Microorganisms interact frequently with each other and with higher organisms. This contact and communication takes place at the molecular level. Microbial interactions with eukaryotes can be pathogenic or mutualistic. One of the best-studied symbioses is the complex interaction between nitrogen-fixing soil bacteria, termed rhizobia, and legumes. This symbiosis culminates in the elaboration of a new organ, the root nodule. Many of the molecular signals exchanged between the host plant and the invading rhizobia have been deduced, but there is still much that remains to be discovered. The molecular determinant of host range at the genus level of the plant host has been determined to be lipochitooligomers called Nod factors. The molecular determinants of host range at the species and cultivar level are less well-defined. Part of my work has been to identify and characterize accessory plasmids that disrupt the normal progression of symbiosis between legumes of the genus Medicago and their rhizobial symbiont, Sinorhizobium meliloti. A cre--loxP-based system capable of making large, defined deletions was developed for the analysis of these plasmids. This system is also being employed to cure the laboratory strain, S. meliloti Rm1021 of its two megaplasmids-a loss of nearly half of its genome. I have also done work to determine whether locally-collected sinorhizobia are native, invasive, or native with symbiosis genes acquired horizontally from invasive sinorhizobia. Finally, I have studied Sinorhizobium meliloti as a host by identifying an outer membrane porin that several bacteriophages use to adsorb to the S. meliloti cell surface.

In this dissertation I am using M. truncatula as a model legume that forms indeterminate nodules with rhizobia under limited nitrogen conditions. I take advantage of an M. truncatula Tnt1 mutant population that provides a useful resource to uncover and characterize novel genes. Here, I focused on several objectives. First, I carried out forward and reverse genetic screening of M. truncatula Tnt1 mutant populations to uncover novel genes involved in symbiotic nitrogen fixation. Second, I focused on reverse genetic screening of two genes, identified as encoding blue copper proteins, and characterization of their mutants' potential phenotypes. Third, I further characterized a nodule essential gene, M. truncatula vacuolar iron transporter like 8 (MtVTL8), which encodes a nodule specific iron transporter. I characterized the expression pattern, expression localization and function of MtVTL8. Additionally, I characterized several residues predicted to be essential to function using a model based on the known crystal structure of Eucalyptus grandis vacuolar iron transporter 1 (EgVIT1), a homologous protein to MtVTL8. I identified several potential essential residues of the MtVTL8 protein, mutagenized them, and through complementation experiments in planta and in yeast assessed functionality of the resulting protein. This helped us to better understand the potential mechanism by which MtVTL8 functions.

[EN] Alfalfa (Medicago sativa L.), is a forage legume with a significant content of protein, being the most widely cultivated forage around the world. In this species, the protein content decreased during growth processes as well as other resources used by the plant during the flowering process. Alfalfa also contains a lower concentration of condensed tannins or proanthocyanidins (PAs), less than required to remedy the digestive disorder of ruminant livestock causing pasture bloat by production of greenhouse gases as result of the microbial fermentation and the excessive desamination of proteins in the rumen (by-pass effect). These defects on nutrition are reflected in the yield and production of ruminants. Both problematics are difficult to improve by conventional methods. The overall objective of this thesis is to develop molecular tools useful for genetic manipulation of certain traits of agronomic interest in alfalfa, to enhance their nutritional value. At a first step, we have developed an Agrobacterium tumefaciens-mediated transformation protocol via somatic embryogenesis applicable to various genotypes of alfalfa to produce viable embryos in the 50% of the inoculated explants. Chimaeric plants or scapes were almost not detected because most of the transgenic plants contained the T-DNA with all the transgenes incorporated, having thus the indispensable tool to perform the other two objectives. We have isolated two orthologs of the TERMINAL FLOWER 1 (TFL1) gene from alfalfa (MsTFL1c and MsTFL1a). Both genes were constitutively expressed in A. thaliana, and later on in alfalfa, to evaluate their possible use as biotechnological tool for the improvement of the nutritional value of this forage legume, producing a delay in the flowering time and thereby an increase of vegetative development. MsTFL1a performs the same functions as TFL1 in Arabidopsis y its overexpression in this plant produces a remarkable delay of flowering time. In alfalfa, its constitutive expression also produces a delay in flowering. However, this phenotype was not associated to an increase of vegetative growth, being plants of reduced size that appears tied to a limitation in cell proliferation. Moreover, the limitation in cell proliferation was associated with a reduction in the expression levels of certain cell division effector genes, as it is the case of cyclins. Our results support the hypothesis that TFL1-like genes could also participate in signaling pathways that regulate cell differentiation in plants. M. sativa could be a good model to study the possible range of biochemical diversification of these proteins. On the other hand, we have made a multigenic construct in the modular cloning system GoldenBraid 2.0 (35S::Del::Ros1::MtANR::MtLAR). In a first step, it was functionally validated by transient expression in N. benthamiana. In addition, this construct was introduced by stable transformation in two experimental models (A. thaliana and N. tabacum) and later on in M. sativa, where it has been studied the integration capacity and expression levels of the different transgenes. In N. tabacum it has been achieved the activation of both the anthocyanin and PAs biosynthetic pathways. However, it was not able to activate both routes in alfalfa. The TFs Delila and Rosea1 were not able to activate the genes involved in the regulation of these metabolic pathways in alfalfa, or were not sufficient levels of expression of both TFs for this purpose. Therefore, this multigenic construct does not resulted a good biotechnological tool for the activation of PAs biosynthesis in alfalfa. Our results suggest that the mechanisms of transcriptional control of both biosynthetic pathways could be different between plant species, and that additional specific genetic information on the anthocyanin and PAs biosynthesis in legumes is needed to efficiently activate both pathways in this species. / [ES] La alfalfa (Medicago sativa L.), es una leguminosa forrajera con un importante contenido en proteína, siendo la más cultivada a nivel mundial. En esta especie, los contenidos protéicos se ven mermados por los procesos de crecimiento y los recursos utilizados por la planta en el proceso de floración. Además, la alfalfa contiene una concentración de taninos condensados o proantocianidinas (PAs) muy inferior a la requerida para subsanar el desorden digestivo del ganado rumiante que genera hinchamiento por gases de efecto invernadero o meteorismo y la excesiva desaminación de las proteínas en el rumen producida por las fermentaciones de la flora microbiana ruminal. Ambas problemáticas son difíciles de abordar mediante métodos convencionales de mejora. El objetivo general de esta Tesis es desarrollar herramientas moleculares de utilidad para la manipulación genética de determinados caracteres de interés agronómico en la alfalfa, con objeto de incrementar su valor nutricional. Para ello, hemos puesto a punto un protocolo de transformación genética mediada por Agrobacterium tumefaciens vía embriogénes somática aplicable a varios genotipos de alfalfa, que permite la producción de embriones viables capaces de germinar y producir plantas completas en el 50% de los explantes inoculados. Prácticamente no se detectó la presencia de quimeras o escapes ya que la mayoría de las plantas obtenidas contenían el T-DNA con todos los transgenes incorporados, disponiéndose por tanto de la herramienta imprescindible para la realización de los otros dos objetivos. Hemos aislado dos ortólogos del gen TERMINAL FLOWER 1 (TFL1) de alfalfa (MsTFL1c y MsTFL1a). Ambos genes se sobreexpresaron constitutivamente en A. thaliana y después en alfalfa para su posible uso como herramienta biotecnológica para producir un retraso en el tiempo de floración y con ello un posible aumento del desarrollo vegetativo. MsTFL1a extiende la fase vegetativa e inflorescente y retrasa la floración en Arabidopsis. En alfalfa su expresión constitutiva también produce retraso de la floración. Sin embargo, a este fenotipo no se le asocia un incremento del desarrollo vegetativo, presentando las plantas un tamaño más reducido que parece vinculado a una limitación en la proliferación celular. Hemos comprobado que este hecho se asocia a una reducción en los niveles de expresión de determinados genes efectores de la división celular, como es el caso de las ciclinas. Nuestros resultados apoyan la hipótesis de que los genes TFL1-like podrían participar adicionalmente en vías de señalización que regulan la diferenciación celular en plantas. También, hemos realizado una construcción multigénica mediante el sistema de clonaje por módulos GoldenBraid 2.0 (35S::Del::Ros1::MtANR::MtLAR). Se ha validado su funcionalidad mediante expresión transitoria en N. benthamiana y se ha introducido de manera estable en dos modelos experimentales: A. thaliana y N. tabacum, y en M. sativa, donde se ha estudiado su capacidad de integración, así como la de expresión de los transgenes. Hemos comprobado que esta construcción multigénica es capaz de activar la ruta de biosíntesis de antocianinas y de PAs en N. tabacum, pero no fue capaz de activar ambas rutas en alfalfa. Los factores transcripcionales Delila y Rosea1 no fueron capaces de activar los genes implicados en la regulación de ambas vías metabólicas en esta especie, o no fueron suficientes sus niveles de expresión para este fin. Por tanto, esta construcción no es una buena herramienta biotecnológica que procure la activación de la ruta de biosíntesis de PAs en la alfalfa. Nuestros resultados sugieren que los mecanismos de control transcripcional de la biosíntesis de antocianinas y PAs son diferentes entre las distintas especies, y que se necesita información genética adicional específica de la biosíntesis de antocianinas y PAs en leguminosas para poder diseñar eficientemente herrami / [CA] L'alfals (Medicago sativa L.), és una lleguminosa farratgera amb un important contingut en proteïna, sent la més cultivada a nivell mundial. En aquesta espècie, els continguts proteics es veuen desfavorits amb els processos de creixement i els requeriments utilitzats per la planta en el procés de floració. A més, l'alfals conté una concentració de tanins condensats o proantocianidines (PAs) molt inferior a la requerida per a esmenar el desorde digestiu del bestiar remugant que genera unflament per gasos o meteorisme per la producció de gasos d'efecte hivernacle, i l'excessiva desaminació de les proteïnes en el rumen produïda per les fermentacions de la flora microbiana. Ambdós problemàtiques són difícils d'abordar per mitjà de mètodes convencionals de millora. L'objectiu general d'aquesta Tesi és desenvolupar ferramentes moleculars d'utilitat per a la manipulació genètica de determinats caràcters d'interés agronòmic en l'alfals, a fi d'incrementar el seu valor nutricional. Per a això, hem posat a punt un protocol de transformació mediada per Agrobacterium tumefaciens via embriogènesi somàtica aplicable a diversos genotips d'alfals que permet la producció d'embrions viables capaços de germinar i produir plantes completes en el 50% dels explants inoculats. Pràcticament no es va detectar la presència de fugues, ja que la majoria de les plantes obtingudes contenien el T-DNA amb tots el transgens introduïts, tenint per tant la ferramenta imprescindible per a la realització dels altres dos objectius. Es van aïllar i sobreexpressar constitutivament dos ortòlegs del gen TERMINAL FLOWER 1 (TFL1) d'alfals (MsTFL1c i MsTFL1a) en A. thaliana i en alfals per al seu possible ús com a ferramenta biotecnològica, procurant un retard en el temps de floració i amb això un augment del desenvolupament vegetatiu. MsTFL1a estén la fase vegetativa i inflorescent i retarda la floració en Arabidopsis. En alfals la seua expressió constitutiva també produïx retard de la floració. No obstant això, a aquest fenotip no se li associa un increment del desenvolupament vegetatiu, sent les plantes d'una grandària més reduït que pareix vinculat a una limitació en la proliferació cel·lular. Hem comprovat que la limitació en la proliferació cel·lular s'associa a una reducció en els nivells d'expressió de determinats gens efectors de la divisió cel·lular, com és el cas de les ciclines. Els nostres resultats recolzen la hipòtesi que els gens TFL1-like podrien participar adicionalment en vies de senyalització que regulen la diferenciació cel·lular en plantes. Hem realitzat una construcció multigénica per mitjà del sistema de clonatge per mòduls GoldenBraid 2.0 (35S::Del::Ros1::MtANR::MtLAR). S'ha validat funcionalment per mitjà d'expressió transitòria en N. benthamiana. A més, s'ha introduït de manera estable en dos models experimentals (A. thaliana amb N. tabacum), i finalment en M. sativa, en els que s'ha estudiat la seua capacitat d'integració, així com la d'expressió dels transgens. Hem mostrat que aquesta construcció multigénica és capaç d'activar la ruta de biosíntesi d'antocianines i de PAs en N. tabacum. No obstant això, no van ser capaços d'activar la ruta de biosíntesi d'antocianines i per tant, la de PAs, en alfals. Els factors transcripcionals Delila i Rosea1 no són capaços d'activar els gens implicats en la regulació d'ambdues vies metabòliques en aquesta espècie, o alternativament no van ser prou els seus nivells d'expressió per a este fi. Per tant, aquesta construcció multigénica no és una bona ferramenta biotecnològica per activar la ruta de biosíntesi de PAs en l'alfals. Els nostres resultats suggerixen que els mecanismes de control transcripcional de la biosíntesi d'antocianines i PAs són diferents entre les distintes espècies, i que es necessita informació genètica addicional específica de la biosíntesi d'antocianines i PAs en lleguminoses per a / Fresquet Corrales, S. (2015). Diseño y validación de herramientas biotecnológicas para la mejora del valor nutricional de la alfalfa (Medicago sativa L.) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59240

Des études de l'interaction de la plante modèle des légumineuses Medicago truncatula avec des microorganismes pathogènes et symbiotiques ont été réalisées. Tout d'abord un pathosystème fongique a été caractérisé: M. truncatula en interaction avec Fusarium oxysporum spp., champignon responsable des fusarioses, soit du flétrissement vasculaire ou de la pourriture racinaire chez de nombreuses plantes cultivées. Deux lignées de M. truncatula: A17 et F83005.5 ont été identifiées comme sensible et tolérante respectivement à F. oxysporum f.sp. medicaginis, la forma specialis attribuée à la luzerne. De plus 9 souches de F. oxysporum isolées de différentes plantes hôtes et une souche non pathogène du sol ont été testées dans des expériences d'inoculation avec ces deux lignées. Elles ont toutes été capables d'induire les symptômes de la maladie chez M. truncatula. A l'aide d'une souche de F. oxysporum f.sp. medicaginis exprimant le gène rapporteur GFP, les étapes de colonisation de la racine par le champignon ont été caractérisées. Les observations en microscopie à fluorescence et microscopie confocale des racines d'A17 et F83005.5 ont indiqué un patron de colonisation inhabituel et ont montré que la tolérance de F83005.5 n'était pas corrélée à un mécanisme d'exclusion du cylindre central. Cependant, des différences dans l'expression de gènes de défense ont été détectées entre les deux lignées. Dans la deuxième partie, le rôle de l'acide salicylique a été étudié. Les résultats d'expériences avec l'acide salicylique exogène ont indiqué que le prétraitement de racines avec ce composé pouvait conférer une protection aux plantes vis-à-vis de F. oxysporum f.sp. medicaginis et la bactérie phytopathogène Ralstonia solanacearum. Avec l'objectif d'étudier le rôle de l'acide salicylique endogène dans les interactions avec les microorganismes, la transformation génétique de M. truncatula avec le gène NahG codant le salicylate hydroxylase a été entreprise. Cette enzyme dégrade l'acide salicylique en catechol. Seulement la lignée 2HA a pu être transformée et régénérée en plantes transgéniques. Ces plantes 2HA-NahG ont été inoculées avec des microorganismes pathogènes (R. solanacearum, Verticillium albo-atrum, F. oxysporum f. sp. medicaginis Colletotrichum trifolii et C. higginsianum) ainsi qu'avec le champignon endomycorhizien Glomus intraradices. Les limitations expérimentales n'ont pas permis de conclure définitivement, mais indiquent qu'il est possible que la signalisation par l'acide salicylique ne soit pas impliquée dans les défenses de M. truncatula face à ces microorganismes pathogènes et symbiotiques. / A study on the interactions of the plant model legume Medicago truncatula (M.t.) with pathogens and symbiotic microorganisms was undertaken. First, a fungal pathosystem was characterized: M. truncatula in interaction with Fusarium oxysporum spp., the causal agent of Fusariosis, of Fusarium wilt and of root rot in many crop plants. Two M. truncatula lines, A17 and F83005.5, were identified as susceptible and tolerant respectively to F. oxysporum f.sp. medicaginis, the forma specialis related to alfalfa. Besides, 9 strains of F. oxysporum isolated from different host plants and a non-pathogenic soil-borne strain were tested in inoculation experiments with both lines. All the strains were able to trigger disease symptoms in M. truncatula. Using the F. oxysporum f.sp. medicaginis strain transformed with the GFP reporter gene, the stages of the root colonization by the fungi were characterized. Fluorescence and confocal microscopy observations on A17 and F83005.5 roots showed an unusual pattern of colonization and showed that the F83005.5 tolerance was not related to an exclusion mechanism in the central cylinder. However, differences on defence gene expression were detected in both lines. In the second part, the role of salicylic acid was studied. Results of experiments with exogenous salicylic acid indicated that prior treatment of roots with this compound may confer a protection towards F. oxysporum f. sp. medicaginis and the phytopathogenic bacterium Ralstonia solanacearum. With the goal to study the role of endogenous salicylic acid, the genetic transformation of M. truncatula with the NahG gene was initiated. This gene codes for a salicylate hydroxylase which degrades salicylic acid to catechol. Only the highly embryogenic 2HA line could be transformed and regenerated into transgenic plants. These 2HA plants were inoculated with pathogenic microorganisms (Ralstonia solanacearum, Verticillium albo-atrum, Fusarium oxysporum f.sp. medicaginis Colletotrichum trifolii and C. higginsianum) as well as the mycorrhiza fungus Glomus intraradices. Experimental limitations did not allow us to conclude definitely, but it seems possible that the salicylic acid signaling way may not be implicated in the defence of M. truncatula against these pathogenic and symbiotic microorganisms

La compréhension des interactions qui associent les plantes et les microorganismes du sol est une étape incontournable pour une gestion durable de nos écosystèmes notamment en agriculture. Parmi les services écosystémiques résultant de leurs interactions, on peut citer la productivité végétale répondant, en partie, aux besoins alimentaires de la population mondiale et la régulation des cycles biogéochimiques. Les services écosystémiques, qui émergent de telles interactions, reposent sur des liens trophiques pouvant être représentés par un compromis entre coûts et bénéfices pour les différents partenaires de l’interaction. Les plantes, organismes autotrophes ou producteurs primaires, sont des organismes clefs qui font entrer le carbone dans l’écosystème, via la photosynthèse. Une partie de ce carbone est libérée sous forme de molécules plus ou moins complexes, au niveau de leurs racines, par le processus de rhizodéposition. Ces composés servent de molécules signal et de nutriments pour les microorganismes du sol, essentiellement hétérotrophes, c’est l’effet rhizosphère. Ce processus est donc coûteux pour la plante mais bénéfique aux microorganismes. Les microorganismes contribuent, en retour, à la nutrition et la santé des plantes ce qui est coûteux mais leur assure une source bénéfique de nutriments. Ces échanges trophiques reposent néanmoins sur un équilibre dépendant des conditions biotiques et abiotiques qui affectent chaque partenaire. La biodiversité microbienne, de par la multitude d’interactions au sein des communautés microbiennes, est un facteur biotique important. Parmi les facteurs abiotiques, le contexte environnemental actuel, soumis aux changements globaux, est propice à une déstabilisation de ces interactions. L’objectif de ce travail est donc de comprendre comment vont varier les coûts et bénéfices, pour chaque partenaire, suite à des modifications de l’environnement affectant l’un ou l’autre. L’intérêt étant de savoir si les bénéfices pour les plantes et les microorganismes, qui permettent les services écosystémiques, seront affectés. Pour répondre à cet objectif, un cadre d’interaction plantes-microbes simplifié a été choisi et une déstabilisation, au niveau de la plante, a été effectuée au moyen d’une augmentation en CO2 atmosphérique. L’interaction entre Medicago truncatula et Pseudomonas fluorescens a ainsi été étudiée. Les interactions ont ensuite été complexifiées en utilisant une communauté microbienne dans son ensemble et, cette fois, la modification a été appliquée au compartiment microbien soumis à une dilution de sa diversité. L’effet du gradient de diversité microbienne obtenu a été mesuré sur la croissance et la reproduction de trois espèces végétales modèles (Medicago truncatula, Brachypodium distachyon et Arabidopsis thaliana). Enfin, l’analyse s’est focalisée sur la communauté microbienne en identifiant la part active, c'est-à-dire les microorganismes qui utilisent les composés libérés par la plante. Ces microorganismes, qui interagissent réellement avec la plante, ont été détectés grâce à une analyse ADN SIP utilisant l’isotope 13C. Les principaux résultats observés, que la modification affecte l’un ou l’autre des partenaires, sont une déstabilisation des coûts et bénéfices. La première étude montre une variation temporaire des interactions en faveur de la plante en condition de CO2 augmenté. Dans le cas d’une dilution de la diversité microbienne, les coûts pour la plante sont conditionnés par la dépendance naturelle des plantes vis-à-vis des microorganismes symbiotiques qui interagissent avec le reste de la communauté. Cela est confirmé par la dernière expérimentation qui met en évidence les interactions microbes-microbes qui conditionnent la structure de la communauté microbienne interagissant avec la plante. [...] / Understanding the interactions that bind plants and soil microorganisms is an essential step for the sustainable management of ecosystems, especially in agriculture. The ecosystem services resulting from such interactions include plant productivity which responds, in part, to the food requirements of the world's population and the regulation of biogeochemical cycles. These ecosystem services depend on trophic links between the two partners in the interaction and can be represented by a tradeoff between the costs and benefits for each partner. Plants, being autotrophic organisms or primary producers, are key organisms which introduce carbon into the ecosystem, through photosynthesis. Part of this carbon is released as more or less complex molecules at the roots level, thanks to the rhizodeposition process. These compounds act as signal molecules and nutrients for soil microorganisms, which are mainly heterotrophic, in the so-called rhizosphere effect. This process is costly for the plant but beneficial to the microorganisms. In return, microorganisms contribute to plant nutrition and health, which is costly but provides them with a beneficial source of nutrients. These trophic exchanges, however, are based on a balance which depends on the biotic and abiotic conditions that affect each partner. Microbial biodiversity, through the multitude of interactions occurring within microbial communities, is a significant biotic factor. Among the abiotic factors, the current environmental context, subject to global change, is tending to destabilize these interactions. The objective of this work was to understand how environmental changes affect the costs and benefits for each partner by applying changes to one or the other, the aim being to determine whether these changes would affect the benefits for plants and microorganisms that provide ecosystem services. To achieve this objective, a simplified framework for plants-microbes interaction was first chosen. Destabilization at the plant level was carried out by increasing the atmospheric CO2 and studying the interaction between Medicago truncatula and Pseudomonas fluorescens. The interactions were then made more complex by using a whole microbial community but this time the change was applied to the microbial compartment by subjecting it to diversity dilution. The effect of the resulting microbial diversity gradient was measured on the growth and reproduction of three model plant species (Medicago truncatula, Brachypodium distachyon and Arabidopsis thaliana). Finally, the microbial community was subjected to a DNA SIP analysis, with the isotope 13C, to identify the active portion, i.e., those microorganisms which really interacted with the plant and used compounds released by it. The main result, when the change affected one or other partner, was a destabilization of the costs and benefits. The first study showed a transient variation in the interactions in favour of the plant under increased CO2 conditions. In the case of a dilution of microbial diversity, the costs for the plant are conditioned by the natural dependency of plants on symbiotic microorganisms that interact with the rest of the community. This was confirmed by the last experiment that highlighted the between-microbes interactions which determined the composition of the microbial community that interacted with the plant. This work has helped to clarify the functioning of relationships between plants and soil microbes and the factors that contribute to their maintenance which is essential to the functioning of ecosystems. These studies also provide ways for predicting the impacts of global change on ecosystems. The conservation or restoration of ecosystem services is essential for human well-being

Les peptides Albumines 1 b sont des membres de la famille structurale des knottines et présentent un potentiel intéressant en tant que composés insecticides. À ce jour, leur diversité parmi les Fabacées a été essentiellement étudiée en utilisant des approches biochimiques et moléculaires. Les ressources bioinformatiques (le séquençage complet du génome, les bases de données transcriptomiques (EST…), les atlas d’expression...) de l’espèce modèle des légumineuses, Medicago truncatula Gaertn. (Mtr), nous a permis de développer une approche génomique de cette biodiversité. Deux objectifs principaux nous ont guidé à : 1) déchiffrer l'histoire évolutive de la famille A1 dans cette espèce et 2) explorer la biodiversité naturelle afin de découvrir de nouvelles molécules bioactives. L'exploration du génome de Mtr a révélé une remarquable expansion, à travers des duplications en tandem, des loci A1 qui retiennent presque toutes la même structure génique canonique (2 exons et 1 intron). L'analyse phylogénétique nous a permis de comprendre l’évolution des gènes A1 intraspécifique et l’analyse de leur expression (EST, puces à ADN) a révélé la distribution de la famille des gènes A1 dans les organes de la plante (tissus) : Cette dernière s’est révélée bien plus diverse que celle connue chez les autres espèces examinées de légumineuses, où la famille était jusque-là principalement graine-spécifique. Selon plusieurs critères, certains peptides ont été sélectionnés puis chimiquement synthétisés et repliés in vitro et testés pour leur activité biologique. Parmi eux, un peptide, nommé AG41, isoforme MtrA1013 et issu de l’EST orpheline TA24778_3880, a révélé un pouvoir insecticide élevé et inattendu. L’analyse à grande échelle en présence d’homologues d’A1 des légumineuses a montré l’ancestralité de la fonction insecticide et l’âge de la famille est estimé à plus de 58 million d’années. Notre étude s’est aussi orientée vers l’analyse de cette famille peptidique chez des légumineuses originaires du Liban. Cette approche par biologie moléculaire nous a permis de caractériser 9 nouveaux gènes chez 6 espèces de Papilionoideae. L’étude plus approfondie de ces gènes au niveau structural et fonctionnel est envisagée. Afin de relier les variations de structure et d'activité, un système d'expression hétérologue (baculovirus/cellules d’insectes Sf9) a été mis au point. Le peptide recombinant de référence PA1b (Pea Albumin 1 sub-unit b), même exprimé en faible quantité, présente une activité biologique et une masse bien conforme ainsi qu’une structure bien repliée. Ce système a permis, de même, de produire la proprotéine PA1, forme intermédiaire entre la préproprotéine et le peptide PA1b mature. Cette proprotéine, identifiée pour la première fois, ne présente aucune toxicité envers les cellules Sf9. / Albumin 1 b peptides are members of the knottin structural family and display an interesting potential as insecticidal compounds. To date their diversity among Fabaceae was essentially investigated using biochemical and molecular approaches. The bioinformatic resources (full-genome sequencing, EST database, gene expression atlas…) of the Legume model, Medicago truncatula Gaertn. (Mtr), prompted us to develop a large-scale approach in two ways: 1) to decipher the evolutionary history of A1 family in this species and 2) to explore the natural biodiversity to uncover new bioactive molecules. Exploring Mtr genome revealed a remarkable expansion, through tandem duplications, of A1 loci that retain nearly all the primary structure (2 exons and 1 intron) . Phylogenetic analysis has allowed us to understand the evolution of intraspecific A1 genes and the analysis of their expression (EST, microarrays), and revealed the distribution of the A1 gene family in plant organs (tissue): the latter proved to be much more diverse than that seen in other examined legumes species, where the family until then was mainly seed-specific. Selected upon several criteria some peptides were chemically synthezised, folded in vitro and assayed for their biological activity. Among them one peptide, named AG41: isoform MtrA1013 (orphan EST : TA24778_3880), revealed a high and unexpected insecticidal power. The large-scale analysis in the presence of legumes A1 homologous showed the ancestry of the isecticidal function and the age of this family is estimated to be more than 58 million years. Our study is also directed towards the analysis of this family of peptide in legumes from Lebanon. This approach based on molecular biology has allowed us to characterize nine new genes in six species of Papilionoideae. The further study of these genes at the structural and functional level is considered. To link changes in structure and activity, a heterologous expression system (baculovirus / insect Sf9 cells) was developed. The reference recombinant peptide PA1b (Pea Albumin 1 sub-unit b), even expressed in small quantities, was biologicaly active and harbouring the expected mass as well as a well-folded structure. This system has enabled also to produce the proprotein PA1, intermediate form between the preproprotein and the mature peptide PA1b. This proprotein, identified for the first time, has no toxicity towards Sf9 cells.

Grünland mit hoher Produktivität und Futterqualität bildet die Grundlage der Wiederkäuerernährung. In Grünlandbeständen mit ausbleibender oder geringer Stickstoffdüngung sind Leguminosen unerlässlich für Produktivität und Futterqualität, was auf die Fähigkeit von Leguminosen Luftstickstoff zu binden zurückzuführen ist. Gegenwärtig ist Trifolium repens L. eine der wichtigsten Futterleguminosen im Grünland der gemäßigten Zonen Europas. Es ist allerdings bekannt, dass T. repens eine gute Wasserversorgung benötigt, um einen hohen Ertrag zu erzielen. Verringerte Niederschlagsmengen in der Vegetationsperiode, die unter Klimawandelbedingungen vorausgesagt werden, könnten somit die Ertragsleistung von T. repens verringern. In Zukunft steigt dadurch möglicherweise auch die Bedeutung anderer Futterleguminosen, die besser an trockenere Bedingungen angepasst sind und somit als Alternative für T. repens dienen könnten. Da die Kenntnisse über das agronomische Potenzial solcher möglichen alternativen Leguminosen begrenzt sind, haben wir in dieser Studie fünf vielversprechende und wahrscheinlich besser an Trockenheit angepasste Leguminosen untersucht. Für unsere Versuche haben wir Lotus corniculatus L., L. uliginosus Schkuhr, Medicago lupulina L., M. falcate L. und Onobrychis viciifolia Scop. ausgewählt. In einem ersten Schritt wurde das agronomische Potenzial der Leguminosen im Hinblick auf Etablierung und frühe Ertragsentwicklung mit nicht limitierter Wasserversorgung getestet. Weiterhin wurden der Ertrag und die Ertragsstabilität sowie die Wassernutzung der alternativen Leguminosen bei temporärer Trockenheit untersucht und mit der von T. repens verglichen. Der Einfluss von Trockenstress auf wichtige Futterwert bestimmende Inhaltsstoffe der Leguminosen (Rohprotein, neutrale Detergenzienfasern, saure Detergenzienfasen und wasserlösliche Kohlenhydrate) war überdies Gegenstand der Betrachtungen. Um die oben genannten Parameter zu untersuchen, wurde von 2009 (Einsaatjahr) bis 2011 ein Experiment in Großgefäßen in einer Vegetationshalle durchgeführt. In diesem Versuch wurden alle Leguminosen sowohl in Monokultur als auch in einer praxisüblichen Mischung mit Lolium perenne L. angesät. Im Versuchszeitraum folgten die klimatischen Bedingungen in der Vegetationshalle einem normalen jahreszeitlichen Verlauf, der Frost im Winter und höhere Temperaturen im Sommer umfasste. Der für den Versuch notwendige Trockenstress wurde in drei Aufwüchsen innerhalb von zwei Jahren durch temporären Bewässerungsstopp erzeugt. Dabei wurde im Frühjahr 2010 (April/Mai) ein moderater und im Sommer 2010 (Juli/August) sowie im Frühjahr 2011 (April/Mai) je ein starker Trockenstress induziert. Mit Ausnahme von M. falcata, welches eine verzögerte Anfangsentwicklung zeigte, waren die Keimung und die Etablierung von allen alternativen Leguminosen vergleichbar mit der von T. repens. Die Ertragsleistung von M. lupulina und L. corniculatus in Monokultur war ähnlich hoch wie die von T. repens. In Mischung zeigten beide alternativen Leguminosen zwar Potenzial, aber die Ertragsleistungen waren dennoch geringer als die der T. repens/L. perenne Mischung. In unserem Versuch führte Trockenstress zu verringertem Ertrag und er beeinflusste auch die agronomische Wassernutzungseffizienz (Verhältnis von Ertrag zu Wasserverbrauch). Ausschlaggebend waren dabei die Stärke und die Dauer des Trockenstresses. Besonders starker, aber auch bereits moderater Trockenstress führten bei T. repens zu erheblichen Ertragsverlusten von bis zu 56%. Demgegenüber zeigten vor allem M. lupulina, aber auch L. corniculatus und M. falcata lediglich marginale Ertragsverluste bei moderatem Trockenstress und meist geringere Ertragsverluste als T. repens bei starkem Stress. Die agronomische Wassernutzungseffizienz war bei moderatem Stress verhältnismäßig stabil, wohingegen starker Stress im Vergleich zur Kontrolle meist zu einer geringeren agronomischen Wassernutzungseffizienz führte. Sowohl unter Kontroll- als auch unter Stressbedingungen zeigte speziell M. lupulina in Monokultur eine ähnliche oder sogar eine höhere agronomische Wassernutzugseffizienz als T. repens. Zudem war die agronomische Wassernutzungseffizienz der Mischungen mit M. lupulina, L. corniculatus und M. falcata weniger negativ von starkem Trockenstress betroffen als die Mischung mit T. repens. Dies bestätigte zum einen die Trockenheitsempfindlichkeit von T. repens und zum anderen die bessere Anpassung der alternativen Leguminosen an trockenere Bedingungen. Wir beobachteten, dass eine Änderung in der Stickstofffixierungsleistung der Leguminosen eine gute Erklärungsgröße für Änderungen des Ertrags und der agronomischen Wassernutzungseffizienz darstellt. Hohe Stickstofffixierungsleistung geht dabei meist mit höherem Ertrag und höherer agronomischer Wassernutzungseffizienz einher. Die intrinsische Wassernutzungseffizienz (Verhältnis von assimiliertem CO2 und stomatärer Leitfähigkeit), gemessen als 13C, war ein schlechterer Indikator für die agronomische Wassernutzungseffizienz: Obwohl die intrinsische Wassernutzungseffizienz unter starkem Trockenstress zunahm, sank die agronomische Wassernutzungseffizienz meist ab. Dennoch besitzt die Erhöhung der intrinsischen Wassernutzungseffizienz ein gewisses Potenzial als Anpassung an trockenere Bedingungen Der Trockenstresseffekt auf die Futterqualität war in unserer Studie generell deutlich geringer als der Effekt auf den Ertrag. Besonders moderater Stress hatte wenig Einfluss auf die Futterqualität, während sich die Effekte bei starkem Stress verstärkten. Starker Trockenstress führte meist zu einer Verringerung des Rohprotein- und Fasergehalts (neutrale und saure Detergenzienfasern), wohingegen sich der Gehalt an wasserlöslichen Kohlenhydraten erhöhte. Dies könnte ein Hinweis darauf sein, dass sich die Futterqualität bei Trockenstress sogar verbessert. Nichtsdestotrotz hatten in unserem Versuch die Leguminosenart und die Einsaat als Monokultur oder Mischung einen größeren Einfluss auf die Futterqualität als der Trockenstress. Der Einfluss von Trockenstress auf die Futterqualität ist deshalb bei der Wahl einer geeigneten Futterleguminose weniger von Bedeutung als andere agronomische Eigenschaften. Zusammenfassend ist zu sagen, dass besonders M. lupulina und in geringerem Maße auch L. corniculatus und M. falcata Potenzial als Alternative für T. repens bei Trockenstress zeigen. Nach ausreichender Etablierungszeit entwickeln sich besonders M. lupulina aber auch L. corniculatus und M. falcata stabiler und können sogar höhere Erträge als T. repens bei Trockenstress produzieren. Bezüglich der Futterqualität sind oben genannte alternative Leguminosen ebenfalls vergleichbar mit T. repens.

La symbiose mycorhizienne à arbuscule est une interaction bénéfique entre les champignons du phylum Glomeromycota et près de 80% des espèces de plantes terrestres. Elle est caractérisée par un échange réciproque de nutriments dans lequel le champignon fournit des sels minéraux à la plante en échange de sucres issus de la photosynthèse. Cependant, cette "alimentation" du champignon au cours de la symbiose représente un coût carbone important pour la plante. Ainsi, les plantes doivent strictement maitriser le développement des champignons symbiotiques dans les racines. Ce contrôle est appelé autorégulation. Plusieurs protéines ont été démontrées comme étant importantes pour la régulation des différentes étapes de la colonisation : la stimulation de la croissance fongique dans la rhizosphère par les strigolactones, l'entrée dans les racines, la prolifération des hyphes au sein des racines et la formation des arbuscules. Dans ce travail, nous avons examiné plus en détail le rôle de deux de ces protéines connues pour être impliquées dans le processus de mycorhization, les facteurs de transcription NSP1 et NSP2 (Nodulation Signaling Pathway). Nous avons d'abord pu confirmer dans les racines de M. truncatula en conditions non-symbiotiques, l'implication directe de NSP1 dans la régulation de deux gènes de biosynthèse des strigolactones, DWARF27 (D27) et MORE AXILLARY GROWTH (MAX1). Ensuite, nous avons montré que NSP1, contrairement à NSP2, favorise l'entrée du champignon dans la racine, sans doute due à l'induction de la synthèse des strigolactones stimulant le champignon, via l'activation de D27 et de MAX1. Ensuite, au cours des étapes ultérieures de la mycorhization, nous avons montré que dans les tissus colonisés, NSP1 est absent et que l'induction de D27 et de MAX1 n'était plus NSP1 dépendante. À cette étape, l'expression de la protéine NSP1 est localisée dans les cellules justes en amont du front de colonisation fongique. Là, elle contrôle négativement la propagation des hyphes dans la racine et positivement la formation des arbuscules. En revanche, NSP2 est présente dans le tissu colonisé où elle favorise la propagation des hyphes et le développement des arbuscules, peut-être en interaction avec d'autres facteurs. Nous avons également montré chez M. truncatula que si les protéines NSP1 sont absentes des tissus colonisés, les transcrits de NSP1 sont présents. De façon inattendue, nous avons mis en évidence que l'ARN messager de NSP1 avait la capacité de protéger l'ARN messager de NSP2 contre sa dégradation par le microARN (miR171h), par une action de piégeage du miR171h, appelé effet mimicry. Ceci est la première démonstration qu'une molécule d'ARN codante peut être la cible mimétique d'un microARN. Dans notre contexte d'étude cette constatation révèle que les transcrits de NSP1 permettent une régulation positive de l'expression de NSP2, et met en lumière un niveau de complexité supplémentaire dans le rôle de ces deux facteurs de transcription dans la symbiose mycorhizienne. Enfin, dans la tomate, nous avons montré que Sl-NSP1 pourrait être directement ou indirectement régulée par une protéine AUX / IAA impliquée dans la réponse précoce à l'auxine, Sl-IAA27. Ce lien avec l'auxine nous fait présumer que cette AUX/AAI est un nouveau composant de la voie de signalisation du contrôle de la colonisation fongique dans la tomate, et nous proposons qu'il puisse avoir un rôle dans le contrôle de la biosynthèse des strigolactones via la régulation de Sl-NSP1. L'ensemble de ce travail fournit de nouvelles pièces du puzzle constituant la symbiose mycorhizienne et montre l'importance de l'analyse des régulations spatiotemporelles pour une meilleure compréhension de ces processus biologiques extrêmement complexes. / The arbuscular mycorrhiza (AM), a symbiosis between fungi from the phylum Glomeromycota and nearly 80% of terrestrial plant species. It is characterized by a two-way exchange in which the fungus provides mineral nutrients to the plant in exchange for carbohydrates. However this "feeding" of the fungus during the symbiotic process represents a significant carbon cost for the plant. To maintain a mutualistic interaction the two symbiotic partners have to strictly control the extent of fungal development in the roots. This control is called autoregulation. Several proteins have been found to be important for the regulation of the different mycorrhizal steps: the stimulation of fungal growth in the rhizosphere by the strigolactones, the fungal entrance in the roots, the hyphal proliferation in the roots and the arbuscule formation. In this work we examine in more detail the role of two of these proteins known to be involved in the mycorrhization process, the transcriptional factors NSP1 and NSP2 (Nodulation Signaling Pathway). We first confirm in M. truncatula roots the direct implication of NSP1 in the regulation of two strigolactone biosynthesis genes, DWARF27 (D27) and MAX1, during the asymbiotic conditions. Then, we show that NSP1, unlike NSP2, is a factor that promotes the fungal entries in the root, presumably due to its activation of D27 and MAX1 resulting in a stimulation of strigolactone synthesis and presymbiotic fungal growth. Next, during the later stages of mycorrhization, we highlight that in the colonized tissues NSP1 is absent and the induction of both D27 and MAX1 is not anymore NSP1 dependent. NSP1 protein is then localized in cells which are not yet colonized but are close to a colonization zone. There, it controls negatively the hyphal propagation in the root and positively the formation of arbuscules. In contrast, NSP2 is present in the colonized tissue where it promotes hyphal propagation and arbuscule development, perhaps by interacting with other proteins. We also show that if NSP1 proteins are absent of the colonized tissues, NSP1 transcripts are present. Unexpectedly, we unveil that in those colonized cells, NSP1 mRNA can protect, by a micro RNA (miR171h) decoy action called target mimicry, NSP2 mRNA against miR171h-mediated degradation. This is the first demonstration that a coding RNA molecule can be a target mimic for a microRNA. In our context this finding reveals a positive regulation of NSP2 expression by NSP1 transcripts and brings to light an additional layer of complexity in the mycorrhizal dual role of these two transcription factors. Finally, in tomato, we highlight that SlNSP1 could be directly or indirectly regulated by the AUX/IAA protein, SlIAA27. As a link with auxin we presume that this AUX/IAA protein is a new component of the signaling pathway controlling AM fungal colonization in tomato, and we propose that it controls strigolactone biosynthesis via the regulation of SlNSP1. Overall our work provides new pieces of the mycorrhizal puzzle and shows how important it is to perform spatiotemporal investigations for a better understanding of highly integrated and complex biological processes.

Les légumineuses sont une source riche pour l’alimentation humaine comme celle du bétail mais elles sont aussi nécessaires à une agriculture durable. Cependant, les fractions majeures des protéines de réserve dans la graine sont pauvres en acides aminés soufrés et peuvent être accompagné de facteurs antinutritionnels, ce qui affecte leur valeur nutritive. Dans ce cadre, Medicago truncatula est une espèce modèle pour l’étude du développement de la graine des légumineuses, et en particulier concernant la phase d’accumulation des protéines de réserve. Vu la complexité des graines de légumineuses, une connaissance approfondie de leur morphogenèse ainsi que la caractérisation des mécanismes sous-jacents au développement de l’embryon et au remplissage de la graine sont essentielles. Une étude de mutagenèse a permis d’identifier le facteur de transcription DOF1147 (DNA-binding with One Finger) appartenant à la famille Zn-finger, qui s’exprime dans l’albumen pendant la transition entre les phases d’embryogenèse et de remplissage de la graine. Lors de mon travail de thèse, il a été possible de générer plusieurs constructions pour l’analyse de l’expression de DOF1147 ainsi que de la protéine DOF1147. Un protocole efficace pour la transformation génétique stable de M. truncatula a été établi et des études de localisation subcellulaire ont montré que DOF1147 est une protéine nucléaire. Un arbre phylogénétique a révélé différents groupes de facteurs de transcription DOF avec des domaines conservés dans leur séquence protéique. L’analyse du promoteur in silico chez plusieurs gènes-cible potentiels de DOF1147 a identifié les éléments cis-régulateurs de divers facteurs de transcription ainsi que des éléments répondant aux auxines (AuxREs), ce qui suggère un rôle possible de l’auxine pendant le développement de la graine. Une étude in vitro du développement de la graine avec divers régimes hormonaux, a montré l’effet positif de l’auxine sur la cinétique du développement de la graine, que ce soit en terme de gain de masse ou de taille, plus fort avec l’ANA que l’AIB. Grâce à une approche cytomique de ces graines en développement nous avons, en plus, démontré l’effet de l’auxine sur la mise en place de l’endoreduplication. En effet, celle-ci est l’empreinte cytogénétique de la transition entre les phases de division cellulaire et d’accumulation de substances de réserve lors du développement de la graine. Dans son ensemble, ce travail a démontré que l’auxine module la transition entre le cycle mitotique et les endocycles chez les graines en développement de M. truncatula en favorisant la continuité des divisions cellulaires tout en prolongeant simultanément l’endoreduplication. / Legumes are not only indispensible for sustainable agriculture but are also a rich source of protein in food and feed for humans and animals, respectively. However, major proteins stored in legume seeds are poor in sulfur-containing amino acids, and may be accompanied by anti-nutritional factors causing low protein digestibility problems. In this regard, Medicago truncatula serves as a model legume to study legume seed development especially the phase of seed storage protein accumulation. As developing legume seeds are complex structures, a thorough knowledge of the morphogenesis of the seed and the characterization of regulatory mechanisms underlying the embryo development and seed filling of legumes is essential. Mutant studies have identified a DOF1147 (DNA-binding with One Finger) transcription factor belonging to the Zn-Finger family which was expressed in the endosperm at the transition period between embryogenesis and seed filling phase. During my PhD work, a number of transgene constructs were successfully generated for expression analysis of DOF1147 gene as well as the DOF1147 protein. A successful transformation protocol was also established for stable genetic transformation of M. truncatula. Subcellular localization studies have demonstrated that DOF1147 is a nuclear protein. A phylogenetic tree revealed different groups of DOF transcription factors with conserved domains in their protein sequence. In silico promoter analysis of putative target genes of DOF1147 identified cis-regulatory elements of various transcription factors along with auxin responsive elements (AuxREs) suggesting a possible role of auxin during seed development. A study of in vitro seed development under different hormone regimes has demonstrated the positive effect of auxin on kinetics of seed development in terms of gain in seed fresh weight and size, with NAA having a stronger effect than IBA. Using the cytomic approach, we further demonstrated the effect of auxin on the onset of endoreduplication in such seeds, which is the cytogenetic imprint of the transition between the cell division phase and the accumulation of storage products phase during seed development. As a whole, this work highlighted that the auxin treatments modulate the transition between mitotic cycles and endocycles in M. truncatula developing seeds by favouring sustained cell divisions while simultaneously prolonging endoreduplication.

Les symbioses rhizobienne et mycorhizienne à arbuscules sont deux endosymbioses racinaires jouant des rôles importants dans le développement des plantes en améliorant leur nutrition minérale. Les lipo-chitooligosaccharides (LCOs), produits par les bacteries Rhizobia et les champignons mycorhiziens, sont essentiels pour l'établissement de la symbiose rhizobienne et stimulent la mycorhization. Chez la légumineuse Medicago truncatula, trois récepteurs-like kinase à motifs lysin (LysM), LYR3, NFP et LYK3 sont impliqués dans la perception des LCOs. Le travail présenté a eu pour objectif la caractérisation biochimique de ces récepteurs et leurs applications potentielles. Les orthologues de LYR3 de M. truncatula ont été clonés et se sont tous révélés, à l'exception de celui du lupin, capables d'établir une interaction d'affinité élevée avec les LCOs mais pas avec les chitooligosaccharides de structure apparentée. Afin de mieux comprendre les bases moléculaires de la reconnaissance des LCOs, des échanges de domaine entre les protéines LYR3 de lupin et de Medicago ont été effectués et ont révélé l'importance du troisième domaine LysM dans l'interaction. L'exploitation des capacités de reconnaissance des LCOs par LYR3 à des fins biotechnologiques a été évaluée à l'aide de récepteurs chimériques constitués du domaine extracellulaire de LYR3 et du domaine kinase des récepteurs immunitaires AtCERK1 et EFR. Il est apparu que LYR3 peut être utilisé pour élaborer des récepteurs chimériques mais leur mode d'activation reste à optimiser. Enfin l'étude des deux récepteurs symbiotiques NFP et LYK3 suggère qu'ils sont régulés par phosphorylation suite au traitement par les signaux symbiotiques. L'ensemble de ce travail apporte un éclairage nouveau sur les mécanismes de perception des LCOs et sur les modifications associées à leurs récepteurs qui en résultent. / Arbuscular mycorrhization and rhizobial nodulation are two major root endosymbioses which play important roles in plant development by improving their mineral nutrition. Produced by Rhizobia bacteria and mycorrhizal fungi, lipo-chitooligosaccharides (LCOs) were shown to be essential for the formation of the rhizobial symbiosis and to have stimulatory effects on mycorrhization. In the legume Medicago truncatula three lysin motif (LysM) receptor-like kinases LYR3, NFP and LYK3 have been shown to be involved in LCO perception. Here work is presented aimed at the biochemical characterization and application of these important receptor proteins. Cloned from several legume species orthologs of M. truncatula LYR3, except from lupin, were shown to bind LCOs with high affinity, but not structurally-related chitooligosaccharides (COs). Domain swaps between the lupin and Medicago proteins were used as a tool to decipher the molecular basis of LCO recognition and revealed the importance of the third LysM domain for LCO binding. The possibility of exploiting the LCO-binding capacity of LYR3 in biotechnology, through the composition of chimeric receptors, was investigated by combining together the extracellular domain of LYR3 protein with the kinases of Arabidopsis thaliana immune receptors, AtCERK1 and EFR. The results suggest that LYR3 could be used for constructing biologically active chimeric proteins whose mode of activation needs to be improved. Finally studies on the two LysM symbiotic receptors NFP and LYK3 suggest that they are regulated by changes in their phosphorylation after symbiotic treatments. Together this work brings light on the mechanisms underlying LCO perception and the modifications that receptors undergo after their treatment with LCO.