Diss. (sammanfattning) Umeå : Sveriges lantbruksuniv. / Härtill 6 uppsatser.

Diss. (sammanfattning) Umeå : Sveriges lantbruksuniv., 2001. / Härtill 5 uppsatser.

Les modèles climatiques prédisent pour le futur une accentuation de la fréquence et de l’intensité des épisodes de sécheresse, ce qui affecterait sérieusement les écosystèmes forestiers. En conséquence, il y a une demande croissante pour du matériel végétal plus résistant à la sécheresse, et pour la compréhension des mécanismes génétiques et physiologiques de la tolérance des arbres à la sécheresse. Dans des conditions de sécheresse, la tension dans les vaisseaux du xylème augmente, et la cavitation peut se produire causant une embolie du vaisseau qui devient alors non fonctionnel. La vulnérabilité du xylème à la cavitation est corrélée à la tolérance à la sécheresse, indiquant l’importance de ce caractère pour la tolérance à la sécheresse. Cependant, peu était connu sur la variabilité de ce caractère au niveau intra-spécifique et ses bases génétiques étaient inconnues. Dans un premier temps, nous avons démontré que la vulnérabilité à la cavitation du xylème de peuplier (Populus tremula x Populus alba) s’acclimate à des conditions de sol plus sec et que ceci s’accompagne de changements dans la structure du xylème et d’expressions géniques. Ce processus d’acclimatation appuie l’hypothèse du rôle important joué par la vulnérabilité du xylème à la cavitation dans la tolérance à la sécheresse. Dans un second temps, nous avons étudié les bases structurales et génétiques de la vulnérabilité à la cavitation grâce à deux approches. La première a consisté à étudier les changements anatomiques et d’expressions géniques se produisant au cours de l’acclimatation de la vulnérabilité du xylème à la cavitation à des conditions plus sèches. Nous avons déterminé que l’augmentation de la vulnérabilité à la cavitation dans des conditions plus sèches est corrélée à une diminution du diamètre de la paroi de la ponctuation. Nous avons observé des changements d’expression géniques dans des conditions de sécheresse mais ceux ci n’ont pas pu être reliés à un changement de la vulnérabilité à la cavitation. Dans une seconde approche, nous avons utilisé dix lignées de peupliers dont l’expression de gènes impliqués dans le métabolisme de la lignine ont été modifiés et deux lignées surexprimant une pectine méthylestérase (PME) pour examiner le rôle de ces gènes dans la vulnérabilité à la cavitation. Chez les peupliers ayant un métabolisme des lignines modifié, nous avons également testé la relation entre les propriétés hydriques et mécaniques. Nous apportons des preuves que les lignines et les pectines (à travers les PME) sont impliquées dans la vulnérabilité à la cavitation et nos données sur les lignées transgéniques de peupliers ne soutiennent pas un lien exclusif entre les propriétés hydriques et mécaniques. / Climatic models predict greater frequency and intensity of drought episodes in the future that would seriously affected forest ecosystems. As a consequence, there has been a rising demand for more drought-resistant plant materials and for the understanding of the physiological and genetic bases of tree drought tolerance. Under drought conditions, the tension in the xylem conduits increases and cavitation can occur that causes embolism and makes the vessel non functional. Xylem vulnerability to cavitation is correlated with drought tolerance, pointing that it’s an important trait for drought tolerance of trees. However, few was known about the variability of this trait at the within species level and its genetic bases were unknown. In a first part, we demonstrated that the xylem vulnerability to cavitation of poplar (Populus tremula × Populus alba) acclimated to drier soil conditions, and was accompanied with changes in xylem structure and gene expressions. This acclimation process supports the role of vulnerability to cavitation in drought tolerance. In a second part, we investigated the structural and genetic bases for vulnerability to cavitation through two approaches. In a first one, we investigated the anatomical changes and the gene expressions that occur during the acclimation of vulnerability to cavitation to drier conditions. We found that the increase in vulnerability to cavitation in drier soil conditions was related to a decrease in pit wall diameter. We observed changes in gene expressions in drier conditions but these changes could not be related to change in vulnerability to cavitation. In a second approach, we used ten transgenic poplar lines modified for expression of genes involved in lignin metabolism and two transgenic lines overexpressing a pectin methylesterase (PME) to examine the role of the respective genes in the vulnerability to cavitation. In poplars modified in lignin metabolism, we also tested the relation between hydraulic and mechanical properties. We present evidence that lignins and pectins (through PME) are involved in the vulnerability to cavitation and our data on the transgenic poplar lines do not support the exclusive link between mechanical vs. hydraulic properties.

Species interactions are recognised as an important evolutionary process, with foundation species in particular being of exceptional importance. Foundation species are those species exhibiting dynamic physical traits, under strong genetic control, that shape the natural processes of habitats and ecosystems. These traits lead to extended consequences for the associated organisms in their community. Therefore, intra-specific variation of a foundation species can have important evolutionary consequences for habitats, communities and entire ecosystems. One such foundation species is aspen (Populus tremula L.), which has important conservation value, particularly for the high diversity of associated species. In Scotland aspen exists in fragmented clonal patches, but has been found to contain a high diversity of associated organisms some of which have a UK Biodiversity Action Plan (BAP). One such group of organisms of high diversity and conservation value in Scotland are the epiphytic cryptogams (i.e. mosses, liverworts, lichens). To date more than 300 species have been recorded on aspen in Scotland, comprising approximately 40% of the epiphyte flora of Europe. The research presented here uses a combination of natural aspen system and two aspen common gardens to test the effects of aspen genetic diversity on physical traits potentially important for epiphyte diversity. The traits investigated were bark texture and bark phenolic chemistry. Bark texture in the wild clones was found vary significantly between clones and under strong genetic control (up to 40%). Bark phenolic chemistry also showed significant genotypic variation, but could not be correlated with patterns of epiphyte species richness and diversity. Nevertheless, epiphytes showed significant patterns related to aspen genotype, particularly along a gradient of bark texture. The results indicate that epiphyte communities are part of the ‘extended phenotype’ of native aspen populations in Scotland are very important for maintaining current levels of epiphyte diversity. A greater diversity and abundance of aspen genotypes in the landscape are essential for increasing epiphyte species richness and diversity, and for ecosystem health as a whole.

Diss. (sammanfattning) Umeå : Umeå universitet, 2008. / Härtill 4 uppsatser.

Autumn senescence is a visually spectacular phenomenon in which trees prepare for the oncoming winter. The mechanism for regulation of autumn senescence in trees has been very hard to pinpoint. In this thesis the main focus is to investigate how autumn senescence is regulated in aspens (Populus tremula). Previous work has established that autumn senescence in aspens is under daylight control, in this thesis the metabolic status and the effect on autumn senescence was investigated. The metabolic status was altered by girdling which leads to accumulation of photosynthates in the canopy. This resulted in an earlier onset of senescence but also the speed of senescence was changed. At the onset of senescence the girdled trees also accumulated or retained anthocyanins. The nitrogen status of aspens during autumn senescence was also investigated, we found that high doses of fertilization could significantly delay the onset of senescence. The effects of various nitrogen forms was investigated by delivering organic and inorganic nitrogen through a precision fertilization delivery system that could inject solutes directly into the xylem of the mature aspens. The study showed that addition of nitrate delayed senescence, addition of arginine did not have any effect on the autumn senescence in aspens, and furthermore the nitrate altered the trees leaf metabolism that was more profound in high dosages of supplied nitrate.  Cytokinins are plant hormones believed to delay or block senescence, studies have suggested that the decrease of cytokinins and/or cytokinin signalling may precede senescence in some plants. To investigate how cytokinin regulates autumn senescence in aspens we profiled 34 cytokinin types in a free growing mature aspen. The study begun before autumn senescence was initiated and ended with the shedding of the leaves, and spanned three consecutive years. The study showed that the individual cytokinin profiles varied significantly between the years, this despite that senescence was initiated at the same time each year. Senescence was furthermore not connected to the depletion of either active or total cytokinins levels. The gene pattern of genes known to be associated with cytokinin was also studied, but no gene expression pattern that the profile generated could explain the onset of senescence. These results suggest that the depletion of cytokinins is unlikely to explain the tightly regulated onset of autumn leaf senescence in aspen.

Les arbres ont la capacité de percevoir des sollicitations mécaniques quotidiennes dues au vent et d’acclimater leur croissance et leur développement en conséquence. Ce stress mécanique se traduit essentiellement par des flexions des organes, en particulier des branches et de la tige. Des études antérieures ont montré que la croissance en diamètre du peuplier était stimulée en réponse aux flexions mimant l’effet du vent. Cette augmentation de la croissance s’accompagne d’une modification de la nature du bois mis en place, qui a pu être observé chez quelques conifères et angiospermes, et nommé « bois de flexion ». Mais la caractérisation anatomique de ce bois a été peu approfondie, et les acteurs moléculaires de sa formation n’ont jamais été recherchés. De plus, dans la plupart de ces études les sollicitations mécaniques appliquées à la tige sont des flexions multidirectionnelles et d’intensité non contrôlée. Or, la déformation étant la variable physique perçue par la plante, il est nécessaire de contrôler l’amplitude de la flexion appliquée à la tige. Grâce à un dispositif expérimental original, nous avons appliqué des flexions unidirectionnelles sur de jeunes tiges de peupliers tout en contrôlant l’intensité des déformations appliquées. Cette étude a montré que la perception des déformations s’effectuait à une échelle locale, conduisant à une ovalisation de la tige. Nous avons pu également différencier le bois formé sous des déformations en tension, que nous avons nommé Tensile Flexure Wood, du bois formé sous des déformations en compression, que nous avons nommé Compressive Flexure Wood. Les analyses anatomiques et moléculaires montrent que l’intensité des déformations en valeur absolue ne suffit pas à expliquer toutes les réponses et que le signe (tension ou compression) de ces déformations joue également un rôle. Chez des arbres stimulés par des flexions unidirectionnelles plus fréquentes, la croissance et la différenciation cellulaire sont modulés encore différemment, notamment dans la zone en compression, apportant à la tige un bénéfice adaptatif face aux sollicitations suivantes. Le gène CLE12.2 appartenant à la famille des gènes CLAVATA, gènes impliqués dans les régulations méristématiques, a été montré mécanosensible. Une approche de génomique fonctionnelle du gène CLE12.2 par l’utilisation de plants transgéniques présentant une sous- ou une surexpression du gène nous a permis d’émettre l’hypothèse d’une implication du peptide CLE12.2 dans la régulation des voies de biosynthèse de la paroi cellulaire. Cette étude a permis de mettre en avant la complexité des mécanismes moléculaires impliqués dans la formation du bois et apporte de nouvelles connaissances pour la poursuite des études sur l’acclimatation des arbres au vent. / Trees have the ability to perceive daily mechanical stresses related to wind and to acclimate their growth and development accordingly. Wind essentially results in organs bending, in particular in branches and stem. Previous studies have shown that growth diameter of poplar stem increased in response to bending; mimicking wind mechanical effect. This growth increment goes along with a change in the structure of the wood formed under bending stimulation. This type of reaction wood has been described for some conifers and angiosperms species, and was called "flexure wood". Until now, its anatomical characteristics have been poorly described, and the molecular actors of its formation have never been investigated. In addition, in most of these previous studies the mechanical stresses applied to the stem were bidirectional bendings with an uncontrolled intensity. Because mechanical strains constitute the physical variable perceived by the plant, it appeared necessary to carefully control the bending amplitude applied to the stem. Thanks to an original experimental setup, we applied unidirectional bendings on young poplar stems, while controlling its intensity. This study showed that the strains are perceived at a local scale and that the secondary growth response was also local, leading to stem ovalization. We also distinguished the wood formed under tension we named “Tensile Flexure Wood” from the wood formed under compression we named “Compressive Flexure Wood”. The anatomical and molecular analyzes show that the strain intensity in absolute value is not enough to explain all the answers and that the sign (tension or compression) of these strains also plays a role. In trees stimulated by more frequent unidirectional bendings, growth and cell differentiation are modulated even differently, especially in the area under compression, bringing to the stem an adaptive benefit to the following solicitations. The CLE12.2 gene, which belongs to the CLAVATA gene family involved in meristematic regulation, has been shown to be mechanosensitive. Functional analysis of the CLE12.2 gene in transgenic plants with under- or overexpression of the gene allowed us to hypothesize that the CLE12.2 peptide is involved in the regulation of the cell-wall biosynthesis pathways. This work highlighted the complexity of the molecular mechanisms involved in wood formation and brings new knowledge for further studies on trees acclimation to wind.

SUMMARY PtaRHE1 is a poplar (Populus tremula x P. alba) gene encoding a REALLY INTERESTING NEW GENE (RING) domain-containing protein. RING proteins are largely represented in plants and play important roles in the regulation of many developmental processes as well as in plant-environment interactions. In this thesis, we present a functional characterization of PtaRHE1. To gain further insight into the role of this gene, molecular and genetic alteration approaches were used. The results of in vitro ubiquitination assays indicate that PtaRHE1 protein is a functional E3 ligase and this activity was shown to be specific with the human UbCH5a, among the tested ubiquitin-conjugating enzymes. Histochemical GUS stainings showed that the PtaRHE1 promoter is induced by plant pathogens and by elicitors such as salicylic acid and cellulase and is also developmentally regulated. In silico predictions and the transient expression of PtaRHE1-GFP fusion protein in N. tabacum epidermal cells revealed that PtaRHE1 is localized both in the plasma membrane and in the nucleus. The localization of expression of PtaRHE1 in poplar stem by in situ hybridization indicated that PtaRHE1 transcripts are localized within the cambial zone mainly in ray cells, suggesting a role of this gene in vascular tissue development and/or functioning. The overexpression of PtaRHE1 in tobacco resulted in a pleiotropic phenotype characterized by a curling of leaves, the formation of necrotic lesions on leaf blades, growth retardation as well as a delay in flower transition. Plant genes expression responses to PtaRHE1 overexpression provided evidence for the up-regulation of defence and/or programmed cell death (PCD) related genes. Moreover, genes coding for WRKY transcription factors as well as for MAPK, such as WIPK, were also found to be induced in the transgenic lines as compared to the wild type (WT). Taken together, our results suggest that the E3 ligase PtaRHE1 plays a role in the signal transduction pathways leading to defence responses against biotic and abiotic stresses. Identification of PtaRHE1 target(s) is required in order to fully assess the role of this E3 ligase in the ubiquitination-mediated regulation of defence response./ RÉSUMÉ PtaRHE1 est un gène qui code pour une protéine possédant un domaine RING (REALLY INTERESTING NEW GENE) chez le peuplier (Populus tremula x P. alba). Les protéines de type RING sont très répandues chez les végétaux où elles jouent de rôles importants dans la régulation de plusieurs processus de développement et également dans les interactions plantes-environnement. Dans le cadre de ce travail, nous avons procédé à la caractérisation fonctionnelle du gène PtaRHE1. Dans le but de découvrir la fonction de ce gène, nous avons adopté une stratégie faisant usage d’approches moléculaires ainsi que de l’altération de l’expression génique. Les résultats obtenus montrent que la protéine PtaRHE1 est une E3 ligase et que cette activité enzymatique est spécifique à l’Ubiquitin-Conjugating enzym humaine UbCH5a. Les résultats du test histochimique GUS ont montré que le promoteur du gène PtaRHE1 est induit par des pathogènes et aussi par l’acide salicylique et la cellulase. Par ailleurs, ce promoteur est aussi régulé au cours du développement végétal. Les prédictions in silico et l’expression transitoire d’une fusion traductionnelle GFP-PtaRHE1, au niveau de l’épiderme des feuilles du tabac N. tabacum, ont révélé que la protéine PtaRHE1 se situe tant au niveau de la membrane cytoplasmique qu’au niveau du noyau. La localisation de l’expression du gène PtaRHE1, par les techniques d’hybridation in situ, montre que les transcrits de ce gène se retrouvent principalement au niveau des cellules de rayon, dans la zone cambiale, suggérant que ce gène pourrait jouer un rôle dans le développement ou la formation du tissu vasculaire. La surexpression du gène PtaRHE1 chez le tabac a conduit à l’obtention d’un phénotype pléiotropique caractérisé par un recroquevillement (incurvation) des feuilles, la formation des lésions nécrotiques sur le limbe, un retard de croissance ainsi qu’un retard dans la transition florale. L’analyse de la réponse de l’expression de différents gènes à la surexpression de PtaRHE1 a mis en évidence l’induction des gènes liés à la défense et ou à la mort cellulaire programmée. En outre, l’expression des gènes codant pour des facteurs de transcription WRKY et aussi des MAPKs, tel que WIPK, était aussi plus élevée chez les plantes transgéniques comparées au type sauvage. Les résultats de ce travail suggèrent que PtaRHE1, comme E3 ligase, pourrait jouer un rôle dans la transduction des signaux cellulaires conduisant aux réactions de défense contre les stress biotiques et abiotiques. L’identification de la (des) cible(s) de PtaRHE1 est indispensable pour la compréhension du rôle de cette protéine dans la régulation des réponses de défense par l’intermédiaire de l’ubiquitination.

Diss. (sammanfattning) Umeå : Sveriges lantbruksuniversitet, 2009. / Härtill 4 uppsatser.

Our understanding of tree growth and development has increased substantially in the last few decades and is expected to increase much more as we fully exploit newly developed genomic tools. A major milestone in tree genomics was the sequencing of the entire genome of Populus trichocarpa, and the realization that we understand the function of very few of the 45,000 predicted genes in this genome. To advance our knowledge of gene function in Populus, we have created the largest population of mutant poplars to date which will enable us to link altered phenotypes with genes that are responsible. This thesis describes this mutant population, provides preliminary results on the complexity of mutants identified and examines one distinct mutant called shriveled leaf. These results clearly demonstrate the power of this population for gene function analysis and reveal that this population will be a valuable genomic resource for tree biotechnology for many years to come. / Thesis (Master, Biology) -- Queen's University, 2008-01-31 16:09:03.458