La conductivité hydraulique racinaire (Lpr) traduit la capacité de transport d’eau de la racine. Lors de son trajet du sol vers le xylème, l’eau diffuse au sein de l’apoplasme ou au travers des cellules (voie de cellule-à-cellule). Au niveau de l’endoderme, la diffusion apoplasmique de l’eau est bloquée par le cadre de Caspari et des lamelles de subérine. La voie de cellule-à-cellule dépend principalement de l’activité des aquaporines régulées en partie par des interactions protéiques. Ce travail caractérise de nouveaux interactants de l’aquaporine racinaire PIP2;1 : le récepteur kinase RKL1 et 4 protéines de fonction inconnue appartenant à la sous-famille 1 des Casparian Strip membrane domain Protein Like (CASPL1) (CASPL1-B1/B2/D1/D2). RKL1 est exprimée dans l’endoderme, est capable d’interagir physiquement avec PIP2;1 et stimule in vitro le transport d’eau par l’aquaporine. Cependant, l’inactivation de RKL1 n’affecte pas la Lpr sans que cela ne puisse être expliqué par une redondance fonctionnelle avec son plus proche homologue, RLK902. Une étude bibliographique suggère que l’interaction entre RKL1 et PIP2;1 interviendrait dans une voie de signalisation en réponse à une attaque pathogène. Concernant les CASPL, D1 est exprimé dans tous les tissus, alors que B1, B2 et D2 semblent uniquement exprimés dans des territoires subérisés. Ce profil suggère une implication de B1, B2 et D2 dans une régulation des aquaporines et de la subérisation. Au niveau moléculaire, D2, malgré son interaction physique avec PIP2;1, ne module pas le transport d’eau par l’aquaporine. En revanche, B1 interagit préférentiellement avec PIP2;1 sous une forme phosphorylée et stimule le transport d’eau par l’aquaporine. Au niveau de la plante entière, l’inactivation d’un ou deux gènes CASPL n’affecte ni la Lpr., ni la subérisation. Par contre, l’inactivation de PIP2;1 et PIP2;2 révèle un effet inhibiteur de ces aquaporines sur la subérisation. Cette étude a permis de décrire de nouveaux mécanismes originaux de régulation des aquaporines. Elle pose également, la question de l’existence d’une relation entre les transports d’eau par la voie apoplasmique et par les aquaporines. / The root hydraulic conductivity (Lpr) reflects the water transport capacity of the root. During its transfer from the soil to the xylem, water can diffuse in the apoplasm or through the cells (cell-to-cell pathway). At the endodermis, the apoplastic diffusion of water is blocked by the Casparian Strip and suberin lamellae. The cell-to-cell pathway mainly relies on aquaporin activity which can be regulated by protein interactions. This study aims at characterizing new interactants of the root aquaporin PIP2;1: the receptor kinase RKL1 and 4 proteins of unknown function belonging to the Casparian Strip membrane domain Protein Like 1 sub-family (CASPL1-B1/B2/D1/D2). RKL1 is expressed in the endodermis, can physically interact with PIP2;1 and stimulates its water transport function in vitro. However a loss-of-function of RKL1 does not affect the Lpr., independently of a putative functional redundancy with its closest homolog RLK902. Concerning CASPL, D1 is expressed in every tissue of the root whereas B1, B2 and D2 appear to be specifically expressed in suberized tissues. This suggests a putative role of these isoforms in aquaporin regulation and suberisation. At the molecular level, D2 does not modulate PIP2;1 water transport activity despite a physical interaction between the two partners. By contrast, B1 interacts with PIP2;1 preferentially in its phosphorylated form and enhances the water transport activity of the aquaporin. At the plant level, disrupting one or two CASPL genes neither impact the Lpr nor affect the suberisation. However, the loss of function of both PIP2;1 and PIP2;2 reveals a negative effect of these aquaporins on suberisation. In conclusion, this study, uncovered novel regulation mechanisms of aquaporins. It also raises the question of the existence of a putative relationship between water transport by the apoplastic pathway and by aquaporins.

En tant qu’acteurs moléculaires impliqués dans le transport d’eau au travers des membranes biologiques, les aquaporines (AQP) jouent un rôle et sont régulées en réponse à des stress. Ils sont soumis à d’intenses recherches, en particulier chez le riz. En utilisant une approche de génomique fonctionnelle, nous avons généré 5 lignées transgéniques de riz dans le fond génétique Nipponbare, en sur-exprimant des AQP uniques fusionnées à un marqueur fluorescent ; parmi celles-là, figurent trois AQP de la membrane plasmique (OsPIP1;1, OsPIP2;4, OsPIP2;5) fusionnées à la GFP et deux AQP de la membrane tonoplastique (OsTIP1;1 and OsTIP2;2) fusionnées à la mCherry. Leurs localisations subcellulaires en condition contrôle ont été observées. Chez le riz, les isoformes OsPIP présentaient un marquage homogène typique de la membrane plasmique, tandis que les isoformes OsTIP ont été trouvées avec un marquage des invaginations intracellulaires qui entourent le noyau, typique du tonoplaste. Le comportement des AQP de la membrane plasmique a été testé en conditions de stress salin et osmotique. Les stress abiotiques ont provoqué une relocalisation des AQP et le stress salin a augmenté l’endocytose de l’isoforme OsPIP2;5 dans les cellules de la racine. Par ailleurs, la sur-expression de tels transgènes ne semblait pas affecter la morphologie des plantes et ne conférait pas un effet bénéfique sur la production de graines, aussi bien en condition contrôle que stressée. Enfin, nous nous sommes focalisés sur la contribution des AQP dans la racine de riz en relation avec la morphologie racinaire. Nous avons trouvé que les AQP contribuaient à un pourcentage relativement important dans le transport de l’eau dans la racine entière (44-58%) et que cette contribution semblait plus importante dans les racines primaires que latérales. / As molecular players involved into the water transport through biological membranes, aquaporins (AQPs) have a role and are regulated in stress response. They were deeply investigated in plants and particularly in rice. Using functional genetic approach, we generated 5 transgenic rice lines based on Nipponbare cultivar, by overexpressing a single AQP in fusion with a fluorescent marker; among them, 3 plasma membrane AQPs (OsPIP1;1, OsPIP2;4, OsPIP2;5) fused with GFP and 2 tonoplast AQPs (OsTIP1;1 and OsTIP2;2) fused with mCherry. Their subcellular localizations in resting condition were investigated. In rice, OsPIP isoforms showed typical homogeneous labelling of the plasma membrane, whereas OsTIP isoforms were observed localized in the tonoplast with a typical labelling of intracellular invaginations that skirted the nucleus. The behaviors of plasma membrane AQPs were tested in salt and drought stress-mimicked-conditions. Abiotic stresses triggered a re-localization of plasma membrane AQPs and salt stress enhanced endocytosis process of OsPIP2;5 in rice root cells. Overexpressing such transgenes did not seem to affect the plant morphology and showed no beneficial effects for grain yield in both non-stress and stress conditions. We took more focus on the contribution of AQPs in rice root water transport in link with root morphology. AQPs contributed a relative high percentage of water transport in whole root system (44-58%) and seemed to contribute more in primary roots rather than in lateral roots.

Le sujet de l’adaptation aux changements climatiques est devenu l’un des sujets contemporains les plus importants dans la vigne. Une grande focalisation a été mise sur la compréhension des effets du porte-greffe sur la croissance du scion, l’absorption des nutriments, et la tolérance au stress, dans l’objectif final de développer de nouveaux porte-greffes qui facilitent l’adaptation au changement climatique. L’objectif de cette thèse est d’examiner comment les différences dans la résistance à la sécheresse entre les génotypes peut résulter en de grandes différences dans leur capacité à maintenir leur croissance racinaire en situation de stress. Une meilleure compréhension sur la manière dont la structure, la croissance racinaire et l’absorption d’eau répondent au stress nous permettra de mieux comprendre quels sont les aspects de la physiologie racinaire qui contribuent à la tolérance face à la sécheresse. Des recherches précédentes qui s’étaient focalisées sur l’absorption d’eau racinaire chez la vigne ont suggéré que l’absorption d’eau racinaire pouvait être fortement liée à la vitesse de croissance racinaire instantanée (voir Gambetta et al. 2013). Cette observation implique que des différences entre les génotypes dans la résistance face à la sécheresse pourrait largement résulter de leur capacité à maintenir la croissance racinaire en conditions de stress. Deux porte-greffes de vigne avec des capacités contrastées en matière de résistance à la sécheresse, le Riparia Gloire de Montpellier (RGM) et le 110 Richter (110R) ont été sélectionnés pour étudier dans cette thèse. RGM est considéré comme sensible à la sécheresse, tandis que 110R est fortement résistant à la sécheresse (Carbonneau 1985). La thèse a examiné la relation entre la croissance racinaire et la capacité de résistance à la sécheresse en évaluant la vitesse de croissance racinaire, la conductivité hydraulique à travers deux variétés de porte-greffe en conditions de déficit en eau. Le niveau de l’expression des gènes d’aquaporines (via la qPCR et l’ARNseq) et leur contribution à la conductivité hydraulique racinaire ont été analysés dans les radicelles afin d’obtenir une meilleure compréhension sur les mécanismes impliqués dans la régulation de l’absorption de l’eau racinaire et la conductivité hydraulique au cours du développement et en réponse à un manque d’eau.Le traitement de stress d’eau prolongé a diminué le potentiel hydraulique de la plante. La croissance racinaire individuelle est très hétérogène : bien que le traitement de sécheresse réduise l’élongation racinaire en moyenne, la vitesse de croissance racinaire varie tout de même énormément. Un haut niveau de stress hydrique a réduit significativement la vitesse de croissance racinaire moyenne à la fois pour RGM et 110R. Globalement, la vitesse de croissance racinaire moyenne a montré une tendance réduite au cours du développement de la plante. La température du sol est aussi un facteur qui affecte la croissance racinaire. Pour RGM et 110R, en conditionsIIde bon arrosage et de stress hydrique, la vitesse de croissance quotidienne moyenne a été positivement corrélée avec la température du sol quotidienne moyenne. En conditions de bon arrosage, des vitesses de croissance racinaires plus importantes ont été constamment observées chez 110R par rapport à RGM, ce qui pourrait être une explication possible de sa meilleure résistance à la sécheresse par rapport à 110R. [...] / The subject of adaptation to climate change has become one of the most important contemporary topics in grapevine. Much focus has been placed on the understanding of rootstocks effects on scion growth, nutrient uptake, and tolerance to stress, with the ultimate goal of developing novel rootstocks that facilitate adaptation to a changing climate. The purpose of this thesis is to examine how differences in drought resistance between genotypes could result largely from differences in their ability to maintain root growth under stress. A better understanding of how root structure, growth, and water uptake respond to stress will allow us to better understand what aspects of root physiology contribute to drought tolerance. Previous research focused on root water uptake in grapevine suggested that root water uptake could be tightly coupled to a root’s instantaneous rate of growth (see Gambetta et al. 2013). This observation implies that differences in drought resistance between genotypes could result largely from their ability to maintain root growth under stress. Two grapevine rootstocks with contrasting drought resistance capacity, Riparia Gloire de Montpellier (RGM) and 110 Richter (110R), were selected to study in this thesis. RGM is considered as sensitive to drought, while 110R is highly resistant to drought (Carbonneau 1985). The thesis examined the relationship between root growth and drought resistant capacity by assessing root growth rate, hydraulic conductivity across two rootstock varieties subjected to water deficit. The role of aquaporin gene expression (via qPCR and RNAseq) and their contribution to root hydraulic conductivity were analyzed in fine roots in order to obtain a better understanding on the mechanisms involved in the regulation of root water uptake and hydraulic conductivity across development and in response to water deficit.Prolonged water stress treatment decreased plant water potential. Individual root growth is very heterogeneous, although drought treatment reduces root elongation on average, individual root growth rate still varies enormously. High level of water stress significantly reduced average root growth rate for both RGM and 110R. Globally, average root growth rate showed a decreased trend over plant development. Soil temperature is also a factor that affects root growth. For both RGM and 110R, under both well-watered and water-stressed conditions, average daily root growth rate was positively correlated with average daily soil temperature. Under well-watered conditions, higher root growth rates were constantly observed in 110R compared to RGM, which could be one possible explanation for the higher capacity in drought resistance of 110R.Root hydraulic conductivity (Lpr) was influenced by both water stress treatment and plant developmental stage. Generally, for both RGM and 110R, Lpr was significantly reduced under water stress in early stage. In mid and late stages, no significant differences in Lpr were observedIVbetween well-watered and water-stressed plants. Changes in individual root Lpr in response to pre-dawn leaf water potential (ᴪpredawn) were investigated as well. Lpr showed a fast drop in the beginning of water stress treatment when ᴪpredawn was higher than -0.5 MPa. However, with ᴪpredawn getting more negative, e.g. from -0.4 MPa to -2.0 MPa, the range of Lpr values measured in our study maintained constant. Lpr of well-watered plants decreased as well even though their ᴪpredawn was maintained at a high level (< 0.1 MPa) during the period of the experiment. [...]