Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences Naturelles : Faculté des sciences de Paris : 1879. / Titre provenant de la page de titre du document numérisé.

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Chez les eucaryotes, les RNA Binding Proteins (RBP) s’associent aux transcrits pour former des Particules Ribo-Nucléoprotéiques (mRNP) dynamiques, dont la localisation et la composition sont déterminantes pour la maturation, l’export, la stabilité et la traduction des ARNm. Les protéines à motif LA sont des protéines de liaison à l’ARN, présentes chez plusieurs centaines d’espèces eucaryotes, qui se répartissent en 5 sous-familles : LA authentiques, LARP1, 4, 6 et 7. Les membres de ces sous-familles partagent des caractéristiques évolutives, des domaines additionnels et des fonctions conservés. Mes travaux de thèse ont contribué à l’étude fonctionnelle de protéines LARP6 chez Arabidopsis thaliana. On sait, à l’heure actuelle, que chez Manduca sexta et plusieurs espèces de vertébrés, LARP6 est impliquée dans la régulation de la différenciation cellulaire. Chez l’Homme, elle agit en tant que RBP pour coordonner la traduction des ARNm codant les sous-unités du collagène de type I. Les plantes vasculaires ont la particularité de contenir plusieurs protéines LARP6, classées en trois groupes évolutifs. Chez A. thaliana, l’unique représentant de chaque sous-famille semble s’être spécialisé. D’ailleurs, les protéines LARP6b et c ont des profils d’expression mutuellement exclusifs, où LARP6c est présente dans le pollen et LARP6b est ubiquitaire mais absente du gamétophyte mâle. Nous avons axé notre travail sur la protéine LARP6c et démontré qu’elle est cytoplasmique et impliquée, dans le pollen, dans le contrôle de la quantité d’ARNm codant des acteurs du transport vésiculaire. Les ARNm identifiés comme cibles potentielles de LARP6c codent, eux aussi, des facteurs impliqués dans le transport ; et possèdent dans leur 5’-UTR deux motifs qui pourraient permettre leur co-régulation par fixation de RBP. La délétion de LARP6c, affecte la capacité du tube pollinique à se diriger vers l’ovule suggérant un défaut de communication; ce qui est cohérent avec la dérégulation des ARNm codant des acteurs de la sécrétion/réception de signaux extracellulaires. Nous proposons que LARP6c intervient, dans le pollen, en tant que protéine de mRNP et co-régule la traduction et/ou la stabilité de transcrits codant des acteurs des voies de communications dépendantes de la sécrétion et de l’endocytose, et intervenant dans les échanges mâle/femelle / In eucaryotes, RNA Binding Proteins (RBP) associate with transcripts to form dynamic Ribo-Nucleoprotein Particles (mRNP), whose localization and composition are determinant for mRNA maturation, export, stability and translation. LA motif proteins are RNA binding proteins, found in several hundred eucaryotic species, which fall in 5 sub-families: genuine LA, LARP1, 4, 6 and 7. Members of these subfamilies share conserved evolutionary history, additional motifs and functions. My thesis work contributed to deciphering the functional properties of the Arabidopsis thaliana LARP6 proteins. Currently, we know that in Manduca sexta and many vertebrates species LARP6 is implicated in the regulation of cellular differentiation. In humans, it acts as an RBP to coordinate the translation of mRNA coding for type I collagen subunits. Vascular plants differ in possessing many LARP6 proteins classified in three evolutionary groups. In A. thaliana, the unique member of each subfamily seems to be specialized. LARP6b and c proteins present mutually exclusive expression profiles, with LARP6c only present in pollen and LARP6b ubiquitously expressed except in the male gametophyte. We mostly focused our work on LARP6c and showed it to be cytoplasmic and implicated in controlling the level of mRNAs encoding vesicular transport actors in pollen tubes. Putative identified LARP6c mRNA baits also encode proteins involved in transport and share two motifs in their 5’-UTR that could allow their co-regulation via RBP binding. LARP6c deletion induces deficiencies in pollen tube guidance towards the ovule, suggesting a communication default. This is consistent with the deregulation of mRNA coding for extra-cellular signal secretion/reception actors. We propose that LARP6c acts as an mRNP protein in pollen and co-regulates translation and/or stability of mRNA coding for actors of communication pathways depending on secretion and endocytosis; hence acting on male/female exchanges.

Chez les plantes à fleurs, la communication entre les grains de pollen et les cellules épidermiques du stigmate, aussi appelées papilles, est cruciale pour le succès de la reproduction. Lorsqu’il est accepté, le grain de pollen germe et émet un tube pollinique qui transporte les gamètes mâles jusqu’aux ovules. La rencontre et la fusion entre les gamètes mâles et femelles reposent par conséquent sur la bonne trajectoire des tubes polliniques lors de leur progression dans les différents tissus du partenaire femelle pour atteindre les ovules. Les tubes polliniques croissent dans la paroi cellulaire des papilles stigmatiques et génèrent une pression sur ces dernières. De telles forces sont connues pour modifier le réseau de microtubules corticaux (MTC) ainsi que le comportement de la cellule. La première partie de ma thèse a consisté à étudier le rôle des MTC du stigmate dans le contrôle de la croissance du tube pollinique. En combinant imagerie cellulaire et approches génétiques, nous avons mis en évidence que chez le mutant katanin1-5 (ktn1-5) d’Arabidopsis, les papilles ont un réseau de MTC très isotrope, associé à une forte tendance des tubes polliniques sauvages à faire des spires autour des papilles. Ce phénotype a pu être partiellement reproduit par traitement des papilles avec un agent dépolymérisant les MTC, l’oryzaline. Compte tenu que le réseau de MTC est fortement lié à l’organisation des fibres de cellulose, et donc potentiellement à la rigidité de la paroi, nous avons mesuré la rigidité des papilles du mutant ktn1-5 grâce au microscope à force atomique. L’ensemble de ces résultats suggère que la KATANIN, en régulant l’organisation des MTC et conférant des propriétés mécaniques particulières à la paroi cellulaire, joue un rôle primordial dans le guidage des tubes polliniques lors de leur croissance dans les papilles stigmatiques. De façon similaire à la croissance des tubes dans les papilles, les hyphes des pathogènes filamenteux pénètrent les tissus épidermiques de leur hôte. Lors d’une attaque par un pathogène, les cellules de l’épiderme de l’hôte réagissent rapidement pour mettre en place une réponse appropriée, décisive sur le résultat de l’interaction plante-pathogène. La seconde partie de ma thèse a eu pour objectif de comparer la réponse cellulaire des papilles stigmatiques suite à l’invasion par deux types d’organismes, le tube pollinique lors de la pollinisation et les hyphes de deux Oomycètes pathogènes, Phytophtora parasitica et Hyaloperonospora arabidopsidis durant leurs processus d’infection. Nos résultats démontrent que la papille stigmatique est capable d’adapter sa réponse en fonction de l’identité de l’envahisseur. / The epidermis is the first cellular barrier in direct contact with the environment in both animal and plant organisms. In plants, the result of the cell-to-cell communication that occurs between the pollen grain and the epidermal cells of the stigma, also called papillae, is crucial for successful reproduction. When accepted, the pollen grain germinates and emits a pollen tube that transports the male gametes towards the ovules. Effective fertilization in angiosperms depends on the proper trajectory that pollen tubes take while progressing within the pistil tissues to reach the ovules.Pollen tubes grow within the cell wall of the papilla cells, applying pressure to the wall. Such forces are known to alter the cortical microtubule (CMT) network and cell behaviour. The first part of my PhD thesis aimed at investigating the role of the microtubule cytoskeleton of stigmatic cells in pollen tube growth. By combining cell imaging and genetic approaches, we found that in the Arabidopsis katanin1-5 (ktn1-5) mutant, papillae have a highly isotropic CMT array, associated with a marked tendency of wild-type (WT) pollen tube to turn around the papillae. We could partially phenocopy this coiled growth of pollen tubes by treating WT papillae with the microtubule-depolymerizing drug oryzalin. As CMT pattern is linked to cellulose microfibrils organisation, and hence possibly to cell-wall stiffness, we assessed the stiffness of ktn1-5 and aged papillae using Atomic Force Microscopy. Altogether, our results suggest that both organisation of CMT and cell wall properties dependent on KATANIN have a major role in guiding early pollen tube growth in stigma papillae.Similarly to pollen tube growth within the stigmatic papilla, hypha of filamentous pathogens penetrates the epidermal tissue of the host. During pathogen attacks, epidermal cells promptly react to the invading organisms to adjust the most relevant response. Early response of the first cell layers including epidermal cells is decisive for the result of plant-pathogen interactions. The second part of my PhD work aimed at comparing the cellular response of stigmatic cells challenged by two types of invaders, the pollen tube during pollination and hyphae of two oomycete filamentous pathogens, Phytophtora parasitica and Hyaloperonospora arabidopsidis, during the infection process. We demonstrate that a stigmatic cell challenged by a pollen tube or an oomycete hypha adapts its response to the invader’s identity.

L'élongation cellulaire de cellules cultivant bout comme hyphae fongueux, inculquez hairs, des tubes de pollen et des neurones, est limité au bout de la cellule, qui permet à ces cellules d'envahir l'encerclement substrate et atteindre une cible. Les cellules cultivant bout d'équipement sont entourées par le mur polysaccharide rigide qui régule la croissance et l'élongation de ces cellules, un mécanisme qui est radicalement différent des cellules non-walled. La compréhension du règlement du mur de cellule les propriétés mécaniques dans le contrôle de la croissance et du fonctionnement cellulaire du tube de pollen, une cellule rapidement grandissante d'équipement, est le but de ce projet. Le tube de pollen porte des spermatozoïdes du grain de pollen à l'ovule pour la fertilisation et sur sa voie du stigmate vers l'ovaire le tube de pollen envahit physiquement le stylar le tissu émettant de la fleur. Pour atteindre sa cible il doit aussi changer sa direction de croissance les temps multiples. Pour évaluer la conduite de tubes de pollen grandissants, un dans le système expérimental vitro basé sur la technologie de laboratoire-sur-fragment (LOC) et MEMS (les systèmes micro-électromécaniques) ont été conçus. En utilisant ces artifices nous avons mesuré une variété de propriétés physiques caractérisant le tube de pollen de Camélia, comme la croissance la croissance accélérée, envahissante et dilatant la force. Dans une des organisations expérimentales les tubes ont été exposés aux ouvertures en forme de fente faites de l'élastique PDMS (polydimethylsiloxane) la matière nous permettant de mesurer la force qu'un tube de pollen exerce pour dilater la croissance substrate. Cette capacité d'invasion est essentielle pour les tubes de pollen de leur permettre d'entrer dans les espaces intercellulaires étroits dans les tissus pistillar. Dans d'autres essais nous avons utilisé l'organisation microfluidic pour évaluer si les tubes de pollen peuvent s'allonger dans l'air et s'ils ont une mémoire directionnelle. Une des applications auxquelles le laboratoire s'intéresse est l'enquête de processus intracellulaires comme le mouvement d'organelles fluorescemment étiqueté ou les macromolécules pendant que les tubes de pollen grandissent dans les artifices LOC. Pour prouver que les artifices sont compatibles avec la microscopie optique à haute résolution et la microscopie de fluorescence, j'ai utilisé le colorant de styryl FM1-43 pour étiqueter le système endomembrane de tubes de pollen de cognassier du Japon de Camélia. L'observation du cône de vésicule, une agrégation d'endocytic et les vésicules exocytic dans le cytoplasme apical du bout de tube de pollen, n'a pas posé de problèmes des tubes de pollen trouvés dans le LOC. Pourtant, le colorant particulier en question a adhéré au sidewalls du LOC microfluidic le réseau, en faisant l'observation de tubes de pollen près du difficile sidewalls à cause du signal extrêmement fluorescent du mur. Cette propriété du colorant pourrait être utile de refléter la géométrie de réseau en faisant marcher dans le mode de fluorescence. / Cellular elongation of tip-growing cells such as fungal hyphae, root hairs, pollen tubes and neurons, is limited to the tip of the cell, which enables these cells to invade the surrounding substrate and to reach a target. Tip-growing plant cells are surrounded by the stiff polysaccharidic wall that regulates the growth and elongation of these cells, a mechanism that is very different from non-walled cells. Understanding the regulation of the cell wall mechanical properties in controlling growth and cellular functioning of the pollen tube, a rapidly growing plant cell, is the goal of this project. The pollen tube carries sperm cells from the pollen grain to the ovule for fertilization and on its way from the stigma towards ovary the pollen tube physically invades the stylar transmitting tissue of the flower. To reach its target it also has to change its growth direction multiple times. To assess the behavior of growing pollen tubes, an in vitro experimental system based on lab-on-chip (LOC) technology and MEMS (microelectro-mechanical systems) was designed. Using these devices we measured a variety of physical properties characterizing the pollen tube of Camellia, such as growth velocity, invasive growth and dilating force. In one of the experimental set-ups the tubes were exposed to slit-shaped openings made of elastic PDMS (polydimethylsiloxane) material allowing us to measure the force a pollen tube exerts to dilate the growth substrate. This invasion capacity is crucial for pollen tubes to allow them to enter narrow intercellular spaces within the pistillar tissues. In other assays we used the microfluidic set-up to test whether pollen tubes can elongate in air and whether they have a directional memory. One of the applications that the lab is interested in is the investigation of intracellular processes such as the motion of fluorescently labelled organelles or macromolecules while the pollen tubes grow within the LOC devices. To prove that the devices are compatible with high-resolution optical microscopy and fluorescence microscopy, I used the styryl dye FM1-43 to label the endomembrane system of Camellia japonica pollen tubes. Observation of the vesicle cone, an aggregation of endocytic and exocytic vesicles in the apical cytoplasm of the pollen tube tip, did not pose any problems in pollen tubes located within the LOC. However, the particular dye in question adhered to the sidewalls of the LOC microfluidic network, making viewing of pollen tubes close to the sidewalls difficult because of the highly fluorescent signal of the wall. This property of the dye might be useful to image the network geometry when operating in fluorescence mode.

L’une des particularités fondamentales caractérisant les cellules végétales des cellules animales est la présence de la paroi cellulaire entourant le protoplaste. La paroi cellulaire joue un rôle primordial dans (1) la protection du protoplaste, (2) est impliquée dans les mécanismes de filtration et (3) est le lieu de maintes réactions biochimiques nécessaires à la régulation du métabolisme et des propriétés mécaniques de la cellule. Les propriétés locales d’élasticité, d’extensibilité, de plasticité et de dureté des composants pariétaux déterminent la géométrie et la forme des cellules lors des processus de différentiation et de morphogenèse. Le but de ma thèse est de comprendre les rôles que jouent les différents composants pariétaux dans le modelage de la géométrie et le contrôle de la croissance des cellules végétales. Pour atteindre cet objectif, le modèle cellulaire sur lequel je me suis basé est le tube pollinique ou gamétophyte mâle. Le tube pollinique est une protubérance cellulaire qui se forme à partir du grain de pollen à la suite de son contact avec le stigmate. Sa fonction est la livraison des cellules spermatiques à l’ovaire pour effectuer la double fécondation. Le tube pollinique est une cellule à croissance apicale, caractérisée par la simple composition de sa paroi et par sa vitesse de croissance qui est la plus rapide du règne végétal. Ces propriétés uniques font du tube pollinique le modèle idéal pour l’étude des effets à courts termes du stress sur la croissance et le métabolisme cellulaire ainsi que sur les propriétés mécaniques de la paroi. La paroi du tube pollinique est composée de trois composantes polysaccharidiques : pectines, cellulose et callose et d’une multitude de protéines. Pour comprendre les effets que jouent ces différents composants dans la régulation de la croissance du tube pollinique, j’ai étudié les effets de mutations, de traitements enzymatiques, de l’hyper-gravité et de la gravité omni-directionnelle sur la paroi du tube pollinique. En utilisant des méthodes de modélisation mathématiques combinées à de la biologie moléculaire et de la microscopie à fluorescence et électronique à haute résolution, j’ai montré que (1) la régulation de la chimie des pectines est primordiale pour le contrôle du taux de croissance et de la forme du tube et que (2) la cellulose détermine le diamètre du tube pollinique en partie sub-apicale. De plus, j’ai examiné le rôle d’un groupe d’enzymes digestives de pectines exprimées durant le développement du tube pollinique : les pectate lyases. J’ai montré que ces enzymes sont requises lors de l’initiation de la germination du pollen. J’ai notamment directement prouvé que les pectate lyases sont sécrétées par le tube pollinique dans le but de faciliter sa pénétration au travers du style. / One of the most important features characterizing plant cells and differentiating them from animal cells is the cell wall that surrounds them. The cell wall plays a critical role in providing protection to the protoplast; it acts as a filtering mechanism and is the location of many biochemical reactions implicated in the regulation of the cell metabolism and the mechanical properties of the cell. The local stiffness, extensibility, plasticity and elasticity of the different cell wall components determine the shape and geometry of the cell during differentiation and morphogenesis. The goal of my thesis is to understand the role played by the different cell wall components in shaping the plant cell and controlling its growth behaviour. To achieve this goal, I studied the pollen tube, or male gametophyte, as a cellular model system. The pollen tube is a cellular protuberance formed by the pollen grain upon its contact with the stigma. Its main purpose is to deliver the sperm cells to the female gametophyte to ensure double fertilization. The pollen tube is a tip-growing cell characterized by its simple cell wall composition and by the fact that it is the fastest growing cell of the plant kingdom. This makes it the ideal model to study the effects of drugs, mutations or stresses on cellular growth behaviour, metabolism and cell wall mechanics. The pollen tube cell wall consists mainly of proteins and three major polysaccharidic components: pectins, cellulose and callose. To understand the role played by these components in regulating pollen tube growth, I investigated the effects of mutations, enzymatic treatments, hyper-gravity and omni-directional gravity on the pollen tube cell wall. Using mathematical modeling combined with molecular biology and high-resolution electron and fluorescent microscopy I was able to show that the regulation of pectin chemistry is required for the regulation of the growth rate and pollen tube shape and that cellulose is crucial for determining the pollen tube diameter in the sup-apical region. Moreover, I investigated the role of the pectate lyases, a group of pectin digesting enzymes expressed during pollen tube development, and I showed that this enzyme activity is required for the initiation of pollen germination. More importantly, I directly showed for the first time that the pollen tube secretes cell wall loosening enzymes to facilitate its penetration through the style.

L’une des particularités fondamentales caractérisant les cellules végétales des cellules animales est la présence de la paroi cellulaire entourant le protoplaste. La paroi cellulaire joue un rôle primordial dans (1) la protection du protoplaste, (2) est impliquée dans les mécanismes de filtration et (3) est le lieu de maintes réactions biochimiques nécessaires à la régulation du métabolisme et des propriétés mécaniques de la cellule. Les propriétés locales d’élasticité, d’extensibilité, de plasticité et de dureté des composants pariétaux déterminent la géométrie et la forme des cellules lors des processus de différentiation et de morphogenèse. Le but de ma thèse est de comprendre les rôles que jouent les différents composants pariétaux dans le modelage de la géométrie et le contrôle de la croissance des cellules végétales. Pour atteindre cet objectif, le modèle cellulaire sur lequel je me suis basé est le tube pollinique ou gamétophyte mâle. Le tube pollinique est une protubérance cellulaire qui se forme à partir du grain de pollen à la suite de son contact avec le stigmate. Sa fonction est la livraison des cellules spermatiques à l’ovaire pour effectuer la double fécondation. Le tube pollinique est une cellule à croissance apicale, caractérisée par la simple composition de sa paroi et par sa vitesse de croissance qui est la plus rapide du règne végétal. Ces propriétés uniques font du tube pollinique le modèle idéal pour l’étude des effets à courts termes du stress sur la croissance et le métabolisme cellulaire ainsi que sur les propriétés mécaniques de la paroi. La paroi du tube pollinique est composée de trois composantes polysaccharidiques : pectines, cellulose et callose et d’une multitude de protéines. Pour comprendre les effets que jouent ces différents composants dans la régulation de la croissance du tube pollinique, j’ai étudié les effets de mutations, de traitements enzymatiques, de l’hyper-gravité et de la gravité omni-directionnelle sur la paroi du tube pollinique. En utilisant des méthodes de modélisation mathématiques combinées à de la biologie moléculaire et de la microscopie à fluorescence et électronique à haute résolution, j’ai montré que (1) la régulation de la chimie des pectines est primordiale pour le contrôle du taux de croissance et de la forme du tube et que (2) la cellulose détermine le diamètre du tube pollinique en partie sub-apicale. De plus, j’ai examiné le rôle d’un groupe d’enzymes digestives de pectines exprimées durant le développement du tube pollinique : les pectate lyases. J’ai montré que ces enzymes sont requises lors de l’initiation de la germination du pollen. J’ai notamment directement prouvé que les pectate lyases sont sécrétées par le tube pollinique dans le but de faciliter sa pénétration au travers du style. / One of the most important features characterizing plant cells and differentiating them from animal cells is the cell wall that surrounds them. The cell wall plays a critical role in providing protection to the protoplast; it acts as a filtering mechanism and is the location of many biochemical reactions implicated in the regulation of the cell metabolism and the mechanical properties of the cell. The local stiffness, extensibility, plasticity and elasticity of the different cell wall components determine the shape and geometry of the cell during differentiation and morphogenesis. The goal of my thesis is to understand the role played by the different cell wall components in shaping the plant cell and controlling its growth behaviour. To achieve this goal, I studied the pollen tube, or male gametophyte, as a cellular model system. The pollen tube is a cellular protuberance formed by the pollen grain upon its contact with the stigma. Its main purpose is to deliver the sperm cells to the female gametophyte to ensure double fertilization. The pollen tube is a tip-growing cell characterized by its simple cell wall composition and by the fact that it is the fastest growing cell of the plant kingdom. This makes it the ideal model to study the effects of drugs, mutations or stresses on cellular growth behaviour, metabolism and cell wall mechanics. The pollen tube cell wall consists mainly of proteins and three major polysaccharidic components: pectins, cellulose and callose. To understand the role played by these components in regulating pollen tube growth, I investigated the effects of mutations, enzymatic treatments, hyper-gravity and omni-directional gravity on the pollen tube cell wall. Using mathematical modeling combined with molecular biology and high-resolution electron and fluorescent microscopy I was able to show that the regulation of pectin chemistry is required for the regulation of the growth rate and pollen tube shape and that cellulose is crucial for determining the pollen tube diameter in the sup-apical region. Moreover, I investigated the role of the pectate lyases, a group of pectin digesting enzymes expressed during pollen tube development, and I showed that this enzyme activity is required for the initiation of pollen germination. More importantly, I directly showed for the first time that the pollen tube secretes cell wall loosening enzymes to facilitate its penetration through the style.