La paroi des cellules végétales subit des modifications afin de s'assouplir ou de se rigidifier selon les besoins de la plante. Cette paroi est une structure complexe, composée de cellulose, d'hémicellulose et de pectines. Les modifications subies par les pectines au cours de l'élongation cellulaire sont encore assez peu caractérisées. Dans ce contexte, le but de ce projet est d'étudier le rôle de deux polygalacturonases (PG) dans le développement racinaire de la plante modèle A. thaliana. Les PG sont des enzymes de dégradation des homogalacturonanes (HG), le composant pectique majoritaire de la paroi primaire. Notrehypothèse est que les PG dégradent partiellement les HG des parois longitudinales des cellules racinaires en élongation. Cette dégradation engendrerait un assouplissement pariétal localisé, permettant la croissance anisotropique des cellules. Nos résultats indiquent que les gènes des deux PG étudiées, nommés PG ROOT APICAL MERISTEM (PG RAM) et PG ROOT (PG R) sontexprimés de façon complémentaire dans la racine, l'un dans le méristème racinaire (PG RAM), et l'autre dans la zone d'élongation et de différenciation (PG R). De plus, la sur-expression de la protéine PG R entraine une augmentation de l’élongation des hypocotyles étiolés, ainsi qu'une augmentation de la densité de racines latérales par rapport au sauvage, démontrant son rôle dans le développement racinaire et dans l'allongement cellulaire. Enfin, nous avons démontré que l'expression des gènes de ces PG était contrôlée de façon différentielle par les facteurs de transcription de la famille PLETHORA (PLT). / Plant cell wall structure is modified to control its stiffness or flexibility according to plant’s requirements. The cell wall is a complex structure, composed of cellulose, hemicelluloses and pectins. Pectin modifications during cellular elongation are not very well characterized. In this context, the aim of this project is to study the roles of two polygalacturonases (PG) in the root development on the model plant A. thaliana. PG are homogalacturonans (HG) degradation enzymes, HG being the major pectic component of the primary cell wall. This degradation would lead to a local parietal relaxation, allowing anisotropic growth of the cells. Our results show that the two studied PG, named PG ROOT APICAL MERISTEM (PG RAM) and PG ROOT (PG R), are expressed in complementary areas of the root, either in the root apical meristem (PG RAM) or in the elongated and differenciated root tissues (PG R). Furthermore, the over-expression of PG R results in longer etiolated hypocotyls and increases root density when compared to wild-type, demonstrating its function in root development and in cell elongation. Finally, we demonstrated that expression of these two PG genes is under the control of PLETHORA (PLT) family transcription factors, by differentially ways

Durante esse trabalho de pesquisa verificou-se que a aquisição de competência para conversão de ápices radiculares de Catasetum fimbriatum em gemas caulinares aumentava à medida que as plantas envelheciam. Esse processo esteve relacionado ao estabelecimento do crescimento determinado das raízes e com a parada da atividade e re-organização estrutural do meristema apical radicular (MAR). Este, quando ainda jovem e destituído de competência para a conversão em gemas, apresentava uma organização do tipo fechada, ao passo que em estágios avançados do envelhecimento este padrão transformou-se em um tipo aberto, marcado pela diferenciação e predominância de células parenquimáticas. Tais alterações, aparentemente, ocorreram com a concomitante perda das características e funções do centro de quiescente (CQ). De maneira complementar, constatou-se que a aquisição de competência do MAR para conversão em gemas estava correlacionada a uma série de alterações metabólicas, as quais, supostamente, participaram de uma condição fisiológica favorável a esse processo. Com base no conjunto de dados obtidos, pode-se observar que os teores endógenos de importantes participantes na progressão de divisões celulares, tais como auxinas, citocininas e formas reduzidas de ascorbato e glutationa tenderam a diminuir durante o envelhecimento das raízes. Por outro lado, durante esse mesmo período, o conteúdo de alguns hormônios envolvidos na sinalização de condições de estresse ou diferenciação celular, tais como etileno, ácido abscísico e giberelinas tenderam a aumentar. As concentrações relativas de importantes sinalizadores secundários, tais como óxido nítrico e cálcio citossólico também apresentaram aumento conspícuo na região do MAR durante o envelhecimento. Agregando elementos a estas constatações, verificou-se que o transporte polar de auxina seria um importante sinal posicional para a manutenção das características e função do MAR, uma vez que o seu bloqueio em plantas jovens foi suficiente para causar a aquisição da competência do MAR, no entanto, o processo de conversão não era consolidado enquanto os ápices radiculares permaneceram ligados às plantas. A aplicação de etileno em plantas jovens, por sua vez, desencadeou efeitos similares; no entanto, além de induzir a competência, esse hormônio também proporcionou a conversão dos MARs em gemas via aumento nos teores endógenos de citocininas. O tratamento de ápices radiculares jovens com diferentes tipos de citocininas revelaram que citocininas do tipo isopenteniladenina (iP e iPR) mostraram-se mais de perto relacionadas à retenção de características radiculares, ao passo que as do tipo zeatina (Z e ZR) apresentou maior influência e presença em condições em que as características radiculares foram perdidas. Por outro lado, a aplicação de substâncias moduladoras do balanço redox em ápices radiculares jovens mostrou que o estresse oxidativo proporcionou a aquisição de competência do MAR para conversão em gemas. Essa mesma tendência foi observada com a aplicação de concentrações relativamente elevadas de substâncias indutoras da elevação dos teores de óxido nítrico e cálcio citossólico nos tecidos. Os ápices radiculares com competência parcialmente estabelecida, analisados logo nas primeiras horas após o isolamento, revelaram que sua separação da planta-mãe acelerava as mudanças morfológicas que naturalmente ocorrem no MAR em estágios avançados do envelhecimento. Durante esse mesmo período, verificou-se uma queda rápida nos teores endógenos de citocininas (principalmente do tipo iP), proporcionando a predominância de citocininas do tipo Z durante a maior parte do primeiro dia de isolamento dos explantes, a qual coincidiu com a mudança no padrão de organização do MAR do tipo intermediário-aberto para o totalmente aberto. O avanço das modificações no ápice radicular após esse período desencadeou o estabelecimento do meristema caulinar, cujo evento esteve relacionado a uma tendência de aumento nos teores de citocininas e de ascorbato após o primeiro dia de isolamento. Dessa forma, os estágios mais avançados do envelhecimento radicular, bem como a separação de ápices radiculares com competência parcialmente estabelecida, parecem desencadear e aumentar a competência do MAR para conversão por meio de modificações morfológicas e fisiológicas muito similares nos ápices radiculares. Essas alterações envolveram a perda das características radiculares, a qual parece depender de alterações no controle exercido pelo CQ sobre o desenvolvimento das demais células no MAR. Esses eventos na região do CQ se revelaram condição sine qua non para a complementação da aquisição de competência do MAR, sendo esta dependente da intensidade das perturbações sobre o controle da organização do MAR. Dessa forma, a conversão do meristema apical radicular de C. fimbriatum em gemas caulinares parece decorrer da formação de um novo grupo de células na antiga região do CQ do MAR alterado. Essas células pareceram competentes para responder a diferentes estímulos que as direcionariam a uma nova rota do desenvolvimento que, nesse caso, seria o estabelecimento de um meristema caulinar com conseqüente desenvolvimento de uma gema vegetativa. / During this research work, it was noticed that competence acquisition for the conversion of Catasetum fimbriatum root tips into buds was related to the plant ageing. This process seems to be coupled with the establishment of the determinate root growth and with the cessation in the activity and structural re-organization of the root apical meristem (RAM). Young and non-competent root tips showed a closed RAM architecture, and the ageing process stimulated the establishment of an open organization in the RAM, as indicated by a higher level of differentiation and a predominance of parenchymatic cells in the old root apices. These alterations were concomitant with the modifications on the characteristics and functions of quiescent center (QC). In agreement with these observations, the competence acquisition to the conversion of the MAR into buds was linked to a series of metabolic alterations, which probably play a role in this process. Based on the data obtained, it was observed that the endogenous levels of important components of the cell division progression, such as auxins, cytokinins and the reduced forms of ascorbate and glutathione showed a tendency of decrease during the root ageing. On the other hand, during this same period, the content of some hormones involved in signalling events of stress conditions or cellular differentiation, such as ethylene, abscisic acid and gibberellins exhibited a pattern of increase. The relative concentrations of important second messengers, such as nitric oxide and cytosolic calcium also displayed a marked increased in the RAM region during the ageing. Additionally, it was noticed that the auxin polar transport represents an important positional signal for the maintenance of the RAM characteristics and functions, once treatments that blocked the transport of this hormone promoted the MAR competence acquisition even in young plants, although, the conversion process did not complete while the root tips were maintained attached to the plants. The treatment of young plants with ethylene, on the contrary, caused similar effects; however, besides inducing the competence, this hormone also promoted the RAM conversion into buds via the elevation in the endogenous levels of cytokinins. The treatment of young root tips with different types of cytokinins indicated that iP-type cytokinins (iP and iPR) were more closely associated to the preservation of the root characteristics, while the Z-type cytokinins (Z and ZR) showed a higher importance when the root characteristics were lost. Furthermore, the treatment of young root apices with compounds that cause alterations in the cellular redox status indicated that the oxidative stress stimulated the competence acquisition for the RAM conversion into buds. This same tendency was observed with the application of relatively high concentrations of compounds that induce elevations in the levels of nitric oxide and cytosolic calcium in the tissues. The analyses carried out during the first hours after the isolation of partially competent root apices indicated that the detachment of the root tips from the original plants accelerated the morphological modifications that naturally occur at advanced stages of ageing. During this same period, it was observed a rapid decrease in the endogenous levels of cytokinins (specially of the iP-type), leading to a predominance of the Z-type cytokinins during the first day after the isolation of the explants, which coincided with the alteration of the RAM architecture from the intermediate-open type to the completely open type. After the first day of isolation, the progress in the root apices modifications resulted in the establishment of the shoot meristem, which was accompanied by an elevation in the endogenous levels of cytokinins and ascorbate. Therefore, advanced stages of root ageing, as well the isolation of the partially competent root apices, seem to increase the competence for the RAM conversion into buds via similar morphological and physiological changes in the root apices. These alterations involved the loss of the root characteristics, which possibly resulted from modifications in the control of the QC on the development of the other cells in the RAM. These events in the QC represent a sine qua non condition for the completion of the MAR competence acquisition, which is affected by the intensity of the perturbations on the control of the RAM organization. Therefore, the conversion of root apical meristem of C. fimbriatum into buds probably results from the formation of a new group of cells in the region of the QC of the altered RAM. These cells seem to be competent to respond to different stimulus that would directionate them to a new developmental route that, in this case, consists in the establishment of a shoot meristem.

Durante esse trabalho de pesquisa verificou-se que a aquisição de competência para conversão de ápices radiculares de Catasetum fimbriatum em gemas caulinares aumentava à medida que as plantas envelheciam. Esse processo esteve relacionado ao estabelecimento do crescimento determinado das raízes e com a parada da atividade e re-organização estrutural do meristema apical radicular (MAR). Este, quando ainda jovem e destituído de competência para a conversão em gemas, apresentava uma organização do tipo fechada, ao passo que em estágios avançados do envelhecimento este padrão transformou-se em um tipo aberto, marcado pela diferenciação e predominância de células parenquimáticas. Tais alterações, aparentemente, ocorreram com a concomitante perda das características e funções do centro de quiescente (CQ). De maneira complementar, constatou-se que a aquisição de competência do MAR para conversão em gemas estava correlacionada a uma série de alterações metabólicas, as quais, supostamente, participaram de uma condição fisiológica favorável a esse processo. Com base no conjunto de dados obtidos, pode-se observar que os teores endógenos de importantes participantes na progressão de divisões celulares, tais como auxinas, citocininas e formas reduzidas de ascorbato e glutationa tenderam a diminuir durante o envelhecimento das raízes. Por outro lado, durante esse mesmo período, o conteúdo de alguns hormônios envolvidos na sinalização de condições de estresse ou diferenciação celular, tais como etileno, ácido abscísico e giberelinas tenderam a aumentar. As concentrações relativas de importantes sinalizadores secundários, tais como óxido nítrico e cálcio citossólico também apresentaram aumento conspícuo na região do MAR durante o envelhecimento. Agregando elementos a estas constatações, verificou-se que o transporte polar de auxina seria um importante sinal posicional para a manutenção das características e função do MAR, uma vez que o seu bloqueio em plantas jovens foi suficiente para causar a aquisição da competência do MAR, no entanto, o processo de conversão não era consolidado enquanto os ápices radiculares permaneceram ligados às plantas. A aplicação de etileno em plantas jovens, por sua vez, desencadeou efeitos similares; no entanto, além de induzir a competência, esse hormônio também proporcionou a conversão dos MARs em gemas via aumento nos teores endógenos de citocininas. O tratamento de ápices radiculares jovens com diferentes tipos de citocininas revelaram que citocininas do tipo isopenteniladenina (iP e iPR) mostraram-se mais de perto relacionadas à retenção de características radiculares, ao passo que as do tipo zeatina (Z e ZR) apresentou maior influência e presença em condições em que as características radiculares foram perdidas. Por outro lado, a aplicação de substâncias moduladoras do balanço redox em ápices radiculares jovens mostrou que o estresse oxidativo proporcionou a aquisição de competência do MAR para conversão em gemas. Essa mesma tendência foi observada com a aplicação de concentrações relativamente elevadas de substâncias indutoras da elevação dos teores de óxido nítrico e cálcio citossólico nos tecidos. Os ápices radiculares com competência parcialmente estabelecida, analisados logo nas primeiras horas após o isolamento, revelaram que sua separação da planta-mãe acelerava as mudanças morfológicas que naturalmente ocorrem no MAR em estágios avançados do envelhecimento. Durante esse mesmo período, verificou-se uma queda rápida nos teores endógenos de citocininas (principalmente do tipo iP), proporcionando a predominância de citocininas do tipo Z durante a maior parte do primeiro dia de isolamento dos explantes, a qual coincidiu com a mudança no padrão de organização do MAR do tipo intermediário-aberto para o totalmente aberto. O avanço das modificações no ápice radicular após esse período desencadeou o estabelecimento do meristema caulinar, cujo evento esteve relacionado a uma tendência de aumento nos teores de citocininas e de ascorbato após o primeiro dia de isolamento. Dessa forma, os estágios mais avançados do envelhecimento radicular, bem como a separação de ápices radiculares com competência parcialmente estabelecida, parecem desencadear e aumentar a competência do MAR para conversão por meio de modificações morfológicas e fisiológicas muito similares nos ápices radiculares. Essas alterações envolveram a perda das características radiculares, a qual parece depender de alterações no controle exercido pelo CQ sobre o desenvolvimento das demais células no MAR. Esses eventos na região do CQ se revelaram condição sine qua non para a complementação da aquisição de competência do MAR, sendo esta dependente da intensidade das perturbações sobre o controle da organização do MAR. Dessa forma, a conversão do meristema apical radicular de C. fimbriatum em gemas caulinares parece decorrer da formação de um novo grupo de células na antiga região do CQ do MAR alterado. Essas células pareceram competentes para responder a diferentes estímulos que as direcionariam a uma nova rota do desenvolvimento que, nesse caso, seria o estabelecimento de um meristema caulinar com conseqüente desenvolvimento de uma gema vegetativa. / During this research work, it was noticed that competence acquisition for the conversion of Catasetum fimbriatum root tips into buds was related to the plant ageing. This process seems to be coupled with the establishment of the determinate root growth and with the cessation in the activity and structural re-organization of the root apical meristem (RAM). Young and non-competent root tips showed a closed RAM architecture, and the ageing process stimulated the establishment of an open organization in the RAM, as indicated by a higher level of differentiation and a predominance of parenchymatic cells in the old root apices. These alterations were concomitant with the modifications on the characteristics and functions of quiescent center (QC). In agreement with these observations, the competence acquisition to the conversion of the MAR into buds was linked to a series of metabolic alterations, which probably play a role in this process. Based on the data obtained, it was observed that the endogenous levels of important components of the cell division progression, such as auxins, cytokinins and the reduced forms of ascorbate and glutathione showed a tendency of decrease during the root ageing. On the other hand, during this same period, the content of some hormones involved in signalling events of stress conditions or cellular differentiation, such as ethylene, abscisic acid and gibberellins exhibited a pattern of increase. The relative concentrations of important second messengers, such as nitric oxide and cytosolic calcium also displayed a marked increased in the RAM region during the ageing. Additionally, it was noticed that the auxin polar transport represents an important positional signal for the maintenance of the RAM characteristics and functions, once treatments that blocked the transport of this hormone promoted the MAR competence acquisition even in young plants, although, the conversion process did not complete while the root tips were maintained attached to the plants. The treatment of young plants with ethylene, on the contrary, caused similar effects; however, besides inducing the competence, this hormone also promoted the RAM conversion into buds via the elevation in the endogenous levels of cytokinins. The treatment of young root tips with different types of cytokinins indicated that iP-type cytokinins (iP and iPR) were more closely associated to the preservation of the root characteristics, while the Z-type cytokinins (Z and ZR) showed a higher importance when the root characteristics were lost. Furthermore, the treatment of young root apices with compounds that cause alterations in the cellular redox status indicated that the oxidative stress stimulated the competence acquisition for the RAM conversion into buds. This same tendency was observed with the application of relatively high concentrations of compounds that induce elevations in the levels of nitric oxide and cytosolic calcium in the tissues. The analyses carried out during the first hours after the isolation of partially competent root apices indicated that the detachment of the root tips from the original plants accelerated the morphological modifications that naturally occur at advanced stages of ageing. During this same period, it was observed a rapid decrease in the endogenous levels of cytokinins (specially of the iP-type), leading to a predominance of the Z-type cytokinins during the first day after the isolation of the explants, which coincided with the alteration of the RAM architecture from the intermediate-open type to the completely open type. After the first day of isolation, the progress in the root apices modifications resulted in the establishment of the shoot meristem, which was accompanied by an elevation in the endogenous levels of cytokinins and ascorbate. Therefore, advanced stages of root ageing, as well the isolation of the partially competent root apices, seem to increase the competence for the RAM conversion into buds via similar morphological and physiological changes in the root apices. These alterations involved the loss of the root characteristics, which possibly resulted from modifications in the control of the QC on the development of the other cells in the RAM. These events in the QC represent a sine qua non condition for the completion of the MAR competence acquisition, which is affected by the intensity of the perturbations on the control of the RAM organization. Therefore, the conversion of root apical meristem of C. fimbriatum into buds probably results from the formation of a new group of cells in the region of the QC of the altered RAM. These cells seem to be competent to respond to different stimulus that would directionate them to a new developmental route that, in this case, consists in the establishment of a shoot meristem.

La capacité d’une plante à réguler sa croissance racinaire est une composante importante de l’acclimatation aux stress environnementaux. A l’échelle cellulaire, cette régulation est effectuée via le contrôle de la division et de l’élongation des cellules mais les rôles respectifs de chaque processus et leurs interactions sont peu connus. Notamment, l’activité de production de cellules du méristème apical racinaire (RAM) est trop souvent négligée. Dans cette thèse, l’analyse spatiale de la croissance le long de l’apex racinaire et l’analyse temporelle des trajectoires de croissance des cellules ont été couplées pour comprendre les liens existants entre division et élongation cellulaire. Pour cela, j’ai développé un système de phénotypage de la croissance à haute résolution spatio-temporelle qui a été appliqué à l’étude de racines d’un peuplier euraméricain (Populus deltoides × Populus nigra) en réponse à différents stress (stress osmotique, impédance mécanique). Une forte variabilité du taux de croissance racinaire entre individus ainsi que des variations individuelles cycliques de la croissance ont été observées malgré des conditions environnementales contrôlées. L’utilisation de cette variabilité couplée à la quantification de l’activité du RAM a mis en évidence l’importance du taux de production de cellules pour soutenir la croissance racinaire. Ces travaux analysent une nouvelle échelle de variations spatiales et temporelles de la croissance peu prise en compte jusqu’à présent. Hautement applicable à d’autres questions scientifiques, l’analyse du devenir des cellules une fois sortie du RAM est également discutée pour des conditions de croissance non stables / Regulation of root growth is a crucial capacity of plants for acclimatization to environmental stresses. At cell scale, this regulation is controlled through cell division and cell elongation but respective importance of these processes and interactions between them are still poorly known. Notably, the cell production activity of the root apical meristem (RAM) is often excluded. During this thesis, spatial analyses of growth along the root apex were coupled with temporal analyses of cell trajectories in order to decipher the links between cell division and cell elongation. This required the setup of a system for phenotyping root growth at a high spatiotemporal resolution which was applied to study the growth of roots from an euramerican poplar (Populus deltoides × Populus nigra) in response to different environmental stresses (osmotic stress or mechanical impedance). An important variability of root growth rate between individuals as well as individual cyclic variations of growth along time were observed despite tightly controlled environmental conditions. Use of this variability coupled with quantification of the RAM activity led us to a better understanding of the importance of the cell production rate for sustaining root growth. This work analyses a new spatiotemporal scale of growth variability poorly considered. Widely applicable to others scientific questioning, temporal analyses of cell fate once produced in the RAM is also discussed for non-steady growth conditions