La réponse et l’adaptation des plantes à un stress métallique mettent en jeu de nombreux mécanismes afin de limiter les effets néfastes des éléments toxiques. Bien que certains de ces mécanismes soient bien caractérisés, de nombreux acteurs cellulaires et moléculaires restent à identifier pour mieux comprendre la diversité des stratégies mises en œuvre dans ces processus complexes et vitaux pour les plantes.Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés au rôle de deux modifications post-traductionnelles, la phosphorylation et la méthylation des protéines non-histone dans la réponse à un stress induit par deux éléments non essentiels et toxiques, le cadmium (Cd) et l’uranium (U). Nous avons analysé la dynamique de ces modifications chez trois espèces du genre Arabidopsis : A. thaliana et A. lyrata, deux espèces sensibles au Cd, et A. halleri, espèce naturellement capable de tolérer et d’hyper-accumuler ce métal toxique dans ses feuilles. En utilisant une combinaison d’analyses par Western blot et par spectrométrie de masse nous avons montré que les patterns de méthylation des protéines changent au cours de stress métalliques. Puis, nous avons analysé l’expression des gènes codant les enzymes impliquées dans les réactions de phosphorylation et méthylation des protéines dans différentes conditions de stress. Ces analyses ont montré qu’un grand nombre de protéines kinases sont régulés au niveau transcriptionnel par un stress métallique tandis que seules quelques une en ce qui concerne la méthylation. Pour finir, nous avons mis en place un criblage génétique de mutants d’A. thaliana et identifié deux gènes codant des protéines lysine méthyltransférases impliqués dans la tolérance au Cd.Dans un deuxième temps, nous avons étudié les mécanismes cellulaires de la réponse du système racinaire d’A. thaliana lors d’une exposition à l’U. L’utilisation de différents systèmes rapporteurs et la mesure de différents paramètres physiologiques nous ont permis de mettre en évidence que l’architecture racinaire est fortement modulée en réponse à l’U et ceci de façon dose dépendante. Cet effet est lié à l’inhibition du cycle cellulaire et à la synthèse d’espèces réactives de l’oxygène et d’oxyde nitrique dont l’accumulation provoque la mort cellulaire. Ces changements sont associés à une perturbation du transport et de la distribution de l’auxine dans les racines. Ces événements sont temporellement corrélés avec l’accumulation de polymères de défense (callose et lignine) impliqués dans l’imperméabilisation des cellules et des parois. Cette étude confirme enfin que le stress induit par l’U est intimement lié à une perturbation de l’homéostasie de certains macronutriments (phosphate et fer) et partage les cascades de signalisation d’une carence en phosphate.Ce travail met en évidence des mécanismes de réponse et d’adaptation aux métaux toxiques à travers la régulation fine des phénomènes de méthylation des protéines non-histone et l’identification de processus cellulaires impliqués dans la réponse à la toxicité de l’U dans le système racinaire. / Plant response and adaptation to metallic stress are involving numerous mechanisms limiting the toxic effect of metals. Although a large number of these mechanisms are well characterized, many processes are in need to be identified in order to have a better understanding of strategies involved in plant response to toxic elements.In first instance, we investigated the role of two post-translational modifications, phosphorylation and methylation of non-histone proteins in response to stress induced by two toxic metals, cadmium and uranium. We analyzed the dynamic of these modifications in three species of Arabidopsis: A. thaliana, A. lyrata two species sensitive to cadmium and A. halleri, a species which naturally tolerate and hyperaccumulate toxic metals in her leaves. By using Western blots and mass spectrometry in parallel, we showed that lysine methylation pattern were changing during metallic stresses. Next, we analyzed the gene expression of enzymes involved in phosphorylation and lysine methylation processes in plants exposed to different adverse conditions. These analyses showed that numerous kinases expressions were differentially regulated in response to metallic stress. Concerning protein lysine methyltransferases, only a few enzymes were differentially regulated. Finally, through a mutant genetic screening we identified two genes coding for protein lysine methyltransferases involved in tolerance to a stress induced by cadmium.Secondly, we studied the physiological and cellular processes involved in the response of A. thaliana root system to uranium. Through the utilization of several reporters and the measure of physiological parameters, we demonstrated that the root architecture was strongly modulated in response to a stress induced by uranium and that in a dose dependent manner. These effects are linked to a cell cycle inhibition and the synthesis and accumulation of reactive oxygen species and nitric oxyde wich participated in the root apex cell death. These changes were associated with perturbation in auxin transport and distribution at the root apex and were temporally correlated to the deposition of defense polymers (callose and lignin) involved in cell proofing and cell wall stiffness. This study is confirming the fact that uranium induced stress is intimately linked to a disruption of phosphate and iron homeostasis. Furthermore, uranium-signaling cascade are sharing a part of the phosphate starvation-signaling cascade.Together, these two studies are revealing mechanisms involved in plant response and adaptation to metallic trace elements through the thin tuning of non-histone methylation and the identification of cellular process involved in the toxicity of uranium in roots.

Proteinmethylierung spielt eine immer größere Rolle in der Regulierung zellulärer Prozesse. Die Entwicklung effizienter proteomweiter Methoden zur Detektion von Methylierung auf Proteinen ist limitiert und technisch schwierig. In dieser Arbeit haben wir einen neuen Hefe-Zwei-Hybrid-Ansatz (Y2H) entwickelt, der Proteine, die miteinander wechselwirken, mit Hilfe von Sequenzierungen der zweiten Generation identifiziert (Y2H-Seq). Der neue Y2H-Seq-Ansatz wurde systematisch mit dem Y2H-Seq-Ansatz verglichen. Dafür wurde ein Bait-Set von 8 Protein-Arginin-Methyltransferasen, 17 Protein-Lysin-Methyltransferasen und 10 Demethylasen gegen 14,268 Prey-Proteine getestet. Der Y2H-Seq-Ansatz ist weniger arbeitsintensiv, hat eine höhere Sensitivität als der Standard Y2H-Matrix-Ansatz und ist deshalb besonders geeignet, um schwache Interaktionen zwischen Substraten und Protein-Methyltransferasen zu detektieren. Insgesamt wurden 523 Wechselwirkungen zwischen 22 Bait-Proteinen und 324 Prey-Pr oteinen etabliert, darunter 11 bekannte Methyltransferasen-Substrate. Netzwerkanalysen zeigen, dass Methyltransferasen bevorzugt mit Transkriptionsregulatoren, DNA- und RNA-Bindeproteinen wechselwirken. Diese Daten repräsentieren das erste proteomweite Wechselwirkungsnetzwerk über Protein-Methyltransferasen und dienen als Ressource für neue potentielle Methylierungssubstrate. In einem in vitro Methylierungsassay wurden exemplarisch mit Hilfe massenspektrometrischer Analysen die methylierten Aminosäurereste einiger Kandidatenproteine bestimmt. Von neun getesteten Proteinen waren sieben methyliert, zu denen gehören SPIN2B, DNAJA3, QKI, SAMD3, OFCC1, SYNCRIP und WDR42A. Wahrscheinlich sind viele Methylierungssubstrate im Netzwerk vorhanden. Das vorgestellte Protein-Protein-Wechselwirkungsnetzwerk zeigt, dass Proteinmethylierung sehr unterschiedliche zelluläre Prozesse beeinflusst und ermöglicht die Aufstellung neuer Hypothesen über die Regulierung Molekularer Mechanismen durch Methylierung. / Protein methylation on arginine and lysine residues is a largely unexplored posttranslational modification which regulates diverse cellular processes. The development of efficient proteome-wide approaches for detecting protein methylation is limited and technically challenging. We developed a novel workload reduced yeast-two hybrid (Y2H) approach to detect protein-protein interactions utilizing second generation sequencing. The novel Y2H-seq approach was systematically evaluated against our state of the art Y2H-matrix screening approach and used to screen 8 protein arginine methyltransferases, 17 protein lysine methyltransferases and 10 demethylases against a set of 14,268 proteins. Comparison of the two approaches revealed a higher sensitivity of the new Y2H-seq approach. The increased sampling rate of the Y2H-seq approach is advantageous when assaying transient interactions between substrates and methyltransferases. Overall 523 interactions between 22 bait proteins and 324 prey proteins were identified including 11 proteins known to be methylated. Network analysis revealed enrichment of transcription regulator activity, DNA- and RNA-binding function of proteins interacting with protein methyltransferases. The dataset represents the first proteome-wide interaction network of enzymes involved in methylation and provides a comprehensively annotated resource of potential new methylation substrates. An in vitro methylation assay coupled to mass spectrometry revealed amino acid methylation of candidate proteins. Seven of nine proteins tested were methylated including SPIN2B, DNAJA3, QKI, SAMD3, OFCC1, SYNCRIP and WDR42A indicating that the interaction network is likely to contain many putative methyltransferase substrate pairs. The presented protein-protein interaction network demonstrates that protein methylation is involved in diverse cellular processes and can inform hypothesis driven investigation into molecular mechanisms regulated through methylation.