L’amélioration génétique du blé tendre (Triticum aestivum L.), une des trois céréales les plus cultivées, représente un intérêt stratégique pour la sécurité alimentaire de la population mondiale. Cette amélioration génétique va nécessiter une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires et physiologiques mis en jeu, et va aussi réclamer une efficacité accrue dans notre capacité à intervenir finement sur le génome. Les avancées majeures réalisées dans le domaine des biotechnologies ces dernières années permettent d’envisager de nouveaux champs d’action pour appréhender le fonctionnement des caractères d’intérêt agronomique du blé tendre, ainsi que pour son amélioration génétique, et fournissent également de nouveaux outils pour innover dans le domaine de l’édition des génomes. Nous avons cherché dans le cadre de cette thèse à développer des innovations chez blé tendre à partir de trois nouveaux outils issus des biotechnologies. Nous avons tout d’abord montré que l’extinction du gène pds par une stratégie de micro ARN artificiel à partir d’un micro ARN de riz permettait d’obtenir le phénotype attendu, et que l’expression du micro ARN artificiel était reliée à ce phénotype. Nous avons commencé à explorer la possibilité d’utiliser des microARN de blé pour réaliser la même extinction, sans résultat pour l’instant. Nous avons ensuite montré que des coupures spécifiques d’une séquence donnée peuvent être obtenues in vivo chez le blé tendre à l’aide d’une méganucléase, et que lorsque les sites de coupure encadrent une séquence donnée, une délétion du fragment encadré peut être obtenue. Nous avons enfin réalisé les premiers essais du système CRISPR-Cas9 au laboratoire et généré une lignée exprimant le transgène Cas9 de façon constitutive. Des résultats inattendus obtenus dans le cadre de ces expérimentations nous ont de plus permis d’améliorer le procédé de transformation génétique du blé tendre utilisé au laboratoire. Les applications de nos résultats pourront être utilisées pour des expérimentations de validation de gènes et de compréhension des mécanismes moléculaires associés, mais aussi à l’avenir pour intervenir directement et de plus en plus finement sur le génome du blé. Les choix stratégiques en termes de développement technologique et d’innovation dans le domaine des biotechnologies et dans le cadre des objectifs d’un laboratoire public sont discutés. / The genetic improvement of common wheat (Triticum aestivum L.), one of the three most cultivated cereals, is of strategic interest to the food security of the world's population. This genetic improvement will require a better understanding of the molecular and physiological mechanisms involved, and will also require increased efficiency in our ability to modify finely the genome. In recent years, the major advances in biotechnology have made it possible to envisage new fields of action for a deeply understanding of agronomic traits of wheat as well as for genetic improvement, and also provide new tools for innovate in the field of genome editing. In this PhD manuscript, we sought to develop innovations for wheat improvement using three new biotechnology tools. We first demonstrated that the extinction of the pds gene by a strategy of artificial micro RNA succeeded in the obtaining of the expected phenotype and that the expression of the artificial RNA was related to this phenotype. We have begun to explore the possibility of using wheat microRNAs to achieve the same extinction, with no results at this time. We have then shown that specific cuts of a given sequence can be obtained in vivo in wheat using a meganuclease, and that when the cleavage sites frame a given sequence a deletion of the framed fragment may be obtained. We finally carried out the first tests of the CRISPR-Cas9 system in the laboratory and generated a line expressing the Cas9 transgene constitutively. Unexpected results obtained during these experiments have also made it possible to improve the process of genetic transformation of soft wheat used in the laboratory. The applications of our results can be used for gene validation experiments and a better understanding of the molecular mechanisms involved, but also in the future for wheat genome editing. Strategic choices in terms of technological development and innovation in the field of biotechnology and within the framework of the objectives of a public laboratory are discussed.

Le caoutchouc naturel (CN), a cis-1,4-polyisoprene, est produit principalement par Hevea brasiliensis. Le CN est un matériau très important pour l’industrie du transport et médicale. La demande en CN augmente d’année en année. Le CN est obtenu à partir du latex. Le latex s’écoule des laticifères après saignée de l’écorce des hévéas. L’éthéphon, un libérateur d’éthylène, peut être appliqué sur certains clones d’hévéa pour stimuler la production de latex. La saignée et la stimulation à l’éthéphon sont des stress de récolte conduisant à la production de métabolites secondaires et par conséquence au caoutchouc. La biosynthèse et la signalisation de l’éthylène (ET) et de l’acide jasmonique (JA) jouent un rôle crucial dans la réponse aux stress de récolte. Deux gènes codant des facteurs de réponse à l’éthylène (ethylene response factor, ERF), HbERF-IXc4 et HbERF-IXc5, ont été prédits être orthologue à ERF1 d’Arabidopsis. ERF1 est considéré comme un facteur clé de la réponse de défense à travers l’intégration des voies de signalisation de l’éthylène et du jasmonate. Les transcrits de HbERF-IXc4 et HbERF-IXc5 s’accumulent dramatiquement en réponse à des traitements combinant la blessure, le méthyl jasmonate, et l’éthylène. Ces facteurs sont ainsi supposés être des régulateurs clés au croisement des voies de signalisation de l’éthylène et du jasmonate dans les laticifères. HbERF-IXc4 et HbERF-IXc5 ont plusieurs caractéristiques des facteurs de transcription révélés respectivement lors des expériences de trans-activation et de localisation subcellulaire : ils peuvent activer des éléments GCC agissant en cis des promoteurs des gènes cibles et ils sont présents au niveau du noyau.Dans cette étude, l’analyse fonctionnelle des gènes HbERF-IXc4 et HbERF-IXc5 a été effectuées par sur-expression de ces gènes sous le contrôle de deux promoteurs, 35S CaMV et HEV2.1 dans des lignées transgéniques d’Hevea obtenues par transformation génétique via Agrobacterium tumefaciens. Cette sur-expression a conduit à augmenter les effets des gènes natifs HbERF-IXc4 et HbERF-IXc5. Vingt-neuf lignées à activité GFP ont été sélectionnées sur un milieu contenant de la paromomycine. Douze lignées ont permis régénérées des plantes mais seulement dix ont produit un nombre suffisant de plantes pour réaliser les observations de phénotypage avec au total 1622 plantes transgéniques acclimatées en serre. Ces dix lignées transgéniques ont été confirmées par hybridation moléculaire de type Southern. L’observation morphologique des plants jusqu’à un an montre que les deux gènes (HbERF-IXc4 and HbERF-IXc5) favorisent une meilleure croissance, en termes de hauteur des plants, du diamètre des tiges, et du poids frais et sec des parties aériennes et racinaires, avec une plus forte vigueur et tolérance aux stress abiotiques. Les plants sur-exprimant HbERF-IXc5 ont aussi une meilleure performance que ceux sur-exprimant HbERF-IXc4. Ces résultats montrent aussi un système racinaire plus vigoureux et bien équilibré par rapport à la plante entière. Les analyses de RT-PCR en temps réel révèlent que l’expression des gènes HbERF-IXc4 et HbERF-IXc5 est plus forte dans les lignées transgéniques que la lignée sauvage. L’analyse fine des lignées HbERF-IXc5 montre aussi des modifications anatomiques (activité cambiale, nombre de cellules laticifères, amidon, et largeur du xylème).Ce travail est la première analyse fonctionnelle de facteurs de transcription chez Hevea. Des différences ont été observées entre les lignées HbERF-IXc4 et HbERF-IXc5. Comme ERF1, HbERF-IXc4 et HbERF-IXc5 doivent diriger la réponse à certains stress. HbERF-IXc5 serait un régulateur de la différentiation des laticifers. Cette étude pourrait être complétée par des analyses dans des lignées éteintes pour ces gènes, une comparaison des transcriptomes et métabolome de lignées sauvages et transgéniques, et l’identification des gènes cibles contrôlés par HbERF-IXc4 et HbERF-IXc5. / Natural rubber (NR) (cis-1,4-polyisoprene) is the main production from Hevea brasiliensis. NR is a very important industrial material for transportation, consumer, and medical. The demand for NR is increasing from year to year. NR is obtained from latex. The latex flows out from laticifers after tapping the bark. Ethephon, an ethylene releaser, can be applied on certain clones to stimulate the latex production. Tapping and ethephon stimulation are sources of harvesting stresses conducing to the production of secondary metabolites and consequent rubber. Ethylene (ET) and jasmonic acid (JA) biosynthesis and signalling pathways play a crucial role in the response to latex harvesting stress. Two Hevea ethylene response factor genes, HbERF-IXc4 and HbERF-IXc5, were predicted to be orthologue to ERF1 from Arabidopsis. ERF1 was suggested to be a key component of defence responses through the integration of ethylene and jasmonic acid signalling pathways. Transcripts of HbERF-IXc4 and HbERF-IXc5 were dramatically accumulated by combining wounding, methyl jasmonate, and ethylene treatment. These factors were assumed to be a key regulator at the crosstalk of ethylene and jasmonate signalling pathways in latex cells. HbERF-IXc4 and HbERF-IXc5 have several features of transcription factor revealed by transactivation experiment and subcellular localization, respectively: they can activate the GCC cis-acting element of promoters of target genes and are localized in nucleus, In this study, functional analysis of HbERF-IXc4 and HbERF-IXc5 genes have been carried out by overexpression under control of two promoters, 35S CaMV and HEV2.1 in transgenic Hevea lines obtained by Agrobacterium tumefaciens-mediated genetic transformation. This overexpression led to emphasize the effect of native HbERF-IXc4 and HbERF-IXc5 genes. Twenty-nine GFP-positive lines were established on paromomycin selection medium. Twelve lines regenerated plants but only ten led to produce a sufficient number of plants for further phenotyping with totally 1,622 transgenic plants in greenhouse. These ten ines were confirmed as transgenic by Southern blot hybridization. Observation of morphology until one year showed both genes (HbERF-IXc4 and HbERF-IXc5) promoted a better growth in terms of plant height, stem diameter, and weight of aerial and root system with higher vigour and better tolerance to some abiotic stresses. Plants overexpressing HbERF-IXc5 have also a better performance than HbERF-IXc4. Data also showed a vigorous root system well balanced with regard to the whole plant. Real-time RT-PCR analyses revealed that expression of HbERF-IXc4 and HbERF-IXc5 genes was higher in transgenic lines compared to wild-type . Analysis in details of HbERF-IXc5 lines also showed some changes in anatomy (cambium activity, number of latex cells, starch, and width of xylem).This work is the first successful functional analysis of transcription factors in Hevea. Some differences have been observed between HbERF-IXc4 and HbERF-IXc5. As ERF1, HbERF-IXc4 and HbERF-IXc5 should drive the response to some stresses. HbERF-IXc5 might be a regulator of laticifer differentiation. This study could be completed with analysis of silenced transgenic lines, comparison of transcriptome, metabolome of wild-type and transgenic lines, and identification of target genes controlled by HbERF-IXc4 and HbERF-IXc5.

Des études de l'interaction de la plante modèle des légumineuses Medicago truncatula avec des microorganismes pathogènes et symbiotiques ont été réalisées. Tout d'abord un pathosystème fongique a été caractérisé: M. truncatula en interaction avec Fusarium oxysporum spp., champignon responsable des fusarioses, soit du flétrissement vasculaire ou de la pourriture racinaire chez de nombreuses plantes cultivées. Deux lignées de M. truncatula: A17 et F83005.5 ont été identifiées comme sensible et tolérante respectivement à F. oxysporum f.sp. medicaginis, la forma specialis attribuée à la luzerne. De plus 9 souches de F. oxysporum isolées de différentes plantes hôtes et une souche non pathogène du sol ont été testées dans des expériences d'inoculation avec ces deux lignées. Elles ont toutes été capables d'induire les symptômes de la maladie chez M. truncatula. A l'aide d'une souche de F. oxysporum f.sp. medicaginis exprimant le gène rapporteur GFP, les étapes de colonisation de la racine par le champignon ont été caractérisées. Les observations en microscopie à fluorescence et microscopie confocale des racines d'A17 et F83005.5 ont indiqué un patron de colonisation inhabituel et ont montré que la tolérance de F83005.5 n'était pas corrélée à un mécanisme d'exclusion du cylindre central. Cependant, des différences dans l'expression de gènes de défense ont été détectées entre les deux lignées. Dans la deuxième partie, le rôle de l'acide salicylique a été étudié. Les résultats d'expériences avec l'acide salicylique exogène ont indiqué que le prétraitement de racines avec ce composé pouvait conférer une protection aux plantes vis-à-vis de F. oxysporum f.sp. medicaginis et la bactérie phytopathogène Ralstonia solanacearum. Avec l'objectif d'étudier le rôle de l'acide salicylique endogène dans les interactions avec les microorganismes, la transformation génétique de M. truncatula avec le gène NahG codant le salicylate hydroxylase a été entreprise. Cette enzyme dégrade l'acide salicylique en catechol. Seulement la lignée 2HA a pu être transformée et régénérée en plantes transgéniques. Ces plantes 2HA-NahG ont été inoculées avec des microorganismes pathogènes (R. solanacearum, Verticillium albo-atrum, F. oxysporum f. sp. medicaginis Colletotrichum trifolii et C. higginsianum) ainsi qu'avec le champignon endomycorhizien Glomus intraradices. Les limitations expérimentales n'ont pas permis de conclure définitivement, mais indiquent qu'il est possible que la signalisation par l'acide salicylique ne soit pas impliquée dans les défenses de M. truncatula face à ces microorganismes pathogènes et symbiotiques. / A study on the interactions of the plant model legume Medicago truncatula (M.t.) with pathogens and symbiotic microorganisms was undertaken. First, a fungal pathosystem was characterized: M. truncatula in interaction with Fusarium oxysporum spp., the causal agent of Fusariosis, of Fusarium wilt and of root rot in many crop plants. Two M. truncatula lines, A17 and F83005.5, were identified as susceptible and tolerant respectively to F. oxysporum f.sp. medicaginis, the forma specialis related to alfalfa. Besides, 9 strains of F. oxysporum isolated from different host plants and a non-pathogenic soil-borne strain were tested in inoculation experiments with both lines. All the strains were able to trigger disease symptoms in M. truncatula. Using the F. oxysporum f.sp. medicaginis strain transformed with the GFP reporter gene, the stages of the root colonization by the fungi were characterized. Fluorescence and confocal microscopy observations on A17 and F83005.5 roots showed an unusual pattern of colonization and showed that the F83005.5 tolerance was not related to an exclusion mechanism in the central cylinder. However, differences on defence gene expression were detected in both lines. In the second part, the role of salicylic acid was studied. Results of experiments with exogenous salicylic acid indicated that prior treatment of roots with this compound may confer a protection towards F. oxysporum f. sp. medicaginis and the phytopathogenic bacterium Ralstonia solanacearum. With the goal to study the role of endogenous salicylic acid, the genetic transformation of M. truncatula with the NahG gene was initiated. This gene codes for a salicylate hydroxylase which degrades salicylic acid to catechol. Only the highly embryogenic 2HA line could be transformed and regenerated into transgenic plants. These 2HA plants were inoculated with pathogenic microorganisms (Ralstonia solanacearum, Verticillium albo-atrum, Fusarium oxysporum f.sp. medicaginis Colletotrichum trifolii and C. higginsianum) as well as the mycorrhiza fungus Glomus intraradices. Experimental limitations did not allow us to conclude definitely, but it seems possible that the salicylic acid signaling way may not be implicated in the defence of M. truncatula against these pathogenic and symbiotic microorganisms

Les légumineuses sont une source riche pour l’alimentation humaine comme celle du bétail mais elles sont aussi nécessaires à une agriculture durable. Cependant, les fractions majeures des protéines de réserve dans la graine sont pauvres en acides aminés soufrés et peuvent être accompagné de facteurs antinutritionnels, ce qui affecte leur valeur nutritive. Dans ce cadre, Medicago truncatula est une espèce modèle pour l’étude du développement de la graine des légumineuses, et en particulier concernant la phase d’accumulation des protéines de réserve. Vu la complexité des graines de légumineuses, une connaissance approfondie de leur morphogenèse ainsi que la caractérisation des mécanismes sous-jacents au développement de l’embryon et au remplissage de la graine sont essentielles. Une étude de mutagenèse a permis d’identifier le facteur de transcription DOF1147 (DNA-binding with One Finger) appartenant à la famille Zn-finger, qui s’exprime dans l’albumen pendant la transition entre les phases d’embryogenèse et de remplissage de la graine. Lors de mon travail de thèse, il a été possible de générer plusieurs constructions pour l’analyse de l’expression de DOF1147 ainsi que de la protéine DOF1147. Un protocole efficace pour la transformation génétique stable de M. truncatula a été établi et des études de localisation subcellulaire ont montré que DOF1147 est une protéine nucléaire. Un arbre phylogénétique a révélé différents groupes de facteurs de transcription DOF avec des domaines conservés dans leur séquence protéique. L’analyse du promoteur in silico chez plusieurs gènes-cible potentiels de DOF1147 a identifié les éléments cis-régulateurs de divers facteurs de transcription ainsi que des éléments répondant aux auxines (AuxREs), ce qui suggère un rôle possible de l’auxine pendant le développement de la graine. Une étude in vitro du développement de la graine avec divers régimes hormonaux, a montré l’effet positif de l’auxine sur la cinétique du développement de la graine, que ce soit en terme de gain de masse ou de taille, plus fort avec l’ANA que l’AIB. Grâce à une approche cytomique de ces graines en développement nous avons, en plus, démontré l’effet de l’auxine sur la mise en place de l’endoreduplication. En effet, celle-ci est l’empreinte cytogénétique de la transition entre les phases de division cellulaire et d’accumulation de substances de réserve lors du développement de la graine. Dans son ensemble, ce travail a démontré que l’auxine module la transition entre le cycle mitotique et les endocycles chez les graines en développement de M. truncatula en favorisant la continuité des divisions cellulaires tout en prolongeant simultanément l’endoreduplication. / Legumes are not only indispensible for sustainable agriculture but are also a rich source of protein in food and feed for humans and animals, respectively. However, major proteins stored in legume seeds are poor in sulfur-containing amino acids, and may be accompanied by anti-nutritional factors causing low protein digestibility problems. In this regard, Medicago truncatula serves as a model legume to study legume seed development especially the phase of seed storage protein accumulation. As developing legume seeds are complex structures, a thorough knowledge of the morphogenesis of the seed and the characterization of regulatory mechanisms underlying the embryo development and seed filling of legumes is essential. Mutant studies have identified a DOF1147 (DNA-binding with One Finger) transcription factor belonging to the Zn-Finger family which was expressed in the endosperm at the transition period between embryogenesis and seed filling phase. During my PhD work, a number of transgene constructs were successfully generated for expression analysis of DOF1147 gene as well as the DOF1147 protein. A successful transformation protocol was also established for stable genetic transformation of M. truncatula. Subcellular localization studies have demonstrated that DOF1147 is a nuclear protein. A phylogenetic tree revealed different groups of DOF transcription factors with conserved domains in their protein sequence. In silico promoter analysis of putative target genes of DOF1147 identified cis-regulatory elements of various transcription factors along with auxin responsive elements (AuxREs) suggesting a possible role of auxin during seed development. A study of in vitro seed development under different hormone regimes has demonstrated the positive effect of auxin on kinetics of seed development in terms of gain in seed fresh weight and size, with NAA having a stronger effect than IBA. Using the cytomic approach, we further demonstrated the effect of auxin on the onset of endoreduplication in such seeds, which is the cytogenetic imprint of the transition between the cell division phase and the accumulation of storage products phase during seed development. As a whole, this work highlighted that the auxin treatments modulate the transition between mitotic cycles and endocycles in M. truncatula developing seeds by favouring sustained cell divisions while simultaneously prolonging endoreduplication.

La rue officinale (Ruta graveolens L) est une plante connue comme étant particulièrement riche en métabolites secondaires et produisant notamment des molécules d’intérêt pharmaceutique comme les furocoumarines. Nous avons tenté par une approche de génie métabolique d’augmenter la teneur en furocoumarines produites dans les plantes. La mise en place de telles approches nous a également permis de mieux comprendre les mécanismes de régulation de la voie de biosynthèse des phénylpropanoïdes. Pour atteindre ces objectifs nous avons transformé la rue avec différents gènes placés sous le contrôle d’un promoteur constitutif fort, le promoteur 35S du CaMV. Pour chaque série de transformants nous avons étudié la teneur en furocoumarines et analysé les variations de composés phénylpropanoïdes (rutine, umbelliférone, ferulate, scopolétine). Parallèlement à cette analyse métabolique, une corrélation a été réalisée avec le niveau d’expression des transgènes et de certains endogènes par l’utilisation d’approche de PCR quantitative. Les séries de plantes transgéniques surexprimant les gènes codants pour la Coumaroyl ester 3’-Hydroxylase de rue (CYP98A22) et d’A. thaliana (CYP98A3) présentent toutes les deux une augmentation significative d’une facteur 3 de la teneur en furocoumarines. Par contre si les premières sont caractérisées par une diminution de la production en rutine et en umbelliférone, les secondes présentent une augmentation importante de la teneur en Scopolétine et en umbelliférone. Ces résultats suggèrent la coexistence de deux C3’H chez R. graveolens ayant des fonctions différentes, l’une d’entre elles étant impliquée directement ou non dans la synthèse de scopolétine. Si la transformation génétique de rues avec des gènes de la famille CYP98A induit des modifications du métabolisme secondaire, la surexpression d’un gène spécifique à la voie de biosynthèse des furocoumarines (gène cyp71AJ1, codant pour la psoralène synthase d’A. majus) permet d’augmenter uniquement la teneur en furocoumarines (X4). L’ensemble de ces travaux a permis de montrer l’intérêt d’une approche de génie métabolique pour générer des plantes présentant un intérêt potentiel pour la production de molécules d’intérêts pharmaceutiques / Garden Rue (Ruta graveolens L.) is a plant known as being particularly rich in secondary metabolites and in particular producing molecules of pharmaceutical interest like furocoumarines. By the use of a metabolic engineering approach, we tried to increase the content of furocoumarines produced in these plants but also to better understand the regulation mechanisms of the phenylpropanoïd biosynthesis pathway. To achieve these goals we transformed Ruta plants with various genes placed under the control of a strong constitutive promoter, CaMV 35S promoter. The plants we obtained were analyzed for their ability to overproduce furocoumarines but also other phenylpropanoïds like ferulate, umbelliferone, scopoletine or rutin. Using Real Time PCR experiments, a correlation was carried out with the level of expression of each transgene and several endogenous genes. Plants overexpressing either the Ruta or the Arabidopsis Coumaroyl ester 3 '-Hydroxylase (CYP98A22 and CYP98A3 respectively) display both a significant increase (3 time level) of the furocoumarin. However if the S-98A22 plants are characterized by a reduction in the production of rutin and umbelliferone, S-98A3 transgenic plants display a significant increase scopoletine and umbelliferone content. These results suggest the coexistence of two C3'H having different functions in Ruta. One of them might be involved more specifically in the synthesis of scopoletine. If the transformation of Ruta with genes belonging to the CYP98A family generates an enlarged of the secondary metabolism, we also showed that the overexpression of a gene belonging to the furocoumarins biosynthesis pathway (CYP71AJ1, the psoralen synthase) allowed a specific stimulation. Indeed a 4 time increase of the content of furocouramins was noticed in these transgenic plant lines. This work made it possible to make evidence of the interest of a metabolic engineering approach to generate plants of interest for the production of pharmaceutical molecules