Le chêne sessile et le hêtre sont deux espèces feuillues décidues tempérées, caractérisées par des phénologies foliaires et cambiales contrastées. Afin de progresser dans la compréhension de la gestion des réserves qui sont des composantes importantes des cycles internes du carbone et de l'azote, nous avons étudié la dynamique saisonnière des réserves carbonées (C) et azotées (N) chez des arbres adultes des deux espèces dans leur environnement naturel. Afin de répondre à nos objectifs, nous avons développé une approche pluridisciplinaire associant écophysiologie, biochimie et isotopie. Le suivi mensuel des variations saisonnières des réserves C et N dans le tronc a révélé chez le chêne une forte remobilisation de l'amidon à partir des cernes les plus récents au printemps pour fournir le carbone nécessaire pour la croissance du bois initial du nouveau cerne qui est concomitante à l'expansion foliaire. Chez le hêtre, la croissance printanière ne semble pas dépendante des réserves C du tronc. Chez les deux espèces, deux polypeptides de 13 et de 26 kDa s'accumulent avec la sénescence foliaire en automne, sont très abondants en période hivernale froide et sont remobilisés avec le débourrement au printemps. Cette cinétique saisonnière leur confère un rôle dans le stockage de l'azote (protéines végétatives de réserve, VSP), mais n'exclut pas un rôle dans la tolérance au froid. Chez le chêne sessile, l'étude de la source d'azote pour la croissance des feuilles et des pousses par marquage isotopique au 15N a montré que les réserves N contribuent jusqu'à 90% de l'azote total des nouveaux organes aux premiers stades de développement. La contribution de l'azote nouvellement assimilé ne devient significative que quand le débourrement est achevé. L'étude de la répartition et des quantités des composés C et N non-structuraux à l'échelle de l'arbre a été réalisée par un échantillonnage destructif d'arbres des deux espèces en hiver (Janvier) et à l'étalement complet des feuilles (Juin). Cette étude a montré i) une distribution des concentrations entre organes dépendante de leur fonction physiologique, de l'anatomie du bois et de la distance aux organes puits, ii) l'importance du tronc et des racines dans le stockage des réserves en hiver, iii) l'importance des quantités d'azote non-structural des feuilles et des pousses malgré leur faible biomasse, iv) des quantités de C et N non-structuraux plus importants chez le chêne par rapport au hêtre, pouvant refléter des besoins contrastés pour la croissance et l'entretien des tissus en hiver / Sessile oak and beech are two deciduous temperate broadleaved species, characterized by contrasted foliar and cambial phenologies. In order to progress in our understanding of reserves management in these species, we studied the seasonal dynamics of carbon (C) and nitrogen (N) reserves in adult trees in their natural environment. For this purpose, we developed a multidisciplinary approach associating ecophysiology, biochemistry and isotopy. The monthly monitoring of seasonal variation in C and N reserves in the stem sapwood showed a strong remobilization of starch from the most recent rings of oak in the spring in order to supply the necessary C for early wood growth that is concomitant to leaf expansion in this species. For beech, spring growth seemed to be less dependant on C stored within the stem sapwood. In both species, 2 polypeptides of 13 and 26 kDa accumulated with leaf senescence in the autumn and were highly abundant during the dormant period then they were remobilized with bud burst in the spring. This seasonal variation supports their role in nitrogen storage as vegetative storage proteins (VSP) and does not exclude a role in cold hardiness too. In sessile oak, the in situ 15N labeling of soil N (newly absorbed N) during the bud burst in the spring showed that N reserves accounted for 90% of total N of the new organs (leaves and twigs) at the first stages of growth. The contribution of newly assimilated N became more important when bud burst was achieved. The distribution patterns of non-structural C and N concentrations and amounts at the tree level was realized by an exhaustive sampling of trees from both species in the winter (January) and at full leaf expansion (June). This study showed i) that the distribution of concentrations among tree organs was dependant of the physiological function, wood anatomy and proximity to sink organs, ii) the importance of stem sapwood and coarse roots in reserves storage during the winter, iii) the importance of non-structural nitrogen amounts in leaves and twigs despite their low biomass, iv) higher amounts of non-structural C and N compounds in oak compared to beech, that reflects contrasted needs for spring growth and tissue maintenance during the winter dormancy

L’autophagie est un processus vésiculaire des organismes eucaryotes permettant de véhiculer au sein d’autophagosomes des protéines dysfonctionnelles et/ou des organites défectueux qui sont apportés à la vacuole pour y être dégradés. Les acides aminés et les squelettes carbonés ainsi générés pourront ensuite être exportés vers le cytosol et recyclés. Ce travail de thèse a consisté à identifier les rôles que joue l’autophagie au cours du développement et de la germination de la graine d’Arabidopsis thaliana. Dans une première partie, les graines du mutant d’autophagie atg5 ont été caractérisées d’un point de vue morphologique et leur remplissage en molécules de réserve a été étudié. Il a notamment été montré que la graine mutante présente une maturation accélérée et accumule plus de protéines que la graine sauvage. Dans une seconde partie, l’expression de gènes ATG8 a été mise en évidence au cours du développement de l’embryon, dans le phloème de la silique et du funicule, dans les téguments externes et internes, ainsi que dans l’endosperme de la graine. L’activité autophagique a été visualisée par l’observation en microscopie de structures autophagiques dans l’embryon en développement. Enfin, dans une dernière partie, les rôles de l’autophagie au cours de la germination ont été étudiés via le suivi de la mobilisation des molécules de réserve chez le mutant atg5, comparativement à des graines sauvages. Il a ainsi été montré que la graine mutante présente un défaut de mobilisation des protéines. Les résultats obtenus montrent donc que l’autophagie jouerait différents rôles dans la graine, notamment dans sa maturation et son vieillissement, dans l’apport des nutriments depuis la plante mère jusqu’à l’embryon, et encore dans la constitution des réserves au cours du développement, puis leur mobilisation après la germination. / Autophagy is a vesicular process of eukaryotic organisms, which consists of the transport of dysfunctional proteins and/or defective organelles within auto phagosomes toward the vacuole in order to be degraded. The generated amino acids and carbon skeletons are transported to the cytosol and recycled. The aim of this thesis work was to identify the roles of autophagy during seed development and germination in Arabidopsis thaliana. In the first part, seeds of the atg5 autophagy mutant have been morphologically characterized in order to study the accumulation of storage molecules. We demonstrated that atg5 mutant seeds are affected by an accelerated maturation and accumulate more proteins than wild type seeds. In a second part, the expression of ATG8 genes has been exhibited during the embryo development, into the phloem of silique and funiculus, in the outer and the inner integument, and in the seed endosperm. Autophagic activity has been visualized by microscopy observation of autophagic structures in the developing embryo. Finally, in the last part, the roles of autophagy during germination have been studied by monitoring the mobilization of storage molecules in the atg5 mutant seeds and compared with the wild type. We thus established that mutant seeds are affected by a defect in protein mobilization. These results show that autophagy may play several roles in seeds, for instance in the ageing and maturation processes, in the transport of nutrients from the mother plant to the embryo, or in the constitution of storage compounds during seed development and their mobilization after germination.

Le blé dur, du fait de sa vitrosité et de sa richesse en protéines est particulièrement adapté àla fabrication des pâtes alimentaires. Cette céréale, largement cultivée dans le bassinméditerranéen, est fréquemment soumise à des stress hydriques et thermiques. Les objectifsde cette thèse ont été d'approfondir les connaissances sur les modalités d'accumulation etd'assemblage des protéines de réserve au cours du développement du grain. Un suivi fin duremplissage du grain, de la morphologie des corps protéiques, des changements d'état redox etde la distribution en taille des polymères de gluténines a été réalisé. L'influence, sur cesdifférents paramètres, de températures élevées appliquées à différents stades dedéveloppement du grain a été étudiée.En privilégiant l'accumulation des protéines au détriment de l'amidon, le stress thermiquejoue un rôle non négligeable dans l'obtention de grains vitreux et à fortes teneurs en protéines.L'arrêt de la croissance du grain, observé à 45% de teneur en eau, est précédé de la mise enplace de la matrice protéique. L'accumulation de la matière sèche apparaît étroitement liée à ladynamique de l'eau, confirmant le lien entre teneur en eau et poids final du grain. Au cours duremplissage du grain, les températures élevées exercent un effet significatif sur la formationdes polymères de gluténines insolubles dans le SDS. Leur formation n'intervient qu'en fin dedessiccation et en deçà de 30% de teneur en eau. La durée de cette phase ultime d'oxydation etd'assemblage des polymères de gluténines a été reliée à la teneur en protéines.L'évolution du statut redox du grain montre qu'une accumulation massive de polymères degluténines intervient juste avant l'entrée en dessiccation du grain qui coïncide avecl'effondrement de l'ascorbate dans le grain. Coïncidant avec cette oxydation manifeste, unphénomène de glutathionylation des protéines a été détecté avec une rupture de l'activité de laCAT. Au cours de la dessiccation, les activités de la SOD et de la GR augmentent de façonsignificative. Cette synthèse tardive pourrait se produire au niveau de la couche à aleurone etdu germe en réponse à l'oxydation massive de l'albumen.Enfin, nous avons analysé le couplage entre oxydation des thiols protéiques et croissance entaille des polymères de gluténines. Très précocement, les sous-unités de gluténiness'assemblent sous forme d'oligomères partiellement réduits. Durant le remplissage du grain,une oxydation massive des thiols intervient avec la formation de polymères majoritairementcomposés de SG-HPM sur lesquels viendraient se fixer les SG-FPM. Au cours de la dessiccation,la taille des polymères augmente. Les structures polymériques formées au cours del'élaboration du grain possèdent un nombre de cystéines réduites élevé et incompatible avecun modèle d'assemblage linéaire. Les résultats obtenus nous permettent de proposer unrepliement tardif des SG-FPM, postérieur à leur insertion dans les assemblages oligomériques.Ils nous amènent à mettre en avant le rôle du glutathion comme co-facteur de la genèse despolymères, à l'opposé des thèses classiques qui en font plutôt un inhibiteur de la croissance entaille des polymères de gluténines. / Durum wheat is particularly recognized as the most suitable raw material for pasta makingdue to its vitreousness and its high protein content. This cereal is commonly grown inMediterranean environment and then frequently submitted to high temperature and waterstress. The aim of this thesis was to better understand the accumulation and assembly ofstorage proteins during the grain development. Evaluation of the grain filling, the morphologyof protein bodies, the redox status and the size distribution of glutenin polymers were carriedout. The effect of high temperatures applied at different stages of the grain development onthese parameters was studied.By favouring protein accumulation at the expense of starch, heat stress appeared essentialto obtain vitreous grains and high protein content. The arrest of grain growth observed at 45%grain water content is preceded by the formation of a continuous protein matrix. The dry massaccumulation is closely related to water dynamics, confirming the link between water contentand final grain weight. During grain filling, high temperatures have a significant effect on theformation of SDS-insoluble glutenin polymers. It occurred when grain water concentrationdropped below 30%. The duration of this final stage of oxidation and assembly of gluteninpolymers was related to protein content.Changes in the grain redox status showed an accumulation of glutenin polymers mainlyoccurring before the onset of grain desiccation phase and coinciding with the ascorbateoxidation. This clear oxidation coincided also with the glutathionylation of proteins and thedrop of the CAT activity. During desiccation, the activities of SOD and GR increased significantly.This late synthesis could occur in the aleurone layer and germ in response to massive oxidationof the endosperm cells.Finally, we evaluated the coupling between protein thiol oxidation and size increase ofglutenin polymers. In the early stages, glutenin subunits assembled as oligomers partiallyreduced. During grain filling, a strong thiol oxidation took place with the formation of polymersmainly composed of HMW-GS associated with LMW-GS branching. The polymer size increasedduring desiccation. The polymeric structures obtained during the grain development presenteda high number of reduced cysteines inconsistent with a linear concatenation model ofassembly. It allowed us to propose that the folding of LMW-GS is a late event, subsequent totheir insertion into oligomeric assemblies. These results highlighted the role of glutathione asco-factor in the polymers formation, contrasting with the common assumption that considers itas an inhibitor of the size increase of glutenin polymers.

La dureté du grain de blé est un des paramètres fondamentaux de la texture de l'albumen. Ce caractère, essentiel pour la valeur d'utilisation des farines, est fortement lié à l'absence ou à la modification des puroindolines. Afin de mieux comprendre la fonction biologique de ces protéines dans le grain de blé (Triticum aestivum L.), nous avons étudié à quatre stades de développement du grain la localisation subcellulaire des puroindolines par immunocytochimie et les protéomes dans deux lignées de blé quasi-isogéniques pour la dureté. Dès la fin de la cellularisation de l'albumen, les puroindolines sont localisées sur la face interne des membranes vésiculaires et dans les corps protéiques en formation, structures dans lesquelles s'accumulent les protéines de réserve du grain. L'analyse par AFFFF (Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation) des deux lignées Hard et Soft, qui diffèrent essentiellement par l'absence du gène Pina dans la lignée Hard, a montré une corrélation entre la dureté et la taille des polymères de protéines de réserve. L'analyse protéomique des fractions albumines/globulines et amphiphiles des grains en développement a révélé une augmentation des protéines de la machinerie de repliement et de réponse au stress dans la lignée Hard, par rapport à la lignée Soft. Les deux approches méthodologiques utilisées semblent également mettre en évidence une cinétique de développement du grain raccourcie dans la lignée Hard. Ces observations suggèrent que les puroindolines interagissent avec les protéines de réserve du grain et suivent le même routage cellulaire. Elles pourraient être impliquées dans les mécanismes de repliement et d'assemblage des prolamines.

L’augmentation des rendements est un enjeu majeur chez les céréales. Dans cet objectif, il est nécessaire de maintenir la qualité du grain de blé, qui est principalement déterminée par sa teneur et sa composition en protéines de réserve. En effet, une forte relation négative existe entre le rendement et la teneur en protéines. Par ailleurs, la qualité du grain est fortement influencée par la disponibilité en azote et en soufre dans le sol. La limitation des apports d’intrants azotés à la culture et la carence en soufre récemment observée dans les sols représentent ainsi des difficultés supplémentaires pour maitriser cette qualité. Une meilleure connaissance des mécanismes moléculaires impliqués dans le contrôle du développement du grain et la mise en place de ses réserves protéiques en réponse à la nutrition azotée et soufrée est donc primordiale. L’objectif de cette thèse a ainsi été d’apporter de nouveaux éléments à la compréhension de ces processus de régulation, aujourd’hui peu connus. Pour cela, les approches -omiques sont apparues comme une stratégie de choix pour identifier les acteurs moléculaires mis en jeu. Le protéome nucléaire a été une cible importante dans les travaux menés. L’étude de ces protéines nucléaires a révélé certains régulateurs transcriptionnels qui pourraient être impliqués dans le contrôle de la mise en place des réserves du grain. Dans une approche combinant des données de protéomique, transcriptomique et métabolomique, une vision intégrative de la réponse du grain à la nutrition azotée et soufrée a été obtenue. L’importance d’un apport de soufre dans le contrôle de la balance azote/soufre du grain, déterminante pour la composition du grain en protéines de réserve, a été clairement vérifiée. Parmi les changements observés au niveau du métabolisme cellulaire, certains des gènes affectés par la modification de cette balance pourraient orchestrer l’ajustement de la composition du grain face à des situations de carences nutritionnelles. Ces nouvelles connaissances devraient permettre de mieux maitriser la qualité du grain de blé dans un contexte d’agriculture durable. / Improving the yield potential of cereals represents a major challenge. In this context, wheat grain quality has to be maintained. Indeed, grain quality is mainly determined by the content and the composition of storage proteins, but there is a strongly negative correlation between yield and grain protein concentration. In addition, grain quality is strongly influenced by the availability of nitrogen and sulfur in soils. Nowadays, the limitation of nitrogen inputs, and also the sulfur deficiency recently observed in soils represent major difficulties to control the quality. Therefore, understanding of molecular mechanisms controlling grain development and accumulation of storage proteins in response to nitrogen and sulfur supply is a major issue. The objective of this thesis was to create knowledge on the comprehension of these regulatory mechanisms. For this purpose, the best strategy to identify molecular actors involved in these processes consisted of -omics approaches. In our studies, the nuclear proteome was an important target. Among these proteins, we revealed some transcriptional regulators likely to be involved in the control of the accumulation of grain storage compounds. Using an approach combining proteomic, transcriptomic and metabolomic data, the characterization of the integrative grain response to the nitrogen and sulfur supply was obtained. Besides, our studies clearly confirmed the major influence of sulfur in the control of the nitrogen/sulfur balance that determines the grain storage protein composition. Among the changes observed in the cell metabolism, some genes were disturbed by the modification of this balance. Thus these genes could coordinate the adjustment of grain composition in response to nutritional deficiencies. These new results contribute in facing the challenge of maintaining wheat grain quality with sustainable agriculture.

La dureté du grain de blé est un des paramètres fondamentaux de la texture de l’albumen. Ce caractère, essentiel pour la valeur d’utilisation des farines, est fortement lié à l’absence ou à la modification des puroindolines. Afin de mieux comprendre la fonction biologique de ces protéines dans le grain de blé (Triticum aestivum L.), nous avons étudié à quatre stades de développement du grain la localisation subcellulaire des puroindolines par immunocytochimie et les protéomes dans deux lignées de blé quasi-isogéniques pour la dureté. Dès la fin de la cellularisation de l’albumen, les puroindolines sont localisées sur la face interne des membranes vésiculaires et dans les corps protéiques en formation, structures dans lesquelles s’accumulent les protéines de réserve du grain. L’analyse par AFFFF (Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation) des deux lignées Hard et Soft, qui diffèrent essentiellement par l’absence du gène Pina dans la lignée Hard, a montré une corrélation entre la dureté et la taille des polymères de protéines de réserve. L’analyse protéomique des fractions albumines/globulines et amphiphiles des grains en développement a révélé une augmentation des protéines de la machinerie de repliement et de réponse au stress dans la lignée Hard, par rapport à la lignée Soft. Les deux approches méthodologiques utilisées semblent également mettre en évidence une cinétique de développement du grain raccourcie dans la lignée Hard. Ces observations suggèrent que les puroindolines interagissent avec les protéines de réserve du grain et suivent le même routage cellulaire. Elles pourraient être impliquées dans les mécanismes de repliement et d’assemblage des prolamines. / Wheat grain hardness, a major trait for endosperm texture and flour end-use properties, is strongly associated to absence or modification of puroindolines. To gain insight into biological function of those proteins in bread wheat kernel (Triticum aestivum L.), puroindolines’ subcellular localization was sought by immunocytochemistry and proteomes were analyzed at four stages of developing kernels in two near-isogenic lines for hardness, differing mainly in the absence of Pina in the Hardline. As early as the end of endosperm cellularisation, puroindolines were localized onto vesicular membranes and into protein bodies, where storage proteins accumulate. Using AFFFF (Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation), we observed a correlation between hardness and storage protein polymer size. Proteomic analyses of the albumin/globulin and amphiphilic fractions revealed an increase in folding and stress-related proteins in the Hard line, as compared to the Soft one. Both ultrastructural and proteomic studies suggested also that the Hard/Soft genotype affects the kinetics of kernel development. These lines of evidence imply that puroindolines interact with storage proteins and display the same routage. Puroindolines could therefore be involved in prolamines folding and assembly mechanisms.

La teneur et la composition en protéines de réserve du grain de blé tendre (Triticum aestivum L.) sont les principaux déterminants de sa valeur d’usage et de sa qualité nutritionnelle. La composition en protéines de réserve du grain est déterminée par la teneur en assimilâts azotés et soufrés par grain via des lois d’échelle qui pourraient être les propriétés émergentes de réseaux de régulation. Plusieurs facteurs de transcription intervenant dans cette régulation ont été mis en évidence, mais les voies et mécanismes impliqués sont encore très peu connus. Le constat est identique en ce qui concerne l’impact de la nutrition azotée et soufrée sur ce réseau de régulation. Le développement des outils de génomique fonctionnelle et de bioinformatique permet aujourd’hui d’aborder ces régulations de manière globale via une approche systémique mettant en relation plusieurs niveaux de régulation. L’objectif du travail présenté est d’explorer les réseaux de régulation –omiques impliqués dans le contrôle de l’accumulation des protéines de réserve dans le grain de blé tendre et leur réponse à l’approvisionnement en azote et en soufre. Une approche d’inférence de réseaux basée sur la découverte de règles a été étendue, implémentée sous la forme d’une plateforme web. L’utilisation de cette plateforme a permis de définir des sémantiques multiples afin d’inférer dans un cadre global, des règles possédant différentes significations biologiques. Des facteurs de transcription spécifiques de certains organes et certaines phases de développement ont été mis en évidence et un intérêt particulier a été apporté à leur position dans les réseaux de règles inférés, notamment en relation avec les protéines de réserve. Les travaux initiés dans cette thèse ouvrent un champ d’investigation innovant pour l’identification de nouvelles cibles de sélection variétale pour l’amélioration de la valeur technologique et de la qualité nutritionnelle du blé. Ils devraient ainsi permettre de mieux maîtriser la composition en protéines de réserve et ainsi produire des blés adaptés à des utilisations ciblées ou carencé en certaines fractions protéiques impliquées dans des phénomènes d’allergénicité et d’intolérance du gluten, ce dans un contexte d’agriculture durable et plus économe en intrants. / Grain storage protein content and composition are the main determinants of bread wheat (Triticum aestivum L.) end-use value. Scaling laws governing grain protein composition according to grain nitrogen and sulfur content could be the outcome of a finely tuned regulation network. Although it was demonstrated that the main regulation of grain storage proteins accumulation occurs at the transcriptomic level in cereals, knowledge of the underlying molecular mechanisms is elusive. Moreover, the effects of nitrogen and sulfur on these mechanisms are unknown. The issue of skyrocketing data generation in research projects is addressed by developing high-throughput bioinformatics approaches. Extracting knowledge on from such massive amounts of data is therefore an important challenge. The work presented herein aims at elucidating regulatory networks involved in grain storage protein synthesis and their response to nitrogen and sulfur supply using a rule discovery approach. This approach was extended, implemented in the form of a web-oriented platform dedicated to the inference and analysis of regulatory networks from qualitative and quantitative –omics data. This platform allowed us to define different semantics in a comprehensive framework; each semantic having its own biological meaning, thus providing us with global informative networks. Spatiotemporal specificity of transcription factors expression was observed and particular attention was paid to their relationship with grain storage proteins in the inferred networks. The work initiated here opens up a field of innovative investigation to identify new targets for plant breeding and for an improved end-use value and nutritional quality of wheat in the context of inputs limitation. Further analyses should enhance the understanding of the control of grain protein composition and allow providing wheat adapted to specific uses or deficient in protein fractions responsible for gluten allergenicity and intolerance.