Les racines ont deux grands rôles. Le premier est le prélèvement de l’eau et des éléments nutritifs et le second est l’ancrage dans le sol. Identifier les gènes responsables de la mise en place des tissus et de l'architecture du système racinaire est donc essentiel pour pouvoir améliorer les variétés de riz soumises à des stress abiotiques de plus en plus fréquents et nombreux du fait du changement climatique. Au cours de cette thèse, j'ai réalisé une analyse fonctionnelle du gène DEFECTIVE IN OUTER CELL LAYER SPECIFICATION (DOCS1) qui appartient à la famille des récepteurs kinases à répétitions riches en leucine (LRR-RLK). Ces protéines sont composées de deux domaines principaux: un domaine extra-cytoplasmique composé de répétitions LRR et un domaine kinase intra-cytoplasmique. Un mutant de ce gène, nommé c68, possède une mutation non-sens dans le domaine kinase. Les plantes mutantes c68 présentent plusieurs phénotypes: une sensibilité accrue à l'aluminium, une réduction du nombre et de la taille des poils absorbants dans les racines, et des couches d’exoderme/épiderme d’identité mêlée. Le premier chapitre de la thèse porte sur l’étude conjointe de lignées knock-out CRISPRs du gène DOCS1 et de c68. Nos résultats ont montré que les mutants c68 et CRISPRs présentaient les mêmes phénotypes : sensibilité à l’aluminium, défauts des poils absorbants et tissus externes d’identité mixte. Ces résultats suggéraient que chez le mutant c68, soit la protéine DOCS1 n'était pas fonctionnelle, soit elle n'était pas traduite. Nos analyses phénotypiques ont aussi révélé que tous les mutants présentaient des défauts de réponse à la gravité à différents stades de développement. A 3 jours, un retard de réponse à la gravité était observé pendant la première heure après gravistimulation. Les plantules mutantes présentaient aussi des défauts de localisation d’un transporteur d’auxine. A 40 jours, nous avons observé que l'angle du cône racinaire des plantes mutantes était plus ouvert que celui des plantes sauvages. Deux gènes liés à l’auxine et plusieurs QTLs ont déjà été identifiés comme participant à ce phénotype chez le riz. Dans la suite de notre étude, nous avons donc cherché à identifier de nouveaux QTLs et gènes impliqués dans ce phénotype morphologique par étude d'association pan-génomique dans deux panels Indica et Japonica. Toutes les accessions de l'écotype bulu d'Indonésie et trois japonicas tempérés d'Asie du Sud présentaient un angle du cône racinaire très ouvert. En utilisant un modèle mixte associé à une technique de ré-échantillonnage, 55 QTLs ont été détectés. L'analyse des gènes sous-jacents ou voisin (+/- 50kb) a identifié 539 gènes, dont 6 LRR-RLK, 5 gènes liés à l’auxine et 5 gènes avec une fonction validée dans le développement ou l'architecture racinaire. Une approche complémentaire par cartographie génétique classique est proposée pour identifier les gènes en cause dans la ou les mutations à angle du cône racinaire très ouvert. Des perspectives de poursuite du travail effectué sont aussi présentées afin de déterminer si le phénotype affectant l'angle du cône racinaire induit par les mutations du gène DOCS1 ou des nouveaux gènes identifiés est lié à des perturbations des flux d’auxine. / Roots have two major roles. The first one is to uptake water and nutrients and the second one is to anchor plants into the ground. Identifying the genes responsible for the establishment of tissues and architecture of the root system is essential to improve rice varieties subject to increasingly frequent and numerous abiotic stresses due to climate change. During my PhD, I undertook a functional analysis of the DEFECTIVE IN OUTER CELL LAYER SPECIFICATION (DOCS1) gene which belongs to the Leucine-Rich Repeat Receptor-Like Kinase (LRR-RLK) family. These proteins are composed of two main domains: an extra-cytoplasmic domain containing LRR repeats and a cytoplasmic kinase domain. A mutant of this gene, named c68, carries a nonsense mutation in the kinase domain. The c68 mutant plants show several phenotypes: increased sensitivity to aluminum, reduced number and size of root hairs, and layers of external tissues with exodermis/epidermis mixed identity. The first chapter of the thesis focuses on the joint study of knockout CRISPRs lines of the DOCS1 gene and c68. Our results showed that the c68 and CRISPRs mutants displayed the same phenotypes: sensitivity to aluminum, defects in root hairs and mixed identity of external tissues. These results suggested that in the c68 mutant, either the DOCS1 protein was not functional, or the protein was not translated. Our phenotypic analyses also showed that all mutants exhibited impaired gravity responses at different development stages. At 3 days, a delay of response to gravity was observed during the first hour after gravistimulation. Mutant seedlings also had defects in an auxin transporter localization. At 40 days, we observed that the root cone angle of mutant plants was more open than that of wild-type plants. Two genes associated with auxin and several QTLs have been identified as contributing to this phenotype in rice. In the rest of our study, we therefore tried to identify new QTLs and genes involved in this morphological phenotype by a genome-wide association study in two Indica and Japonica panels. All accessions of the bulu ecotype from Indonesia and three South Asian temperate japonica had a very open root cone angle. Using a mixed model associated with a resampling technique, 55 QTLs were detected. The analysis of the underlying or neighbor (+/- 50kb) genes identified 539 genes, including 6 LRR-RLK, 5 genes related to auxin and 5 genes with a function validated in root development or architecture. A complementary approach by classical genetic mapping is proposed to identify genes involved in the mutation(s) involved in very open root cone angle. Prospective research lines are also presented to determine if the root cone angle phenotype , induced by DOCS1 or by newly identified genes, is linked with disruption of auxin fluxes.

La capacité d’une plante à réguler sa croissance racinaire est une composante importante de l’acclimatation aux stress environnementaux. A l’échelle cellulaire, cette régulation est effectuée via le contrôle de la division et de l’élongation des cellules mais les rôles respectifs de chaque processus et leurs interactions sont peu connus. Notamment, l’activité de production de cellules du méristème apical racinaire (RAM) est trop souvent négligée. Dans cette thèse, l’analyse spatiale de la croissance le long de l’apex racinaire et l’analyse temporelle des trajectoires de croissance des cellules ont été couplées pour comprendre les liens existants entre division et élongation cellulaire. Pour cela, j’ai développé un système de phénotypage de la croissance à haute résolution spatio-temporelle qui a été appliqué à l’étude de racines d’un peuplier euraméricain (Populus deltoides × Populus nigra) en réponse à différents stress (stress osmotique, impédance mécanique). Une forte variabilité du taux de croissance racinaire entre individus ainsi que des variations individuelles cycliques de la croissance ont été observées malgré des conditions environnementales contrôlées. L’utilisation de cette variabilité couplée à la quantification de l’activité du RAM a mis en évidence l’importance du taux de production de cellules pour soutenir la croissance racinaire. Ces travaux analysent une nouvelle échelle de variations spatiales et temporelles de la croissance peu prise en compte jusqu’à présent. Hautement applicable à d’autres questions scientifiques, l’analyse du devenir des cellules une fois sortie du RAM est également discutée pour des conditions de croissance non stables / Regulation of root growth is a crucial capacity of plants for acclimatization to environmental stresses. At cell scale, this regulation is controlled through cell division and cell elongation but respective importance of these processes and interactions between them are still poorly known. Notably, the cell production activity of the root apical meristem (RAM) is often excluded. During this thesis, spatial analyses of growth along the root apex were coupled with temporal analyses of cell trajectories in order to decipher the links between cell division and cell elongation. This required the setup of a system for phenotyping root growth at a high spatiotemporal resolution which was applied to study the growth of roots from an euramerican poplar (Populus deltoides × Populus nigra) in response to different environmental stresses (osmotic stress or mechanical impedance). An important variability of root growth rate between individuals as well as individual cyclic variations of growth along time were observed despite tightly controlled environmental conditions. Use of this variability coupled with quantification of the RAM activity led us to a better understanding of the importance of the cell production rate for sustaining root growth. This work analyses a new spatiotemporal scale of growth variability poorly considered. Widely applicable to others scientific questioning, temporal analyses of cell fate once produced in the RAM is also discussed for non-steady growth conditions

En se développant, les plantes produisent des organes le long des tiges suivant des organisations stéréotypées, appelées phyllotaxies. Ces structures se forment dans les méristèmes, qui abritent une niche de cellules souches : les organes y sont produits successivement et leur positionnement dépendrait d'interactions dynamiques avec les organes pré-existants. Ces interactions seraient notamment dues à des champs inhibiteurs générés par le transport polaire de l'hormone végétale auxine. Afin de rechercher si d'autres facteurs que l'auxine contrôlent la phyllotaxie chez Arabidopsis thaliana, nous nous sommes intéressés au rôle possible des cytokinines, une autre hormone végétale. Nous avons développé des nouvelles méthodes statistiques pour analyser la structure de la phyllotaxie. Cette approche nous a permis d'identifier des anomalies de phyllotaxie chez des plantes mutantes pour le gène AHP6 (ARABIDOPSIS HISTIDINE PHOSPHOTRANSFER protein 6), un inhibiteur de la signalisation des cytokinines. Notre analyse suggérait des possibles perturbations du plastochrone, la période de temps séparant l'initiation de deux organes, ce que nous avons alors confirmé par imagerie confocale en temps réel. Nos données montrent que AHP6 contrôle la régularité du plastochrone, et suggèrent que les perturbations de phyllotaxies sont dues à l'initiation simultanée de deux à trois organes dans le méristème. De plus, AHP6 est exprimé dans les organes et sa protéine établit des champs qui inhibent la signalisation des cytokinines au delà des organes. Pour mieux comprendre les rôles possibles de ces champs, nous avons généré un modèle numérique théorique de la phyllotaxie. Notre étude suggère que le plastochrone pourrait être déstabilisé par du bruit affectant le seuil d'activation nécessaire aux cellules méristématiques pour se différencier en organe. Des champs inhibiteurs pourraient filtrer les effets de ce bruit en influant sur la cinétique d'émergence des organes. Les propriétés observées des champs de AHP6 sont en accord avec ce modèle et nos données expérimentales suggèrent en effet que AHP6 et les cytokinines peuvent moduler la signalisation auxine lors de l'émergence des organes. Nous proposons comme modèle que le transport et la signalisation de l'auxine positionnent de manière robuste les organes mais génèrent un plastochrone irrégulier en présence de bruit. Des champs inhibiteurs de cytokinines stabiliseraient le plastochrone, assurant un couplage plus robuste entre le temps et l'espace lors de l'établissement de la phyllotaxie. / During development, plant aerial organs are produced along the stems following stereotyped patterns. This so-called phyllotaxis is initiated at the shoot meristem, which contains the stem cell niche: organs are produced iteratively and their precise position is thought to depend on dynamic interactions with preexisting organs. These interactions would notably result from inhibitory fields generated by the polar transport of the plant hormone auxin. To investigate whether other factors than auxin regulate phyllotaxis, we studied the potential role of cytokinin signaling. We developed a new pipeline of methods based on statistics to analyze phyllotactic patterns. This approach allowed us to identify phyllotactic perturbations in mutants of the AHP6 (ARABIDOPSIS HISTIDINE PHOSPHOTRANSFER protein 6), an inhibitor of cytokinin signaling that suggested perturbations in the plastochron, the time between two organ initiations. This was further confirmed using confocal live-imaging. We demonstrated that AHP6 controls the regularity of the plastochron, and our results suggest that the defective phyllotaxis in ahp6 is caused by concomitant initiations of two or three organs in the meristem. Interestingly, AHP6 is expressed in organs and the protein can move beyond these domains, generating cytokinin signaling inhibitory fields. To explore further the putative role of these secondary fields, we generated a mathematical model of phyllotaxis. This suggested that plastochron instabilities could be caused by noise affecting the threshold at which meristematic cells are recruited into organs. Inhibitory fields generated by AHP6 could filter out the effect of noise by modifying the kinetics of early organ emergence. Consistently, the properties of AHP6 fields fit the model predictions and our experimental data show that AHP6 and cytokinin modulate auxin signaling during organ emergence. We thus propose a model in which auxin transport and signaling robustly control organ positioning but generates plastochron instablities in noisy backgrounds. In this scenario cytokinin inhibitory fields would stabilize the rhythmicity of organ initiation, ensuring a robust coupling of space and time during pattern formation.

Tesis por compendio / [EN] Cannabis sativa L. (Cannabaceae) is an angiosperm, allogamous and dicotyledonous species that includes short and neutral-day varieties with dioecious specimens (males and females), and monoecious plants. Among its many applications, its industrial and medicinal uses stand out. Despite the fact that cannabis has been used by humans since ancient times and the growing interest that the C. sativa therapeutic properties have aroused in researchers around the world, the psychoactivity of some of its varieties, derived from its ¿9-tetrahydrocannabinol (THC) content, has motivated the prohibition of its cultivation for almost sixty years. The strict control to which cannabis has been subjected has prevented professionals from all over the world from carrying out genetic breeding programs for this species, which has resulted in the absence of uniform varieties. In this Doctoral Thesis, different biotechnological tools for cannabis genetic improvement have been developed. In the first place, given the lack of reproducibility of some cannabis plant in vitro regeneration protocols and the great influence that the genotype exerts on their effectiveness, plant in vitro regeneration competence of different explants was evaluated. As a result, an hormone-free protocol from C. sativa hypocotyls that presents high regeneration rates (ranging from 32.26% to 71.15%) in all the genotypes evaluated, also presenting a 17.94% of spontaneous rooting rate of regenerants has been developed. At the same time, the polysomatic pattern of different cannabis explants has been studied, and it has been possible to regenerate, from them, a significant percentage of mixoploid specimens (17.65% from cotyledons and 13.33% from hypocotyls) that, as described in the existing literature, could show a greater capacity for cannabinoid synthesis. On the other hand, given the absence of scientific publications in this regard, and the potential that this technique presents to alleviate the intrinsic variability of this species, the most in-depth study to date on the male floral biology of C. sativa has been developed. Up to 476,903 microspores and pollen grains per male flower, with in vivo microspore viability rates from 53.71 to 70.88% have been found. Furthermore, all stages of development of the microgametophyte have been correlated with an easily measurable floral morphological marker such as the bud length, identifying bud length intervals containing mostly vacuolate microspores and young bi-cellular pollen grains in all the phenotypes evaluated. In this way, and although the starch presence in C. sativa microspores and pollen grains follows a similar pattern to that observed in species recalcitrant to androgenesis, it has been possible to address the induction of microspore embryogenesis in this species, obtaining for the first time microspore-derived multicellular structures after one week long cold-shock bud pretreatment. Finally, as a prerequisite for the genetic editing of C. sativa by using the Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)/Cas systems, and taking advantage of the in vitro plant regeneration protocol which resulted from this Doctoral Thesis, it has been possible to develop for the first time a protocol for the production of stably transformed cannabis plants, which represents a historical milestone in the genetic improvement of the species. After co-culture with A. tumefaciens and subsequent culture in antibiotic-containing selective regeneration medium, hypocotyls achieved 23.1% and 5.0% of regeneration and transformation rates respectively. As a whole, the present Doctoral Thesis provides a range of biotechnological tools that will allow the development of a new generation of high-yield cannabis varieties with uniform traits, resistant to multiple biotic and abiotic stresses, and therefore being suitable for both industrial and medicinal use. / [ES] Cannabis sativa L. (Cannabaceae) es una especie angiosperma, alógama y dicotiledónea compuesta por variedades de día corto y día neutro que presentan ejemplares dioicos (machos y hembras), y plantas monoicas. Entre sus múltiples aplicaciones destacan tanto su uso industrial como su uso medicinal. A pesar de que el cannabis ha sido empleado por el ser humano desde tiempos ancestrales, la psicoactividad que presentan algunas de sus variedades, derivada de su contenido en ¿ 9 -tetrahidrocannabinol (THC), ha motivado la prohibición de su cultivo durante casi sesenta años. La estricta fiscalización a la que ha sido sometido el cannabis, ha impedido llevar a cabo programas de mejora genética de esta especie, lo que se ha traducido en la ausencia de variedades uniformes. En esta Tesis Doctoral se han desarrollado diferentes herramientas biotecnológicas para la mejora genética del cannabis. En primer lugar, dada la falta de reproducibilidad de algunos protocolos de cultivo in vitro de cannabis y la gran influencia que el genotipo ejerce en la efectividad de los mismos, se evaluó la capacidad de regeneración in vitro de diferentes explantes. Como resultado, se ha desarrollado un protocolo libre de hormonas a partir de hipocótilos de C. sativa que presenta altas tasas de regeneración (las cuales oscilan del 32,26% al 71,15%) en todos los genotipos evaluados, presentando además un 17,94% de tasa de enraizado espontáneo de los regenerantes. A su vez, se ha estudiado el patrón polisomático de diferentes explantes de cannabis y se ha conseguido regenerar, a partir de los mismos, un porcentaje significativo de ejemplares mixoploides (17,65% procedentes de cotiledones y 13,33% de hipocotilos) que, tal y como describe la bibliografía existente, podrían mostrar una mayor capacidad de síntesis de cannabinoides. Por otro lado, dada la ausencia de publicaciones científicas al respecto y el potencial que esta técnica presenta para paliar la variabilidad intrínseca de esta especie, se ha desarrollado el estudio más profundo hasta la fecha relativo a la biología floral masculina de C. sativa. Se han descrito hasta 476.903 microsporas y granos de polen por flor masculina, con tasas de viabilidad in vivo de las microsporas del 53,71 al 70,88%. Además, se han correlacionado todas las etapas de desarrollo del microgametofito con la longitud de la yema, identificando intervalos de longitud de yema que contienen mayoritariamente microsporas vacuoladas y granos de polen joven bicelular en todos los fenotipos evaluados. De este modo, y aunque la presencia de almidón en las microsporas y granos de polen de C. sativa sigue un patrón similar al observado en especies recalcitrantes a la androgénesis, ha sido posible abordar la inducción de la embriogénesis de microsporas en esta especie, consiguiendo producir por primera vez estructuras multicelulares derivadas de las microsporas tras aplicar sobre las yemas un pretratamiento de frío de una semana de duración. Finalmente, como requisito previo para la edición genética de C. sativa mediante los sistemas CRISPR/Cas, y haciendo uso del protocolo de regeneración in vitro de plantas surgido de la presente Tesis Doctoral, se ha conseguido desarrollar por primera vez un protocolo para producir plantas de cannabis transformadas genéticamente de forma estable, lo que supone un hito histórico en la mejora genética de la especie. Después del cocultivo con A. tumefaciens y el posterior cultivo en medio de regeneración selectiva con antibióticos, los hipocótilos lograron respectivamente un 23,1% y un 5,0% de tasas de regeneración y transformación. En su conjunto, la presente Tesis Doctoral proporciona un abanico de herramientas biotecnológicas que permitirán el desarrollo de una nueva generación de variedades de cannabis de alto rendimiento, que presenten caracteres homogéneos, resistentes a múltiples estreses tanto bióticos como abióticos, y siendo así aptas tanto para un uso industrial como medicinal. / [CAT] Cannabis sativa L. (Cannabaceae) és una espècie angiosperma, alógama i dicotiledònia composta per varietats de dia curt i dia neutre que presenten exemplars dioics (mascles i femelles), i plantes monoiques. Entre les seues múltiples aplicacions destaquen tant el seu ús industrial com el seu ús medicinal. Tot i que el cànnabis ha sigut emprat per l'ésser humà des de temps ancestrals, la psicoactivitat que presenten algunes de les seues varietats, derivada del seu contingut en ¿9-tetrahidrocannabinol (THC), ha motivat la prohibició del seu cultiu durant gairebé seixanta anys. L'estricta fiscalització a la qual ha sigut sotmés el cànnabis, ha impedit que professionals de tot el món puguen dur a terme programes de millora genètica d'aquesta espècie, la qual cosa s'ha traduït en l'absència de varietats uniformes. En aquesta Tesi Doctoral s'han desenvolupat diferents eines biotecnològiques per a la millora genètica del cànnabis. En primer lloc, donada la falta de reproducibilitat d'alguns protocols de cultiu in vitro de cànnabis i la gran influència que el genotip exerceix en l'efectivitat d'aquests, es va avaluar la capacitat de regeneració in vitro de diferents explants. Com a resultat, s'ha desenvolupat un protocol lliure d'hormones a partir de hipocòtils de C. sativa que presenta altes taxes de regeneració (les quals oscil·len del 32,26% al 71,15%) en tots els genotips avaluats, presentant a més un 17,94% de taxa d'arrelat espontani dels regenerants. Al mateix temps, s'ha estudiat el patró polisomàtic de diferents explants de cànnabis i s'ha aconseguit regenerar, a partir d'aquests, un percentatge significatiu d'exemplars mixoploids (17,65% procedents de cotilèdons i 13,33% de hipocòtils) que, tal com descriu la bibliografia existent, podrien mostrar una major capacitat de síntesi de cannabinoids. D'altra banda, donada l'absència de publicacions científiques sobre aquest tema i el potencial que aquesta tècnica presenta per a pal·liar la variabilitat intrínseca d'aquesta espècie, s'ha desenvolupat l'estudi més profund fins hui relatiu a la biologia floral masculina de C. sativa. S'han descrit fins a 476.903 microspores i grans de pol·len per flor masculina, amb taxes de viabilitat in vivo de les microspores del 53,71 al 70,88%. A més, s'han correlacionat totes les etapes de desenvolupament del microgametòfit amb la longitud de la gemma, identificant intervals de longitud de gemma que contenen majoritàriament microspores vacuolades i grans de pol·len jove bi-cel·lular en tots els fenotips avaluats. D'aquesta manera, i encara que la presència de midó en les microspores i grans de pol·len de C. sativa segueix un patró similar a l'observat en espècies recalcitrants a la androgènesi, ha sigut possible abordar la inducció de la embriogènesi de microspores en aquesta espècie, aconseguint produir per primera vegada estructures multicel·lulars derivades de les microspores després d'aplicar sobre les gemmes un pretractament de fred d'una setmana de duració. Finalment, com a requisit previ per a l'edició genètica de C. sativa mitjançant els sistemes CRISPR/Cas, i fent ús del protocol de regeneració in vitro de plantes sorgit de la present Tesi Doctoral, s'ha aconseguit desenvolupar per primera vegada un protocol per a produir plantes de cànnabis transformades genèticament de manera estable, la qual cosa suposa una fita històrica en la millora genètica de l'espècie. Després del cocultiu amb A. tumefaciens i el posterior cultiu en medi de regeneració selectiva amb antibiòtics, els hipocòtils van aconseguir respectivament un 23,1% i un 5,0% de taxes de regeneració i transformació. En el seu conjunt, la present Tesi Doctoral proporciona un ventall d'eines biotecnològiques que permetran el desenvolupament d'una nova generació de varietats de cànnabis d'alt rendiment, que presenten caràcters homogenis, resistents a múltiples estressos tant biòtics com abiòtics, i sent així aptes tant per a un ús industrial com medicinal. / Galán Ávila, A. (2021). Development of biotechnological tools for the genetic improvement of Cannabis sativa L [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/176013 / Compendio

[ES] La arquitectura de la inflorescencia determina la posición y el número de flores (y frutos) en la planta. Esto afecta a la forma de la planta, lo que contribuye a la diversidad morfológica e influye en la producción de semillas. Por lo tanto, comprender cómo funciona la genética que está detrás del desarrollo de la inflorescencia es relevante no solo para saber más sobre la biología del desarrollo de las plantas, sino también para la agricultura, con el fin de diseñar nuevas estrategias para la mejora de plantas. La mayoría de las leguminosas tienen inflorescencias compuestas, en las que las flores no se forman en el tallo principal sino a partir de inflorescencias secundarias (I2) en los flancos de la inflorescencia primaria o principal (I1). Esto contrasta con las plantas con inflorescencias simples, como Arabidopsis, donde las flores se forman directamente a partir del I1. El guisante (Pisum sativum) pertenece a la familia de las Fabaceae y al clado galegoide de las leguminosas y tiene una inflorescencia compuesta. Es bien sabido que VEGETATIVE1/ FULc (VEG1) codifica un factor de transcripción que especifica la identidad del meristemo I2 en leguminosas, pero aún se desconoce cómo y a través de qué genes VEG1 controla el desarrollo del I2 y las vías genéticas en las que está involucrado. En este trabajo, nuestro objetivo fue identificar las dianas regulatorias de VEG1. Para ello, comparamos los transcriptomas provenientes de ápices de inflorescencia del control silvestre (wild-type) con los de mutantes de guisante con defectos en el desarrollo de la inflorescencia: proliferating inflorescence meristems (pim - con múltiples meristemos I2), veg1 y vegetative2 (veg2 - ninguno de los cuales produce ni meristemos I2 ni flores). Usando este enfoque, hemos aislado algunos genes que se expresan en el I2 e identificado algunas posibles dianas de VEG1, entre ellas algunos genes que parecen prometedores para ser usados a modo de herramientas genéticas para la mejora del rendimiento en la producción en leguminosas. FLOWERING LOCUS T (FT) es un regulador clave en la red genética del fotoperíodo que controla el tiempo de floración en Arabidopsis. En leguminosas, el clado FT se ha diversificado en tres subclados: FTa, FTb y FTc. En guisante,el gen FTc se encuentra distante filogenéticamente de los otros genes FT y tiene un patrón de expresión inusual, ya que solo se expresa en el ápice de la inflorescencia. En este trabajo hemos caracterizado mutantes ftc de guisante y los hemos utilizado para analizar las interacciones genéticas de FTc con DETERMINATE y LATE FLOWERING, que son los homólogos en guisante de TERMINAL FLOWER 1 de Arabidopsis. Este análisis ha revelado una función de FTc en el control de la floración y, curiosamente, también en el desarrollo del meristemo I2, estando esta segunda función posiblemente mediada por la regulación de FTc en la expresión de VEG1. / [CA] L'arquitectura de la inflorescència determina la posició i el nombre de flors (i fruits) en la planta. Això afecta a la forma de la planta, la qual cosa contribueix a la diversitat morfològica i influeix en la producció de llavors. Per tant, comprendre com funciona la genètica que està darrere del desenvolupament de la inflorescència és rellevant no sols per a saber més sobre la biologia del desenvolupament de les plantes, sinó també per a l'agricultura, amb la finalitat de dissenyar noves estratègies per a la millora de plantes. La majoria de les lleguminoses tenen inflorescències compostes, en les quals les flors no es formen en la tija principal sinó a partir d'inflorescències secundàries (I2) en els flancs de la inflorescència primària o principal (I1). Això contrasta amb les plantes amb inflorescències simples, com Arabidopsis, on les flors es formen directament a partir de l'I1. El pésol (Pisum sativum) pertany a la família de les Fabaceae i al clade galegoide de les lleguminoses i té una inflorescència composta. És ben sabut que VEGETATIVE1/ FULc (VEG1) codifica un factor de transcripció que especifica la identitat del meristemo I2 en lleguminoses, però encara es desconeix com i a través de quins gens VEG1 controla el desenvolupament de l'I2 i les vies genètiques en les quals està involucrat. En aquest treball, el nostre objectiu va ser identificar les dianes reguladores de VEG1. Per a això, comparem els transcriptomas provinents d'àpexs d'inflorescència del control silvestre (wild-type) amb els de mutants de pésol amb defectes en el desenvolupament de la inflorescència: proliferating inflorescence meristems (pim - amb múltiples meristemos I2), veg1 i vegetative2 (veg2 - cap dels quals produeix ni meristemos I2 ni flors). Usant aquest enfocament, hem aïllat alguns gens que s'expressen en l'I2 i identificat algunes possibles dianes de VEG1, entre elles alguns gens que semblen prometedors per a ser usats a manera d'eines genètiques per a la millora del rendiment en la producció en lleguminoses. FLOWERING LOCUS T (FT) és un regulador clau en la xarxa genètica del fotoperíode que controla el temps de floració en Arabidopsis. En lleguminoses, el clade FT s'ha diversificat en tres subclades: FTa, FTb i FTc. En pésol, el gen FTc es troba distant filogenéticamente dels altres gens FT i té un patró d'expressió inusual, ja que només s'expressa en l'àpex de la inflorescència. En aquest treball hem caracteritzat mutants ftc de pésol i els hem utilitzats per a analitzar les interaccions genètiques de FTc amb DETERMINATE i LATE FLOWERING, que són els homòlegs en pésol de TERMINAL FLOWER 1 d' Arabidopsis. Aquest anàlisi ha revelat una funció de FTc en el control de la floració i, curiosament, també en el desenvolupament del meristemo I2, estant aquesta segona funció possiblement mediada per la regulació de FTc en l'expressió de VEG1. / [EN] Inflorescence architecture determines position and number of flowers (and fruits) in the plant. This affects plant shape, contributing to morphological diversity, and also influences seed yield. Therefore, understanding the genetics behind inflorescence development is relevant not only to plant developmental biology but also to agriculture, to design new breeding strategies. Most legumes have compound inflorescences, in which the flowers do not form on the main stem but from secondary inflorescences (I2) at the flanks of the main primary inflorescence (I1). This is in contrast to plants with simple inflorescences, such as Arabidopsis, where the flowers directly form at the I1. Pea (Pisum sativum) belongs to the Fabaceae family and the galegoid clade of legumes and has a compound inflorescence. It is well known that VEGETATIVE1/ FULc (VEG1) encodes a transcription factor that specifies the identity of the I2 meristem in legumes, but it is still unknown how and through which genes VEG1 controls I2 development and the genetic pathways in which it is involved. In this work, we aimed to identify regulatory targets of VEG1. For that, we compared the transcriptomes of inflorescence apices from wild type and pea mutants with defects in inflorescence development: proliferating inflorescence meristems (pim - with multiple I2 meristems), veg1 and vegetative2 (veg2), none of which produce neither I2 meristems nor flowers). Using this approach, we have isolated I2-expressed meristem genes and identified some possible targets of VEG1, among them some genes that seem promising tools to improve yield in legumes. FLOWERING LOCUS T (FT) is a key regulator of the photoperiod inductive pathway that controls flowering time in Arabidopsis. In legumes, the FT clade has diversified into three subclades: FTa, FTb and FTc. Pea FTc is distant phylogenetically from the other FTs and has an unusual expression pattern, being expressed only at the inflorescence apex. In this work we have characterized pea ftc mutants and used them to analyze the genetic interactions of FTc with DETERMINATE and LATE FLOWERING, pea homologues of TERMINAL FLOWER 1 of Arabidopsis. This analysis has revealed a function of FTc in the control of flowering and, interestingly, of I2 meristem development, this second function being possibly mediated through FTc regulation of VEG1 expression. / Serra Picó, MP. (2022). New Insights into Pea Compound Inflorescence Development: Role of FTc and VEGETATIVE1 as Regulatory Factors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181299

The main objective of this research project was to study the growth and development of the floral nectar spur of Centranthus ruber (L.) DC. Nectar spurs are tubular floral outgrowths, generally derived from the perianth organs, which typically contain secreted floral nectar. The morphological characteristics of the spur, particularly the length, determine which floral visitors will be able to access the nectar reward pooled at the spur tip. Therefore, nectar spurs are ecologically important for the development of specialised pollinator interactions and have been demonstrated to act as key innovations in the evolution of some taxa. Morphological and anatomical characteristics of the spur and floral nectary were investigated using light and scanning electron microscopy. Ultrastructural features of the nectar spur, particularly the floral nectary within, were assessed using transmission electron microscopy. Nectar in C. ruber is produced by a trichomatous nectary which runs along the entire, inner abaxial surface of the spur. The nectary is aligned with the single vascular bundle which runs along the abaxial side of the spur, through the sub-nectary parenchyma, and back up the adaxial side. The secretory trichomes are unicellular and, in late development, they develop a thick layer of secondary wall ingrowths which vastly increases the surface area of the plasma membrane for nectar secretion. Elongate, non-secretory trichomes occupy the entire remaining circumference of the spur’s inner epidermis, but their density is reduced compared to the secretory trichomes. The cellular basis for spur growth is poorly characterized in the literature. Until recently, it was assumed that all nectar spurs grow by the constant production of new cells via up to three potential meristematic regions (the meristem hypothesis, Tepfer 1953). The cellular basis for spur growth in C. ruber was investigated by cell file counts and cell length and width measurements along the lateral side of nectar spurs in each of the developmental stages. DAPI stained spurs were also examined with Confocal/Apotome microscopy to determine the timing and position of cell division activity throughout spur development. It was determined that elongation of the spur epidermal cells contributes much more to spur growth than cell division. In early development, division is the primary driver of spur growth and the cells are isotropic. However, as development progresses, cell division activity slows down and the spur cells become increasingly anisotropic until anthesis. The patterns of nectar secretion were determined by assessing the volume, solute concentration and carbohydrate composition of the nectar throughout flowering phenology in two C. ruber plants. Nectar volumes and solute amounts rose initially, followed by an eventual decline in both as phenology progressed towards senescence. Because this study was conducted on greenhouse grown plants, it can be assumed that nectar was not removed by insects, suggesting that it is likely reabsorbed following secretion. High performance liquid chromatography (HPLC) analysis determined that C. ruber's nectar is sucrose dominant and that nectar composition remains stable following anthesis throughout floral phenology.

Face à la rapidité des changements climatiques, les arbres doivent faire preuve de plasticité phénotypique. Les mécanismes épigénétiques font partie des pistes de recherche actuelles pour expliquer la plasticité phénotypique. Cette thèse visait à évaluer le rôle de la méthylation de l’ADN dans la plasticité phénotypique d’un organisme pérenne séquencé, le peuplier, en réponse à des variations de disponibilité en eau du sol. Les travaux, combinant écophysiologie et épigénomique, se sont focalisés sur le méristème apical caulinaire, centre de la morphogenèse de la tige feuillée. Trois résultats majeurs sont issus de cette thèse : i) Chaque état hydrique est associé à un méthylome et un transcriptome spécifiques, ii) Certaines régions différentiellement méthylées sont conservées dans le temps et entre contextes environnementaux, iii) Des lignées RNAi hypométhylées soumises à différents contextes hydriques présentent une réponse modifiée. Les résultats acquis lors de cette thèse appuient une contribution de la méthylation de l’ADN à la plasticité phénotypique et suggèrent un rôle des mécanismes épigénétiques dans la mémoire d’un stress chez les arbres. / Due to rapid climate changes, trees must exhibit phenotypic plasticity. Epigenetic mechanisms are part of current research to explain phenotypic plasticity. This thesis aimed to evaluate the role of DNA methylation in phenotypic plasticity of a perennial sequenced organism, poplar, in response to variations in soil water availability. The work, combining ecophysiology and epigenomics, focused on the shoot apical meristem, the center of morphogenesis of the leafy stem. Three major results emerge from this thesis: (i) Each hydric state is associated with a specific methylome and transcriptome, (ii) Some differentially methylated regions are conserved in time and between environmental contexts, (iii) Hypomethylated RNAi lines subjected to different contexts show a modified response. The results obtained during this thesis support a contribution of DNA methylation to phenotypic plasticity and suggest a role of epigenetic mechanisms in stress memory in trees.

Les végétaux, contrairement aux animaux, génèrent la plupart de leurs organes et tissus au cours de leur développement post-embryonnaire et ce, grâce à des tissus contenant de petits amas de cellules souches appelés méristèmes. Le méristème apical caulinaire (MAC), situé à l’extrémité de la tige, génère toute la partie aérienne de la plante. A sa périphérie, les organes latéraux (fleurs ou feuilles) sont générés selon un patron spatio-temporel précis appelé phyllotaxie. De nombreuses données accumulées ces 20 dernières années ont démontré qu’une hormone végétale, l’auxine, joue un rôle prépondérant dans le contrôle du devenir des cellules dans le MAC. Un ensemble de données expérimentales couplées à des modèles mathématiques suggère que l’auxine s’accumule successivement dans les sites d’organogenèse grâce à l’auto-organisation de ses transporteurs membranaires et instruit les cellules à se différencier en organes.Fautes d’outils appropriés, il était impossible jusqu’alors de visualiser l’auxine in vivo et d’étudier sa dynamique temporelle. Nous avons généré un nouveau senseur de la signalisation de l’auxine, appelé DII-Venus, qui permet de visualiser de manière indirecte mais spécifique les niveaux relatifs d’auxine in planta avec une excellente résolution spatio-temporelle. Cet outil a permis de mettre en évidence pour la première fois des oscillations circadiennes d’auxine au niveau du MAC. Une analyse complète de la structure de la voie de réponse transcriptionelle à l’auxine, couplée à des approches de modélisation, a permis de mettre en évidence des propriétés « tampon » de la voie transcriptionnelle qui la rendent relativement insensible aux fluctuations d’auxine, et contribuent à la robustesse du programme organogénétique. En revanche, la voie non-transriptionnelle de réponse à l’auxine, sensible à ces oscillations, génère des rythmicités de croissance au niveau du MAC qui contribuent à déterminer la temporalité de l’émergence de nouveaux organes. Ces résultats démontrent ainsi pour la première fois que la rythmicité de l’émergence de nouveaux organes au niveau du MAC n’est pas uniquement une conséquence des capacités d’auto-organisation du tissu mais est aussi contrôlée, au moins partiellement, par une horloge biologique. / Plants, contrarily to animals, are able to generate new organs and tissues throughout their lives thanks to the activity of specialized tissues containing stem cells called meristems. The shoot apical meristem (SAM), located at the shoot tip, generates all the aerial parts of the plant that arise after germination. At its periphery, organ production occurs following precise spatio-temporal patterns also known as phyllotaxis. During the past twenty years, the phytohormone auxin has been demonstrated to play a major role in this process. Indeed, both experimental and theoretical studies strongly suggest that auxin accumulates successively in sites of organogenesis thanks to its efflux carriers, and instructs cells to differentiate into organs.However, so far, very little is known about the actual temporal dynamics of auxin in tissues, because of the lack of appropriate tool to visualize auxin in vivo. We developed a new auxin signaling sensor, called DII-VENUS, that allows for monitoring auxin levels in planta with a good spatio-temporal resolution. Using this new tool, we were able to demonstrate that for the first time that the SAM is subjected to circadian oscillations of auxin levels. Our data suggest that these oscillations are not perceived by the auxin transcriptional pathway, which is predicted, according to our mathematical models, to exhibit buffering properties. However, they are perceived by the non-transcriptional putative receptor ABP1 and translated into rhythmic growth patterns at the SAM. These growth oscillations seem to regulate organ initiation in the meristem thus demonstrating for the first time the rhythmic emergence of organs at the SAM does not only result from the self-organizing properties of the tissue but is also controlled, at least partially, by a biological clock.

Although herbivory and other types of plant damage typically are viewed as detrimental to plant survival and performance, vigorous regrowth, greater seed set, and fitness benefits may be possible when damage to the apical meristem, or actively growing stem terminal, is involved. Such damage releases apical dominance, or the hormonal suppression of lateral buds, activates dormant lateral buds, and enables lateral shoots to grow. Since in plants with terminal flowers, each stem may bear a flower, removal of the apical meristem may result in stem bifurcation and ultimately increase the number of flowers and seeds, thereby increasing potential fitness. In the current study, possible overcompensation in response to apical meristem damage caused by simulated herbivory (clipping) and the gall midge Asphondylia borrichiae Rossi and Strong (Diptera: Cecidomyiidae) (galling) was investigated in the native coastal halophyte, sea oxeye daisy Borrichia frutescens (L.) DC. (Asteraceae), in relation to nutrient supplementation. Results suggest a strong correlation between stem count and gall count at the study site; moreover, apical dominance was relatively weak early in the growing season and stronger in short plants that were shaded by taller neighbors later in the season. Results also indicate that overcompensation or even full compensation is an unlikely response to apical meristem damage in B. frutescens. Stem count was similar across all stem treatments, but increased significantly with nutrient supplementation, which all supports weak apical dominance in sea oxeye daisy. Nearly all measures of fitness also were either slightly or significantly lower when clipped and galled compared to plants with stems intact, while seed count responded positively to nutrient supplementation.

The development of shape in multicellular organisms has intrigued human minds for millenia. Empowered by modern genetic techniques, molecular biologists are now striving to not only dissect developmental processes, but to exploit their modularity for the design of custom living systems used in bioproduction, remediation, and regenerative medicine. Currently, our capacity to harness this potential is fundamentally limited by a lack of spatiotemporal control over gene expression in multicellular systems. While several synthetic genetic circuits for control of multicellular patterning have been reported, hierarchical induction of gene expression domains has received little attention from synthetic biologists, despite its fundamental role in biological self-organization. In this thesis, I introduce the first synthetic genetic system implementing population-based AND logic for programmed hierarchical patterning of bacterial populations of Escherichia coli, and address fundamental prerequisites for implementation of an analogous genetic circuit into the emergent multicellular plant model Marchantia polymorpha. In both model systems, I explore the use of bacteriophage T7 RNA polymerase as a gene expression engine to control synthetic patterning across populations of cells. In E. coli, I developed a ratiometric assay of bacteriophage T7 RNA polymerase activity, which I used to systematically characterize different intact and split enzyme variants. I utilized the best-performing variant to build a three-color patterning system responsive to two different homoserine lactones. I validated the AND gate-like behavior of this system both in cell suspension and in surface culture. Then, I used the synthetic circuit in a membrane-based spatial assay to demonstrate programmed hierarchical patterning of gene expression across bacterial populations. To prepare the adaption of bacteriophage T7 RNA polymerase-driven synthetic patterning from the prokaryote E. coli to the eukaryote M. polymorpha, I developed a toolbox of genetic elements for spatial gene expression control in the liverwort: I analyzed codon usage across the transcriptome of M. polymorpha, and used insights gained to design codon-optimized fluorescent reporters successfully expressed from its nuclear and chloroplast genomes. For targeting of bacteriophage T7 RNA polymerase to these cellular compartments, I functionally validated nuclear localization signals and chloroplast transit peptides. For spatiotemporal control of bacteriophage T7 RNA polymerase in M. polymorpha, I characterized spatially restricted and inducible promoters. For facilitated posttranscriptional processing of target transcripts, I functionally validated viral enhancer sequences in M. polymorpha. Taking advantage of this genetic toolbox, I introduced inducible nuclear-targeted bacteriophage T7 RNA polymerase into M. polymorpha. I showed implementation of the bacteriophage T7 RNA polymerase/PT7 expression system accompanied by hypermethylation of its target nuclear transgene. My observations suggest operation of efficient epigenetic gene silencing in M. polymorpha, and guide future efforts in chassis engineering of this multicellular plant model. Furthermore, my results encourage utilization of spatiotemporally controlled bacteriophage T7 RNA polymerase as a targeted silencing system for functional genomic studies and morphogenetic engineering in the liverwort. Taken together, the work presented enhances our capacity for spatiotemporal gene expression control in bacterial populations and plants, facilitating future efforts in synthetic morphogenesis for applications in synthetic biology and metabolic engineering.