La verticilliose de la luzerne cultivée (Medicago sativa L.) est une maladie de flétrissement vasculaire causée par le champignon du sol Verticillium alfalfae. C’est une des maladies les plus dévastatrices et les plus difficiles à contrôler. Les symptômes sont un jaunissement des feuilles suivi de flétrissement et défoliation. Les structures de dormance produites en fin de cycle de maladie constituent une source de contamination pour plusieurs années. Aucun traitement fongicide n’est efficace, la seule méthode de contrôle reste la production de variétés résistantes. En raison de sa nature tétraploïde et de son allogamie, il est difficile de réaliser des études génétiques sur M. sativa. Un pathosystème entre la légumineuse modèle Medicago truncatula et V. alfalfae a été mis au point pour étudier les mécanismes mis en place au cours de l’interaction entre V. alfalfae et son hôte. Les lignées A17 et F83005.5 ont été identifiées comme étant respectivement résistante et sensible à la souche V31-2 de V. alfalfae. La première partie de ce travail de thèse est une étude comparative du processus d’infection de V. alfalfae V31-2 au cours d’une interaction compatible et incompatible. Nous avons étudié la cinétique de colonisation des racines d’A17 et F83005.5 avec la souche V31-2 exprimant le gène marqueur GFP ce qui confère une fluorescence verte au champignon. Les observations en microscopie confocale ont montré que le champignon se développait dans les racines des deux lignées contrastées de façon similaire pendant les premières étapes d’infection. Quelques jours plus tard, il n’était plus détectable dans la lignée résistante, tandis qu’il colonisait les vaisseaux du xylème dans la lignée sensible et avançait vers les parties aériennes. La lignée résistante A17 était donc capable d’inhiber totalement le développement du pathogène dans la partie racinaire. Ce résultat a été confirmé par la quantification de l’ADN du pathogène dans la racine et dans les parties aériennes. Nous avons conclu que la lignée A17 exprime une résistance totale à V. alfalfae. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons cherché à identifier le rôle des hormones dans les mécanismes de défense de M. truncatula en réalisant des traitements exogènes avec l’acide salicylique (SA), le méthyl jasmonate (MeJA), l’éthylène (ET), l’auxine et l’acide abscissique (ABA). Ces traitements n’avaient aucun effet sur la résistance d’A17, mais toutes les hormones, à l’exception du MeJA, protégeaient la lignée sensible contre les symptômes de la maladie. La quantification de l’ADN du champignon in planta a montré que seule l’ABA inhibait significativement le développement du pathogène. Dans la troisième partie, nous avons cherché à identifier des acteurs moléculaires impliqués dans la résistance et la sensibilité en comparant le transcriptome de la lignée F83005.5 et A17 dans la phase précoce de l’infection. L’analyse des gènes différentiellement exprimés en réponse à l’inoculation montre que les deux lignées induisent des gènes impliqués dans la production de métabolites secondaires, et des gènes des voies de signalisation hormonale. Mais seule la lignée résistante montre une induction de l’expression de gènes de résistance et de gènes impliqués dans les voies de signalisation tels que des gènes de la synthèse de l’ABA et des facteurs de transcription. Ces résultats renforcent l’hypothèse que l’ABA serait un facteur important dans la résistance à V. alfalfae chez M. truncatula. L’analyse des réseaux de gènes coexprimés a montré une désorganisation de la réponse de la lignée F83005.5. En revanche, dans la lignée A17, on observe une réponse organisée et orientée vers la défense. Ce travail décrit pour la première fois les mécanismes de défense de M. truncatula contre V. alfalfae. L’ensemble des résultats montre que la résistance exprimée chez la lignée A17 est différente des mécanismes de résistance contre la verticilliose décrits chez la tomate et le coton. / Verticllium wilt of alfalfa (Medicago sativa L.) is a vascular disease caused by the soil fungus Verticillium alfalfae. It is one of the most devastating diseases and most difficult to control. Symptoms are leaf yellowing followed by wilting and defoliation. Survival structures which are produced at the end of the disease cycle are a source of inoculum for many years. Fungicide treatment is not efficient, and the only way to control this disease is to breed resistant cultivars. Genetic studies are difficult in M. sativa because it is tetraploid and outcrossing. A pathosystem has been set up in our laboratory in order to study the mechanisms involved in the interaction between V. alfalfae and its host. It involves the model legume plant M. truncatula and strain V31-2 of V. alfalfae. The lines A17 and F83005.5 were identified as respectively resistant and susceptible to V31-2. The first part of this thesis is a comparative study of the infection process of V. alfalfae V31-2 in a compatible and incompatible interaction. The time course of root colonization in lines A17 and F83005.5 was studied with a GFP-expressing strain which confers green fluorescence to the fungus. Observations by confocal microscopy showed that the fungus developed in a similar way in roots of both lines during the first stage of the interaction. Some days later the fungus was not detectable anymore in roots of the resistant line, but has colonized the xylem vessels and grew towards the aerial part of the plant in the susceptible line. Quantification of fungal DNA in roots and aerial parts confirmed these results. This showed that the resistant line A17 was able to suppress the pathogen’s development in the root. It can be concluded that line A17 presents total resistance towards V. alfalfae. The second part of the thesis concerns the role of phytohormones for defence mechanisms against V. alfalfae in M. truncatula. Susceptible and resistant plants were treated with salicylic acid (SA), methyl jasmonate (MeJA), ethylene (ET), auxine and abscissic acid (ABA). Resistance of line A17 was not affected by these treatments, but all hormones except MeJA protected the susceptible line against disease symptoms. However, when fungal DNA was quantified in planta in these assays, only ABA inhibited the pathogen’s development significantly. The third part of this thesis aims at identifying molecular factors involved in resistance and susceptibility. To address this topic, the transcriptome of lines A17 and F83005.5 was compared during the early stages of infection, in inoculated or mock-inoculated plants. A bioinformatics analysis of differentially expressed genes showed that both lines responded to inoculation by inducing genes involved in secondary metabolism and hormone signaling pathways. However, only resistant line A17 showed induction of the expression of putative resistance and signaling genes, genes involved in ABA synthesis and transcription factors. This result confirms our hypothesis that ABA might be an important factor in M. truncatula resistance against V. alfalfae. Gene network analysis of co-expressed genes showed a disorganised response in the susceptible line, whereas in the resistant line the response was highly organised and turned to defence. Taken together, this work describes for the first time defence mechanisms against V. alfalfae in M. truncatula. The results show that resistance of line A17 is different from resistance mechanisms Verticillium resistance described in tomato and cotton. Several approaches for future research are presented in order to test our hypotheses concerning genes and molecules putatively involved in this interaction. With regard to applied research, defence and signaling genes identified in this work may be useful for the improvement of alfalfa, after functional validation.

Thesis (MScAgric)--University of Stellenbosch, 2001. / ENGLISH ABSTRACT: The aim of this study was to determine the effect of a grass herbicide, a broadleaf herbicide with some grass control capabilities, method of tillage (tine and no-tillage) at planting of wheat as well as different medic cultivars on the regeneration, dry matter (OM) production and quality of a medic pasture. The trial was conducted at Langgewens experimental farm in the Swartland wheat producing area. Nine medic cultivars of three different species were evaluated after being sprayed with either haloxyfop-R-methyl (HAL) ester or imazamox (IMI) and subjected to either a tine tillage or a no tillage treatment at planting of wheat. Soil samples were taken during January 2000 to determine the size of the medic and weed seedbank as well as the degree of dormancy in the medic seeds, while OM samples were taken throughout the growing season to determine the OM production of the different medic cultivars and weed species. OM samples taken during October 1998 on the same pasture, were used to determine the crude protein (CP) and neutral detergent fibre (NOF) content of the pasture. The samples were subjected to in vitro digestion and the digestibility of pasture CP (OCP), NOF(ONOF) and DM (DOM)were determined. Results showed that seedling establishment differed between cultivars used, herbicide treatments applied as well as the crop stage in the rotation. The cultivars produced more seedlings where IMI was applied compared to HAL as well as where the area consisted of two year pasture compared to one year pasture (1998) and one year wheat (1999). After a year of pasture and a year of wheat, cultivars Sephi and Paraggio produced the most seedlings, while Caliph and Orion produced the least. Caliph however, showed a very high degree of seed dormancy while Orion's low seedling establishment was due to its sensitivity to the IMI herbicide used. Little difference was found between the nine cultivars early in the season (July - August) with regard to cumulative OM production, except for Orion, whose growth was severely damaged by the IMI treatment. At the end of the growing season (October), the cultivar Caliph's cumulative OM production (2010.1 kg/ha) was significantly higher than all the other cultivars, except for Parabinga (1053. 4 kg/ha). Oifferent pasture samples, of which the botanical composition was known, was analysed for CP, NOF, OOM, OCP and ONOF. There was no significant difference in pasture composition during 1998 but variation in the pasture composition did however cause the IMI treatment, compared to the HAL treatment, to have a lower ONOFand OOMcontent. A modelling procedure was used to predict the pasture quality parameters (CP, NOF, OOM,OCP and ONOF) from the pasture composition (medic hay, medic pods, grassy and broadleaf weeds). This prediction of CP, NOF, OOM, ONOF and OCP from the pasture components had a relative low accuracy (49 -74.1 %) and a further refinement of this model for possible use on farms in order to improve grazing management and animal production is advised. In conclusion it could be said that broadleaf weed control caused a definite increase in medic seed and OMproduction, but Orion should not be used with an IMI herbicide. All the cultivars, except for Orion, produced enough seedlings up to the second year to ensure sustainability of the medic pasture. All the cultivars, except for Orion, produced a sufficient amount of OM early in the growing season. Caliph however, produced by far the most OM later in the growing season. A reduction of broadleaf weeds and medic pods will increase the digestibility of NOFand OMand therefore increase the quality of the pasture. Pods however are an important part of summer forage and the aim should therefore rather be to reduce the number of broadleaf weeds in the pasture. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die doel van hierdie studie was om die effek van 'n gras en breëblaar onkruiddoder (wat sekere grasse beheer), metode van bewerking tydens die saai van koring asook nege verskillende medic kultivars op die regenerasie, droë materiaal produksie en kwaliteit van medic weidings te bepaal. Die proef is gedoen op Langgewens proefplaas wat geleë is in die Swartland koring produserende gebied. Nege medic kultivars is geëvalueer nadat die weiding met of haloxyfop-R-metiel ester (HAL) of imazamox (IMI) onkruiddoders gespuit is en onderwerp is aan of 'n vlak tand of geen bewerking tydens die saai van koring. Grondmonsters is geneem in Januarie 2000 om die grootte van die medic en onkruid saadbank asook om die graad van dormansie in die verskillende medic kultivars se sade te bepaal. Droë materiaal monsters is gedurende die 2000 groeiseisoen geneem om die droë materiaal produksie van die verskillende medic kultivars asook onkruid spesies te bepaal. Droë materiaal monsters is gedurende Oktober 1998 geneem en gebruik om die ruproteïn (CP) en neutraaloplosbare vesel (NDF) inhoud van die weiding te bepaal. Die monsters is in vitro verteer en die verteerbaarheid van CP (OCP), NDF (ONOF) en droë materiaal (DOM) is bepaal. Resultate wys dat saailing vestiging verskil tussen die verskillende kultivars wat gebruik is, verskillende onkruiddoder behandelings asook die stadium van die weidings/koring. Die kultivars het meer geproduseer waar die weiding met IMI behandel is in vergelyking met waar HAL toegedien is, asook waar koring nog nie gesaai is nie. Na 'n jaar van weiding en 'n jaar van koring, het die kultivars Sephi en Paraggio die meeste saailinge, en Caliph en Orion die minste saailinge gehad. Caliph het egter 'n hoë graad van dormansie in sy saad getoon, terwyl die swak vestiging van Orion die gevolg is van die kultivar se hoë sensitiwiteit teenoor IMI. Min verskil is gevind tussen die nege kultivars, vroeg in die groei seisoen (Julie - Augustus), wat kumulatiewe droë materiaal produksie betref, behalwe vir Orion wat erg beskadig is deur die IMI behandeling. Aan die einde van die groeiseisoen (Oktober 2000) was die kumulatiewe droë materiaal produksie van die kultivar Caliph (2010.1 kg/ha) betekenisvol hoër as al die ander kultivars behalwe vir Parabinga (1053.4 kg/ha). Weidingsmonsters, waarvan die botaniese samestelling bekend was, is ontleed vir CP, NDF, DDM, DCP en DNDF. Daar is geen betekenisvolle verskille gevind in die botaniese samestelling van die weidingmonsters geneem in 1998 nie,maar die variasie in botaniese samestelling het veroorsaak dat IMI in vergelyking met HAL 'n laer DNDF and DDM inhoud het. 'n Model is opgestel wat die weidingskomponente (medic hooi, medic peule, gras en breëblaar onkruide) gebruik om die kwaliteits parameters (CP, NDF, DDM, DCP en DNDF) van die weiding te skat. Hierdie skatting van CP, NDF, DDM, DCP en DNDF deur van die weidingskomponente gebruik te maak het 'n relatiewe lae akuraatheid gehad (49 -74.1 %) en verdere verfyning van hierdie model vir moontlike gebruik op plase, ten einde weidings bestuur en diere produksie te verbeter, word voorgestel. Die gevolgtrekking kan gemaak word dat breëblaar onkruidbeheer 'n definitiewe verbetering in die medic saailing en droë materiaal produksie van die medies te weeg gebring het, maar die kultivar Orion behoort nie saam met 'n IMI gebruik te word nie. AI die getoetste kultivars, behalwe Orion, het voldoende saad oorlewing vertoon tot en met die tweede jaar van die rotasie om lewensvatbaarheid van die sisteem te verseker en alle kultivars, behalwe Orion, het voldoende droë materiaal produseer vroeg in die groeiseisoen. Caliph het egter laat in die groeiseisoen by verre die meeste droë materiaal geproduseer. 'n Vermindering in die hoeveelheid breëblaar onkruide en peule in die weiding sal tot 'n verhoging in die verteerbaarheid van NDF en DM lei en dus 'n verhoging in die kwaliteit van die weiding tot gevolg hê. Peule is egter 'n belangrike bron van voedsel aan weidende diere gedurende droë somermaande en die verbetering van weidings moet eerder gedoen word deur te poog om breëblaar onkruide te beheer.

Bibliography: leaves 259-291. / xiii, 291 leaves, [8 leaves of col. plates] : ill. (some col.) ; 30 cm. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, Faculty of Agricultural and Natural Resource Sciences,1994

Bibliography: leaves 259-291.

<p>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.</p>

Les plantes se développent dans un environnement dynamique, ce qui impose souvent des contraintes sur la croissance et le développement. Parmi les facteurs environnementaux adverses, fréquemment rencontrés par les plantes terrestres, l'inondation ou submersion temporaire qui impose une hypoxie racinaire (1-2% d'oxygène). La submersion du sol peut avoir un très fort impact sur la survie des plantes, et donc sur la production agricole ainsi que les écosystèmes naturels. La plupart des études antérieures sur les altérations biologiques et biochimiques chez les plantes, dues au stress hypoxique, ont porté sur le métabolisme des sucres. Toutefois, quelques données concernant les effets de l'hypoxie racinaire sur le métabolisme azoté (N) sont récemment devenues disponibles. Le but de notre travail est d'étudier les effets de l'hypoxie racinaire sur le métabolisme azoté chez la plante modèle "Medicago truncatula". Les résultats obtenus ont montré que l'hypoxie racinaire entraine une augmentation significative de la biomasse aérienne (MF et MS) avec allongement des tiges et augmentation du nombre de feuilles pendant une période transitoire allant jusqu'à 5 semaines avant d'engendrer la mort des plantes. Les effets sur le métabolisme primaire ont été suivis par des analyses métabolomiques (GC-MS), marquage à l'azote (15N) et expression de gènes impliqués dans le métabolisme azoté. Nos résultats montrent que si l'hypoxie racinaire entraine des modifications sommes toute attendues des métabolismes de l'azote et du carbone, elle entraine également des réarrangements de ces métabolismes dans la partie aérienne non soumise à l'hypoxie. La réponse des parties aériennes en termes de croissance et de modification métabolique a été obtenue même quand une partie minoritaire seulement du système racinaire a été soumise à l'hypoxie suggérant une communication racine - partie aérienne qui mériterait d'être plus étudiée dans l'avenir.

Medicago truncatula est une Légumineuse établissant une interaction symbiotique avec une bactérie tellurique de la famille des Rhizobiacées, Sinorhizobium meliloti. Cette interaction induit l'organogénèse racinaire d'un nouvel organe, la nodosité dans laquelle s'établit un microenvironnement propice à la différenciation de S. meliloti en bactéroïde fixateur du diazote atmosphérique. Ce dernier réduit ainsi le N2 atmosphérique en ammonium, assimilé ensuite par la plante hôte. Cette réduction étant très endergonique M. truncatula fournit aux bactéroïdes des substrats carbonés issus de la photosynthèse. Cependant, cette interaction n'est pas pérenne, du fait de la mise en place d'un processus de sénescence ; processus conduisant à la lyse des bactéroïdes et des cellules hôtes végétales. Cependant, à l'heure actuelle, ce processus de rupture symbiotique reste largement méconnu. Afin de mieux caractériser ce processus de sénescence, nous avons développé de nouveaux outils cytologiques permettant par microscopie confocale de suivre in vivo la viabilité, mais également le fonctionnement des bactéroïdes au sein de la cellule hôte végétale. Ces nouvelles approches cytologiques pourraient ainsi offrir de nouvelles perspectives pour une caractérisation plus précise du déroulement du processus de sénescence nodositaire. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons également cherché à déterminer l'implication de deux cystéines protéases dans la mise en place du processus de sénescence nodositaire. Une des caractéristiques de ce processus de sénescence est une hausse de l'activité protéolytique, notamment des activités cystéine protéases. L'analyse transcriptomique par cDNA-AFLP du processus de sénescence nodositaire (Van de Velde et al. 2006) a pu mettre en évidence 508 gènes différentiellement exprimés dont deux cystéines protéases, MtCP6 et MtVPE. L'analyse spatio-temporelle de MtCP6 et MtVPE, par fusion transcriptionnelle avec le gène rapporteur GUS, a permis de mettre en évidence l'induction de ces deux gènes lors du processus de sénescence nodositaire aussi bien développementale qu'induit par un traitement abiotique ou lors d'une interaction symbiotique non efficace. De plus, nous avons pu démontrer, par génétique inverse, que la diminution de l'expression de ces deux protéases retarde la mise en place du processus de sénescence, alors que leur expression précoce conduit à la promouvoir. Enfin, l'étude par microscopie confocale de la localisation subcellulaire de ces protéases par fusion traductionnelle avec la GFP, démontre leur adressage aux bactéroïdes. Nos données tendent donc à démontrer le rôle clef de MtCP6 et de MtVPE dans le processus de sénescence nodositaire, où ces protéases pourraient participer directement au déclenchement d'une dégradation des bactéroïdes.

La longévité correspond à la capacité des graines à tolérer la dessiccation et d'être capable de germer sans perte de vigueur après conservation. Elle est acquise au cours de la maturation, après le remplissage des graines et l'acquisition de la tolérance à la dessiccation. Le but de cette thèse est d'analyser les caractéristiques physiologiques, biochimiques et moléculaires lors de la maturation des graines de Medicago truncatula, et d'identifier les mécanismes ou molécules qui corrèlent avec l'acquisition de la longévité. Pendant la maturation, la longévité augmente d'un facteur 30 entre 28 et 44 jours après pollinisation. Une analyse de l'acquisition de la longévité des graines sur plusieurs récoltes et des mesures biochimiques (teneur en sucres solubles, activité des systèmes antioxydants) montre une très forte corrélation entre la longévité et la teneur en saccharose(R²=-0.91) et stachyose(R²=0.92). Une étude protéomique a permis de suivre l'abondance de 38 spots qui correspondent à 16 protéines de type'Late Embryogenesis Abundant'(LEA). Seulement quatre polypeptides corrèlent avec la longévité(CapLEA,D113.II, D34.III et EM) et représentent 45% de l'intensité totale des protéines LEA. L'abondance de la plupart des polypeptides LEA augmente pendant la dernière phase de séchage de graines. La caractérisation de mutants abi5, un facteur de transcription, connu pour sa régulation de gènes LEA, montre que, contrairement à Arabidopsis, ABI5 chez M. truncatula joue un rôle clé dans la dormance et l'accumulation d'oligosaccharides. De surcroit, les graines de mutants Tnt1 d'abi5 ont une longévité deux fois moindre, et présentent une diminution des protéines d'EM, EM6 et D34.

Title page, table of contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University of Adelaide Library. / Two experiments were conducted to find diversity in plant responses to arbuscular mycorrhizal (AM) fungi: positively and negatively/non-responsive combinations. Medic (Medicago truncatula L.) tomato (Solanum esculentum L.), leek (Allium porrum L.) and cucumber (Cucumis sativus L.) were inoculated with Glomus intraradices, Gigaspora margarita and Scutellospora calospora. It was found that soil differences critically affect plant responses to AM fungi. / http://proxy.library.adelaide.edu.au/login?url= http://library.adelaide.edu.au/cgi-bin/Pwebrecon.cgi?BBID=1283734 / Thesis (Ph.D.) -- University of Adelaide, School of Earth and Environmental Sciences, 2007

Title page, table of contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University of Adelaide Library. / Two experiments were conducted to find diversity in plant responses to arbuscular mycorrhizal (AM) fungi: positively and negatively/non-responsive combinations. Medic (Medicago truncatula L.) tomato (Solanum esculentum L.), leek (Allium porrum L.) and cucumber (Cucumis sativus L.) were inoculated with Glomus intraradices, Gigaspora margarita and Scutellospora calospora. It was found that soil differences critically affect plant responses to AM fungi. / http://proxy.library.adelaide.edu.au/login?url= http://library.adelaide.edu.au/cgi-bin/Pwebrecon.cgi?BBID=1283734 / Thesis (Ph.D.) -- University of Adelaide, School of Earth and Environmental Sciences, 2007