Cell-to-cell communication is the driving force behind successful reproduction in flowering plants. Extensive extracellular communication events occur between the male and female gametophytes during pollen tube reception to facilitate successful fertilization. These signaling events culminate into a product of great importance for both animals and plants: the seed. In this study, the pathogen defense regulator PATTERN-TRIGGERED IMMUNITY COMPROMISED RECEPTOR-LIKE CYTOPLASMIC KINASE 1 (PCRK1) was identified to function in pollen tube reception from both the male and female gametophytes in the flowering plant <i>Arabidopsis thaliana</i> using a forward genetic screen. A knockout of <i>pcrk1</i> suppresses the pollen tube overgrowth phenotype leading to infertility in <i>nortia</i> mutants. In addition, <i>pcrk1</i> pollen affected the pollen tube overgrowth phenotypes of pollen tube reception mutants <i>feronia</i> and <i>turan</i>. Shared molecular components of pollen tube reception and pathogen invasion have been reported. This study reveals another link between pathogen defense and pollen tube reception. By studying the links between fertility and disease in plants, we may be able to uncover potential trade-offs with fertility when breeding for pathogen resistance.<br>

Fertilization, both in plants and animals, is at its core, a study of cell to cell communication. With respect to plants, the male gametophyte, the pollen tube, elongates within the female organ called the pistil, transporting in its cytoplasm two sperm cells. The pollen tube is attracted by signals secreted from the synergid cells that are located at the entrance to the female gametophyte that resides in the ovule. Secondary pollen tube visitors to the ovules are unwanted and repelled presumably by signals emitted by the fertilized female. The final communication between the pollen tube and female gametophyte is the induction of pollen tube rupture upon penetration of the synergid cell, an event that leads to the release of the two sperm cells, which go on to fertilize the central cell and egg cell within the female gametophyte, completing a double fertilization process that is unique to plants. My thesis research is centered on elucidating the mechanism behind the synergid cell-induced pollen tube rupture process. Studies in our laboratory have established that the synergid cell-expressed receptor like kinase, called FERONIA, mediates a highly oxidative environment in the female gematophyte that is necessary for the pollen tube rupture process. Using an in vitro pollen tube culture system, my research showed that reactive oxygen species (ROS) induces pollen tube rupture in a Ca2+-dependent manner. My results suggests a careful and truly fascinating, though still hypothetical, design of a two molecule, FERONIA and ROS, two step activation system that uses ROS to prime the pollen tube outside the synergid cell, then expose it to calcium within the synergid cell to ensure that pollen tube rupture happens in the synergid cell, enabling fertilization.

Background: Pollen transfer via animals is necessary for reproduction by ~80 % of flowering plants, and most of these plants live in multispecies communities where they can share pollinators. While diffuse plant-pollinator interactions are increasingly recognized as the rule rather than the exception, their fitness consequences cannot be deduced from flower visitation alone, so other proxies, functionally closer to seed production and amenable for use in a broad variety of diverse communities, are necessary. Scope: We conceptually summarize how the study of pollen on stigmas of spent flowers can reflect key drivers and functional aspects of the plant-pollinator interaction (e.g. competition, facilitation or commensalism). We critically evaluate how variable visitation rates and other factors (pollinator pool and floral avoidance) can give rise to different relationships between heterospecific pollen and (1) conspecific pollen on the stigma and (2) conspecific tubes/grain in the style, revealing the complexity of potential interpretations. We advise on best practices for using these proxies, noting the assumptions and caveats involved in their use, and explicate what additional data are required to verify interpretation of given patterns. Conclusions: We conclude that characterizing pollen on stigmas of spent flowers provides an attainable indirect measure of pollination interactions, but given the complex processes of pollen transfer that generate patterns of conspecific-heterospecific pollen on stigmas these cannot alone determine whether competition or facilitation are the underlying drivers. Thus, functional tests are also needed to validate these hypotheses.

[ES] Los péptidos DEVIL/ROTUNDIFOLIA (DVL/RTFL) constituyen una familia de péptidos de pequeño tamaño codificados por la familia génica DVL/RTFL de 24 miembros en A. thaliana. Estos genes fueron caracterizados por los fenotipos que confiere su sobreexpresión, que provoca cambios pronunciados en la morfología de la planta con hojas de roseta más redondeadas, plantas de menor estatura, peciolos cortos e inflorescencias compactas. Estos fenotipos afectan de un modo fascinante a la morfología de los frutos, que varía según qué miembro de la familia se sobreexprese, demostrando tener un papel en el desarrollo de múltiples órganos de la planta. Se ha visto que los péptidos DVL/RTFL se localizan en la membrana plasmática y que comparten homología en sus secuencias, con un dominio conservado en el extremo C-terminal, estando además ampliamente conservados en el mundo vegetal. Tanto su localización como dominio funcional conservado resultan ser esenciales para su actividad. Sin embargo y, a pesar de los fenotipos sorprendentes causados por la sobreexpresión de diferentes genes DVL/RTFL, las líneas de pérdida de función no aportan información sobre la función biológica de la familia DVL/RTFL. En el laboratorio donde se ha realizado este trabajo, se ha avanzado en los últimos años en la caracterización de estos péptidos, su modo de interacción con la membrana celular y la determinación de sus patrones de expresión, así como en la identificación de mutantes de pérdida de función. Para continuar en estas direcciones, en este proyecto se generaron combinaciones de mutantes múltiples estables en diferentes genes DVL/RTFL combinando mutantes de inserción de T-DNA con mutantes generados por CRISPR/Cas9 (dvl3dvl5dvl6dvl1dvl4rtfl9dvl8dvl11rtfl11dvl19). A pesar de que la pérdida de función de múltiples genes DVL/RTFL no mostró fenotipos morfológicos evidentes, análisis transcriptómicos y proteómicos apoyaron la hipótesis de la elevada redundancia génica entre los miembros de esta familia y de que podrían tener un papel en la regulación de procesos como el crecimiento y desarrollo del tubo polínico o el crecimiento distal de la célula. Experimentos donde analizamos la germinación de polen, el crecimiento de tubo polínico o el desarrollo de pelos radiculares no mostraron que los péptidos DVL/RTFL afectaran de un modo significativo estos procesos , pero sí sugirieron que tienen un rol generalizado aportando estabilidad o robustez al proceso de morfogénesis vía elongación celular. Adicionalmente se llevaron a cabo estudios de topología de membrana que permitieron confirmar su localización en la membrana plasmática, de tal manera que estos péptidos no se integraban en la membrana, sino que estarían asociados a su interfase. La posibilidad de que la asociación se llevase a cabo a través de otras proteínas hizo que se comprobasen in planta interacciones de los péptidos DVL1 y DVL11 con proteínas candidatas identificadas en un escrutinio de doble híbrido de levadura y relacionadas con procesos de tráfico intra e intercelular, división y elongación celular. Su interacción confirmada con proteínas como SRC2, BSK6 o CDC48 llevó a estudiar la posible relación funcional con éstas y en especial con CDC48 por su implicación en procesos de división, expansión y diferenciación celular, sin obtener resultados concluyentes. Los escasos resultados obtenidos en Arabidopsis nos condujo a estudiar el papel del único homólogo DVL/RTFL en M. polymorpha. Tras generar y caracterizar líneas de pérdida de función y sobreexpresoras MpDVL, hemos podido confirmar la conservación funcional de los péptidos DVL/RTFL en especies de plantas tan alejadas evolutivamente, así como determinar que no se trata de péptidos esenciales para el desarrollo de la planta pero que sí parecen tener un papel en los procesos de morfogénesis vía elongación celular aportando robustez al sistema. Este trabajo pone de manifiesto que la necesidad de profundizar en el estudio de los péptidos DVL/RTFL. / [CA] Els pèptids DEVIL/ROTUNDIFOLIA (DVL/DVL) constitueixen una família de pèptids de xicoteta grandària codificats per la família gènica DVL/RTFL de 24 membres en A. thaliana. Aquests gens van ser caracteritzats pels fenotips que confereix la seua sobreexpressió, que provoca canvis pronunciats en la morfologia de la planta amb fulles de roseta més arredonides, plantes de menor alçada, pecíols curts i inflorescències compactes. A més, aquests fenotips afecten d'una manera fascinant a la morfologia dels fruits, que varia segons quin membre de la família es sobreexprese, demostrant tindre un paper en el desenvolupament de múltiples òrgans de la planta. També s'ha vist que els pèptids DVL/RTFL es localitzen en la membrana plasmàtica i que comparteixen homologia en les seues seqüències, amb un domini conservat en l'extrem C-terminal, estant a més àmpliament conservats en el món vegetal. Tant la seua localització com domini funcional conservat resulten ser essencials per a la seua activitat gènica adequada. No obstant això i, malgrat els fenotips sorprenents observats en la sobreexpressió de diferents gens DVL/RTFL, les línies de pèrdua de funció no aporten informació sobre la funció biològica de la família DVL/RTFL. En el laboratori on s'ha fet aquest treball, s'ha avançat en els últims anys en la caracterització d'aquests pèptids, la seua manera d'interacció amb la membrana cel·lular i la determinació dels seus patrons d'expressió, així com en la identificació de mutants de pèrdua de funció. Per a continuar en aquestes direccions, en aquest projecte es van generar combinacions de mutants múltiples estables en diferents gens DVL/RTFL combinant mutants d'inserció de T-DNA amb mutants generats per CRISPR/Cas9 (dvl3dvl5dvl6dvl1dvl4rtfl9dvl8dvl11rtfl11dvl19). A pesar que la pèrdua de funció de múltiples gens DVL/RTFL no va mostrar fenotips morfològics evidents, anàlisis transcriptòmics i proteòmics van donar suport a la hipòtesi de l'elevada redundància gènica entre els membres d'aquesta família i que a més tenen un paper en la regulació de processos com són la morfogènesi, el creixement i desenvolupament del tub pol·línic o el creixement distal de la cèl·lula. Experiments de germinació de pol·len, creixement de tub pol·línic o desenvolupament de pèls radiculars duts a terme van demostrar que els pèptids DVL/RTFL no tenien un paper significatiu en aquests processos, però sí que van suggerir que tenen un rol generalitzat aportant estabilitat o robustesa al procés de morfogènesi via elongació cel·lular. Addicionalment es van dur a terme estudis de topologia de membrana que van permetre confirmar la seua localització en la membrana plasmàtica, de tal manera que aquests pèptids no s'integraven en la membrana si no que estarien associats a la seua interfase. La possibilitat que aquesta associació es duguera a terme a través d'altres proteïnes va fer que es comprovaren in planta interaccions dels pèptids DVL1 i DVL11 amb proteïnes candidates extretes d'un escrutini de doble híbrid de llevat i relacionades amb processos de trànsit intra i intercel·lular, divisió i elongació cel·lular. La seua interacció confirmada amb proteïnes com SRC2, BSK6 o CDC48 va portar a estudiar la possible relació funcional amb aquests i especialment amb CDC48 per la seua implicació en processos de divisió, expansió i diferenciació cel·lular, sense obtindre resultats concloents. Els escassos resultats obtinguts en Arabidopsis ens va conduir a estudiar el paper de l'únic homòleg DVL/RTFL en M. polymorpha. Després de generar i caracteritzar línies de pèrdua de funció i de sobreexpressió MpDVL, hem pogut confirmar la conservació funcional dels pèptids DVL/RTFL en espècies de plantes tan allunyades evolutivament, així com determinar que no es tracta de pèptids essencials per al desenvolupament de la planta però que sí que semblen tindre un paper en els processos de morfogènesis via elongació cel·lular aportant robustesa al sistema. / [EN] DEVIL/ROTUNDIFOLIA (DVL/DVL) peptides constitute a family of small peptides encoded by the 24-member DEVIL/ROTUNDIFOLIA (DVL/RTFL) gene family in Arabidopsis thaliana. These genes were characterized by the phenotypes conferred by their overexpression, which causes pronounced changes in plant morphology with round rosette leaves, shorter plants, short petioles, and compact inflorescences. In addition, these phenotypes dramatically affect fruit morphology, which varies depending on which family member is overexpressed, proving to play a role in the development of multiple plant organs. It has also been shown that DVL/RTFL peptides are located in the plasma membrane, that they share sequence homology, mostly in a conserved C-terminal domain, and that they are also widely conserved among land plants. Both the localization at the membrane and conserved functional domain are essential for proper gene activity. However, despite the surprising overexpression phenotypes observed, the loss-of-function mutants do not provide information on the DVL/RTFL biological function. In the lab where this work has been carried out, progress has been made in the characterization of these peptides, determining how they interact with the plasma membrane, how they are expressed and accumulated, as well as identifying loss-of-function mutants. To continue in these directions, in this project we have generated combinations of multiple stable DVL/RTFL mutants by combining T-DNA insertion mutants with mutants generated by CRISPR/Cas9 (dvl3 dvl5 dvl6 dvl1 dvl4 rtfl9 dvl8 dvl11 rtfl11 dvl19). Even though the loss of function of multiple DVL/RTFL genes did not show evident morphological phenotypes, transcriptomic and proteomic analyzes supported the hypothesis of a high gene redundancy among the members of this family and suggested that they might have a role in the regulation of processes such as pollen tube growth and development or cell tip growth. However, pollen germination, pollen tube growth or root hair development experiments did not demostrate that DVL/RTFL peptides had a significant role in these processes, but they suggested that they may have a general role in providing stability or robustness to the morphogenesis process via cell elongation. Additionally, membrane topology studies were carried out to confirm their location in the plasma membrane, in such a way that these peptides were not integrated but would be associated with the membrane interface. The possibility that this association was carried out through other proteins led to the in planta verification of DVL1 and DVL11 peptide interactions with candidate proteins identified in a previous yeast two-hybrid screening and related to intracellular and intercellular trafficking processes cell division and elongation. The confirmed interaction with proteins such as SRC2, BSK6 or CDC48 led us to study the possible functional relationship with these, and especially with CDC48 due to its involvement in cell division, expansion, and differentiation processes, but unfortunately, we did not obtain conclusive results. The unconclussive results obtained in Arabidopsis led us to study the role of the unique DVL/RTFL homologue in Marchantia polymorpha. After generating and characterizing MpDVL loss-of-function and overexpression lines, we have been able to confirm the functional conservation of the DVL/RTFL peptides in so evolutionarily distant plant species, as well as to determine that they are not essential for plant development, but they seem to have a role in the morphogenesis processes via cell elongation, providing robustness to the system. This work highlights the need of furthering the study of DVL/RTFL peptides to discover the mechanism by which they participate in plant development processes and to determine their biological function in depth. / Esta Tesis Doctoral ha sido financiada por la Generalitat Valenciana con una Subvención para la Contratación de Personal Investigador Predoctoral (ACIF/2018/260), el Ministerio de Ciencia e Innovación (proyectos BIO2015-64531-R y RTI2018-099239-B-I00), la Generalitat Valenciana (proyecto PROMETEU/2019/004) y el ExpoSeed H2020-MSCA-RISE-2015-691109 / Alarcia García, A. (2024). Los péptidos DEVIL: estudio de su papel en el control de la proliferación celular y la morfogénesis de las plantas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202903

L'élongation cellulaire de cellules cultivant bout comme hyphae fongueux, inculquez hairs, des tubes de pollen et des neurones, est limité au bout de la cellule, qui permet à ces cellules d'envahir l'encerclement substrate et atteindre une cible. Les cellules cultivant bout d'équipement sont entourées par le mur polysaccharide rigide qui régule la croissance et l'élongation de ces cellules, un mécanisme qui est radicalement différent des cellules non-walled. La compréhension du règlement du mur de cellule les propriétés mécaniques dans le contrôle de la croissance et du fonctionnement cellulaire du tube de pollen, une cellule rapidement grandissante d'équipement, est le but de ce projet. Le tube de pollen porte des spermatozoïdes du grain de pollen à l'ovule pour la fertilisation et sur sa voie du stigmate vers l'ovaire le tube de pollen envahit physiquement le stylar le tissu émettant de la fleur. Pour atteindre sa cible il doit aussi changer sa direction de croissance les temps multiples. Pour évaluer la conduite de tubes de pollen grandissants, un dans le système expérimental vitro basé sur la technologie de laboratoire-sur-fragment (LOC) et MEMS (les systèmes micro-électromécaniques) ont été conçus. En utilisant ces artifices nous avons mesuré une variété de propriétés physiques caractérisant le tube de pollen de Camélia, comme la croissance la croissance accélérée, envahissante et dilatant la force. Dans une des organisations expérimentales les tubes ont été exposés aux ouvertures en forme de fente faites de l'élastique PDMS (polydimethylsiloxane) la matière nous permettant de mesurer la force qu'un tube de pollen exerce pour dilater la croissance substrate. Cette capacité d'invasion est essentielle pour les tubes de pollen de leur permettre d'entrer dans les espaces intercellulaires étroits dans les tissus pistillar. Dans d'autres essais nous avons utilisé l'organisation microfluidic pour évaluer si les tubes de pollen peuvent s'allonger dans l'air et s'ils ont une mémoire directionnelle. Une des applications auxquelles le laboratoire s'intéresse est l'enquête de processus intracellulaires comme le mouvement d'organelles fluorescemment étiqueté ou les macromolécules pendant que les tubes de pollen grandissent dans les artifices LOC. Pour prouver que les artifices sont compatibles avec la microscopie optique à haute résolution et la microscopie de fluorescence, j'ai utilisé le colorant de styryl FM1-43 pour étiqueter le système endomembrane de tubes de pollen de cognassier du Japon de Camélia. L'observation du cône de vésicule, une agrégation d'endocytic et les vésicules exocytic dans le cytoplasme apical du bout de tube de pollen, n'a pas posé de problèmes des tubes de pollen trouvés dans le LOC. Pourtant, le colorant particulier en question a adhéré au sidewalls du LOC microfluidic le réseau, en faisant l'observation de tubes de pollen près du difficile sidewalls à cause du signal extrêmement fluorescent du mur. Cette propriété du colorant pourrait être utile de refléter la géométrie de réseau en faisant marcher dans le mode de fluorescence. / Cellular elongation of tip-growing cells such as fungal hyphae, root hairs, pollen tubes and neurons, is limited to the tip of the cell, which enables these cells to invade the surrounding substrate and to reach a target. Tip-growing plant cells are surrounded by the stiff polysaccharidic wall that regulates the growth and elongation of these cells, a mechanism that is very different from non-walled cells. Understanding the regulation of the cell wall mechanical properties in controlling growth and cellular functioning of the pollen tube, a rapidly growing plant cell, is the goal of this project. The pollen tube carries sperm cells from the pollen grain to the ovule for fertilization and on its way from the stigma towards ovary the pollen tube physically invades the stylar transmitting tissue of the flower. To reach its target it also has to change its growth direction multiple times. To assess the behavior of growing pollen tubes, an in vitro experimental system based on lab-on-chip (LOC) technology and MEMS (microelectro-mechanical systems) was designed. Using these devices we measured a variety of physical properties characterizing the pollen tube of Camellia, such as growth velocity, invasive growth and dilating force. In one of the experimental set-ups the tubes were exposed to slit-shaped openings made of elastic PDMS (polydimethylsiloxane) material allowing us to measure the force a pollen tube exerts to dilate the growth substrate. This invasion capacity is crucial for pollen tubes to allow them to enter narrow intercellular spaces within the pistillar tissues. In other assays we used the microfluidic set-up to test whether pollen tubes can elongate in air and whether they have a directional memory. One of the applications that the lab is interested in is the investigation of intracellular processes such as the motion of fluorescently labelled organelles or macromolecules while the pollen tubes grow within the LOC devices. To prove that the devices are compatible with high-resolution optical microscopy and fluorescence microscopy, I used the styryl dye FM1-43 to label the endomembrane system of Camellia japonica pollen tubes. Observation of the vesicle cone, an aggregation of endocytic and exocytic vesicles in the apical cytoplasm of the pollen tube tip, did not pose any problems in pollen tubes located within the LOC. However, the particular dye in question adhered to the sidewalls of the LOC microfluidic network, making viewing of pollen tubes close to the sidewalls difficult because of the highly fluorescent signal of the wall. This property of the dye might be useful to image the network geometry when operating in fluorescence mode.

L’une des particularités fondamentales caractérisant les cellules végétales des cellules animales est la présence de la paroi cellulaire entourant le protoplaste. La paroi cellulaire joue un rôle primordial dans (1) la protection du protoplaste, (2) est impliquée dans les mécanismes de filtration et (3) est le lieu de maintes réactions biochimiques nécessaires à la régulation du métabolisme et des propriétés mécaniques de la cellule. Les propriétés locales d’élasticité, d’extensibilité, de plasticité et de dureté des composants pariétaux déterminent la géométrie et la forme des cellules lors des processus de différentiation et de morphogenèse. Le but de ma thèse est de comprendre les rôles que jouent les différents composants pariétaux dans le modelage de la géométrie et le contrôle de la croissance des cellules végétales. Pour atteindre cet objectif, le modèle cellulaire sur lequel je me suis basé est le tube pollinique ou gamétophyte mâle. Le tube pollinique est une protubérance cellulaire qui se forme à partir du grain de pollen à la suite de son contact avec le stigmate. Sa fonction est la livraison des cellules spermatiques à l’ovaire pour effectuer la double fécondation. Le tube pollinique est une cellule à croissance apicale, caractérisée par la simple composition de sa paroi et par sa vitesse de croissance qui est la plus rapide du règne végétal. Ces propriétés uniques font du tube pollinique le modèle idéal pour l’étude des effets à courts termes du stress sur la croissance et le métabolisme cellulaire ainsi que sur les propriétés mécaniques de la paroi. La paroi du tube pollinique est composée de trois composantes polysaccharidiques : pectines, cellulose et callose et d’une multitude de protéines. Pour comprendre les effets que jouent ces différents composants dans la régulation de la croissance du tube pollinique, j’ai étudié les effets de mutations, de traitements enzymatiques, de l’hyper-gravité et de la gravité omni-directionnelle sur la paroi du tube pollinique. En utilisant des méthodes de modélisation mathématiques combinées à de la biologie moléculaire et de la microscopie à fluorescence et électronique à haute résolution, j’ai montré que (1) la régulation de la chimie des pectines est primordiale pour le contrôle du taux de croissance et de la forme du tube et que (2) la cellulose détermine le diamètre du tube pollinique en partie sub-apicale. De plus, j’ai examiné le rôle d’un groupe d’enzymes digestives de pectines exprimées durant le développement du tube pollinique : les pectate lyases. J’ai montré que ces enzymes sont requises lors de l’initiation de la germination du pollen. J’ai notamment directement prouvé que les pectate lyases sont sécrétées par le tube pollinique dans le but de faciliter sa pénétration au travers du style. / One of the most important features characterizing plant cells and differentiating them from animal cells is the cell wall that surrounds them. The cell wall plays a critical role in providing protection to the protoplast; it acts as a filtering mechanism and is the location of many biochemical reactions implicated in the regulation of the cell metabolism and the mechanical properties of the cell. The local stiffness, extensibility, plasticity and elasticity of the different cell wall components determine the shape and geometry of the cell during differentiation and morphogenesis. The goal of my thesis is to understand the role played by the different cell wall components in shaping the plant cell and controlling its growth behaviour. To achieve this goal, I studied the pollen tube, or male gametophyte, as a cellular model system. The pollen tube is a cellular protuberance formed by the pollen grain upon its contact with the stigma. Its main purpose is to deliver the sperm cells to the female gametophyte to ensure double fertilization. The pollen tube is a tip-growing cell characterized by its simple cell wall composition and by the fact that it is the fastest growing cell of the plant kingdom. This makes it the ideal model to study the effects of drugs, mutations or stresses on cellular growth behaviour, metabolism and cell wall mechanics. The pollen tube cell wall consists mainly of proteins and three major polysaccharidic components: pectins, cellulose and callose. To understand the role played by these components in regulating pollen tube growth, I investigated the effects of mutations, enzymatic treatments, hyper-gravity and omni-directional gravity on the pollen tube cell wall. Using mathematical modeling combined with molecular biology and high-resolution electron and fluorescent microscopy I was able to show that the regulation of pectin chemistry is required for the regulation of the growth rate and pollen tube shape and that cellulose is crucial for determining the pollen tube diameter in the sup-apical region. Moreover, I investigated the role of the pectate lyases, a group of pectin digesting enzymes expressed during pollen tube development, and I showed that this enzyme activity is required for the initiation of pollen germination. More importantly, I directly showed for the first time that the pollen tube secretes cell wall loosening enzymes to facilitate its penetration through the style.

Pequenos peptídeos são importantes sinalizadores celulares e estão envolvidos na comunicação célula-a-célula em diversos aspectos do desenvolvimento da planta. Durante a reprodução sexual, moléculas sinalizadoras atuam na interação entre o gametófito feminino e o masculino, controlando processos como germinação do grão de pólen, alongamento do tubo polínico e liberação das células espermáticas, entre outros. RALF é um peptídeo de sinalização codificado por genes de expressão ubíqua ou tecido-especifica e que regulam negativamente a expansão celular. Em arabidopsis, peptídeos AtRALFs podem ser agrupados em uma família de 39 membros e, interessantemente, os maiores níveis de expressão gênica dessa família são encontrados nos AtRALFs expressos em tecidos reprodutivos. / Small peptides are important cell signaling involved in several aspects of plant development. During sexual reproduction, signaling molecules act in the interaction between female and male gametophyte, controlling processes such as pollen grains germination, pollen tube elongation and sperm cells release. RALF is a signaling peptide ubiquitous or tissuespecific that negatively regulates cell growth. In arabidopsis, AtRALFs peptides can be grouped into a family of 39 members and, interestingly, the highest levels of gene expression of this family are found in AtRALFs expressed in reproductive tissues.

Le gène Solanum chacoense Fertilization-Related Kinase 1 (ScFRK1) code pour une protéine de la famille des MAPKK kinases exprimée spécifiquement dans les ovules. Son transcrit s’accumule principalement dans la zone micropylaire du sac embryonnaire à l’anthèse et diminue rapidement après pollinisation. Ces résultats suggèrent un rôle possible avant ou pendant la fécondation. Bien qu'aucune expression ne soit détectée dans le pollen à maturité, la protéine est cependant présente dans les cellules mères de microspores. Des plantes transgéniques sous-exprimant ScFRK1 ne montrent aucun phénotype au niveau des tissus végétatifs, mais présentent de petits fruits dépourvus de graines. L’étude microscopique du gamétophyte femelle révèle que son développement ne progresse pas au-delà du stade de la mégaspore fonctionnelle et une grande proportion de sacs embryonnaires anormaux est corrélée avec une faible expression de ScFRK1. De plus, la production de pollen viable diminue en fonction de la baisse des niveaux d’expression du gène, ce qui pourrait s’expliquer par un problème au cours de la mitose I. Puisque l’intégrité du sac embryonnaire est essentielle au guidage des tubes polliniques, nous avons conçu un système de guidage semi-in vivo permettant d’évaluer la capacité des ovules du mutant ScFRK1 à les attirer. L’attraction est sévèrement affectée dans de telles conditions, ce qui confirme l'implication des cellules de la zone micropylaire comme source attractive. Notre système nous a également permis de démontrer que le guidage est très spécifique à l’espèce et que cette attraction constitue un mécanisme important favorisant la spéciation et la maintenance des barrières interspécifiques dans la reproduction sexuée des végétaux. / The Solanum chacoense Fertilization-Related Kinase 1 (ScFRK1) is a member of plant MAPKKK that is specifically expressed in ovules. ScFRK1 mRNA levels accumulate predominantly in the egg apparatus cells of the embryo sac at mature stage and decrease rapidly following pollination. These results suggest both pre- and post-fertilization roles in ovule development. Although no expression could be detected in mature pollen, FRK1 mRNAs could be detected in pollen mother cells. Transgenic plants expressing sense or antisense ScFRK1 showed no abnormal phenotype in vegetative tissues but produced seedless fruits upon pollination. A microscope-based examination of developing female gametophytes revealed that its formation did not progress further than the functional megaspore stage in affected transgenic plants and, as the levels of ScFRK1 mRNA decreased, the percentage of normal embryo sacs declined. Surprisingly, even in severely affected plants producing no or very few embryo sacs, pollination led to the production of parthenocarpic fruits. Similarly, viable pollen production declined with decreasing levels of ScFRK1 and this could be linked to affected mitosis I. Since embryo sac integrity is a prerequisite for pollen tube guidance, we devised a semi-in vivo pollen tube growth system to assess the ability of the ScFRK1 mutant ovules to attract pollen tubes. As expected, guidance was severely affected, confirming the involvement of the egg apparatus cells as the source of attracting molecules. Attraction was also determined to be highly species-specific and developmentally-regulated with the acquisition of attraction competence on anthesis day.

No description available.

L’une des particularités fondamentales caractérisant les cellules végétales des cellules animales est la présence de la paroi cellulaire entourant le protoplaste. La paroi cellulaire joue un rôle primordial dans (1) la protection du protoplaste, (2) est impliquée dans les mécanismes de filtration et (3) est le lieu de maintes réactions biochimiques nécessaires à la régulation du métabolisme et des propriétés mécaniques de la cellule. Les propriétés locales d’élasticité, d’extensibilité, de plasticité et de dureté des composants pariétaux déterminent la géométrie et la forme des cellules lors des processus de différentiation et de morphogenèse. Le but de ma thèse est de comprendre les rôles que jouent les différents composants pariétaux dans le modelage de la géométrie et le contrôle de la croissance des cellules végétales. Pour atteindre cet objectif, le modèle cellulaire sur lequel je me suis basé est le tube pollinique ou gamétophyte mâle. Le tube pollinique est une protubérance cellulaire qui se forme à partir du grain de pollen à la suite de son contact avec le stigmate. Sa fonction est la livraison des cellules spermatiques à l’ovaire pour effectuer la double fécondation. Le tube pollinique est une cellule à croissance apicale, caractérisée par la simple composition de sa paroi et par sa vitesse de croissance qui est la plus rapide du règne végétal. Ces propriétés uniques font du tube pollinique le modèle idéal pour l’étude des effets à courts termes du stress sur la croissance et le métabolisme cellulaire ainsi que sur les propriétés mécaniques de la paroi. La paroi du tube pollinique est composée de trois composantes polysaccharidiques : pectines, cellulose et callose et d’une multitude de protéines. Pour comprendre les effets que jouent ces différents composants dans la régulation de la croissance du tube pollinique, j’ai étudié les effets de mutations, de traitements enzymatiques, de l’hyper-gravité et de la gravité omni-directionnelle sur la paroi du tube pollinique. En utilisant des méthodes de modélisation mathématiques combinées à de la biologie moléculaire et de la microscopie à fluorescence et électronique à haute résolution, j’ai montré que (1) la régulation de la chimie des pectines est primordiale pour le contrôle du taux de croissance et de la forme du tube et que (2) la cellulose détermine le diamètre du tube pollinique en partie sub-apicale. De plus, j’ai examiné le rôle d’un groupe d’enzymes digestives de pectines exprimées durant le développement du tube pollinique : les pectate lyases. J’ai montré que ces enzymes sont requises lors de l’initiation de la germination du pollen. J’ai notamment directement prouvé que les pectate lyases sont sécrétées par le tube pollinique dans le but de faciliter sa pénétration au travers du style. / One of the most important features characterizing plant cells and differentiating them from animal cells is the cell wall that surrounds them. The cell wall plays a critical role in providing protection to the protoplast; it acts as a filtering mechanism and is the location of many biochemical reactions implicated in the regulation of the cell metabolism and the mechanical properties of the cell. The local stiffness, extensibility, plasticity and elasticity of the different cell wall components determine the shape and geometry of the cell during differentiation and morphogenesis. The goal of my thesis is to understand the role played by the different cell wall components in shaping the plant cell and controlling its growth behaviour. To achieve this goal, I studied the pollen tube, or male gametophyte, as a cellular model system. The pollen tube is a cellular protuberance formed by the pollen grain upon its contact with the stigma. Its main purpose is to deliver the sperm cells to the female gametophyte to ensure double fertilization. The pollen tube is a tip-growing cell characterized by its simple cell wall composition and by the fact that it is the fastest growing cell of the plant kingdom. This makes it the ideal model to study the effects of drugs, mutations or stresses on cellular growth behaviour, metabolism and cell wall mechanics. The pollen tube cell wall consists mainly of proteins and three major polysaccharidic components: pectins, cellulose and callose. To understand the role played by these components in regulating pollen tube growth, I investigated the effects of mutations, enzymatic treatments, hyper-gravity and omni-directional gravity on the pollen tube cell wall. Using mathematical modeling combined with molecular biology and high-resolution electron and fluorescent microscopy I was able to show that the regulation of pectin chemistry is required for the regulation of the growth rate and pollen tube shape and that cellulose is crucial for determining the pollen tube diameter in the sup-apical region. Moreover, I investigated the role of the pectate lyases, a group of pectin digesting enzymes expressed during pollen tube development, and I showed that this enzyme activity is required for the initiation of pollen germination. More importantly, I directly showed for the first time that the pollen tube secretes cell wall loosening enzymes to facilitate its penetration through the style.