Développement racinaire du peuplier en réponse aux signaux fongiques lors de la mise en place de l'ectomycorhize Résumé français : L'interaction précoce entre les racines des arbres et les champignons ectomycorhiziens (CEM) est accompagnée d'une forte stimulation du développement de racines latérales (RLs) de la plante hôte. L'objectif de cette thèse est de décrypter les mécanismes moléculaires impliqués dans le développement des RLs de Populus tremula x Populus alba (espèce mycorhizienne) et d'Arabidopsis thaliana (espèce non-mycorhizienne) en réponse au champignon ectomycorhizien Laccaria bicolor. L'auxine étant considérée comme un élément clef de la régulation du développement des RLs, nous avons focalisé notre étude sur les protéines impliquées dans le transport et la signalisation de cette hormone. Nos résultats moléculaires (NimbleGen microarray, RT-PCR quantitative) illustrent que la présence du champignon altère le gradient auxinique dans les racines via une modification de l'expression de PtaPIN9 (AtPIN2), impliqué dans le transport polarisé de l'auxine. Des analyses de plantes mutantes ont suggéré que la stimulation des RLs lors du contact plante/champignon dépend de ce transporteur ainsi que de la signalisation auxinique dans les racines. Notre étude a été élargie à la recherche de molécules émises par le champignon qui interféraient avec les voies auxiniques de la plante. Nos résultats révèlent l'implication des voies de l'éthylène, des jasmonates, des brassinostéroides et des ROS (Reactive Oxygen Species) pendant l'interaction plante/champignon, suggérant une implication des voies de signalisation dépendantes des stress dans les étapes précoces de l'interaction. Nous proposons que Laccaria bicolor stimulerait le développement des RLs en modifiant la répartition et la signalisation de l'auxine endogène de la racine via les voies de signalisation du stress. / The early phase of the interaction between tree roots and ectomycorrhizal (ECM) fungi is accompanied by a stimulation of lateral root (LR) development. This thesis aims on understanding by which molecular mechanisms the interaction of plant and fungus induces LR stimulation. Therefore the ECM fungus L. bicolor in interaction with one of its mycorrhizal hosts, Populus tremula x Populus alba or with the non-mycorrhizal herbaceous model plant Arabidopsis thaliana was studied. We identified gene networks that regulate LR development during the early signal exchanges between Populus tremula x Populus alba and the ECM fungus Laccaria bicolor. We focussed on auxin transport and signalling pathways, as those are key actors regulating LR development. Experiments with poplar and Arabidopsis transgenic auxin response marker lines revealed that the presence of fungal signalling molecules modified auxin gradients in roots. Using microarray- and quantitative Real-time PCR based transcript profiling of poplar roots we uncovered the accumulation of transcripts of the polar auxin efflux carrier PtaPIN9 as well as of auxin responsive transcription factors. A. thaliana transgenics defective in these targets showed that they are crucial for fungus induced LR stimulation. Finally we identified an involvement of ethylene, jasmonates, brassinosteroids and ROS (Reactive Oxygen Species) signalling during fungal LR induction. These pathways are known to be activated upon stress responses in the plant and to interact with auxin pathways. Together these data show how ECM fungi stimulate LR development in plants by interfering with endogenous auxin-levels, -distribution and -signalling most probably through stress signalling pathways.

Dans l’optique d’une seconde Révolution Verte, visant, à la différence de la première, à accroître les rendements des cultures dans un contexte de faible fertilité, les stratégies mises en place par les plantes pour une assimilation optimale des nutriments du sol se trouvent au cœur du problème. Afin de le résoudre et d’identifier les variétés idéales parmi la diversité génétique des plantes cultivées, les systèmes racinaires, leur développement et leur architecture, sont appelés à jouer le premier rôle. La variabilité au sein des racines latérales semble s’avérer une caractéristique cruciale pour l’optimisation de l’exploration du sol et de l’acquisition de ses ressources mobiles et immobiles, mais ce phénomène est encore mal appréhendé.Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur les racines latérales du maïs (Zea mays L.) dans un effort pour révéler les processus à l’origine des variations intrinsèques dans le développement racinaire. Il s’appuie en particulier sur le phénotypage des racines latérales à une échelle sans précédent, suivant la croissance journalière de milliers d’entre elles à haute résolution spatiale, pour caractériser précisément les variations spatio-temporelles entre et au sein des individus racinaires. Les profils individuels de vitesse de croissance ont été analysés à l’aide d’un modèle statistique qui a identifié trois principales tendances temporelles dans les vitesses de croissance menant à la définition de trois classes de racines latérales avec une vitesse et durée de croissance distinctes. Des différences de diamètre à l’émergence de ces racines (dont l’origine remonte au stade du primordium) conditionnent probablement la tendance ultérieur de croissance mais ne suffisent pas à déterminer le destin de la racine. Finalement, ces classes racinaires sont distribuées aléatoirement le long de la racine primaire, ce qui suggère qu’aucune stimulation ou inhibition locale n’existe entre racines voisines.Pour expliquer l’origine des variations observées dans la croissance, ce travail a été complété par une caractérisation multi-échelle de groupes de racines latérales présentant une croissance distincte, à un niveau cellulaire, anatomique et moléculaire. Un effort particulier a été dirigé à l’analyse des profils de longueur de cellules dans des apex racinaires pour lequel nous avons introduit un modèle de segmentation pour identifier des zones développementales. Grâce à cette méthode, une forte modulation dans la longueur des zones de division et d’élongation a été mise en évidence, en lien avec les variations de la croissance des racines latérales. Le rôle régulateur de l’auxine sur l'équilibre entre les processus de prolifération et d’élongation cellulaire a été montré avec l’utilisation de lignées mutantes. En fin de compte, les variations de la croissance entre racines latérales sont remontées jusqu’à l’allocation d’assimilats carbonés et la capacité de transport de la racine, ce qui suggère l’existence d’un mécanisme de rétroaction qui pourrait jouer un rôle déterminant dans la mise en place de tendances contrastées dans la croissance des racines latérales. / In the perspective of a second Green Revolution, aiming, unlike the first one, to enhance yields of crops in a low fertility context, the strategies used by plants for an optimal uptake of soil nutrients are at the core of the problem. To solve it and identify ideal breeds among the genetic diversity of crops, plant root systems, their development and their architecture, are called upon to play the leading role. The variability among secondary roots appears as a crucial feature for the optimality of soil exploration and acquisition of mobile and immobile resources, but this phenomenon remains poorly understood. The work presented in this thesis focuses on the lateral roots of maize (Zea mays L.) and attempts to unravel the processes at the origin of intrinsic variations in lateral root development. It relies notably on the phenotyping of individual lateral roots at an unprecedented scale, tracking the daily growth of thousands of them at a high spatial resolution, in order to characterize precisely the spatio-temporal variations existing both between and within root individuals. Individual growth rate profiles were analyzed with a statistical model that identified three main temporal trends in growth rates leading to the definition of three lateral root classes with contrasted growth rates and growth duration. Differences in lateral root diameter at root emergence (originating at the primordium stage) were likely to condition the followed growth trend but did not seem enough to entirely determine lateral root fate. Lastly, these lateral root classes were randomly distributed along the primary root, suggesting that there is no local inhibition or stimulation between neighbouring lateral roots. In order to explain the origin of the observed differences in growth behaviour, we complemented our study with a multi-scale characterization of groups of lateral roots with contrasted growth at a cellular, anatomical and molecular level. A particular focus is set on the analysis of cell length profiles in lateral root apices for which we introduced a segmentation model to identify developmental zones. Using this method, we evidenced strong modulations in the length of the division and elongation zones that could be closely related to variations in lateral root growth. The regulatory role of auxin on the balance between cellular proliferation and elongation processes is demonstrated through the analysis of mutant lines. Ultimately, variations in lateral root growth are traced back to the allocation of carbon assimilates and the transport capacity of the root, suggesting that a feedback control loop mechanism could play a determinant role in the setting out of contrasted lateral root growth trends.

Chez les eucaryotes, plusieurs protéines liant l'ARN ou RBPs agissent sur l'ARNm à différents niveaux, de l'épissage à la traduction. Récemment, un grand nombre d’ARN non-codant des protéines (npcRNAs) ont été identifiés chez les eucaryotes et ont été montré comme interagissant avec une variété de ribonucléoprotéines (RNP) pour contrôler l'expression des gènes au niveau post-transcriptionnel. Nous avons identifié une Nuclear-Speckle RBP (ou NSR) qui interagit avec le npcRNA, ENOD40, un lncARN qui s'accumule au cours de la formation des racines latérales et des nodules chez les légumineuses. Durant cette thèse nous avons analysé le rôle des NSR d’Arabidopsis thaliana ainsi que leur lien avec les npcARN.Deux gènes AtNSRs homologues existent chez Arabidopsis nommés NSRa et NSRb, ces gènes codent des protéines localisées dans des speckles nucléaires avec certaines protéines apparentées à l’épissage. Fait intéressant, les fusions AtNSR-GFP sont relocalisées dans des granules cytoplasmiques dans certaines cellules des racines différenciées ainsi que lors d’une co-expression éctopique de ENOD40. Le gène AtNSRb est régulé par l'auxine alors AtNSRa est constitutif. Les simples mutants Atnsr ne montrent pas de phénotype, mais la croissance des racines des doubles mutants est partiellement insensible à l'auxine, ce qui suggère une fonction redondante de ces protéines dans les racines. La localisation observée pour ces protéines nous a mené à explorer un rôle des NSRs dans l’épissage, nous avons donc analysé le profil d'épissage de 288 gènes en réponse à l'auxine chez Arabidopsis et comparé ces profils entre le WT et les mutants nsra/nsrb. Tout d’abord nous avons remarqué que l’épissage général ne variait pas, en revanche, l’analyse de 288 gènes alternativement épissés montre que le profil d'épissage de 77 gènes semble être modifié durant la réponse à l'auxine et 51 gènes nécessitent les protéines AtNSR pour ce changement. Afin de vérifier l’interaction des NSRs avec les cibles d’AS et avec les npcARN nous avons co-immunoprécipité les NSRs et nous avons identifié au moins 5 cible d’AS et 2 npcARN. L’expression de l’ARN ENOD40 ainsi que du partenaire npcARN module L’AS chez Arabidopsis. Dans un deuxième chapitre, nous avons exploré le rôle des NSRs dans le PTGS déclenché par un transgène contenant un intron ce qui nous a permis de lier l’épissage alternatif et le silencing. Nous proposons donc que les NSRs pourraient lier l’épissage alternatif et l’action des ARN non codants, notamment lors de la croissance de la racine. / In eukaryotes, several RNA binding proteins (RBPs) act on mRNA at various levels from splicing to translation. Recently a large number of non-protein coding RNAs (npcRNAs) have been identified in eukaryotes and shown to integrate into a variety of ribonucleoproteins (RNP) to control posttranscriptional gene expression. Our laboratory has identified a plant Nuclear-Speckle RBP (or NSR) that interacts with an npcRNA, ENOD40 that accumulates during lateral root and nodule formation in legumes. NSR is relocalised into a cytoplasmic RNP in the ENOD40-expressing cells. During this PhD, we have analysed the role of NSRs in Arabidopsis thaliana and its link with npcRNAs. Two AtNSR homologs from Arabidopsis thaliana, named AtNSRa and AtNSRb, code for proteins also localised in nuclear speckles together with certain splicing-related proteins. Interestingly, AtNSR-GFP fusions are relocalised into cytoplasmic granules in certain differentiated root cells and by ectopic expression of the ENOD40 RNA. The AtNSRb gene is regulated by auxin whereas AtNSRa is constitutive. Root growth and lateral root formation of double nsra/nsrb mutants is partially insensitive to auxin. The localisation of these proteins prompted us to explore roles in splicing. No defects in general splicing were observed however analysis of 288 alternatively spliced genes in WT and nsra/nsrb roots in response to auxin revealed 77 changes in splicing profiles in response to auxin from which 51 required AtNSRs. In order to validate the interaction of NSRs with alternatively spliced mRNAs and npcRNAs, we have co-immunoprecipitated NSRs and identified at least 5 interacting alternatively spliced mRNAs and 2 npcRNAs. Expression of the ENOD40 RNA or one interacting ncRNA modulate alternatively splicing in Arabidopsis. In a second chapter, we explored the role of NSRs in the modulation of PTGS triggered by intron-containing transgenes allowing us to link alternatively splicing and silencing. We propose that NSRs may link alternative splicing and the action of non-coding RNA, notably during root growth and development.