Ce travail est basé sur le constat du manque de méthodes permettant l'analyse intégrée des processus contrôlant le développement végétatif d'Arabidopsis thaliana dans les études phénotypiques multi-échelles. Un phénotypage préliminaire de la croissance foliaire de 91 génotypes a permis de sélectionner 3 mutants et des variables d'intérêt pour une étude plus poussée du développement de la pousse. Un pipeline de méthodes d'analyses combinant techniques d'analyse d'images et modèles statistiques a été développé pour intégrer les mesures faites à l'échelle de la feuille et de la pousse. Des modèles multi-phasiques à changements de régime semi-markovien ont été estimés pour chaque génotype permettant une caractérisation plus pertinente des mutants. Ces modèles ont validé l'hypothèse selon laquelle le développement de la rosette peut être découpé en une suite de phases de développement, pouvant varier selon les génotypes. Ils ont aussi mis en évidence le rôle structurant de la variable «trichome abaxial», bien que les phases de développement ne puissent être entièrement expliquées par ce trait. Un 2nd pipeline d'analyses combinant une méthode semi-automatique de segmentation d'images de l'épiderme foliaire et l'analyse des surfaces de cellules par un modèle de mélange de lois gamma à paramètres liés par une loi d'échelle a été développé. Ce modèle nous a permis d'estimer la loi du nombre de cycles d'endoréduplication. Nous avons mis en évidence que cette loi dépendait du rang de la feuille.Le cadre d'analyses multi-échelles développé et testé durant cette thèse devrait être assez générique pour être appliqué à d'autres espèces végétales dans diverses conditions environnementales. / This study is based on the observation of a lack of methods enabling the integrated analysis of the processes controlling the vegetative development in Arabidopsis thaliana during multi-scale phenotypic studies. A preliminary leaf growth phenotyping of 91 genotypes enabled to select 3 mutants and different variables of interest for a more in depth analysis of the shoot development.We developed a pipeline of analysis methods combining image analysis techniques and statistical models to integrate the measurements made at the leaf and shoot scales. Semi-Markov switching models were built for each genotype, allowing a more thorough characterization of the studied mutants. These models validated the hypothesis that the rosette can be structured into successive developmental phases that could change depending on the genotype. They also highlighted the structuring role of the ‘abaxial trichomes' variable, although the developmental phases cannot be explained entirely by this trait. We developed a second pipeline of analysis methods combining a semi-automatic method for segmenting leaf epidermis images, and the analysis of the obtained cell areas using a gamma mixture model whose parameters of gamma components are tied by a scaling rule. This model allowed us to estimate the mean number of endocycles. We highlighted that this mean number of endocycles was function of the leaf rank.The multi-scale pipeline of analysis methods that we developed and tested during this PhD should be sufficiently generic to be applied to other plant species in various environmental conditions.

Les plantes présentent une incroyable diversité de tailles, formes et couleurs, étroitement liée à certaines de leurs fonctions biologiques telles que la photosynthèse, la reproduction, etc. De ce fait, la façon dont ces organismes multicellulaires acquièrent des formes complexes est une question clé en biologie du développement. La morphologie des organes végétaux résulte en effet de la modulation, à l’échelle cellulaire, de patrons d’expression génétique, de croissance et de différenciation. Bien que la morphogénèse ait été largement étudiée d’un point de vue moléculaire, nous ne savons toujours pas comment ces réseaux génétiques sont traduits en formes biologiques. Le but de ce projet de recherche est donc d’étudier le développement des organes latéraux (feuilles juvéniles, feuilles caulinaires et organes floraux, id sépales, pétales et anthères) chez l’espèce modèle Arabidopsis thaliana. Afin d’approcher la question du rôle des interactions complexes entre cellules et organes lors du développement, nous nous intéressons à la variabilité entre les organes, mais aussi à la variabilité cellulaire intrinsèque de chaque organe. Nous avons donc testé (1) si la diversité de formes observées chez les organes latéraux résulte de modulations d’un programme développemental commun; (2) si la croissance et le développement des organes latéraux est un phénomène stochastique ou dépend de mécanismes sous-jacents spécifiques. Pour ce faire, nous utilisons une approche multidisciplinaire basée sur la génétique, la microscopie confocale et l’analyse d’images 3D pour extraire les patrons de croissance inhérents aux différents organes. Les résultats de la première étude (Chapitre 2) montrent que la forme des organes dépend de l’équilibre entre croissance et différentiation, dont la régulation précise permet l'acquisition de fonctions hautement spécialisées. La feuille caulinaire, par exemple, présente un retard de différenciation qui permet une activité morphogénétique prolongée et une redistribution de la croissance. À travers la suppression transitoire de la croissance lors des premiers stades de développement, la trajectoire développementale de la feuille caulinaire permet sa double fonction, à la fois protectrice et photosynthétique.\par La deuxième étude (Chapitre 3), quant-à-elle, s’intéresse aux comportements des cellules individuelles, dont la croissance, bien que contrôlée par des informations positionnelles, est souvent hétérogène. Cette variabilité résulte de la différenciation de cellules spécialisés, les stomates, qui suivent un programme de développement spécifique. Le comportement autonome de ces cellules, asynchrone, est la principale source de variabilité dans des tissus dont la croissance est autrement homogènes. Dans l’ensemble, cette thèse a permis de mettre en lumière l’importance de la temporalité lors du développement des organes végétaux. Que ce soit à l’échelle de l’organe, du tissu ou de la cellule, la modulation et la synchronisation de la croissance et de la différentiation sont nécessaires à l’acquisition des formes stéréotypiques des organes et à leur complexité fonctionnelle. / Plants display an incredible diversity of sizes, shapes, and colors, closely linked to some of their biological functions, such as photosynthesis, reproduction, etc. How these multicellular organisms acquire complex shapes is, therefore, a key question in developmental biology. The morphology of plant organs results from cell-level modulation of patterns of gene expression, growth, and differentiation. Although morphogenesis has been extensively studied from a molecular point of view, how genetic networks are translated into biological forms is still unclear. Thus, the aim of this research project is to study the development of lateral organs (rosette leaves, cauline leaves, and floral organs, i.e. sepals, petals, and anthers) in the model species Arabidopsis thaliana. To address the question of the role of complex cell-organ interactions during development, we are interested not only in variability between organs but also in the intrinsic cellular variability of each organ. We, therefore, tested (1) whether the diversity of shapes observed in lateral organs results from modulations of a common developmental program; (2) whether the growth and development of lateral organs is a stochastic phenomenon or depends on specific underlying mechanisms. To this end, we are using a multidisciplinary approach based on genetics, confocal microscopy, and 3D image analysis to extract the growth patterns inherent in the different organs. The results of the first study (Chapter 2) show that organ shape depends on the balance between growth and differentiation, which fine regulation enables the acquisition of highly specialized functions. The cauline leaf, for example, shows a delay in differentiation that allows for prolonged morphogenetic activity and growth redistribution. Through the transient growth suppression at early stages, the cauline leaf developmental trajectory allows for its dual function, from protection to photosynthesis. The second study (Chapter 3) focuses on the behavior of individual cells, whose growth, although controlled by positional information, is often heterogeneous. This variability results from the differentiation of specialized cells, the stomata, which follow a specific developmental program. The autonomous, asynchronous behavior of these cells is the main source of variability in tissues whose growth is otherwise homogeneous. Overall, this thesis has shed light on the importance of timing in plant organ development. Whether at the organ, tissue, or cell level, modulation and synchronization of growth and differentiation are necessary for the acquisition of stereotypic organ shapes and functional complexity.