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Almost all conifer ovules produce a liquid secretion as part of reproduction. This secretion, termed an ovular secretion, is produced during ovule receptivity and is involved in pollen capture and transport. Historically, examinations of the ovular secretion have focused on how they are part of pollination mechanisms. As a result, the chemical composition of the ovular secretion has not been examined systematically. Investigations into the constituents of the ovular secretion were limited to analyses for simple water soluble compounds such as sugars, minerals, amino acids and organic acids. More recently, the protein component of the secretion has been investigated using mass spectrometry-based proteomics. Proteins involved in processes such as carbohydrate modification, proteolysis, and defence have been identified in conifer ovular secretions. This biochemical complexity suggests a broader view of the function of the ovular secretion is warranted. However, protein identifications only provide putative information on function. Functional characterization of these proteins is needed in order to fully understand how they contribute to ovular secretion function. The research outlined in this dissertation describes the first functional characterizations of proteins found in conifer ovular secretions. Three proteins - invertase, chitinase, and thaumatin-like protein - were characterized in the ovular secretions of Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii) and hybrid yew (Taxus × media). The Douglas-fir ovular secretion is capable of converting sucrose to glucose and fructose, confirming that invertases present in the secretion are functional. The invertase activity was maximal at pH 4.0. Activity was 77% of maximal at pH 4.5, the physiological pH. This indicates that post-secretory hydrolysis of sucrose occurs in situ in the Douglas-fir ovular secretion. Invertases in the ovular secretion are likely involved in controlling the movement of carbohydrates to developing pollen and could facilitate pollen selection. Chitinases present in the Douglas-fir ovular secretion are functional at physiological conditions. All three modes of chitinolytic activity, i.e. endochitinase, chitobiosidase and β-N-acetylglucosaminidase, were detected at physiological pH. β-N-acetylglucosaminidase activity was 80 % of maximal at physiological pH. Chitinases are pathogenesis-related proteins capable of hydrolysing chitin in fungal cell walls. These results suggest the ovular secretion is capable of defending the ovule against infection by phytopathogens. Thaumatin-like protein was immunolocalized to the cell wall and amyloplasts in Douglas-fir and yew nucellar tissue in a pattern consistent with a defensive role. It was also localized to the cell wall of fungal spores and germinating hyphae that were present in the micropyle of a yew ovule. These results provide additional evidence for an antifungal role for the ovular secretion. Functioning enzymes involved in pollen-ovule interactions and ovule defence are present in the conifer ovular secretion. The ovular secretion has functions beyond pollen capture. A revised functional model for the conifer ovular secretion is proposed. / Graduate / 2021-08-17

Les cascades de Mitogen-Activated Protein Kinases (MAPKs) sont présentes chez tous les eucaryotes et permettent la transduction des signaux de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule. Chez les végétaux, elles sont très abondantes et actives dans une multitude de processus, autant lors de la réponse aux stress que lors du développement. Elles fonctionnent comme un système de phosphorelais, se transférant un groupement phosphate d’une protéine à l’autre, de la MAPKKK à la MAPKK (MKK), puis de la MKK à la MAPK (MPK) et finalement, de la MPK vers des facteurs de transcription ou toute autre protéine qui permettra un changement au niveau de la réponse cellulaire. Depuis quelques années, plusieurs membres de la grande famille des MAPKs ont été étudiés pour leur rôle dans la reproduction sexuée des végétaux. Des mutants ont été caractérisés, mais jusqu’à maintenant, peu de voies complètes ont été décelées. Des précédents travaux dans le laboratoire ont démontré que deux MAPKKKs, de la sous-famille des MEKKs, ScFRK1 et ScFRK2, sont importantes pour le développement normal de l’ovule et du pollen chez Solanum chacoense, une espèce de pomme de terre sauvage diploïde. Sachant que les mutants des gènes les plus orthologues chez Arabidopsis thaliana ne possèdent pas les mêmes phénotypes, nous avons émis l’hypothèse que les Solanacées, du moins S. chacoense, possèdent une famille de MAPKKKs différente, qui n’est pas présente chez A. thaliana. Nous avons donc analysé les génomes/transcriptomes/protéomes de 15 espèces issues de différents clades du règne végétal afin d’étudier les relations phylogénétiques à l’intérieur de la sous-famille des MEKKs. Cela nous a permis d’observer que ScFRK1 et ScFRK2 ne sont pas seuls, mais sont inclus dans un groupe monophylétique que nous avons nommé la classe des FRKs (FRK pour Fertilization-Related Kinase). De plus, nous avons observé une expansion considérable de cette classe chez les Solanacées, comparativement à d’autres dicotylédones comme le peuplier, la vigne ou le coton. La classe des FRKs est absente chez les monocotylédones étudiées (riz et maïs) et ne possède qu’un seul membre (une FRK primitive) chez l’angiosperme basal Amborella trichopoda. Cette analyse phylogénétique des MEKKs nous a poussés à nous poser des questions sur l’origine de la classe des FRKs ainsi que sur son rôle au sein des Solanacées. Dans un deuxième temps, nous avons fait la caractérisation fonctionnelle de ScFRK3, un troisième membre de la classe des FRKs chez S. chacoense, aussi impliqué dans le développement des gamétophytes mâle et femelle. Du patron d’expression jusqu’à l’établissement d’une voie de signalisation potentielle, en passant par la caractérisation phénotypique des mutants, plusieurs expériences ont été réalisées dans le but de comprendre le rôle de ScFRK3 au niveau de la reproduction chez S. chacoense. Dans un contexte plus global, il est important de se questionner sur les rôles semblables, mais forcément différents, des trois membres de la famille FRKs qui ont été caractérisés jusqu’à présent. / Mitogen-Activated Protein Kinases (MAPKs) signaling cascades are found in all Eucaryotes and allow signal transduction from the outside of the cell to the inside. In plants, they are particularly numerous and play roles in several signaling processes, including stress responses and response to developmental cues. Their system involves a phosphorelay: they interact with each other to transfer a phosphate group. It starts with an activated MAPKKK, which transfers the phosphate group to a MAPKK (MKK), then this MKK transfers the signal to a MAPK (MPK), which ends this relay by phosphorylating transcription factors or any other proteins that will, in a way or an other, change the cell response according to the signal. During the last few years, many MAPKs members have been studied for their role in plants sexual reproduction. Some mutants were characterized, but until now, our knowledge of complete signaling cascades is very limited. Previous studies in our lab have shown that two MAPKKKs from the MEKK subfamily, ScFRK1 and ScFRK2, are important for male and female gametophytes development in Solanum chacoense, a wild diploid potato species. Genes that are the most orthologous to ScFRK1 and ScFRK2 in Arabidopsis thaliana, AtMAPKKK19, 20 and 21, do not seem to play the same roles in reproduction, which led us to make the hypothesis that in solanaceous species, at least in S. chacoense, there is one MAPKKK family that is different and not present in A. thaliana. At first, we did analyze the genomes/transcriptomes/proteomes of 15 species from different clads of the plant kingdom to find all the members of the MEKK subfamily of MAPKKKs in order to study their phylogenetic relationship. We then observed that ScFRK1 and ScFRK2 are included in a large monophyletic group which was called the FRK class (Fertilization Related Kinase). Moreover, we also observed that this class has considerably expanded within the solanaceous species, compared to other species like A. thaliana, poplar, cotton or grape vine. The FRK class is totally absent in the monocot species studied (rice and maize) and only one member is found in the basal angiosperm Amborella trichopoda. This phylogenetic analysis led us to ask questions about the origins of the FRK class and its role inside the Solanaceae family. Secondly, we characterized ScFRK3, a third member of the FRK class in S. chacoense, which is also involved, as its two FRK sisters, in male and female gametophytes development. From its expression pattern to the establishment of a potential signaling cascade, analysis and phenotyping of ScFRK3 mutant lines, many experiments were realized in order to understand the role of ScFRK3 in S. chacoense sexual reproduction. Overall, the appearance of this new and expanded class of MEKKs questions its specific role in comparison to other species that have much lesser members, mainly when compared to the model plant A. thaliana, which harbor only a fifth of the FRKs found in solanaceous species.

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Durant le développement préimplantatoire, les défauts de ségrégation des chromosomes conduisent à l'héritage d'un nombre incorrect de chromosomes, connu sous le nom d'aneuploïdie, qui provoque l'infertilité. L’imagerie à intervalle du développement préimplantatoire est introduite pour sélectionner le meilleur embryon et des efforts sont en cours pour utiliser l'imagerie non invasive pour identifier les ovocytes euploïdes en métaphase-II comme prédicteur de la viabilité future de l'embryon. Il est déjà bien établi que les ovocytes de mammifères en métaphase-II subissent des mouvements cytoplasmiques stéréotypés qui peuvent être visualisés par imagerie non invasive à fond clair à intervalle, appelée « flux cytoplasmique ». Ici, nous avons émis l'hypothèse que le flux cytoplasmique pourrait être affecté par le statut de ploïdie de l'ovule et donc être un outil de sélection utile pour sélectionner les ovules euploïdes de manière non invasive. Nous avons développé des conditions pour générer des ovules euploïdes et aneuploïdes à partir du même bassin d'ovocytes sains. Nous avons ensuite utilisé la microscopie d'imagerie en temps réel DIC, permettant de visualiser et de mesurer le flux cytoplasmique sans manipulation de l'ovule. Les mouvements cytoplasmiques ont été liés au statut de ploïdie pour chaque ovule individuel par immunofluorescence. Nos résultats montrent qu'il n'y a pas de différence de flux cytoplasmique entre les ovules euploïdes et aneuploïdes. Nos données démontrent que l'état de la ploïdie n'a pas d'impact sur les mouvements cytoplasmiques, suggérant que l'utilisation d'une imagerie non invasive pour essayer de distinguer l'état de la ploïdie entre des ovocytes autrement sains sera difficile. / Chromosome segregation errors during early development lead to inheritance of incorrect number of chromosomes, known as aneuploidy, which causes infertility and birth defects. Time-lapse microscopy of preimplantation development is being widely introduced with the aim of selecting the best embryo and efforts to use non-invasive brightfield imaging to identify euploid oocytes at metaphase-II as a predictor of future embryo viability are underway. It is already well established that mammalian metaphase-II oocytes undergo stereotyped cytoplasmic movements that can be visualised by non-invasive brightfield timelapse imaging, termed “cytoplasmic flow”. Here, we hypothesised that this cytoplasmic flow might be affected by ploidy status of the egg and therefore be a useful selection tool to select euploid eggs non-invasively. To address this, we developed conditions to generate euploid and aneuploid eggs from the same pool of otherwise healthy oocytes. We then used DIC live-imaging microscopy, which allowed us to visualise and measure flow without any manipulation to the egg. Importantly, individual eggs were scored for their ploidy status by immunofluorescence, so that cytoplasmic movements could be related to ploidy on an egg-by-egg basis. Our results show that there is no difference in cytoplasmic flow between euploid and aneuploid eggs. Therefore, our data demonstrates that ploidy status does not impact biologically relevant stereotyped cytoplasmic movements, suggesting that using non-invasive imaging to try to distinguish ploidy status between otherwise healthy oocytes will be challenging.

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Chez les plantes à fleurs, l’ovaire est l’organe reproducteur femelle et il interagit de façon importante avec les gamètes mâles durant la croissance, le guidage, la réception et la rupture du tube pollinique ainsi que la fusion des gamètes. Le processus débute lorsque de nombreux gènes de l’ovule sont activés à longue distance lors de la réception du pollen sur le stigmate. Afin d’explorer les signaux provenant de l’ovule ayant un impact important sur les interactions pollen–pistil, particulièrement les molécules sécrétées impliquées dans la signalisation espècespécifique, l’expression génique des ovules sous forme d’ARNm ainsi et la sécrétion protéique ont été étudiées chez Solanum chacoense, une espèce diploïde de pomme de terre sauvage. S. chacoense a subi beaucoup d’hybridation interspécifique avec d’autres espèces sympathiques de solanacées, facilitant ainsi grandement l’étude des interactions pollen–ovule de façon espècespécifique ainsi que leur évolution. Dans ce projet, des ovules provenant de trois conditions différentes ont été comparés: des ovules matures de type sauvage, des ovules légèrement immatures, récoltés deux jours avant l’anthèse et des ovules provenant du mutant frk1 pour lesquels le sac embryonnaire est absent. Un séquençage d’ARN à haut débit a d’abord été effectué sur les ovules de type sauvage de S. chacoense afin de générer un assemblage de référence comprenant 33852 séquences codantes. D’autres séquençages ont été effectués sur les trois conditions d’ovules et sur les feuilles afin de faire une analyse d’expression différentielle des gènes. En comparaison avec les ovules de type sauvage, 818 gènes sont réprimés dans les ovules du mutant frk1. Un sous-groupe de 284 gènes, étaient également sous-exprimés dans les ovules légèrement immatures, suggérant un rôle spécifique dans les stades tardifs de la maturation du sac embryonnaire (stade de développent FG6 à FG7) ainsi que du guidage du tube pollinique, puisque ni les ovules du mutant frk1 ni ceux légèrement immatures ne sont capables d’attirer les tubes polliniques lors d’essais de croissance semi in vivo. De plus, 21% de ces gènes sont des peptides riches en cystéines (CRPs). En utilisant un transcriptome assemblé de novo provenant de deux proches parents de S. chacoense, S. gandarillasii et S. tarijense, une analyse d’orthologie a été effectuée sur ces CRPs, révélant une grande variabilité et une évolution rapide chez les solanacées. De nouveaux motifs de cystéine uniques à cette famille ont également été découverts. En comparant avec des études similaires chez Arabidopsis, le sac embryonnaire de S. chacoense montre un transcriptome fortement divergent, particulièrement en en ce qui a trait à la catégorisation fonctionnelle des gènes et de la similarité entre les gènes orthologues. De plus,même si la glycosylation n’est pas requise lors du guidage mycropylaire du tube pollinique chez Arabidopsis, Torenia ou le maïs, des extraits d’ovules glycosylés de S. chacoense sont capables d’augmenter la capacité de guidage de 18%. Cette étude est donc la première à montrer une corrélation entre glycosylation et le guidage du tube pollinique par l’ovule. En complément à l’approche transcriptomique, une approche protéomique portant sur les protéine sécrétées par l’ovule (le secrétome) a été utilisée afin d’identifier des protéines impliquées dans l’interaction entre ovule et tube pollinique. Des exsudats d’ovules matures (capables d’attirer le tube pollinique) et d’ovules immatures (incapables d’attirer le tube pollinique) ont été récoltés en utilisant une nouvelle méthode d’extraction par gravité permettant de réduire efficacement les contaminants cytosoliques à moins de 1% de l’échantillon. Un total de 305 protéines sécrétées par les ovules (OSPs) ont été identifiées par spectrométrie de masse, parmi lesquelles 58% étaient spécifiques aux ovules lorsque comparées avec des données de protéines sécrétées par des tissus végétatifs. De plus, la sécrétion de 128 OSPs est augmentée dans les ovules matures par rapport aux ovules immatures. Ces 128 protéines sont donc considérées en tant que candidates potentiellement impliquées dans la maturation tardive de l’ovule et dans le guidage du tube pollinique. Cette étude a également montré que la maturation du sac embryonnaire du stade FG6 au stade FG7 influence le niveau de sécrétion de 44% du sécrétome total de l’ovule. De façon surprenante, la grande majorité (83%) de ces protéines n’est pas régulée au niveau de l’ARN, soulignant ainsi l’importance de cette approche dans l’étude du guidage du tube pollinique comme complément essentiel aux études transcriptomiques. Parmi tous les signaux sécrétés par l’ovule et reliés au guidage, obtenus à partir des approches transcriptomiques et protéomiques décrites ci-haut, nous avons spécifiquement évalué l’implication des CRPs dans le guidage du tube pollinique par l’ovule chez S. chacoense, vu l’implication de ce type de protéine dans les interactions pollen-pistil et le guidage du tube pollinique chez d’autres espèces. Au total, 28 CRPs étaient présentes dans les ovules capables d’attirer le tube pollinique tout en étant absentes dans les ovules incapables de l’attirer, et ce, soit au niveau de l’ARNm et/ou au niveau du sécrétome. De celles-ci, 17 CRPs ont été exprimées dans un système bactérien et purifiées en quantité suffisante pour tester le guidage. Alors que des exsudats d’ovules ont été utilisés avec succès pour attirer par chimiotactisme le tube pollinique, les candidats exprimés dans les bactéries n’ont quant à eux pas été capables d’attirer les tubes polliniques. Comme l’utilisation de systèmes d’expression hétérologue eucaryote peut permettre un meilleur repliement et une plus grande activité des protéines, les candidats restants seront de nouveau exprimés, cette fois dans un système de levure ainsi que dans un système végétal pour produire les peptides sécrétés. Ceux-ci seront ensuite utilisés lors d’essais fonctionnels pour évaluer leur capacité à guider les tubes polliniques et ainsi isoler les attractants chimiques responsable du guidage du tube pollinique chez les solanacées comme S. chacoense. / In flowering plants, the ovary is the female reproductive organ that interacts extensively with the male gametophyte during pollen tube (PT) growth, guidance, reception, discharge and gamete fusion. The process begins when numerous ovule-expressed genes are activated when pollen lands on the stigma. To explore the ovular signals that have a great impact on successful pollen–pistil interactions, especially the secreted molecules that mediate species-specific signalling events, ovule mRNA expression and protein secretion profiles were studied in Solanum chacoense, a wild diploid potato species. Solanum chacoense has undergone extensive interspecific hybridization with sympatric solanaceous species that greatly facilitates the study of species-specific pollen–ovule interactions and evolution. In this project, three ovule conditions were studied: wild-type mature ovules, slightly immature ovules at two days before anthesis (2DBA), and frk1 mutant ovules that lack an embryo sac (ES). RNA-seq was performed on S. chacoense ovules to provide a scaffold assembly comprising 33852 CDS-containing sequences, then to provide read counts for differential gene expression analyses on three ovule conditions as well as on leaf. Compared to wild-type ovules, 818 genes were downregulated in frk1 ovules. A subset of 284 genes was concurrently under-expressed in 2DBA ovules, suggestive of their specific involvement in late stages of ES maturation (female gametophyte (FG), FG6 to FG7 developmental stage), as well as in PT guidance processes, as neither frk1 nor 2DBA ovules attract semi in vivo-grown PTs. Of these 284, 21% encoded cysteine-rich peptides (CRPs). Using de novo assembled ovule transcriptomes of two close relatives, S. gandarillasii and S. tarijense, an orthology survey was conducted on these CRPs, revealing their highly polymorphic nature among species and rapid evolution. Interestingly, novel cysteine motifs unique to this family were also uncovered. As compared to parallel studies in Arabidopsis, S. chacoense was found to possess a highly divergent ES transcriptome, in terms of both functional categories and individual ortholog similarities. Although glycosylation is not required for micropylar guidance cues to attract PTs in Arabidopsis, Torenia or maize, glycosylated ovule extracts from S. chacoense showed enhanced PT guidance competency by 18%. This is the first time a positive regulation between glycosylation and ovular PT guidance has been observed. As a complement to the transcriptomic approach, a proteomic approach using secreted proteins from the ovule (secretome) was employed to identify proteins involved in pollen–pistil interactions. Ovule exudates were collected from mature ovules (PT attracting) and immature ovules at 2DBA (PT nonattracting), using a novel tissue free-gravity extraction method (tf-GEM), which efficiently reduced the cytosolic contamination to less than 1%. Through mass spectrometry analyses, a total of 305 ovule-secreted proteins (OSPs) were identified, of which 58% were considered ovule-specific when compared to secretome studies conducted in other plant tissues. The secretion of 128 OSPs was upregulated in mature ovules vs. immature ovules. These OSPs were considered as candidate proteins involved in late ovule maturation and PT guidance. This study demonstrated that the ES maturation from FG6 to FG7 stages influenced the secretion status of 44% of ovule secretome. Surprisingly, the majority (83%) of these proteins were not regulated at the RNA level, vindicating this novel approach in the study of PT guidance as a robust complement to transcriptomic studies. Among all identified guidance-related ovular signals from the transcriptomic and proteomic approaches described above, we focused on the evaluation of the involvement of CRPs in ovular PT guidance of S. chacoense, due to the implication of various CRPs in pollen–pistil interactions and, especially, in PT guidance. A total of 28 CRPs were present in PT attracting ovules while being low or absent in nonattracting ovules, at the mRNA and/or protein secretion levels. Of these, 17 CRPs were expressed in bacteria and purified in sufficient amount for PT guidance assays. However, while ovule exudates were shown to induce PT chemotropism in the bead assay, refolded candidates did not show guidance competency. Since the use of eukaryotic protein expression systems might lead to better refolding and higher protein activity, the remaining candidates will be expressed in both yeast and plant-based expression systems and tested for their ability to attract PTs in a semi in-vivo assay, in order to lead us toward the isolation of PT guidance chemoattractants in solanaceous species like S. chacoense.

The ability of plants to sense and respond to environmental and endogenous signals is essential to their growth and development. As part of these diverse cellular functions, ubiquitin-mediated proteolysis has emerged to be an important process involved in how plant signalling pathways can be regulated in response to such cues. Of the three enzymes involved in linking ubiquitin to protein targets, E3 ubiquitin ligases are of interest as they confer substrate specificity during this ubiquitination process. The overall focal point of this research is on plant U-box (PUB) E3 ubiquitin ligases, a family that has undergone a large gene expansion possibly attributable to the regulation of biological processes unique to the plant life cycle. In Arabidopsis there are 64 predicted PUBs, many for which biological roles have yet to be determined. And as research continues to uncover PUB functions, the functional diversity in the gene family will likely expand. Specifically the focus of this research is on characterizing two ARM repeat-containing PUBs – AtPUB18 and AtPUB19. General analysis of pub18 and pub19 T-DNA insertion lines for growth defects did not yield distinct altered phenotypes. Closer inspection of selected lines showed independent gene assortment phenotypes that, with further inordinately convoluted pursuit, proved to have an AtPUB18/19-unrelated outcome. The availability of Arabidopsis microarray databases provided exploratory expression profiling as a starting point to elucidate PUB function. AtPUB19 and closely related AtPUB18 are notable for their increased expression during abiotic stresses. While condition-directed germination assays showed a decreased sensitivity to salt and ABA for pub18 pub19 double insertion lines, no related change in susceptibility to these or other abiotic stress treatments were seen with condition-directed root growth assays. Thus, this preliminary work has begun to reveal insight into the complex abiotic stress-related roles AtPUB18 and AtPUB19 have during mediation of environmental stress acclimation in Arabidopsis.

The ability of plants to sense and respond to environmental and endogenous signals is essential to their growth and development. As part of these diverse cellular functions, ubiquitin-mediated proteolysis has emerged to be an important process involved in how plant signalling pathways can be regulated in response to such cues. Of the three enzymes involved in linking ubiquitin to protein targets, E3 ubiquitin ligases are of interest as they confer substrate specificity during this ubiquitination process. The overall focal point of this research is on plant U-box (PUB) E3 ubiquitin ligases, a family that has undergone a large gene expansion possibly attributable to the regulation of biological processes unique to the plant life cycle. In Arabidopsis there are 64 predicted PUBs, many for which biological roles have yet to be determined. And as research continues to uncover PUB functions, the functional diversity in the gene family will likely expand. Specifically the focus of this research is on characterizing two ARM repeat-containing PUBs – AtPUB18 and AtPUB19. General analysis of pub18 and pub19 T-DNA insertion lines for growth defects did not yield distinct altered phenotypes. Closer inspection of selected lines showed independent gene assortment phenotypes that, with further inordinately convoluted pursuit, proved to have an AtPUB18/19-unrelated outcome. The availability of Arabidopsis microarray databases provided exploratory expression profiling as a starting point to elucidate PUB function. AtPUB19 and closely related AtPUB18 are notable for their increased expression during abiotic stresses. While condition-directed germination assays showed a decreased sensitivity to salt and ABA for pub18 pub19 double insertion lines, no related change in susceptibility to these or other abiotic stress treatments were seen with condition-directed root growth assays. Thus, this preliminary work has begun to reveal insight into the complex abiotic stress-related roles AtPUB18 and AtPUB19 have during mediation of environmental stress acclimation in Arabidopsis.