Les phases de germination et croissance hétérotrophe sont des étapes cruciales pour l'implantation d'une culture et dépendent fortement des conditions environnementales. Le cadre d'analyse fourni par le modèle de prévision des levées SIMPLE (SIMulation of PLant Emergence) a été utilisé pour la caractérisation de Medicago truncatula (M.tr.) au cours de ces étapes précoces de son cycle, en réponse à des facteurs physiques du lit de semences ayant des effets majeurs sur les levées : température, potentiel hydrique, obstacles mécaniques. M.tr est une espèce modèle. Elle a été retenue en raison de son importante diversité naturelle et de l'existence d'une core collection, permettant d'avoir accès à une certaine diversité génétique en caractérisant un nombre limité de génotypes. Par ailleurs, la disponibilité d'outils de génétique et de génomique offre la perspective d'analyser le déterminisme génétique des réponses aux facteurs environnementaux étudiés. La caractérisation menée nous a permis en premier lieu d'établir les valeurs des paramètres écophysiologiques de M.tr.. La germination de M.tr. est rapide mais elle ne s'observe que dans des gammes de températures et de potentiels relativement étroites. De même, l'allongement est rapide, mais se réalise dans une gamme de températures restreinte. La force exercée par la plantule face aux obstacles mécaniques est relativement faible, ce qui la rapproche de celles d'espèces de même masse de semences. Nous avons mis en évidence des comportements contrastés entre génotypes. Cette variabilité génotypique porte sur la vitesse de germination aux températures extrêmes, basses et supra-optimales. Les basses températures exacerbent aussi les différences d'allongement maximum atteint en conditions de croissance hétérotrophe. La réponse au déficit hydrique est variable selon les génotypes étudiés. Enfin, des différences de force d'émergence ont aussi été observées entre génotypes. Dans une seconde étape, nous avons évalué par expérimentations numériques réalisées avec SIMPLE, l'ampleur des effets de la variabilité génétique mise en évidence. Les résultats des simulations soulignent l'importance des effets des obstacles mécaniques et d'une manière générale de tous les paramètres permettant d'accélérer la vitesse d'arrivée à la surface. Ils ont ainsi permis d'établir des priorités d'étude du déterminisme génétique des paramètres dont les variations sont à l'origine de différences à la levée. L'ensemble de ces résultats oriente le choix de populations de lignées recombinantes (LR) issues des parents aux comportements contrastés sur des variables ou paramètres jugés pertinents, pour aborder l'analyse du déterminisme génétique de caractères présentant une importante variabilité intra-spécifique. Aussi, dans une troisième étape, nous avons abordé l'analyse du déterminisme génétique de caractères décrivant la germination, en réponse à des températures supra-optimales. Le phénotypage haut débit d'une population de LR a permis d'identifier des QTL impliqués dans la variation des vitesses de germination et de début de croissance. L'analyse des co-localisations de QTL apporte des informations sur les stratégies d'amélioration à envisager pour la sélection d'un ou plusieurs de ces caractères. Les connaissances issues de ces travaux contribuent à la définition de caractères susceptibles d'être améliorés pour favoriser l'implantation des cultures dans différentes conditions de semis, et à l'identification des zones chromosomiques impliquées. Elles ouvrent aussi des pistes d'études physiologiques expliquant des différences de comportements observés pour les différents génotypes (rôle de la composition en sucres de la graine sur la tolérance au stress hydrique ; modifications de l'allongement cellulaire à basses températures) et oriente ainsi la recherche de gènes candidats dans les zones chromosomiques impliquées.

Les tiges constituent l'élément fondamental du peuplement de luzerne et la partie aérienne limitant la digestibilité. Au cours de la croissance les tissus de soutien et de transport d'eau se mettent en place dans la tige. La proportion de ces tissus et des éléments constitutifs pourrait jouer un rôle déterminant dans leur dégradabilité. L'objectif de la thèse est de déterminer les bases génétiques des variations de la structure histologique des tiges de luzerne et d'établir la relation avec la digestibilité des tiges. Sur deux génotypes contrastés en digestibilité, différents caractères histologiques ont été quantifiés par analyse d'images, les teneurs en parois et en lignine mesurées et leur profil d'évolution observé le long de tiges caractérisées pour leur morphologie. La variabilité génétique pour ces caractères histologiques a été recherchée au sein et à l'intérieur de cultivars choisis pour leur différence de digestibilité. Enfin, la recherche de marqueurs associés à la variation de ces caractères a été initiée grâce au marquage d'une population F1 autotétraploïde issue du croisement entre deux plantes hétérozygotes. Les corrélations génétiques entre les différents caractères ont été calculées. L'analyse le long des tiges montre que la hauteur joue un rôle primordial dans la variation des caractères, et qu'ils évoluent similairement quel que soit le génotype. L'augmentation des teneurs en parois et en lignine en bas des tiges est associée à la mise en place du cambium responsable du développement de nouvelles assises cellulaires dont les parois se lignifient (xylème secondaire). Peu ou pas de variabilité entre cultivars mais une forte variabilité intra cultivar pour tous les caractères mesurés ont été mises en évidence. Une variabilité génétique importante au sein de la population F1 a permis de rechercher des marqueurs associés aux caractères histologiques, morphologiques et à la solubilité enzymatique des tiges. Cette étude a mis en évidence des marqueurs significativement associés à tous les caractères, expliquant de 6,5 % de la variation observée pour la proportion de parenchyme médullaire dans la tige à 40 % pour la hauteur des tiges. Nous avons également pu mettre en évidence des colocalisations entre la hauteur des tiges et le rapport feuilles/tiges, entre la hauteur des tiges, leur solubilité enzymatique, et la proportion d'écorce et la densité surfacique des parois du xylème. D'autre part l'analyse des corrélations a montré une relation négative entre la proportion de xylème, l'épaisseur et la densité surfacique des parois cellulaires du xylème, et la solubilité enzymatique des tiges; et une relation positive entre la solubilité enzymatique et la proportion des tissus non lignifiés. Cette thèse a montré qu'il est possible de sélectionner des luzernes de meilleure digestibilité en retenant comme critère de sélection des caractères liés à la proportion des différents tissus des tiges, et de rechercher des QTLs impliqués dans leur variation chez une espèce autotétraploïde. La saturation des cartes et la disponibilité d'un logiciel permettant de localiser des QTLs chez les espèces autotétraploïdes pourraient permettre d'envisager d'améliorer la digestibilité du fourrage grâce à la sélection assistée par marqueur. Une voie possible pour améliorer la digestibilité du fourrage serait de diminuer les proportions de xylème en introgressant les QTLs responsables de la diminution de ce caractère, et de l'épaisseur de ses parois en prenant garde à ne pas affecter la rigidité des tiges.

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.

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