Orientador: Michel Georges Albert Vincentz / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-23T15:00:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Baptista_JulianaCristina_D.pdf: 14259949 bytes, checksum: d33465f0d6490d2c792f6ee701daa4bd (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O resumo poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: The abstract is available with the full electronic document / Doutorado / Genetica Vegetal e Melhoramento / Doutora em Genética e Biologia Molecular

Orientador: Michel Georges Albert Vincentz / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-21T03:47:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silveira_AmandaBortolini_D.pdf: 6025388 bytes, checksum: 97930bc131f2a0eac6926dae1eeb9319 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Modificações epigenéticas do DNA ou da cromatina atuam principalmente no controle da atividade de elementos de transposição, podendo também silenciar genes, geralmente quando estes estão associados a elementos de transposição ou sequências repetidas. Em plantas, alguns alelos epigenéticos afetando caracteres como morfologia floral, florescimento, estatura ou amadurecimento do fruto foram descritos, revelando o potencial deste tipo de regulação para gerar variabilidade fenotípica herdável não necessariamente vinculada a alterações da sequência de DNA. No entanto, o impacto de mecanismos epigenéticos em processos de evolução adaptativa é ainda bastante desconhecido, em parte, pela falta de informação sobre variação epigenética em populações naturais. Identificamos Qua-Quine Starch (QQS) de Arabidopsis thaliana como um gene sob um controle epigenético flexível e, portanto, particularmente propenso a variações epialélicas frequentes na natureza. QQS é um gene recente, que provavelmente originou-se de novo em Arabidopsis thaliana em uma região rica em elementos de transposição. Mostramos que QQS apresenta-se diferencialmente expresso entre acessos naturais assim como entre indivíduos diretamente coletados na natureza e que estas diferenças de expressão estão negativamente correlacionadas com o nível de metilação de sequências repetidas localizadas em sua região promotora e 5' UTR, não estando relacionadas a variação genética em cis ou trans. Mostramos ainda que variação epialélica em QQS é independente do nível de metilação de transposons vizinhos e que pode ser estavelmente herdada entre gerações. Considerando o impacto potencial de padrões de expressão contrastantes de QQS no metabolismo de amido, um importante componente para produção de biomassa e crescimento, sugerimos que variação epialélica em QQS possa ter implicações adaptativas. Nossos dados também apontam pela primeira vez uma ligação potencial entre mecanismos epigenéticos e o processo de evolução de genes novos. Propomos que genes novos, especialmente os de origem de novo, poderiam ser mais propensos a variar epigeneticamente, o que permite um ajuste fino de seu padrão de expressão até que o estado mais vantajoso seja fixado geneticamente / Abstract: Epigenetic modifications of DNA or chromatin control of the activity of transposable elements and can also silence genes which are associated to transposons or repetitive sequences. In plants, epigenetic alleles affecting characters such as floral morphology, flowering, stature or fruit ripening have been described, highlighting the potential of this type of regulation in generating heritable phenotypic diversity, not necessarily linked to DNA sequence alterations. However, the impact of epigenetic mechanisms in adaptative evolution is still largely unknown, in part, due to the lack of information about epiallelic variation in natural populations. We have identified Qua-Quine Starch (QQS) of Arabidopsis thaliana as a gene under flexible epigenetic control and thus particularly prone to epiallelic variation in nature. QQS is a recent gene that likely originated de novo in Arabidopsis thaliana in a transposon-rich region. We show that QQS is differentially expressed among natural accessions as well as among individuals directly sampled from the wild and that these expression differences are negatively correlated with the DNA methylation level of repeat sequences located on QQS promoter and 5'UTR region and are not correlated with cis or trans genetic variation. We also show that epiallelic variation at QQS is independent of the methylation status of nearby transposable elements and can be stably inherited across generations. Considering the potential impact of contrasting QQS expression patterns on starch accumulation, an important component of biomass production and growth, we suggest that epiallelic variation at QQS may have adaptative implications. Our data also points for the first time to a potential link between epigenetic mechanisms and the evolution of novel genes. We suggest that novel genes, more specifically those created de novo, could be endowed with an increased potential for epigenetic variation and thus for adjusting their expression pattern until the most adaptive state becomes genetically fixed / Doutorado / Genetica Vegetal e Melhoramento / Doutor em Genetica e Biologia Molecular

Orientador: Ione Salgado / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-20T06:41:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SantosFilho_PlinioRodriguesdos_D.pdf: 1637587 bytes, checksum: 89bdaa896ffa24aac0e2f5b00b8ece3a (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A nitrato redutase (NR) corresponde ao primeiro passo na assimilação do nitrato em plantas. Recentemente, essa enzima tem sido também relacionada à síntese de óxido nítrico (NO). Entre várias ações sinalizadoras para as plantas, o NO promove o acúmulo de fenilpropanóides pela ativação da expressão de enzimas iniciais dessa via. Contudo, uma correlação entre metabolismo de nitrogênio, emissão de NO e acúmulo de fenilpropanóides não foi estabelecida. Por isso, neste trabalho foi analisado o efeito do suprimento de nitrato e da deficiência na NR sobre a síntese de aminoácidos, a emissão de NO e o metabolismo de fenilpropanóides em diferentes tecidos de Arabidopis thaliana selvagem e mutante duplo deficiente para a NR (nia1 nia2). Análises cromatográficas mostraram que a mutante é deficiente na síntese de sinapoil malato (SM), fenilpropanóide predominante nas folhas, resultando no acúmulo de seu precursor sinapoil glicose (SG) e derivados de kaempferol. Essa deficiência não foi causada pela baixa assimilação do nitrato, já que a recuperação do conteúdo de aminoácidos na mutante não alterou seu perfil metabólico. Porém, a maior disponibilidade de nitrato aumentou a atividade da NR, a emissão de NO e os níveis de SM e diminuiu os níveis de SG, nos dois genótipos. O cultivo in vitro da mutante na presença de malato afetou a produção de SM de maneira dose-dependente, enquanto substâncias doadoras de NO causaram apenas um pequeno aumento em SG. Porém, a combinação malato/doador de NO promoveu a recuperação de SM ao nível da selvagem. Esse efeito sinergístico do NO com o malato também ocorreu quando as folhas da mutante foram infiltradas com esses compostos. Além disso, a atividade da enzima sinapoil glicose:malato sinapoil transferase (SMT) foi menor na mutante e a adição de NO aumentou a síntese de SM. Ainda, as folhas da mutante foram incapazes de acumular antocianinas sinapoiladas ao nível da selvagem quando submetidas a um estresse luminoso. Nos botões florais apenas derivados de kaempeferol e quercetina foram identificados e não houve diferença entre selvagem e mutante. Nas raízes não foram identificados fenilpropanóides, provavelmente porque esses compostos só são acumulados nesse órgão na presença de luz. Em relação ao acúmulo de aminoácidos, as folhas do mutante apresentaram níveis reduzidos de todos os aminoácidos parecendo atuar como fonte desses compostos para os botões florais, que não apresentaram nenhuma diferença em relação à selvagem. A glutamina recuperou os níveis de aminoácidos nas folhas, mas não causou diferença nos botões florais. Nas raízes, não houve diferença no conteúdo de aminoácidos entre selvagem e mutante, quando cultivadas no solo, mas in vitro, a mutante foi deficiente, provavelmente pela limitação de nutrientes nessa condição. Esses resultados indicam que o metabolismo dos ésteres de ácido sinápico nas folhas, controlado por aciltransferases dependentes de sinapoil glicose, está comprometido no mutante nia1 nia2 e sugere um potencial papel sinalizador para o NO na ativação dessas aciltransferases. Ainda, o efeito da deficiência na NR nos níveis de aminoácidos parece alterar as relações de fonte e dreno na planta e a folha foi o órgão mais afetado / Abstract: The nitrate reductase (NR) is the first step in nitrate assimilation in plants. Recently, this enzyme has also been related to the synthesis of nitric oxide (NO). Among various signaling actions for plants, NO promotes the accumulation of phenylpropanoids by activating the expression of the initial enzymes of this pathway. However, a correlation between nitrogen metabolism, NO emission and accumulation of phenylpropanoids has not been established. Therefore, this work analyzed the effect of nitrate supply and NR deficiency on the synthesis of amino acids, emission of NO and phenylpropanoid metabolism in different tissues of wild type and NR double-deficient (nia1 nia2) Arabidopsis thaliana plants. Chromatographic analysis showed that the mutant is deficient in the synthesis of sinapoylmalate (SM), the major phenylpropanoid in the leaves, resulting in accumulation of its precursor sinapoylglucose (SG) and kaempferol derivatives. This deficiency was not caused by the low nitrate assimilation, since the recovery of the amino acid content in the mutant did not change its metabolic profile. In contrast, an increased supply of nitrate enhanced NR activity and NO production, and increased SM and decreased SG levels in both genotypes. The in vitro cultivation of mutant in the presence of malate affected the production of SM in a dose-dependent manner, whereas NO donors caused only a slight increase in SG. However, the combination of malate/NO donor promoted the recovery of SM at the level of wild type plants. The synergistic effect of NO with malate in the recovery of SM also occurred when the mutant leaves were infiltrated with these compounds. Furthermore, sinapoylglucose:malate sinapoyltransferase (SMT) activity was reduced in the mutant, and the addition of NO increased SM synthesis. Additionally, mutant leaves were unable to accumulate sinapoylated anthocyanins at the level of wild type when exposed to light stress. In the flower buds just kaempeferol and quercetin derivatives were identified and there was no difference between wild type and mutant. In the roots, phenylpropanoids were not identified, probably because these compounds are accumulated in this organ only in the presence of light. Regarding the accumulation of amino acids, the mutant leaves showed reduced levels of all amino acids and appeared to act as a source of these compounds to the flower buds that showed no difference from the wild plant. Glutamine recovered the amino acid levels in leaves, but caused no difference in flower buds. In the roots, there was no difference in the amino acid content between wild type and mutant, when grown in soil, but in vitro, the mutant was deficient, probably due to nutrient limitation in this condition. These results indicate that hydroxycinnamate ester metabolism in leaves, controlled by the sinapoylglucose-dependent sinapoyltransferases, is compromised in nia1 nia2 mutant and suggests a potential signaling role for NO in the activation of these acyltransferases. Additionally, the effect of NR deficiency in the levels of amino acids appears to alter the relationship of source and sink in the plant and the leaf is the most affected organ / Doutorado / Bioquimica / Mestre em Biologia Funcional e Molecular

Le 134Cs et le 137Cs, isotopes radioactifs du césium relâchés entre autres à la suite des accidents de Tchernobyl et Fukushima, sont des sources de préoccupations majeures pour la sécurité sanitaire et la protection des écosystèmes. La contamination des plantes est liée en partie à leur capacité à absorber le césium présent dans la solution du sol via des transporteurs. Le césium emprunte en effet, au moins en partie, le système de transport potassique sans disposer de transporteurs qui lui sont spécifiques. Il existe une grande diversité de transporteurs potassiques et la part du flux total qu’ils prennent en charge dépend du niveau de potassium fourni à la plante. Nous avons fait varier ce niveau et étudié son impact sur l’absorption et la distribution du césium dans la plante. Outre les phénomènes de compétition existant entre les deux éléments, le type de transporteurs dominant à un niveau de potassium donné a également une influence sur le transport du césium. Nous avons ainsi pu mettre en évidence des familles de transporteurs potassiques ayant de plus fortes chances d’être impliquées dans le transport de césium. Ainsi, les résultats produits pendant cette thèse mettent en évidence le rôle in planta du transporteur KUP9, jusque-là peu étudié, dans les flux de césium chez Arabidopsis thaliana. Nous n’observons pas de modifications de l’absorption du potassium chez les mutants invalidés sur ce transporteur : il serait donc possible de le manipuler pour moduler l’absorption de césium sans que la nutrition potassique ne soit altérée. / 134Cs and 137Cs, two radioactive isotopes unintentionally released after the Chernobyl and the Fukushima accidents, are of major concern for ecosystems protection and human health. Plants contamination is due to their ability to absorb cesium from the soil solution via transporters. Indeed, cesium which is supposed to have no role in plants can pass through potassium transporters. Proteins involved in potassium transport are diverse and the part of fluxes covered by each of them depends on the level of potassium supplied to the plant. We tested the effects of this level on uptake and distribution of cesium into the plant. Beside competition between the two elements, transporters which are dominant for a given potassium supply condition modify the cesium transport. Making the link between these modifications and knowledge on identity and properties of potassium transporters, we highlighted candidates with high potential for cesium transport. Hence, results produced during my thesis demonstrate in planta the role of KUP9 transporter, which has received little attention so far, in cesium fluxes in Arabidopsis thaliana. Changing in potassium uptake has not been observed in mutant lines disrupted in this KUP9 transporter suggesting interestingly that it could be possible to modulate cesium uptake without alteration of potassium nutrition.

Manifestation visible des cross-overs génétiques, les chiasmata lient les paires de chromosomes homologues afin de les orienter correctement sur le fuseau méiotique en Métaphase et Anaphase I. Ils résultent d'un processus complexe et étroitement régulé impliquant l'induction de cassures double-brins et de leur réparation par l'invasion d'un duplex d'ADN homologue faisant office de modèle. La recombinaison est ainsi essentielle pour le synapsis et la ségrégation correcte des chromosomes méiotiques à la première division méiotique, et pour la génération de la variabilité génétique. Bien que les processus permettant à un chromosome de s'apparier seulement à son homologue ne soient pas complètement élucidés, l'appariement des chromosomes homologues est étroitement lié à la recombinaison catalysée par les enzymes d'échange de brins d'ADN RAD51 et DMC1. Ces deux protéines ont des capacités très similaires in vitro, mais sont fonctionnellement distinctes in vivo.La première partie de ma thèse montre l'impact de l'élimination de l'activité d'échange de brins de RAD51 dans la méiose d'Arabidopsis, tout en conservant sa fonction de facteur accessoire pour l'action de DMC1. La recombinaison peut donner lieu à des cross-over (CO) et non-cross-over (NCO) et la recombinase spécifique de la méiose DMC1 a été jugée particulièrement importante dans la production de CO interhomologue. Des résultats récents suggèrent fortement toutefois que DMC1 est la seule recombinase active dans la méiose et doit donc être responsable des résultats de CO et NCO. Etant donné qu'environ 95% de la recombinaison méiotique homologue dans Arabidopsis n'entraîne pas de cross-overs interhomologues, Arabidopsis est un modèle particulièrement sensible pour tester l'importance relative des deux protéines - même des effets mineurs sur la population d'événements non-cross-over devraient produire des effets détectables sur les cross-overs. DMC1 catalyse la réparation de toutes les cassures d'ADN méiotiques en présence d'une protéine RAD51 catalytiquement inactive (fusion RAD51-GFP), et les résultats de mon travail montrent que cela n'a pas d'effet détectable sur les taux relatifs de recombinaison de CO et de NCO : à la fois localement, à l'échelle du chromosome et du génome. Et non plus sur la progression de la division méiotique. Ce travail a abouti à une publication dans le journal PLoS One (Singh G, Da Ines O, Gallego ME & White CI (2017) Analyse de l'impact de l'absence d'activité d'échange de brins de RAD51 dans la méiose d'Arabidopsis PLoS ONE 12: e0183006- 16).Des publications antérieures montrent une synapsis homologue partielle et incomplète en l'absence de rad51 et xrcc3 dans la méiose d'Arabidopsis. Cela s'accompagne de la présence de nombreuses fibres courtes ZYP1 dans ces noyaux, ce qui pourrait indiquer de faibles longueurs de complèxe synaptonémale (SC). Ce synapsis partielle dépend à la fois de SPO11 et de DMC1 et implique des péricentromères, montrant que DMC1 est capable (au moins partiellement) d'entraîner le synapsis dans les péricentromères en l'absence de RAD51. Afin de mieux caractériser ceci et pour tester l'hypothèse que les fibres ZYP1 courtes montrent la présence d'une initiation de SC à ces sites, j'ai méné des expériences d'immunofluorescence et d'imagerie SIM. Utilisant un coloration DAPI et les antiséra ASY1, ZYP1 et CENH3, j'ai conduite des analyses cytogénétiques de le synapsis dans les mutants rad51, xrcc3 et des plantes sauvages. Ces travaux faisaient l'objet de la deuxième partie de mes travaux de thèse. Dans les plantes mutantes, j'observe effectivement des fibres courtes ZYP1 comprenant des centromères, mais elles ne sont pas la règle, ce qui signifie que le synapsis ne commence pas nécessairement à des centromères ou des péricentromères. (...) / The visible manifestation of genetic crossing-over, chiasmata link homologous chromosome pairs to permit them to properly orient on the meiotic Anaphase I spindle. They are the result of an intricate and tightly regulated process involving induction of DNA double- strand breaks and their repair through invasion of a homologous template DNA duplex. Recombination is thus essential for the synapsis and accurate segregation of meiotic chromosomes at the first meiotic division, and in doing so, generates genetic variation. Although the processes permitting a chromosome to pair only with its homologue are not fully understood, successful pairing of homologous chromosomes is tightly linked to recombination catalysed by the DNA strand exchange enzymes RAD51 and DMC1. Both proteins share very similar capabilities in vitro, but are functionally distinct in vivo. The first part of my thesis shows the impact of eliminating the strand exchange activity of RAD51 in Arabidopsis meiosis, while retaining its function as an accessory factor for the action of DMC1. Recombination can give rise to both crossover (CO) and non-crossover (NCO) outcomes and the meiosis-specific recombinase DMC1 has been thought to be of particular importance in the production of inter-homolog CO. Recent results however suggest strongly that that DMC1 is the only active recombinase in wild-type meiosis and thus must be responsible for both CO and NCO outcomes. Approximately 95% of meiotic homologous recombination in Arabidopsis does not result in inter-homologue crossovers and Arabidopsis is thus a particularly sensitive model for testing the relative importance of the two proteins - even minor effects on the non-crossover event population should produce detectable effects on crossing-over. DMC1 catalyses repair of all meiotic DNA breaks in the presence of the catalytically inactive RAD51 (RAD51-GFP fusion) and the results of my work show that this has no detectable effect on the relative rates of CO and NCO recombination, both locally and chromosome- and genome-wide, nor on the progression of the meiotic division. This work has resulted in a publication in the journal PLoS One (Singh G, Da Ines O, Gallego ME & White CI (2017) Analysis of the impact of the absence of RAD51 strand exchange activity in Arabidopsis meiosis. PLoS ONE 12: e0183006–16).Previous publications show partial, incomplete homolog synapsis in the absence of rad51 and xrcc3 in Arabidopsis meiosis. This is accompanied by the presence of many short ZYP1 fibres in these nuclei, possibly indicating short stretches of Synaptonemal Complex (SC). The partial synapsis is both SPO11- and DMC1-dependent and involves peri-centromeres, showing that DMC1 is able to (at least partially) drive synapsis in peri-centromeres in the absence of RAD51. In an effort to better characterize this and to test the hypothesis that the short ZYP1 fibres show the presence of initiation of SC at these sites, immunofluorescence and SIM imaging with DAPI staining and ASY1, ZYP1 and CENH3 antisera were carried out for cytogenetic analyses of synapsis in rad51 and xrcc3 mutants and the WT in the second part of my thesis work. Although I do observe short ZYP1 fibres including centromeres in the mutants, these are not the rule, so synapsis does not necessarily begin at centromeres or peri-centromeres. The superresolution imaging does confirm the presence of stretches of 4-chromatid fibres in xrcc3 plants and this approach will be extended in future work of the group to probe the nature of the RAD51-independent partial meiotic chromosome synapsis.Finally, I have designed and built CRISPR/CAS9 constructs with the aim of creating meiotic DSB hotspots at specific genomic loci. Taking advantage of single nucleotide polymorphism data, these constructs were designed to specifically cleave sites in the Arabidopsis Col-0 ecotype, and not in Ler-0 plants. (...)

La dégradation sélective des protéines par un mécanisme ubiquitine et protéasome 26S dépendant est conservée chez tous les eucaryotes. Les E3 ubiquitine ligases sont les derniers acteurs de la cascade d’ubiquitinylation et sont responsables de la sélection spécifique des protéines cibles pour leur dégradation. Les enzymes E3 de type CRL4 forment des complexes multiprotéiques dont les récepteurs de substrats sont appelés DCAF pour DDB1-CUL4 Associated Factor. Les études réalisées chez les mammifères et les levures ont permis d’identifier une signature spécifique des DCAF : le motif WDxR à la fin d’un domaine WD40. L’analyse bioinformatique a montré l’existence de plus de 85 DCAF potentielles chez Arabidopsis thaliana. Parmi ces récepteurs, nous nous sommes intéressés à une famille multigénique appelée MSI (Multicopy Suppressor of IRA1). Des études précédentes ont permis de montrer que MSI1 et MSI4 participaient chacune à un complexe CRL4 différent capable d’interagir fonctionnellement avec un complexe PRC2 (Polycomb Repressive Complex 2) pour moduler une régulation épigénétique.Les résultats obtenus et décrits dans ce manuscrit mettent en évidence une interaction physique entre les protéines MSI (2 ou 3) et DDB1a suggérant l’existence d’un complexe multimérique incluant CUL4. L’interrogation des données publiques confrontées à nos données expérimentales, nous a permis d’établir que l’expression des deux gènes était régulée de manière cycle cellulaire dépendante. De plus, un mutant perte de fonction msi3 présente un phénotype de retard de croissance suggérant une fonction de contrôle du cycle cellulaire. D’autre part, leur capacité d’interagir avec des régulateurs chromatiniens permet d’envisager une régulation par voie épigénétique. Toutefois, le rôle exact de ces protéines reste à déterminer. / Selective protein degradation by the UPS (Ubiquitin Proteasome System) is highly conserved in all eukaryotes. The E3 ubiquitin ligases are the last actors in the ubiquitylation pathway and target specifically the proteins for degradation. CRL4 E3 ligases form multiprotein complexes where the substrate receptors are called DCAFs for DDB1-CUL4 Associated Factor. Studies made in mammals and yeast allowed to highlight a characteristic signature for the DCAFs: the WDxR motif at the end of a WD40 domain. Bioinformatic studies could identify around 85 potential DCAFs in Arabidopsis thaliana. Among those receptors, we were interested in a small multigenic family called MSIs (Multicopy Suppressor of IRA1). Previous studies showed that MSI1 and MSI4 belong to different CRL4 complexes functionally connected to a PRC2 complex (Polycomb Repressive Complex 2). The results obtained and described in this manuscript highlight a physical interaction between MSI (2 or 3) and DDB1a suggesting the existence of a multimeric complex including CUL4. Furthermore, bioinformatic as well as experimental data, allowed us to establish that MSI2 and MSI3 gene expression are cell cycle regulated. Moreover, phenotypic analysis of an msi3 loss of function mutant showed a delayed growth implying a function as cell cycle regulator. On the other hand, the ability of MSI3 to interact with chromatin regulators points to an epigenetic regulatory pathway. However, the exact function of these proteins remains to be determined.

Le cycle cellulaire est fermement contrôlé par l’activité de kinases cycline dépendantes (CDKs). Les CDKs d’Arabidopsis, plante à fleur, ont été classées en six types, parmi lesquels les CDKs de type A- et B- sont les acteurs pajeurs du cycle cellulaire végétal. Les CDKs de type B sont spécifiques aux plantes, alors que les CDKs de type A sont des homologues fonctionnels des cdc2/Cdc28p de levure et contiennent un motif conservé PSTAIRE. Il a récemment été observé que, même si les plantes mutantes cdka;1-/- sont viables, elles sont naines et ne peuvent survivre en culture sur sol. La restauration de cette croissance en terre de culture peut néanmoins être obtenue par expression des CDKs de type B. Mais ce sauvetage est incomplet et n’a pu être observé que pour l’expression de CDKB1 et non CDKB2. Ce résultat soulignant le fait que les CDKA;1, CDKB1 et CDKB2 ont des fonctions différentes. Ici, nous avons réalisé une analyse de corrélation entre structure et fonction en échangeant des acides aminés clefs ou domaines entres ces différentes kinases. Les résultats obtenus ont mis en exergue le fait que la structure dans son intégralité est importante pour la fonction de chaque CDK et que les domaines ne peuvent être facilement échangés au sein des différentes CDKs. De plus, la non complémentation des plantes mutantes cdka;1-/- par l’expression des protéines cdc2/CDC28 de levure ou Cdk1 et Cdk2 humaines, démontre le rôle spécifique de la CDK1;1 de plante. Fait intéressant, des plantes qui surexpriment CDK2;2 montrent une croissance accélérée du système racinaire et aérien conduisant à une floraison précoce de 10-15 jours par rapport à une plante sauvage et à une augmentation significative du poids sec de la partie aérienne de la plante et de ses graines. Ces dernières, semées et cultivées sur un milieu contenant de la Bléomycine (composé domageant l’ADN) ont à nouveau montré une meilleure croissance racinaire que des plantes sauvages. Ce résultat indique donc que la répression de l’expression des protéines CDKB2 suivant des dommages à l’ADN n’est pas essentielle. La modulation de l’activité des protéines CDKB2 représente ainsi une nouvelle possibilité d’augmenter la croissance végétale en condition de culture rude. / The cell cycle is tightly controlled through the activities of cyclin-dependent kinases (CDKs). CDKs in the flowering plant Arabidopsis have been classified into six types, among which the A- and B-type CDKs are key players of the plant cell cycle. While B-type CDKs are plant specific, A-type CDKs are functional homologs of yeast cdc2/Cdc28p and contain a conserved PSTAIRE motif. It has been recently observed that, although cdka;1-/- mutant plants are viable, they are extremely dwarfed and cannot survive on soil.. Growth on soil of cdka;1-/- mutants can be restored by the expression of B-type CDKs. However, this rescue was incomplete and was only observed when CDKB1 and not CDKB2 was expressed. These results pointed at distinct features of the three kinases CDKA;1, CDKB1, and CDKB2. Here, exchanging key amino acids and swapping domains between these kinases performed a structure-function analysis. However, the obtained results emphasize that structural integrity of each CDK is delicate and that individual domains cannot be easily exchanged between different CDKs. Moreover, the failure of yeast cdc2/CDC28 and human Cdk1 and Cdk2 to rescue cdka;1-/- mutants stresses the plant specific role of CDKA;1. Interestingly, plants expressing CDKB2;2 showed accelerated growth of the root and the shoot leading to flowering at approximately 10-15 days earlier than the wild type with a significant increase in aboveground dry biomass and seed weight. Remarkably, the roots of CDKB2;2 overexpression lines grew even on DNA damage-inducing media faster than wild-type roots, indicating that the previously observed down-regulation of CDKB2 expression after DNA damage is not essential in the DNA damage response. Thus, modulation of CDKB2 activity represents a novel possibility to enhance plant growth even on adversary conditions.

Les protéines du groupe Polycomb sont des régulateurs épigénétiques impliqués dans divers processus développementaux et cellulaires. Le complexe Polycomb Répressif 1 (PRC1) est bien caractérisé chez les animaux, cependant sa composition et sa fonction restent énigmatiques dans les plantes. Sur base d'homologie de séquences trois homologues de la sous-unité de base BMI1 du complexe PRC1 animal ont été identifiés dans Arabidopsis: AtBMI1a, AtBMI1b et AtBMI1c. L'interaction de ces trois protéines avec les composantes PRC1 connues (i.e. AtRING1ab, et LHP1) a été démontrée. Des analyses génétiques et moléculaires ont permis d'attribuer aux protéines AtBMI1ab et AtRING1ab un rôle essentiel dans la répression des caractères embryonnaire lors de la croissance végétative. Un nouvel interactant d'AtRING1a, une protéine à domaine PHD de la famille AL (Alfine-Like) a été identifiée dans criblage d'une banque de ADNc. Par différentes techniques l'association entre les protéines de la famille AL et les membres de bases du complexe PRC1 (i.e. AtBMI1ab, AtRING1ab et LHP1) a été démontrée. Les protéines AL sont nucléaires et se lient in vitro à H3k4me3, une marque active de la chromatine. Des analyses génétiques ont révélé que les protéines AL et AtBMI1ab régulent la germination en réprimant l'expression de gènes impliqués dans le développement de la graine. Au niveau chromatinien, les protéines PRC1 interviennent dans la transition d'une chromatine active, marquée par du H3K4me3 vers une chromatine répressive enrichie en H3K27me3. Nous proposons que les protéines AL reconnaissent la marque active et recrutent la fonction répressive des protéines à domaine RING du complexe PRC1 afin d'induire la répression transcriptionelle. / Polycomb group (PcG) proteins are critical epigenetic repressors implicated in various developmental and cellular processes. While the Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) is evolutionary conserved and its functions extensively studied in Arabidopsis, the PRC1 complex composition and function remain still enigmatic in plants. Our work focuses on several Arabidopsis RING-domain proteins to unravel PRC1-like functions in the regulation of various processes during plant development. Based on sequence similarity we identified three homologues of the animal PRC1 core subunit BMI1: AtBMI1a, AtBMI1b and AtBMI1c. These proteins were found to interact with other PRC1-like components, AtRING1a, AtRING1b and LHP1. Genetic and molecular analyses demonstrated that AtBMI1a/b and AtRING1a/b play crucial roles in stable repression of embryonic traits to allow proper somatic growth. Comparative transcriptome analyses were performed to uncover genetic networks underlying seedling growth and the flower development defects of several different PRC1-like and PRC2 Arabidopsis mutants. Our data revealed overlapping and non-overlapping gene categories of misregulated genes in Atring1a/b, Atbmi1a/b and lhp1 mutants. The Atring1a/b mutant showed particular disturbed expression of flower developmental genes. Accordingly, phenotypic and molecular analyses of the mutant flowers confirmed that AtRING1a/b play a critical role in cell fate determination and in different aspects of flower development. To better understand the broad function of AtRING1a/b, we performed yeast two-hybrid screen and identified PHD-domain proteins of the ALFIN-LIKE (AL) family as binding partners. In vitro AL proteins bind the active mark for gene transcription, H3K4me3. By various methods, both in vitro and in planta, we provided strong evidence for the physical interaction between AL and PRC1 RING-domain proteins. We uncovered that al6/7 similar to Atbmi1a/b mutants exhibit seed germination defects, which are associated with the derepression of several seed related genes. Consistently on the corresponding chromatin a delay of the remodeling from active H3K4me3 labeled to a repressive H3K27me3 marked chromatin could be detected. We propose that through binding to H3K4me3 AL6/7 function as scaffold proteins to target PRC1 RING-domain proteins to active chromatin in order to establish gene silencing. Taken together, the presented work contributes significantly to the knowledge of PRC1 complex(es) in Arabidopsis at both biological function and complex composition levels. It opens several exciting perspectives for future research in the field.

Les cellules végétales sont entourées d’une paroi pecto-cellulosique rigide, soudant les cellules les unes aux autres et empêchant toute migration. Lors de la mitose, le positionnement du plan de division est donc un processus fondamental dans l’organisation des tissus puisque les cellules nouvellement formées restent à leur position initiale après la cytokinèse. Chez les plantes terrestres, le plan de division est déterminé lors de la transition G2/M du cycle cellulaire par l’anneau de préprophase (PPB), une structure transitoire corticale de microtubules. Les mécanismes mis en jeu pour la formation de la PPB sont encore inconnus. L’équipe dans laquelle j’ai effectué ma thèse a identifié un complexe régulateur, le complexe TTP, composé de TON1, de la famille de protéines TON1-Recruiting-Motif (TRMs) et d’une phosphatase de type 2A où FASS est la sous-unité régulatrice. TON1 et FASS sont impliquées dans l’organisation des microtubules corticaux en interphase, et sont indispensables à la formation de la PPB. La famille des protéines TRMs, identifiée récemment, est composée de 34 membres, dont certains sont capables de se lier aux microtubules et de recruter TON1 et FASS au cytosquelette. Les profils d’expression des TRMs et les analyses génétiques préliminaires suggèrent que certaines auraient un rôle en interphase, alors que d’autres pourraient être impliquées dans la formation de la PPB. Mon projet était d’identifier et de caractériser, si elles existent, les TRMs impliquées spécifiquement dans la formation de la PPB. L’analyse des données de transcriptome a révélé qu’un des gènes de la famille TRM, le gène TRM7, présente un pic d’expression en mitose. Nous avons d'abord montré que TRM7 est spécifiquement exprimée dans les tissus en division. L’utilisation d’une fusion génomique TRM7-3xYpet indique d'autre part que la protéine TRM7 n’est exprimée qu’au stade G2/M. Elle est localisée à la PPB et disparaît en début de métaphase, peu après dépolymérisation de la PPB. TRM7 est ainsi le seul marqueur spécifique de la PPB identifié à ce jour chez les plantes, puisque toutes les autres protéines localisées à la PPB marquent également les autres structures mitotiques ou le cytosquelette d’interphase. TRM7 fait partie d’un sous-groupe de trois TRM partageant environ 74% de similarité de séquence. L’analyse phénotypique du mutant trm7, ainsi que celui du triple mutant trm6 trm7 trm8 a montré que ce sous-groupe de protéines joue un rôle majeur dans la formation de la PPB. Près de la moitié des cellules du mutant trm7 présentent un stade préprophase aberrant alors que 100% des cellules du triple mutant au stade G2/M sont affectées, la très grande majorité se divisant sans former de PPB. Étonnamment, la morphologie de ces mutants est peu perturbée et le phénotype n’est en rien comparable au syndrome développemental sévère des mutants ton1 ou fass dépourvus de PPB. De plus, les plans de division ne sont pas aléatoires comme c’est le cas pour les mutants ton1 et fass. Nos résultats permettent donc d'apporter une nouvelle lumière sur le rôle de la PPB dans la détermination du plan de division. Pour la première fois, grâce au triple mutant trm6 trm7 trm8, nous avons réussi à découpler les fonctions interphasiques de la fonction mitotique du complexe TTP, ce qui était jusqu’alors impossible chez les mutants ton1 ou fass où les défauts en interphase et les défauts dus à l’absence de PPB étaient indissociables. Tous les composants du complexe TTP partageant des similarités avec des protéines centrosomales animales faisant partie du même complexe, nous avons exploré dans un projet annexe, la conservation des interactions au sein du complexe animal. Nous avons pu mettre en évidence, grâce au système double-hybride chez la levure, des interactions entre protéines animales et protéines végétales. / Plant cells are embedded within a semi-rigid pecto-cellulosic cell wall that prevents cell migration. As a consequence, three-dimensional cellular organization of tissues mostly results from polarized cell division, since new cells remain in place after mitosis with no possibility for subsequent relocation. In land plants, the division plane is determined pre-mitotically, during the G2 to M phase transition by the preprophase band (PPB), a transient, premitotic microtubule array. The molecular pathways leading to preprophase band formation are still largely unknown. Our team has identified a regulatory complex, the TTP complex, composed of TON1, TRM and a Protein Phosphatase 2A complex with FASS as the regulatory subunit. Both TON1 and FASS have been shown to be involved in cortical microtubules organization during both interphase and PPB formation. The TRM super family is a newly identified protein family composed of 34 members, some of which are microtubule-associated proteins able to recruit TON1 and FASS to the microtubules. Based on TRM expression profiles and preliminary genetic analysis, we hypothesized that some TRMs could have a role in interphase, while others could be involved in PPB formation. My project was to identify and characterize TRMs specifically involved in PPB formation, if any. Transcriptomic analysis using the Genevestigator tool revealed that one TRM gene, TRM7, has a peak of expression at mitosis. TRM7 promoter GUS fusion analysis confirmed that TRM7 is expressed in all dividing tissues and in situ hybridizations of shoot apical meristems revealed a patchy pattern of expression, typical of cell cycle-regulated genes. Remarkably, the genomic TRM7-3xYFP fusion is only expressed at the G2/M transition where it localizes to the PPB, persists beyond PPB degradation until the beginning of metaphase and then disappears. To our knowledge, this makes TRM7 the only PPB-specific marker identified in plants so far, since all other PPB-associated markers label others structures as well, both interphasic or mitotic. TRM7 is part of the TRM6-7-8 sub-family, which share 74% of similarity. Phenotypic analysis of the trm7 and trm6 trm7 trm8 triple mutant revealed a major role of this sub-group in PPB formation. Almost half trm7 cells and all trm6 trm7 trm8 cells displayed an abnormal preprophase stage, the vast majority of the triple mutant cells dividing without PPB. Surprisingly, the triple mutant phenotype is rather mild compare to the severe developmental syndrome of PPB-lacking ton1 or fass plants. Moreover, although often shifted, division plane positioning is far from being fully randomized as in ton1 and fass mutants. Our results show that, for the first time, we have fully uncoupled the mitotic function of the TTP complex from its interphasic function, contrarily to other TTP mutants analyzed so far, where division and interphase defects are indistinguishable. Moreover, these findings question the central role of the PPB in division plane positioning. All TTP components share similarities with animal proteins assembled within a complex at the centrosome. In a side project, we studied the conservation of protein interactions within the animal complex and were able to find cross-interactions between animal and plant proteins in yeast two-hybrid experiments.

Le fer (Fe) est un micro-élément essentiel pour les plantes. Nous avons récemment montré que l'ascorbate joue un rôle central dans le transport de Fe dans lesgrainesen participant à la réduction de Fe3+ pour l'absorption de Fe2+. En outre, l'activité de l'efflux d’ascorbate à la surface de l'embryon est cruciale dans ce processus. Nous avons utilisé une stratégie de complémentation de levure pour isoler les transporteurs d'efflux d’ascorbate, en exprimant une banqued'ADNc d'Arabidopsis dans le mutant perte de fonction de la réductase ferrique, Δfre1, incapable de se développer en carence en Fe. L’expression de deux ADNc nommésMATEet GALa permis de restaurerla croissance de Δfre1 en catalysant l’efflux de l'ascorbate dans le milieu, permettant de rétablir l'activité de réduction ferrique. Sur la base de ces résultats très prometteurs, nous avons poursuivi l’étude du rôle de ces transporteurs d'efflux d’ascorbate putatifs, MATE et GAL, dans le transport et l'homéostasie du Fe chez Arabidopsis thaliana. Dans cette étude, nous avons identifié la protéine MATE comme un transporteur vacuolaire qui est potentiellement impliqués dans le chargement d’ascorbate vers la vacuole pour réduire le Feintra-vacuolaire. Cette activité de transport est cruciale pour la remobilisation de Fe au cours de la germination et pour répondre à la carence de Fe dans le reste de la plante. La protéine GAL est localisée à la membrane plasmique où elle pourrait catalyser l’efflux d’ascorbate pour remobiliser le pool de Fe apoplastique. En effet, des mutants perte de fonction de GAL sont très sensibles à la carence en fer et perturbés dans la perception du statut nutritionnel en Fe dans des conditions de suffisance en Fe. En conclusion, les deux transporteurs d'ascorbate putatifs identifiés dans cette étude semblent être impliqués dans l'homéostasie du fer en régulant la circulation des pools de Fe subcellulaires. Cette recherche a contribué à découvrir et à mettre en évidence le lien entre le transport de fer et le métabolisme de l’ascorbate. / Iron (Fe) is an essential microelement for plants. We have recently shown that ascorbate plays a central role in Fe transport to seeds by mediating Fe3+ reduction for the uptake of Fe2+. Moreover, the ascorbate efflux activity at the embryo surface was crucial in this process. We have used a yeast complementation strategy to isolate ascorbate efflux transporters, by expressing an Arabidopsis cDNA library in the Δfre1 mutant that lacks ferric reductase activity and is unable to grow in Fe limiting conditions. The expression of two cDNAs named MATE and GAL is able to rescue the growth defect of Δfre1by mediating efflux of ascorbate in the medium, reconstituting a ferric reduction activity. Therefore, we have studied the roles of putative ascorbate efflux transporters, MATE and GAL, in Fe transport and homeostasis in Arabidopsis thaliana. In this study, we have identified the MATE protein as a vacuolar transporter potentially involved in loading ascorbate to the vacuole to reduce intra-vacuolar Fe. This transport activity appears to be crucial to remobilize Fe during germination and to participate in the response to Fe deficiency in the rest of the plant, as revealed by the phenotypical analyses of knock out mutant plants. The GAL protein is localized to the plasma membrane where it could potentially catalyze the efflux of ascorbate toward the apoplast to remobilize apoplastic Fe pools. Indeed, GAL knock out mutants are highly sensitive to Fe deficiency and disturbed in the sensing of Fe nutritional status in Fe-replete conditions. In conclusion, the two putative ascorbate transporters identified in this study appear to be involved inthe iron homeostasis by regulating the movement of subcellular Fe pools. This research has contributed to discover and highlight the link between iron and ascorbate metabolism and transport.