La germination est un processus en continuité avec la fécondation, l'embryogénèse et la maturation de la graine. Il débute avec l'imbibition mais est soumis à des contrôles internes et externes : balance hormonale qui régule les acteurs de la germination et conditions environnementales. Ce travail apporte des informations sur la germination des semences de Medicago truncatula. Chez cette espèce, la germination résulte uniquement de la croissance cellulaire par élongation. La restructuration des parois joue un rôle clé et serait la cible de l'acide abscissique (ABA). Elle correspond à la modification de la composition en oses et à l'évolution des structures internes à l'échelle des polymères ; notamment, l'apparition de callose et des changements au niveau des ramifications des pectines. Les parois sont riches en arabinose, présentent une hétérogénéité tissulaire, et délimitent des structures en fuseaux dans l'axe embryonnaire. Le gène MtSAP1 a été étudié au niveau structural et fonctionnel. Il code pour une protéine possédant les domaines A20 et AN1. Chez les mammifères ses homologues régulent les processus inflammatoire et la mort cellulaire. Chez le riz, les protéines A20/AN1 joueraient un rôle dans la transmission du signal de stress. Le travail effectué ici montre que MtSAP1 s'exprime dans l'axe embryonnaire dans la semence en fin de maturation. Son expression chute durant la germination et il est fortement induit par l'ABA et par l'hypoxie. Des interactions existent entre MtSAP1 et des protéines liées au développement et aux stress. Son rôle pourrait s'exercer au niveau de la transmission du signal stress lié à la dessiccation et le faible taux d'oxygène.

Contrary to the predictions of numerous theoretical models, variation in partner quality continues to persist in mutualisms, including in the symbiosis between legumes and rhizobia. One potential explanation for the maintenance of this genetic diversity is genotype × genotype interactions, however it is unknown which genetic regions might underlie these interactions. To investigate this question, I performed a quantitative trait loci mapping experiment with two different rhizobium strains to locate potential regions of the genome influencing genotype × genotype interactions between the legume Medicago truncatula and its symbiont Sinorhizobium meliloti. I found no evidence for genotype × genotype or QTL × rhizobium interactions, however some of the QTLs colocalized with genes involved in the symbiosis signaling pathway, suggesting variation in these genes could potentially affect plant performance and fitness traits. These findings have important implications for the evolutionary interactions between legumes and rhizobia, and the genetic architecture of Medicago truncatula.

Contrary to the predictions of numerous theoretical models, variation in partner quality continues to persist in mutualisms, including in the symbiosis between legumes and rhizobia. One potential explanation for the maintenance of this genetic diversity is genotype × genotype interactions, however it is unknown which genetic regions might underlie these interactions. To investigate this question, I performed a quantitative trait loci mapping experiment with two different rhizobium strains to locate potential regions of the genome influencing genotype × genotype interactions between the legume Medicago truncatula and its symbiont Sinorhizobium meliloti. I found no evidence for genotype × genotype or QTL × rhizobium interactions, however some of the QTLs colocalized with genes involved in the symbiosis signaling pathway, suggesting variation in these genes could potentially affect plant performance and fitness traits. These findings have important implications for the evolutionary interactions between legumes and rhizobia, and the genetic architecture of Medicago truncatula.

The Arbuscular mycorrhiza (AM) is an endosymbiont of higher plant roots. Most land plants and cultivated crops are concerned to AM symbiosis. This endosymbiosis is based on the mutual exchange of nutrients between plant and fungus. Therefore, AM symbiosis leads to an increased demand for photosynthetic products. The aim of this study was to investigate the pathway used by plants during AM symbiosis to increase photosynthetic performance. Therefore, we have carried out a systematic characterization of photosynthesis in Medicago truncatula (M. truncatula), which is a model legume. We observed colonization by the fungus in roots and that AM symbiosis increases the fresh and dry plant biomass. This could be attributed to an increase in both photosynthetic efficiency and capacity in AM plants. Consistent with these observations, AM symbiosis enhanced phosphorus uptake from the soil into roots, stems and leaves, as based on analyses of phosphorus content. Based on equal chl loading, no differences were found regarding D1, Lhcb1 and Lhcb2 protein content in four plant groups. This indicates similar ratio between chl and PSII proteins. Furthermore, AM symbiosis increases the amount of chlorophyll, steady state oxygen evolution activities, maximum quantum yield (Fv/Fm), and photosynthetic electron transport rate (about 5 fold). Nevertheless, photoprotection was not affected by AM symbiosis. We observed an increase in weight of seed/fruit and weight of seed/plant in AM plants (about 2 fold). Based on these results, we propose that AM symbiosis increases both the efficiency and the capacity of photosynthetic apparatus in the M. truncatula.

The interactions between Medicago truncatula and Phytophthora medicaginis were examined using skl, a mutant blocked in ethylene perception, and a range of wild accessions of this plant species. P. medicaginis infection of M. truncatula plants resulted in compatible responses, whereas the mutant genotype was found to be hyper-susceptible to the pathogen. Phytophthora reproduction and colonization rates of Medicago tissues supported this conclusion. Infection of skl with different pathogens reinforced this observation. Ethylene production in infected A17 and skl roots showed reduced ethylene evolution in the mutant and suggested that a positive feedback loop, known as autocatalytic ethylene production, amplified the ethylene signal. To complement the study, expression analyses of defense response genes in this interaction were studied by real time RTPCR of Phytophthora-infected and mock-infected roots. The genes analyzed were PAL, CHS, IFR, ACC oxidase, GST, and PR10. The sequences needed for the analysis were found through the scrutiny of the M. truncatula EST database employing phylogenetics and bio-informatics tools. In A17 all the genes studied were up-regulated, although the specific gene expression patterns differed. The comparison of gene expression between A17 and skl genotypes allowed the differentiation between ethylene-dependent and ethylene-independent responses. Discrete results showed that ACC oxidase homologues were downregulated in the ethylene perception mutant, corroborating the ethylene observations. However, the expression of genes involved in the phenylpropanoid metabolism was increased in skl relative to A17, suggestive of an antagonism between the ethylene perception pathway and the regulation of the phenylpropanoid pathway. This result implied that Medicago phytoalexins accumulate in the disease interaction, but raised questions about their role in resistance to Phytophthora infection. This study establishes a link between mechanisms that regulate symbiotic infection and the regulation of disease resistance to Oomycete pathogens, especially P. medicaginis. The results served to identify a series of Phytophthora-induced genes, which remain pathogen-responsive even in the absence of a functional ethylene perception pathway. While it is possible that the products of these genes are involved in resistance to P. medicaginis, the present results demonstrate that ethylene perception is required for resistance.

La tolérance à la dessiccation (TD) est définie comme l'aptitude à survivre à l'état sec et à reprendre un métabolisme normal après le retour à des conditions hydriques favorables. Contrairement aux graines orthodoxes, qui acquièrent la TD au cours de leur maturation, les graines récalcitrantes ne survivent pas à la dessiccation. L'analyse comparative du développement de ces deux types de graines constitue donc un modèle intéressant pour mettre en évidence des mécanismes spécifiquement impliqués dans la TD. Par des approches protéomique et transcriptomique, ce travail a permis de caractériser le développement de graines récalcitrantes de Castanospermum australe et de le comparer à celui de graines orthodoxes de Medicago truncatula, espèce de la même sous-famille des Fabacées. Nos résultats montrent que certaines protéines de type LEA (Late Embryogenesis Abundant) sont absentes ou faiblement accumulées dans les graines matures de C. australe comparé à celles de M. truncatula. Le profil des LEA ressemble à celui du mutant Mtabi3, déficient pour le régulateur majeur de la maturation des graines orthodoxes ABI3 (ABscissic acid Insensitive 3). L'analyse transcriptomique révèle une forte répression de CaABI3 et de ses gènes cibles en fin de développement chez les graines de C. australe, alors qu'ils restent fortement exprimés tout au long de la maturation des graines de M. truncatula. Deux gènes codant pour ABI3 ont été clonés chez C. australe : CaABI3 et CaABI3-like. Par sur-expression ectopique dans des racines de M. truncatula, seul CaABI3-like est en mesure d'activer les mêmes cibles que MtABI3. De plus, CaABI3 ne complémente pas le mutant abi3-5 d'Arabidopsis thaliana. Cette analyse renforce l'importance d'ABI3 pour expliquer la sensibilité à la TD des graines récalcitrantes. Elle révèle par ailleurs que la graine mature de C. australe présente certaines caractéristiques d'une graine prête à germer tout en exprimant de nombreux gènes de réponse au stress.

L'objectif de cette thèse est de contribuer à faire progresser les connaissances sur les interactions bénéfiques entre les plantes et les microorganismes en évaluant la contribution des systèmes de sécrétion de type III (SST3). Une synthèse des connaissances disponibles relatives aux SST3 chez les Pseudomonas non pathogènes, saprotrophes ou mutualistes, présentée chapitre I, montre que les SST3 ne sont pas cantonnés aux interactions parasites ou pathogènes avec les plantes. Dans l'étude expérimentale présentée chapitre II, nous avons utilisé différents génotypes de Medicago truncatula Gaertn. cv. Jemalong capables (Myc+) ou non (Myc-) d'établir une symbiose mycorhizienne. Ce travail nous a permis de montrer que les Pseudomonas spp. fluorescents possédant un SST3 (SST3+) sont préférentiellement associés aux racines mycorhizées des génotypes Myc+ de M. truncatula (J5 et TRV48) plutôt qu'aux racines du mutant Myc- (TRV25) et au sol nu. Ainsi, la plante seule n'est pas à l'origine de la présence accrue des Pseudomonas SST3+. La colonisation de la racine par les champignons mycorhizogènes à arbuscules (CMA), le développement du mycélium intraradiculaire et/ou la formation associée d'arbuscules, sont également déterminants. Dans l'étude présentée chapitre III, nous avons comparé les effets de la souche modèle promotrice de mycorhization (MHB) P. fluorescens C7R12 (SST3+) et de son mutant C7SM7 (SST3-), sur la mycorhization et la croissance de M. truncatula dans un sol non stérile. Ce travail a permis de montrer que le SST3 de C7R12 contribue à l'effet MHB de la bactérie. La promotion de la colonisation de la racine de M. truncatula par les CMA indigènes induite par le SST3 de C7R12 s'est traduite par une amélioration de la croissance de la plante. En revanche, l'inactivation du SST3 chez C7SM7 a eu un impact délétère sur la colonisation de la racine de M. truncatula par les CMA du sol étudié et sur la croissance de la plante. L'observation d'effets quantitatifs opposés entre C7R12 et C7SM7, nous a conduits à nous interroger sur l'existence d'un effet différentiel de l'inoculation de ces bactéries sur la structure et la diversité des communautés des microorganismes associés. Dans une étude présentée chapitre IV, le suivi dynamique en parallèle de la structure des communautés totales bactériennes (B-RISA) et fongiques (F-RISA) et de la colonisation de la racine par les CMA a été réalisée. Aucun effet de l'inoculation n'a été observé sur la structure des communautés fongiques de la rhizosphère ou des racines. En revanche, la structure des communautés bactériennes a varié selon que les plantes aient été inoculées ou non et selon la souche inoculée. Néanmoins, ces différences ont été observées plusieurs semaines après les effets de l'inoculation de C7R12 ou de C7SM7 sur la colonisation de la racine par les CMA. Ce décalage dans le temps, suggère que les différences observées dans la structure des communautés bactériennes pourraient être une conséquence plutôt qu'une cause des variations observées sur la mycorhization de M. truncatula. Nos résultats n'ont pas permis de mettre en évidence d'effets de l'inoculation sur la diversité des populations des bactéries fixatrices d'azote présentes dans les nodosités de M. truncatula. L'analyse des séquences de la grande sous-unité de l'ADN ribosomique (LSU rDNA) amplifiées à partir d'ADN extrait des racines, a montré pour les plantes inoculées et non inoculées, que les populations de CMA étaient majoritairement apparentées à Glomus intraradices. Un groupe d'isolats spécifiquement associé aux racines inoculées avec C7R12 et apparenté à G. claroideum a été décrit. Le groupe spécifique pourrait être associé à l'amélioration de la mycorhization observée dans les racines inoculées avec C7R12. Néanmoins, compte tenu de sa faible représentation numérique (8%), il semble probable que l'inoculation de C7R12 ait aussi un effet quantitatif sur la colonisation de la racine de M. truncatula par les CMA. etc

La majorité des plantes terrestres forment une symbiose racinaire avec des champignons mycorhiziens à arbuscules (MA). Les champignons fournissent à la plante de l'eau et des minéraux en particulier du phosphate (Pi), en échange les plantes leur apportent des éléments carbonés. La fertilisation phosphatée est connue pour inhiber l'interaction symbiotique, mais les mécanismes intervenant dans cette régulation sont inconnus. Nous avons montré que le Pi est capable d'inhiber presque totalement la mycorhization à un stade très précoce, avant même l'attachement du champignon à la surface de l'épiderme racinaire. Cette inhibition est liée aux teneurs en Pi dans les parties aériennes et fait intervenir une signalisation systémique. Par la suite, nous avons cherché à identifier les mécanismes impliqués dans la régulation de la mycorhization par le Pi. Les évènements précoces d'interaction ont été examinés avec un intérêt marqué pour les exsudats racinaires. Tout d'abord, nous avons analysé l'importance des strigolactones dans la régulation. Ces molécules sont sécrétées par les racines des plantes et stimulent le développement des champignons (MA). La production de strigolactones est elle aussi régulée de façon systémique par le Pi et les exsudats végétaux de plantes non carencés en Pi sont dépourvus de strigolactones. Cependant, un ajout exogène de ces molécules ne suffit pas pour lever l'inhibition associée à la présence de Pi. De plus, la part des exsudats végétaux en général dans cette régulation a été étudiée. Bien que les exsudats jouent un rôle pour favoriser (ou non) la mise en place de l'interaction, des mécanismes de contrôle supplémentaires existent au niveau de la racine elle-même. Parmi plusieurs mécanismes régulateurs hypothétiques nous avons testé si le Pi pouvait affecter la capacité des plantes à reconnaitre correctement leurs partenaires fongiques. Pour cela nous avons utilisé deux approches. (i) Il est connu que les racines répondent à la présence de champignon par des oscillations de concentrations en calcium dans les noyaux. Nous n'avons pas trouvé d'effet du Pi sur cette réponse. (ii) Nous avons aussi analysé si l'expression de gènes végétaux en réponse au champignon pouvait être régulée par le Pi. Quelle que soit la condition phosphatée testée, les plantes sont capables de répondre à la présence de champignon par l'induction de gènes de défense et de gènes " symbiotiques ". Cependant, le Pi affecte négativement l'expression de certains des gènes symbiotiques, laissant penser que les plantes seraient moins à même de répondre au champignon lorsqu'il y a du Pi. Pour finir, d'autres mécanismes de régulation possibles (tels que la composition des parois ou un effet hormonal des strigolactones) sont proposés et discutés.

L'objectif de cette thèse est de contribuer à faire progresser les connaissances sur les interactions bénéfiques entre les plantes et les microorganismes en évaluant la contribution des systèmes de sécrétion de type III (SST3). Une synthèse des connaissances disponibles relatives aux SST3 chez les Pseudomonas non pathogènes, saprotrophes ou mutualistes, présentée chapitre I, montre que les SST3 ne sont pas cantonnés aux interactions parasites ou pathogènes avec les plantes. Dans l’étude expérimentale présentée chapitre II, nous avons utilisé différents génotypes de Medicago truncatula Gaertn. cv. Jemalong capables (Myc+) ou non (Myc-) d’établir une symbiose mycorhizienne. Ce travail nous a permis de montrer que les Pseudomonas spp. fluorescents possédant un SST3 (SST3+) sont préférentiellement associés aux racines mycorhizées des génotypes Myc+ de M. truncatula (J5 et TRV48) plutôt qu’aux racines du mutant Myc- (TRV25) et au sol nu. Ainsi, la plante seule n’est pas à l’origine de la présence accrue des Pseudomonas SST3+. La colonisation de la racine par les champignons mycorhizogènes à arbuscules (CMA), le développement du mycélium intraradiculaire et/ou la formation associée d’arbuscules, sont également déterminants. Dans l’étude présentée chapitre III, nous avons comparé les effets de la souche modèle promotrice de mycorhization (MHB) P. fluorescens C7R12 (SST3+) et de son mutant C7SM7 (SST3-), sur la mycorhization et la croissance de M. truncatula dans un sol non stérile. Ce travail a permis de montrer que le SST3 de C7R12 contribue à l’effet MHB de la bactérie. La promotion de la colonisation de la racine de M. truncatula par les CMA indigènes induite par le SST3 de C7R12 s’est traduite par une amélioration de la croissance de la plante. En revanche, l’inactivation du SST3 chez C7SM7 a eu un impact délétère sur la colonisation de la racine de M. truncatula par les CMA du sol étudié et sur la croissance de la plante. L’observation d’effets quantitatifs opposés entre C7R12 et C7SM7, nous a conduits à nous interroger sur l’existence d’un effet différentiel de l’inoculation de ces bactéries sur la structure et la diversité des communautés des microorganismes associés. Dans une étude présentée chapitre IV, le suivi dynamique en parallèle de la structure des communautés totales bactériennes (B-RISA) et fongiques (F-RISA) et de la colonisation de la racine par les CMA a été réalisée. Aucun effet de l’inoculation n’a été observé sur la structure des communautés fongiques de la rhizosphère ou des racines. En revanche, la structure des communautés bactériennes a varié selon que les plantes aient été inoculées ou non et selon la souche inoculée. Néanmoins, ces différences ont été observées plusieurs semaines après les effets de l’inoculation de C7R12 ou de C7SM7 sur la colonisation de la racine par les CMA. Ce décalage dans le temps, suggère que les différences observées dans la structure des communautés bactériennes pourraient être une conséquence plutôt qu’une cause des variations observées sur la mycorhization de M. truncatula. Nos résultats n’ont pas permis de mettre en évidence d’effets de l’inoculation sur la diversité des populations des bactéries fixatrices d’azote présentes dans les nodosités de M. truncatula. L’analyse des séquences de la grande sous-unité de l’ADN ribosomique (LSU rDNA) amplifiées à partir d’ADN extrait des racines, a montré pour les plantes inoculées et non inoculées, que les populations de CMA étaient majoritairement apparentées à Glomus intraradices. Un groupe d’isolats spécifiquement associé aux racines inoculées avec C7R12 et apparenté à G. claroideum a été décrit. Le groupe spécifique pourrait être associé à l’amélioration de la mycorhization observée dans les racines inoculées avec C7R12. Néanmoins, compte tenu de sa faible représentation numérique (8%), il semble probable que l’inoculation de C7R12 ait aussi un effet quantitatif sur la colonisation de la racine de M. truncatula par les CMA. etc / No abstract

[ES] Las leguminosas son un grupo de plantas consideradas de gran importancia por su valor nutricional para la alimentación humana y ganadera. Además, las familias de leguminosas se caracterizan por rasgos distintivos de desarrollo como su inflorescencia compuesta y su compleja ontogenia floral. Para comprender mejor estas características distintivas, es importante estudiar los genes reguladores clave involucrados en el desarrollo de la inflorescencia y la flor. El gen SUPERMAN (SUP) es un factor transcripcional de dedos de zinc (Cys2-Hys2) considerado como un represor activo que controla el número de estambres y carpelos en A. thaliana. Además, SUP está involucrado en la terminación del meristemo floral y el desarrollo de los tejidos derivados del carpelo. El objetivo principal de este trabajo fue la caracterización funcional del ortólogo de SUP en la leguminosa modelo Medicago truncatula (MtSUP). Logramos este objetivo en base a un enfoque de genética reversa, análisis de expresión génica y ensayos de complementación y sobreexpresión. Nuestros resultados muestran que MtSUP es el gen ortólogo de SUP en M. truncatula. MtSUP comparte algunos de los roles ya descritos para SUP con algunas variaciones. Curiosamente, MtSUP controla la determinación del meristemo inflorescente secundario (I2) y de los primordios comunes (CP) a pétalos y estambres. Por tanto, MtSUP controla el número de flores y de pétalos-estambres que producen el meristemo I2 y los primordios comunes, respectivamente. MtSUP muestra funciones novedosas para un gen de tipo SUP, desempeñando papeles clave en los meristemos que confieren complejidad de desarrollo a esta familia de angiospermas. Este trabajo permitió identificar a MtSUP, un gen clave que forma parte de la red reguladora genética que subyace al desarrollo de la inflorescencia compuesta y de las flores en la leguminosa modelo M. truncatula. / [CA] Les lleguminoses són un gran grup de plantes considerades de gran importància pel seu valor nutricional per a l'alimentació humana i ramadera. A més, les famílies de lleguminoses es caracteritzen per trets distintius de desenrotllament com la seua inflorescència composta i la seua complexa ontogènia floral. Per a comprendre millor estes característiques distintives, és important estudiar els gens reguladors clau involucrats en la inflorescència i el desenrotllament floral. El gen SUPERMAN (SUP) és un factor transcripcional de dits de zinc (Cys2-Hys2) considerat com un repressor actiu que controla el nombre d'estams i carpels en A. thaliana. A més, SUP està involucrat en la terminació del meristemo floral i el desenrotllament dels teixits derivats del carpel. "L'objectiu principal d'este treball va ser la caracterització funcional de l'ortòleg de SUP en la lleguminosa model Medicago truncatula (MtSUP) . Aconseguim l'objectiu amb base en un enfocament genètic invers, anàlisi d'expressió gènica i assajos de complementació i sobreexpressió. Els nostres resultats mostren que MtSUP és el gen ortòleg de SUP en M. truncatula. MtSUP compartix alguns dels rols ja descrits per a SUP amb variacions. Curiosament, MtSUP està involucrat en la determinació del meristemo de la inflorescència secundària (I2) i els primordios comuns (CP). Per tant, MtSUP controla el nombre de flors i pètals-estams que produïxen el meristemo I2 i els primordios comuns, respectivament. MtSUP mostra funcions noves per a un gen tipus SUP, exercint papers clau en els meristemos que conferixen complexitat de desenrotllament a esta família d'angiospermes. "Este treball va permetre identificar a MtSUP, un gen clau que forma part de la xarxa reguladora genètica darrere de la inflorescència composta i el desenrotllament de flors en la lleguminosa model M. truncatula. / [EN] Legumes are a large group of plants considered of great importance for their nutritional value in human and livestock nutrition. Besides, legume families are characterized by distinctive developmental traits as their compound inflorescence and complex floral ontogeny. For a better understanding of these distinctive features is important to study key regulatory genes involved in the inflorescence and floral development. The SUPERMAN (SUP) gene is a zinc-finger (Cys2-Hys2) transcriptional factor considered to be an active repressor that controls the number of stamens and carpels in A. thaliana. Moreover, SUP is involved in the floral meristem termination and the development of the carpel marginal derived tissues. The main objective of this work was the functional characterization of the SUP orthologue in the model legume Medicago truncatula (MtSUP). We achieved this objective based on a reverse genetic approach, gene expression analysis, and complementation and overexpression assays. Our results show that MtSUP is the orthologous gene of SUP in M. truncatula. MtSUP shares some of the roles already described for SUP with variations. Interestingly, MtSUP controls the determinacy of the secondary inflorescence (I2) meristem and the common primordia (CP). Thus, MtSUP controls the number of flowers and petal-stamens produced by the I2 meristem and the common primordia respectively. MtSUP displays novel functions for a SUP-like gene, playing key roles in the meristems that confer developmental complexity to this angiosperm family. This work allowed to identify MtSUP, a key gene that participates in the genetic regulatory network underlying compound inflorescence and flower development in the model legume M. truncatula. / I would like to thanks the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness for the grant (MINECO; BIO2016-75485-R) that supported this work. Special thanks to the Generalitat Valenciana for funding my doctorate with the Santiago Grisolía predoctoral scholarships / Rodas Méndez, AL. (2021). MtSUPERMAN controls the number of flowers per inflorescence and floral organs in the inner three whorls of Medicago truncatula [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171474 / TESIS