Les Formes Réactives de l'Oxygène (FRO) regroupent des molécules comme les radicaux superoxide ($O_2^{\bullet -}$)et hydroxyle ($HO^\bullet$) ou le peroxyde d'hydrogène ($H_2O_2$) produites au sein des cellules en aérobiose. Malgré des systèmes de défense, des FRO peuvent réagir fortuitement avec des protéines, des lipides ou l'ADN provoquant des dommages cellulaires dont les mécanismes ne sont pas encore entièrement élucidés. Afin d'appréhender ce``stress oxydant'', cette thèse présente des simulations numériques de la dynamique de FRO en utilisant la bactérie E. coli comme organisme modèle. Dans un premier temps, les simulations numériques sont réalisées de façon déterministe sur un ensemble de cellules. L'étude de la mortalité de E. coli exposé à $H_2O_2$ montre que le fer intracellulaire libre et la densité cellulaire, deux facteurs potentiellement impliqués dans la dynamique des FRO, jouent un rôle primordial dans l'interprétation expérimentale comme par exemple le comportement bi-modal de E. coli opposé à $H_2O_2$. Nous avons également évalué les rôles relatifs des principales défenses mises en place contre $H_2O_2$ à savoir la membrane cellulaire et les enzymes. Une étude détaillée indique que leur implication dépend non linéairement de la concentration en $H_2O_2$.Dans une seconde approche nous réduisons l'échelle d'étude pour nous ramener à la cellule unique dans les conditions physiologiques. Il apparaît ainsi que la stochasticité intrinsèque des réactions chimiques associées aux FRO permet à certaines bactéries de se différencier en vue d'un futur stress. / The Reactive Oxygen Species (ROS) are molecules (superoxide $O_2^{\bullet -}$, hydrogen peroxide $H_2O_2$ and hydroxyl radical $HO^\bullet$) generated in living cells as a consequence of aerobic life. They are partially eliminated by scavenging systems. Nevertheless, ROS can unfortunately react with cellular proteins, lipids or DNA leading to cell damage. The mechanisms of such lesions is still being studied: we are talking about``oxidative stress''. Using Escherichia coli as a model organism this thesis is concerned with the numerical simulation of ROS dynamics.In the first part of this work, simulations were performed in a deterministic way to predict the behaviour of a set of cells. By studying killing of E. coli by exposure to $H_2O_2$, we show that intracellularavailable iron and cell density, two factors potentially involved in ROSdynamics, play a major role in the prediction of experimental results in particular in bimodal cell killing.We then evaluate the relative roles of major defences against $H_2O_2$. Although the key actors in celldefence are enzymes and membrane, a detailed analysisshows that their involvement depends on the $H_2O_2$ concentration level. In the second part, we study more closely the fate of the single cell with a stochastic point of view in physiological conditions.We show that elementary chemical stochasticity allows bacteria to segregate specialized cells in prevision of possible stress challenge. Actually, whereas ROS distribution does not activate defence regulation without exogenous stress, we demonstrate that this distribution may activate DNA repair mechanisms.

La biologie moléculaire repose sur des bases déterministes qui ont longtemps été fécondes mais sont désormais un handicap pour la compréhension des phénomènes biologiques. Le déterminisme en génétique est un concept robuste mais dont les fondations apparaissent de plus en plus fragiles, notamment le concept de spécificité et l'importance centrale accordée au génome. À partir de ces constats, nous faisons une proposition théorique. Nous proposons une nouvelle grille de lecture des relations intercellulaires, que nous appelons endodarwinienne. Il s'agit de postuler que les cellules ont un comportement aléatoire a priori, notamment dans leur expression génétique et que seules celles qui adoptent un profil d'expression adapté à leur environnement sont dans un second temps sélectionnées. Dans ce modèle, les cellules ne répondent pas à des "signaux" de manière prévisible. Dans une large mesure, les cellules sont mues par leur intérêt immédiat. Ce modèle est une réponse à la crise du déterminisme car il rend inutile de postuler une spécificité des interactions moléculaires, et permet de sortir de la notion rigide de "programme génétique", sans pour autant nier le rôle évident des gènes. Il y a un paradoxe à proposer que des phénomènes reproductibles soient fondés sur des dynamiques stochastiques, c'est pourquoi nous cherchons à montrer que ce paradoxe n'est qu'apparent, que l'aléa de réactions individuelles est précisément une force structurante, et que l'approche probabiliste englobe l'approche déterministe. Une synthèse de données expérimentales met en évidence l'importance sous-évaluée de la variabilité intercellulaire de l'expression génétique, dans des situations très diverses. Dans celles-ci, de toute évidence, des cellules clonales se comportent de manière aléatoire et ne répondent pas de manière homogène à des signaux. Cette variabilité peut être la base d'une sélection. Par ailleurs, des données récentes confirment que la dynamique même des échanges moléculaires au sein du noyau rend nécessaire d'intégrer comme un acquis la dimension intrinsèquement stochastique de l'expression génétique, qui provoque ainsi une variété phénotypique. Le développement embryonnaire, classiquement envisagé comme la concrétisation d'un programme génétique à l'œuvre, peut être abordé selon une logique endodarwinienne. Le déterminisme y est très relatif, les devenirs cellulaires sont très plastiques, et les signaux échangés par les cellules semblent souvent pouvoir être étudiés sous l'angle d'une relation trophique. L'apoptose, souvent appelée mort programmée, ne semble pas pourtant répondre de manière satisfaisante à cette caractérisation. Cependant il peut sembler contradictoire, dans l'approche endodarwinienne, que des cellules engagent leur propre destruction. Des observations montrent que malgré les apparences, ce phénomène avéré ne contredit pas l'approche endodarwinienne. Pour tester les hypothèses endodarwiniennes, il faut en passer par une étude sur cellules isolées car travailler sur des populations cellulaires provoque des effets de moyenne qui masquent la variabilité intercellulaire. Des techniques d'études de l'expression génétique sur cellules isolées existent. Parmi celles-ci, une adaptation particulière de la RT-PCR, l'amplification par l'extrémité 3' (TPEA) a été simplifiée et rationalisée pour être compatible avec une approche globale. Les premiers résultats issus de ce travail de mise au point, quoique préliminaires, peuvent déjà être lus selon une grille sélective plutôt qu'instructive et confirment l'existence d'une expression aléatoire des gènes. Une autre approche possible est celle de l'étude des variations de la méthylation des gènes, que l'on sait corrélée à des variations d'expression. Au cours d'une cinétique de différenciation, un gène est étudié sous cet angle et révèle une variabilité importante, dans le temps et de cellule à cellule. Par ailleurs, le profil de différentes sous populations au cours de cette cinétique va dans le sens d'une expression aléatoire et d'une sélection des cellules ayant le profil adapté. Ces approches expérimentales et bibliographiques incitent à penser que la proposition théorique initiale est pertinente, économe et généralisable, même si, bien sûr, la question reste ouverte.

La course à la miniaturisation des dispositifs oblige les industriels a développé sans cesse de nouvelles technologies de gravure afin de contourner les limites imposées par les procédés plasmas continus CW à haute densité. Parmi ces nouvelles technologies on trouve, les plasmas pulsés en impulsion courtes introduits depuis une dizaine d’année et le procédé de gravure cyclée développé très récemment par Applied Materials. Ces deux types de procédés de gravure présentent la caractéristique d’avoir un faible flux d’ions. Au premier abord, cette faible densité d’ions énergétiques permet la diminution des défauts induits par les ions. Cependant, un problème se pose lorsque le nombre d’ions impactant la surface devient trop faible (moins de 1 ions/site atomique/s). Ce travail de thèse se concentre donc ici sur l’étude de l’impact de la stochasticité du bombardement ionique sur l’état de la surface dans les deux procédés de gravure utilisés. Dans un premier temps, nous avons focalisé notre travail sur l’interaction entre les plasmas pulsés de chlore puis d’HBr et le silicium. A faible rapport de cycle, une très forte rugosité de surface a été observée sans lien avec un phénomène de micro-masquage. Des diagnostics plasma ont révélés que la présence d’un très faible flux d’ions énergétique couplé avec forte réactivité chimique engendre une forte augmentation du taux de gravure créant ainsi la rugosité de surface. Dans un second temps, l’étude du plasma capacitif d’hydrogène utilisé pour la modification du SiN durant le procédé de gravure cyclée a montré après retrait de la couche modifiée en plasma délocalisé, la présence d’une rugosité de surface au sommet des espaceurs nitrure qui n’est pas acceptable pour l’application du « simplified quadruple patterning ». Une étude paramétrique de l’état de surface a permis de mettre en évidence l’impact direct de la faible quantité d’ions H+ reçue par le matériau et la rugosité observée. La stochasticité du bombardement ionique implique donc une modification inhomogène du SiN qui est révélée lors de la phase de retrait et amplifiée au cours des cycles générant une rugosité de surface.Mots-clés : Microélectronique, procédés de gravure, plasma, stochasticité, ions. / The microelectronics industry is more and more challenged by the miniaturization of devices thus constantly constrained to develop new plasma etching technologies and to overcome limits imposed by CW plasma processes. Among, these new technologies, there are pulsed plasmas and the cycled etching process developed by Applied Materials. A characteristic of these processes is to work with very low flux of ions. However, a problem arises when the number of ions impacting the surface becomes too small (less than 1 ion/atomic site/second). Thus this work focuses on the study of the impact of the stochasticity of ion bombardment on the surface state in two etching processes. In a first part of our work, we studied the interaction between pulsed plasmas of chlorine and silicon. Similarly the effect of pulsed plasmas of HBr was also investigated. At a low duty cycle, a very high surface roughness was observed, unrelated to a micro-masking phenomenon. Under these experimental conditions, plasma diagnostics were carried out to measure the flux of energetic ions and the flux of neutrals. In this way, we highlighted that a very low flux of energetic ions and a high ratio neutrals/ions lead to high chemical reactivity. It results in the creation of a strong surface roughness. In a second part of our work, we studied the modification of SiN layers during the cyclic etching process using capacitive hydrogen plasma. After removal of the modified layer in remote plasma, we brought out the presence of a surface roughness at the top of the nitride spacer. Our parametric study of the surface state highlighted the correlation between the low fluence of hydrogen ions received by the material and the surface roughness. Thus, the stochasticity of ion bombardment implies an inhomogeneous modification of the SiN which is revealed by the remote plasma and amplified during the cycles. In this situation, an important surface roughness is generated. These results are consistent with simulation study in molecular dynamics. Therefore we demonstrated that the number of ions impacting on the surface (ion stochastic effect) appears as being a very limiting parameter in the pulsed plasma processes as well in some CCP processes.Key words: Microelectronics, etching processes, plasma, stochasticity, ions.

La prise de décision cellulaire se traduit par la capacité de toute cellule vivante à intégrer les différentes informations provenant de son environnement, et à les transformer en une réponse biologique cohérente. Il est aujourd'hui de plus en plus démontré que les populations cellulaires présentent une hétérogénéité quantitative et qualitative significative, qui pourrait jouer un rôle essentiel dans le fonctionnement des organismes vivants. La première partie de ma thèse a ainsi consisté à étudier la variabilité de l'expression génique au cours de la différenciation de progéniteurs érythrocytaires aviaires primaires, à l'échelle de la cellule unique. L'expression de 92 gènes a été analysée par RT-qPCR dans des cellules isolées à différents temps de différenciation. Les principaux résultats de cette étude ont montré que la variabilité de l'expression des gènes, mesurée par l'entropie de Shannon, atteint un niveau maximal à 8h-24h de différenciation, simultanément à une chute du nombre de gènes corrélés. Cette augmentation de la variabilité génique précède l'engagement irréversible des cellules dans le processus de différenciation érythrocytaire identifié entre 24 et 48h. Cette étude a également mis en lumière le gène LDHA (Lactate dehydrogenase A), codant pour une enzyme de la glycolyse anaérobie, dans les progéniteurs érythrocytaires en état d'auto-renouvellement et aux points critiques, 8h et 24h, de la différenciation. La deuxième partie de ma thèse a donc consisté à analyser le rôle précis de LDHA dans l'auto-renouvellement des progéniteurs érythrocytaires, ainsi que les variations du métabolisme du glucose au cours de la différenciation. Nos premiers résultats suggèrent que le processus de différenciation érythrocytaire s'accompagne d'un changement métabolique correspondant au passage de la glycolyse anaérobie dépendante de LDHA, vers une production d'énergie aérobie, reposant sur la phosphorylation oxydative / The meaning of cell decision making consists in the capacity of every living cell to integrate environmental information and to transform it in a coherent biological response. Nowadays it is increasingly demonstrated that cell populations present a significant quantitative and qualitative heterogeneity that could be involved in living organisms functions. Thus, the first part of my thesis consisted in studying gene expression variability at the single-cell level during the differentiation process of primary avian erythroid progenitor cells. The expression of 92 genes was analyzed using RT-qPCR in cells isolated at different differentiation time-points. The main results of this study showed that gene expression variability, as measured by Shannon entropy, reached a maximal level, simultaneously to a drop in the number of correlated genes, at 8-24h of differentiation. This increase of the gene expression variability preceded the irreversible commitment of cells into differentiation, identified between 24h and 48h. This analysis also highlighted the potential importance ofLDHA(Lactate dehydrogenase A) encoding a glycolytic enzyme, in erythroid progenitors self-renewal and at the critical differentiation time-point 8-24h. Therefore the second part of my thesis consisted in analyzing the role of LDHA in erythroid progenitors self-renewal and the variations of glucose metabolism during the differentiation process. Our first results suggested that erythroid differentiation might be accompanied with a metabolic change, corresponding to a switch from anaerobic glycolysisdepending upon LDHA, toward aerobic energy production, relying upon oxidative phosphorylation

L'autorenouvellement est une propriété fondatrice du concept de cellule souche. Cependant, malgré l'avancée des connaissances actuelles, les mécanismes moléculaires sous-jacents restent mal compris. Nous nous sommes donc intéressés à cette question, en étudiant l'équilibre entre autorenouvellement et différenciation dans des progéniteurs érythrocytaires primaires. D'une part, grâce à une étude combinant des approches pharmacologiques et de génétique fonctionnelle, nos résultats montrent que le contrôle de la synthèse cellulaire du cholestérol joue un rôle essentiel dans la régulation du basculement de l'autorenouvellement vers la différenciation. D'autre part, nous avons étudié la nature stochastique de l'expression génique au cours du passage de l'autorenouvellement vers la différenciation. En effet, contrairement au caractère déterministe initialement attribué à l'expression des gènes, les données accumulées au cours des dernières années démontrent que cette expression repose sur des processus stochastiques. Nous avons en particulier oeuvré à la conception et à la mise en place d'un dispositif permettant de suivre en temps réel l'expression génique dans des cellules individualisées, afin de pouvoir mesurer et évaluer cette stochasticité. Au final, l'ensemble de ces travaux participent à la compréhension des bases moléculaires de l'autorenouvellement et du contrôle des choix du devenir cellulaire.

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié la variabilité (ou stochasticité) de l'expression des gènes en considérant que le signal stochastique que produit cette expression est porteur d'information quant au processus d'expression lui-même. Cette stochasticité de l'expression génique peut être caractérisée par la variation observée du nombre de protéines produites soit entre différentes cellules isogéniques (portant le même génome) à un instant donné, soit au sein d'une même cellule au cours du temps. Dans un premier temps, nous avons montré expérimentalement que le niveau de stochasticité de l'expression d'un gène change suivant son locus (sa position sur le génome). De plus, nous avons montré que, à locus constant, le niveau de stochasticité peut être influencé par des agents modificateurs globaux de l'état chromatinien. Ensuite, nous avons analysé comment la dynamique chromatinienne peut influencer la stochasticité de l'expression génique d'un gène. Pour ce faire, nous avons utilisé une approche de modélisation et simulation que nous avons ensuite confrontée à des données biologiques. L'utilisation d'un modèle à deux états nous a permis de montrer que l'activité du promoteur est caractérisée par de longues périodes durant lesquelles la chromatine empêche la transcription, entrecoupées par de brèves périodes où la transcription est à nouveau rendue possible sous forme de " bursts " de forte intensité. Pour finir, nous avons identifié, par des approches statistiques et par l'utilisation de bases de données génomiques, des éléments caractéristiques de la séquence génomique qui, lorsqu'ils sont présents dans le voisinage d'un gène, peuvent influer sur la stochasticité de celui-ci. Nous avons en particulier montré que, lorsque le gène rapporteur est inséré à proximité d'un autre gène, sa stochasticité augmente de manière significative. Ce travail nous a permis de mettre en évidence un lien entre la dynamique chromatinienne, l'environnement génomique et la stochasticité de l'expression génique. Ce lien offre à la cellule des perspectives évolutives en lui permettant de réguler cette stochasticité, ouvrant ainsi la porte à la sélection d'un niveau approprié de variabilité.

Bien que largement étudiés, les mécanismes fondamentaux de prise de décision dans les processus de différenciation cellulaire restent mal compris. Les théories déterministes, souvent basées sur des études populationnelles, atteignent rapidement leur limite lorsqu’il s’agit d’expliquer les différences de choix individuels de cellules, pourtant exposées au même environnement. L’objectif de ma thèse est donc d’étudier les premières étapes de la différenciation des cellules hématopoïétiques à l’échelle de la cellule unique, par des analyses transcriptomiques, protéomiques et morphologiques. Ce travail a été effectué sur deux modèles de différenciation : les lymphocytes T régulateurs et les cellules CD34+ humaines issues de sang de cordon. Nous avons observé le comportement de ces cellules uniques après stimulation. Grâce à la combinaison de la microscopie en time lapse et des analyses moléculaires réalisées à l’échelle de la cellule individuelle, nous avons pu démontrer que le choix du devenir cellulaire n’était pas unique, programmé. La cellule passe d’abord par un état dit « multi-primed », métastable où elle exprime des gènes de plusieurs lignées différentes, puis elle passe par une phase dite « incertaine », instable où elle hésite entre deux phénotypes avant de se stabiliser dans un état fixe. Nos observations sont cohérentes avec une explication stochastique de la prise de décision. La différenciation serait donc un processus spontané, dynamique, fluctuant et non un processus prédéterminé. Les décisions du destin cellulaire sont prises séparément par les cellules individuelles. / Despite intensively studies, the fundamental mechanisms of cell fate decision during cellular differentiation still remain unclear. The deterministic mechanisms, often based on studies of large cell populations, cannot explain the difference between individual cell fates choices placed in the same environment. The aim of my thesis work is to study the first steps of hematopoietic cell differentiation at the single cell level thanks to transcriptomic, proteomic and morphological analyses. Two differentiation models have been used: T regulatory lymphocytes and human cord blood-derived CD34+ cells. The behavior of individual cells following stimulation has been analyzed. Using time-lapse microscopy coupled to single cell molecular analyses, we could demonstrate that the cell fate choice is not a unique, programmed event. First, the cell reaches a metastable “multi-primed” state, which is characterized by a mixed lineage gene expression pattern. After transition through an “uncertain”, unstable state, characterized by fluctuations between two phenotypes, the cell reaches a stable state. Our observations are coherent with a stochastic model of cell fate decision. The differentiation is likely to be a spontaneous, dynamic, fluctuating and not a deterministic process. The cell fate decisions are taken by individual cells.

Afin de prévoir les rendements ou réduire la consommation d’intrants nous pouvons, en exploitant les données expérimentales, créer des modèles mathématiques afin de simuler la croissance des cultures en fonction des caractéristiques de l’environnement. Dans cette optique, cette thèse s’intéresse particulièrement aux modèles dits ”mécanistes”.Des premières tentatives, dans les années 70, à nos jours, il y a eu pléthore de nouveaux modèles créés, à différentes échelles, afin d’étudier certains phénomènes dans les cultures ou au sein des plantes. On peut par exemple citer : CERES, STICS, APSIM, LNAS pour les modèles dits de culture ou LIGNUM, ADEL, GreenLab, MAppleT, pour les modèles dits structure-fonction.Ces modèles nécessitent d’être créés et évalués en conduisant une analyse rigoureuse possédant de nombreuses étapes et dont chacune est composée de plusieurs algorithmes complexes. Cette étude devrait s’inscrire dans une démarche dite de bonnes pratiques de modélisation, ”Good Modelling Practices”. On peut citer comme fonctionnalités : l’analyse de sensibilité, l’estimation paramétrique, l’analyse d’incertitude, l’assimilation de données, la sélection de modèles, le contrôle optimal ... En fonction de la configuration du cas, chacune de ces fonctionnalités peut faire appel à un grand nombre d’algorithmes avec chacun des caractéristiques propres. On retrouve dans l’état de l’art des plateformes qui s’occupent souvent d’une fonctionnalité mais très rarement qui s’attaquent à l’ensemble de la chaîne de travail.Cette thèse propose une formalisation des modèles dynamiques stochastiques (cadre adapté à la modélisation des plantes), de méthodes et algorithmes statistiques dédiés à leur étude et de l’interfaçage entre les modèles et les algorithmes dans cette chaîne de travail. Nous en déduisons la conception d’un système informatique (ou plateforme logicielle) permettant d’aider les modélisateurs, ou plutôt les équipes de modélisation tant l’activité est complexe et transverse, afin de créer et valider des modèles agronomiques par le truchement d’un langage dédié et d’outils statistiques associés. Le système facilite ainsi l’écriture des modèles, leur analyse de sensibilité, leur identification paramétrique et leur évaluation à partir de données expérimentales, leur optimisation. Notre domaine d’étude est au coeur de ”l’agronomie quantitative”, qui combine à la fois agronomie, modélisation, statistiques et informatique. Nous décrirons les types de modèles mathématiques pris en compte et comment nous les traduisons sur machine afin de permettre des simulations. Puis nous passerons en revue le flux de travail général ainsi que les algorithmes utilisés afin de montrer la conduite générale des études qui sont désormais plus facilement et rapidement faisables. Ce flux sera testé sur plusieurs cas d’étude, en particulier pour les modèles LNAS et STICS. Finalement, nous ouvrirons sur la possibilité d’injecter ces études dans une base de connaissance générale, ou ontologie, avec un langage dédié avant de conclure sur les perspectives du travail développé pour la communauté et notamment celles en termes de plateformes à destination des modélisateurs en général et des utilisateurs des modèles agronomiques en particulier. / In agriculture, in order to predict crop yield or to reduce inputs, mathematical models of plant growth open new perspectives by simulating crop growth in interaction with the environment. In this thesis we will particularly focus on ”mechanistic” models based on the description of ecophysiological and archictectural processes in plants.Since the first attempts, in the seventies, the scientific community has created a large number of models with va- rious objectives : for instance, CERES, STICS, APSIM, LNAS as crop models and LIGNUM, ADEL, GreenLab, MAppleT as functional-structural models.These models have to be designed and evaluated with a rigourous process in several steps, according to what is usually described as ”good modelling practices”. The methods involved in the different steps are : sensitivity and uncertainty analysis, parameter estimation, model selection, data assimilation, optimal control ... According to the configuration of the study case, various algorithms can be used at each of these steps. The state-of-the-art software systems generally focus on one aspect of the global workflow, but very few focus on the workflow itself and propose the whole chain of mathematical methodologies adapted to the type of models and configurations faced in plant growth modelling : stochastic and nonlinear dynamical models involving a lot of processes and parameters, heterogeneous and irregular system observations.This thesis considers the formalization of stochastic dynamical models, of statistical methods and algorithms dedicated to their study and of the interface between models and algorithms to generate the analysis workflow. We deduce the conception of a software platform which allows modelers (or more exactly modelling teams, since the activity is quite complex) to create and validate crop/plant models by using a single language and dedicated statistical tools. Our system facilitates model design, sensitivity and uncertainty analysis, parameter estimation and evaluation from experimental data and optimization.Our research is at the heart of ”quantitative agronomy” which combines agronomy, modeling, statistics and computer science. We describe and formalize the type of models faced in agronomy and plant sciences and how we simulate them. We detail the good modelling practices workflow and which algorithms are available at all steps. Thanks to this formalization and tools, model studies can be conducted in an easier and more efficient way. It is illustrated on several test cases, particularly for the LNAS and STICS models. Based on this conception and results, we also discuss the possibility to deduce an ontology and a domain-specific language in order to improve the communication between experts. Finally, we conclude about the perspectives in terms of community platforms, first generally for modellers, and second more specifically in quantitative agronomy.

Le propulseur à effet Hall est un moteur à plasma utilisé pour le maintien en orbite et le contrôle d'attitude de satellites, et les petites missions interplanétaires. Son principe est basé sur une configuration de champs électrique et magnétique croisés pour accélérer des ions à hautes vitesses et créer ainsi une poussée. Le confinement des électrons dans une telle configuration, crucial pour son bon fonctionnement, pose le problème théorique de leur transport au travers des lignes de champ magnétique, la diffusion classique due aux collisions électron-neutre étant insuffisante. Ce travail de thèse fait la lumière sur un mécanisme de transport électronique anormal (par opposition à la diffusion classique) par la mise en évidence d'instabilités électroniques de dérive de fréquence 10-40 MHz et de longueurs d'onde de l'ordre du rayon de Larmor électronique (millimétrique) se développant en paquets de modes perpendiculaires au champ magnétique. Ces instabilités, générées par un couplage entre le mouvement cyclotronique des électrons et leur dérive, sont à l'origine d'un processus de diffusion stochastique électronique au travers des lignes de champ magnétique dont les propriétés sont proches de celles attendues dans le cadre du transport anormal.

L'identité des organes floraux est définie par l’expression de gènes homéotiques appartenant à la famille des MADS-box au début du développement floral. Un de ces gènes, AGAMOUS (AG), est responsable de l’identité des étamines et des carpelles chez Arabidopsis thaliana. Dans ce manuscrit, je tente de comprendre les propriétés spatiales et temporelles de l’expression d’AG en cherchant à connaître les mécanismes impliqués dans le bon établissement de la dynamique d’expression d’AG pendant les jeunes stades du développement floral.Je débute par développer un modèle de réaction-diffusion qui prend en compte la croissance de la fleur pendant les stades d’intérêt, ainsi que quelques facteurs de transcriptions clefs impliqués dans la régulation d’AG. Ensuite j’ai imagé en direct et en 4D la croissance des fleurs pour quantifier l’activation de l’expression d’AG de son initiation à son patron d’expression stable. Je montre que son expression se déroule en deux phases: une phase de faible expression, et une phase de forte expression. Bien que toutes les cellules du dôme central de la fleur présentent un profil d’activation d’AG similaire, le temps précis au cours du développement où AG est activé est différent pour chacunes d’entre elles et est à l’origine de la stochasticité du patron d’expression. Avec l’aide du modèle, je propose quatres nouvelles hypothèses relatives à la régulation d’AG :AG est capable de maintenir sa propre activation en se liant directement à son second intron au travers d’un complexe protéique contenant au moins deux molécule d'AG, créant ainsi un seuil d'auto-activation.AP2 influence la valeur de ce seuil, restreint l’expression d’AG dans le dôme central de la fleur et produit un retard dans l’activation complète d’AG.LFY et WUS sont nécessaire à l’accumulation des protéines d’AG dans les cellules pour pouvoir atteindre le seuil d’auto-activation et obtenir une expression complète d’AG.Le mouvement d’AG est nécessaire pour obtenir l’expression d’AG dans toutes les cellules du dôme central. Pour prouver ces hypothèses, j’ai réalisé différentes expériences. En premier, utilisant une expérience de FRET-FLIM dans les protoplastes, nous proposons qu’AG est capable de s’associer en homodimer dans les cellules végétales. Néanmoins, sur-exprimer AG pour aider les cellules à atteindre le seuil d’auto-activation plus tôt que dans la plante sauvage ne semble pas modifier la dynamique d’expression de l’AG endogène. En deuxième, j’ai testé le rôle précis de LFY au cours des différentes phases et transitions de la dynamique d’expression d’AG en mutant les sites d'interactions spécifiques pour LFY au sein des séquences de régulation d’AG. Ces mutations retardent l’expression l’expression d’AG et modifient légèrement son patron d’expression. Je montre que seulement d’important retards dans l’activation d’AG induit des modifications phénotypiques. Ensuite, pour tester le rôle de la répression par AP2 dans la dynamique d’expression d’AG, j’analyse le rapporteur d’AG dans le contexte d’un mutant fort d’ap2. Dans ce mutant, l’expression d’AG s’étend à une région plus large et le retard entre l’initiation de l’expression d’AG et la transition entre les phases de faible et forte expressions est diminué. Ces résultats correspondent aux simulations du modèle. Finalement, pour comprendre l’importance du mouvement d’AG d’une cellule à l’autre dans sa propre dynamique, je bloque cette capacité de bouger en utilisant un tag de localisation nucléaire. Bien que cela induit un retard dans l’activation de quelques cellules au stade 3 au moment où toutes les cellules du dôme centrale de la fleur expriment AG dans la plante sauvage, ce retard n’a pas d’effets visible sur le phénotype. / The identity of flower organs is defined by the expression of homeotic genes during early development that belongs to the MADS-box family. One of these genes, AGAMOUS (AG), is responsible for the identity of the stamens and the carpels in Arabidopsis thaliana. In this manuscript, I attempt to fully understand the spatial and temporal properties of AG expression by investigating the mechanisms underlying the proper establishment of AG expression dynamics during the early stages of flower development. I start by developing a reaction-diffusion model that takes into account the growth of the flower at the relevant stages, as well as the few key transcription factors involved in AG regulation. Next I used real-time 4D imaging on growing flowers to quantify the activation of AG expression from its onset to the stable pattern. I show that the AG expression occurs in two phases: a low-expression phase and a high-expression phase. Thus although all cells of the central dome of the flower present similar profiles of AG activation, the precise developmental time at which AG is activated is different in each case, and is the origin of the initial stochastic pattern. With the aid of the model, I also propose four new hypotheses to explain AG regulation: AG is able to maintain its own activation by directly binding its own second intron through a protein complex containing at least two molecules of AG leading to the creation of an auto-activation threshold.AP2 influences the value of this threshold, restraining AG expression to the central dome of the flower and producing a delay in complete AG activation.LFY and WUS are necessary to accumulate AG proteins in cells in order to reach the auto-activation threshold and obtain a full expression of AG.AG movement is necessary to obtain expression of AG in every cell of the central dome. To prove these hypotheses, I have carried out various experiments, using FRET-FLIM in protoplast cells, we suggest that AG is able to form homo-dimers in plant cells. However, overexpressing AG to help cells reach the auto-activation threshold earlier than in the wild-type does not appear to alter the endogenous AG dynamics of expression. Secondly, I test the precise role of LFY in the different phases and transitions in the AG expression dynamics by mutating specific interaction sites for LFY within AG regulatory sequences. These mutations appear to delay AG expression and slightly modify its pattern of expression. I show that only important delays in AG activation induce phenotypic differences. Then, to test the role of AP2 repression in AG expression dynamics, I analyse the AG reporter in the context of a strong ap2 mutant. In these mutants, AG expression spreads to a wider region and reduces the delay between the onset of AG expression and the transition from low- to high-expression. These results match with simulations of the model. Lastly, to understand the importance of AG cell-to-cell movement in AG dynamics, I block its ability to move using a nuclear localisation tag. Although this induces a delay in the activation of few cells at stage 3, when all cells of the central dome of the flower express AG in the WT. This delay has no visible effects on the phenotype.