deux facteurs de transcription ont été évaluées in vitro. Un criblage par double-hybride de levure a permis d’identifier deux sous-unités C de la famille de facteurs de transcription Nuclear Factor Y interagissant avec ORO. Cette thèse a également permis des avancées importantes dans l’étude de la régulation de la chromatine notamment en mettant au point un protocole d’immunoprécipitation de la chromatine. Ainsi, les profils de six modifications post-traductionnelles d’histones sur l’ensemble du génome ont été établis. Ce travail est pionnier dans la compréhension de la reprogrammation de la chromatine et la régulation de voies de développement majeures chez les algues brunes. / The brown alga Ectocarpus exhibits a haploid-diploid life cycle with an alternation between two multicellular generations : a haploid gametophyte and a diploid sporophyte. Two mutants exhibit homeotic switching between the sporophyte and gametophyte programs, reiterating the gametophyte program instead of switching to the sporophyte. These mutants, called ouroboros (oro) et samsara (sam), carry mutations into two different genes that code for TALE homeodomain transcription factors. This thesis aimed to characterize these two transcription factors and the chromatin dynamics associated with the alternation of generation in Ectocarpus. This thesis presents the characterisation of the oro and sam mutants and a transcriptomic comparison of the mutants with the sporophyte and gametophyte. DNA-binding preferences of the two transcription factors were evaluated using in vitro methods. ORO and SAM are able to heterodimerise via their respective homeodomains and a yeast two-hybrid screen showed that two C subunits of the Nuclear Factor Y family are able to interacting with ORO. This thesis also presents major advances in the study of chromatin regulation in the brown alga. A chromatin immunoprecipitation protocol was established and used to obtain genome-wide profiles for six histone modifications. Taken together, the data presented here suggests that ORO and SAM may be involved directly in chromatin reprogramming at generation-biased genes via an association with the NF-Y complex. The work presented represents a pioneer analysis of brown algal transcription factors and chromatin reprogramming events involved in the regulation of developmental pathways.

Les cascades de Mitogen-Activated Protein Kinases (MAPKs) sont présentes chez tous les eucaryotes et permettent la transduction des signaux de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule. Chez les végétaux, elles sont très abondantes et actives dans une multitude de processus, autant lors de la réponse aux stress que lors du développement. Elles fonctionnent comme un système de phosphorelais, se transférant un groupement phosphate d’une protéine à l’autre, de la MAPKKK à la MAPKK (MKK), puis de la MKK à la MAPK (MPK) et finalement, de la MPK vers des facteurs de transcription ou toute autre protéine qui permettra un changement au niveau de la réponse cellulaire. Depuis quelques années, plusieurs membres de la grande famille des MAPKs ont été étudiés pour leur rôle dans la reproduction sexuée des végétaux. Des mutants ont été caractérisés, mais jusqu’à maintenant, peu de voies complètes ont été décelées. Des précédents travaux dans le laboratoire ont démontré que deux MAPKKKs, de la sous-famille des MEKKs, ScFRK1 et ScFRK2, sont importantes pour le développement normal de l’ovule et du pollen chez Solanum chacoense, une espèce de pomme de terre sauvage diploïde. Sachant que les mutants des gènes les plus orthologues chez Arabidopsis thaliana ne possèdent pas les mêmes phénotypes, nous avons émis l’hypothèse que les Solanacées, du moins S. chacoense, possèdent une famille de MAPKKKs différente, qui n’est pas présente chez A. thaliana. Nous avons donc analysé les génomes/transcriptomes/protéomes de 15 espèces issues de différents clades du règne végétal afin d’étudier les relations phylogénétiques à l’intérieur de la sous-famille des MEKKs. Cela nous a permis d’observer que ScFRK1 et ScFRK2 ne sont pas seuls, mais sont inclus dans un groupe monophylétique que nous avons nommé la classe des FRKs (FRK pour Fertilization-Related Kinase). De plus, nous avons observé une expansion considérable de cette classe chez les Solanacées, comparativement à d’autres dicotylédones comme le peuplier, la vigne ou le coton. La classe des FRKs est absente chez les monocotylédones étudiées (riz et maïs) et ne possède qu’un seul membre (une FRK primitive) chez l’angiosperme basal Amborella trichopoda. Cette analyse phylogénétique des MEKKs nous a poussés à nous poser des questions sur l’origine de la classe des FRKs ainsi que sur son rôle au sein des Solanacées. Dans un deuxième temps, nous avons fait la caractérisation fonctionnelle de ScFRK3, un troisième membre de la classe des FRKs chez S. chacoense, aussi impliqué dans le développement des gamétophytes mâle et femelle. Du patron d’expression jusqu’à l’établissement d’une voie de signalisation potentielle, en passant par la caractérisation phénotypique des mutants, plusieurs expériences ont été réalisées dans le but de comprendre le rôle de ScFRK3 au niveau de la reproduction chez S. chacoense. Dans un contexte plus global, il est important de se questionner sur les rôles semblables, mais forcément différents, des trois membres de la famille FRKs qui ont été caractérisés jusqu’à présent. / Mitogen-Activated Protein Kinases (MAPKs) signaling cascades are found in all Eucaryotes and allow signal transduction from the outside of the cell to the inside. In plants, they are particularly numerous and play roles in several signaling processes, including stress responses and response to developmental cues. Their system involves a phosphorelay: they interact with each other to transfer a phosphate group. It starts with an activated MAPKKK, which transfers the phosphate group to a MAPKK (MKK), then this MKK transfers the signal to a MAPK (MPK), which ends this relay by phosphorylating transcription factors or any other proteins that will, in a way or an other, change the cell response according to the signal. During the last few years, many MAPKs members have been studied for their role in plants sexual reproduction. Some mutants were characterized, but until now, our knowledge of complete signaling cascades is very limited. Previous studies in our lab have shown that two MAPKKKs from the MEKK subfamily, ScFRK1 and ScFRK2, are important for male and female gametophytes development in Solanum chacoense, a wild diploid potato species. Genes that are the most orthologous to ScFRK1 and ScFRK2 in Arabidopsis thaliana, AtMAPKKK19, 20 and 21, do not seem to play the same roles in reproduction, which led us to make the hypothesis that in solanaceous species, at least in S. chacoense, there is one MAPKKK family that is different and not present in A. thaliana. At first, we did analyze the genomes/transcriptomes/proteomes of 15 species from different clads of the plant kingdom to find all the members of the MEKK subfamily of MAPKKKs in order to study their phylogenetic relationship. We then observed that ScFRK1 and ScFRK2 are included in a large monophyletic group which was called the FRK class (Fertilization Related Kinase). Moreover, we also observed that this class has considerably expanded within the solanaceous species, compared to other species like A. thaliana, poplar, cotton or grape vine. The FRK class is totally absent in the monocot species studied (rice and maize) and only one member is found in the basal angiosperm Amborella trichopoda. This phylogenetic analysis led us to ask questions about the origins of the FRK class and its role inside the Solanaceae family. Secondly, we characterized ScFRK3, a third member of the FRK class in S. chacoense, which is also involved, as its two FRK sisters, in male and female gametophytes development. From its expression pattern to the establishment of a potential signaling cascade, analysis and phenotyping of ScFRK3 mutant lines, many experiments were realized in order to understand the role of ScFRK3 in S. chacoense sexual reproduction. Overall, the appearance of this new and expanded class of MEKKs questions its specific role in comparison to other species that have much lesser members, mainly when compared to the model plant A. thaliana, which harbor only a fifth of the FRKs found in solanaceous species.

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

Chez les angiospermes, la reproduction passe par la double fécondation. Le tube pollinique délivre deux cellules spermatiques au sein du gamétophyte femelle. Une cellule féconde la cellule œuf pour produire un zygote; l’autre féconde la cellule centrale pour produire l’endosperme. Pour assurer un succès reproductif, le développement du gamétophyte femelle au sein de l’ovule doit établir un patron cellulaire qui favorise les interactions avec le tube pollinique et les cellules spermatiques. Pour ce faire, un dialogue doit s’établir entre les différentes cellules de l’ovule lors de son développement, de même que lors de la fécondation. D’ailleurs, plusieurs types de communications intercellulaires sont supposées suite à la caractérisation de plusieurs mutants développementaux. De même, ces communications semblent persister au sein du zygote et de l’endosperme pour permettre la formation d’un embryon viable au sein de la graine. Malgré les développements récents qui ont permis de trouver des molécules de signalisation supportant les modèles d’interactions cellulaires avancés par la communauté scientifique, les voies de signalisation sont de loin très incomplètes. Dans le but de caractériser des gènes encodant des protéines de signalisation potentiellement impliqués dans la reproduction chez Solanum chacoense, l’analyse d’expression des gènes de type RALF présents dans une banque d’ESTs (Expressed Sequence Tags) spécifiques à l’ovule après fécondation a été entreprise. RALF, Rapid Alcalinization Factor, est un peptide de 5 kDa qui fait partie de la superfamille des «protéines riches en cystéines (CRPs)», dont les rôles physiologiques au sein de la plante sont multiples. Cette analyse d’expression a conduit à une analyse approfondie de ScRALF3, dont l’expression au sein de la plante se limite essentiellement à l’ovule. L’analyse de plantes transgéniques d’interférence pour le gène ScRALF3 a révélé un rôle particulier lors de la mégagamétogénèse. Les plantes transgéniques présentent des divisions mitotiques anormales qui empêchent le développement complet du sac embryonnaire. Le positionnement des noyaux, de même que la synchronisation des divisions au sein du syncytium, semblent responsables de cette perte de progression lors de la mégagamétogénèse. L’isolement du promoteur de même que l’analyse plus précise d’expression au sein de l’ovule révèle une localisation sporophytique du transcrit. La voie de signalisation de l’auxine régule également la transcription de ScRALF3. De surcroît, ScRALF3 est un peptide empruntant la voie de sécrétion médiée par le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi. En somme, ScRALF3 est un important facteur facilitant la communication entre le sporophyte et le gamétophyte pour amener à maturité le sac embryonnaire. L’identification d’un orthologue potentiel chez Arabidopsis thaliana a conduit à la caractérisation de AtRALF34. L’absence de phénotype lors du développement du sac embryonnaire suggère, cependant, de la redondance génétique au sein de la grande famille des gènes de type RALF. Néanmoins, les peptides RALFs apparaissent comme d’importants régulateurs lors de la reproduction chez Solanum chacoense et Arabidopsis thaliana. / In angiosperms, reproduction occurs through double fertilization. The pollen tube delivers two sperm cells into the female gametophyte. A first sperm cell fertilizes the egg cell to produce a zygote, while the other fertilizes the central cell to produce the endosperm. To ensure reproductive success, the development of the female gametophyte within the ovule must establish a cellular pattern allowing interaction with the pollen tube and sperm cells. To this end, a dialogue must be established amongst the various cells of the ovule during its development, as well as during fertilization. Several types of communication are suggested by the analysis of developmental mutants. These communications must persist in the zygote and endosperm to allow the formation of a viable embryo within the seed. Recent developments have helped to find signaling molecules that support cell interaction models developed by the scientific community, but the signaling pathways are far from complete. In order to characterise genes encoding signaling proteins which are potentially active during reproduction in Solanum chacoense, I undertook the expression analysis of the RALF-like genes present in a bank of ESTs (Expressed Sequence Tags) specific to the ovule after fertilization. RALF, Rapid Alcalinization Factor, is a 5 kDa peptide that is part of the superfamily of Cysteine Rich Proteins (CRPs), which play a wide variety physiological roles within the plant. This expression analysis led to a detailed analysis of ScRALF3, whose expression in the plant is largely restricted to the ovule. The analysis of ScRALF3 RNAi transgenic plants revealed a function during megagametogenesis. The transgenic plants exhibit abnormal mitotic divisions that prevent the maturity of the embryo sac. The positioning of the nuclei, as well as the timing of divisions in the syncytium, appear to be responsible for the arrest of development during megagametogenesis. Isolation of the promoter as well as more accurate analysis of transcript expression reveals localisation within the ovule sporophytic tissue. The auxin signaling pathway is also involved in the regulation of ScRALF3 expression. ScRALF3 is a secreted peptide passing via the endoplasmic reticulum and the Golgi apparatus. In summary, ScRALF3 may be an important factor facilitating communication between the gametophyte and the sporophyte to allow maturation of the embryo sac. The identification of a potential orthologue in Arabidopsis thaliana led to the characterisation of AtRALF34. The lack of a phenotype during embryo sac development, however, suggests that genetic redundancy within the family of RALF-like genes is very complex. Nevertheless, the RALF peptides appear to be important regulators during reproduction in Solanum chacoense and Arabidopsis thaliana.

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La coordination du développement par les communications intercellulaires est essentielle pour assurer la reproduction chez les plantes. Plusieurs études démontrent qu’une communication entre le sac embryonnaire et le tissu maternel, le sporophyte, est essentielle au bon développement des gamètes. Les molécules, peptides ou autres protagonistes impliqués dans ces voies de signalisation ainsi que leur mode d’action restent toutefois nébuleux. Les gènes de type RALF codent pour des petits peptides sécrétés retrouvés de manière spécifique ou ubiquitaire dans la plante. Leur structure en font de parfaits candidats pour permettre ces communications cellule-cellule entre les différents tissus. Treize gènes de type RALF ont été isolés actuellement chez la pomme de terre sauvage Solanum chacoense. Maintenant, nous montrons qu’un de ceux-ci, ScRALF3, est impliqué dans la polarisation du sac embryonnaire et dans la synchronicité des divisions mitotiques assurant la formation d’un gamétophyte femelle mature fonctionnel. Étant exprimé de manière spécifique au niveau des téguments de l’ovule, ScRALF3 est un candidat idéal pour réguler les communications cellule-cellule entre le sporophyte et le sac embryonnaire. / Development coordination through intercellular communication is essential for plant reproduction. Several studies show that communication between embryo sac and maternal tissue, the sporophyte, is essential to the development of gametes. These molecules, peptides or other actors involved in these signaling pathways and their mode of action remains unclear. Genes encoding small secreted RALF peptides specifically or ubiquitously expressed throughout the plant are good candidates to allow these cell-cell communications. Thirteen RALF-like genes have been isolated at present from the wild potato Solanum chacoense. Now, we show that one of these, ScRALF3, is involved in the polarization of the embryo sac and the synchronicity of mitotic divisions to ensure the formation of a functional mature female gametophyte. Since it is specifically expressed in the integument of the ovule, ScRALF3 is an ideal candidate to regulate cell-cell communication between the sporophyte and the gametophyte, e.g., the embryo sac.

La coordination du développement par les communications intercellulaires est essentielle pour assurer la reproduction chez les plantes. Plusieurs études démontrent qu’une communication entre le sac embryonnaire et le tissu maternel, le sporophyte, est essentielle au bon développement des gamètes. Les molécules, peptides ou autres protagonistes impliqués dans ces voies de signalisation ainsi que leur mode d’action restent toutefois nébuleux. Les gènes de type RALF codent pour des petits peptides sécrétés retrouvés de manière spécifique ou ubiquitaire dans la plante. Leur structure en font de parfaits candidats pour permettre ces communications cellule-cellule entre les différents tissus. Treize gènes de type RALF ont été isolés actuellement chez la pomme de terre sauvage Solanum chacoense. Maintenant, nous montrons qu’un de ceux-ci, ScRALF3, est impliqué dans la polarisation du sac embryonnaire et dans la synchronicité des divisions mitotiques assurant la formation d’un gamétophyte femelle mature fonctionnel. Étant exprimé de manière spécifique au niveau des téguments de l’ovule, ScRALF3 est un candidat idéal pour réguler les communications cellule-cellule entre le sporophyte et le sac embryonnaire. / Development coordination through intercellular communication is essential for plant reproduction. Several studies show that communication between embryo sac and maternal tissue, the sporophyte, is essential to the development of gametes. These molecules, peptides or other actors involved in these signaling pathways and their mode of action remains unclear. Genes encoding small secreted RALF peptides specifically or ubiquitously expressed throughout the plant are good candidates to allow these cell-cell communications. Thirteen RALF-like genes have been isolated at present from the wild potato Solanum chacoense. Now, we show that one of these, ScRALF3, is involved in the polarization of the embryo sac and the synchronicity of mitotic divisions to ensure the formation of a functional mature female gametophyte. Since it is specifically expressed in the integument of the ovule, ScRALF3 is an ideal candidate to regulate cell-cell communication between the sporophyte and the gametophyte, e.g., the embryo sac.