Les plantes présentent une forme d’immunité innée face à des agents potentiellement pathogènes qui se traduit par l’induction de réponses de défense. Les réponses immunes des plantes sont induites après détection de motifs moléculaires associés à des pathogènes ou à des micro-organismes par des récepteurs reconnaissant spécifiquement ces motifs et/ou des molécules dérivées des agents pathogènes ou de la plante, appelés éliciteurs de réaction de défense. La cryptogéine (Cry) et les oligogalacturonates (OGs) sont des éliciteurs établis de réactions de défense et leur reconnaissance induit une signalisation Ca2+-dépendante : un influx calcique et une variation de la concentration cytosolique en Ca2+ libre ([Ca]cyt) sont des événements précoces induisant une voie de signalisation de défense. Nous avons démontré que chez le tabac, les éliciteurs induisent une signalisation calcique dans les mitochondries et les chloroplastes. Des études pharmacologiques indiquent que des canaux IP3-dépendants régulent la signalisation calcique induite par la Cry dans les mitochondries et les chloroplastes. La respiration mitochondriale et les mécanismes de dissipation de l’énergie dans les chloroplastes sont régulés en partie par la [Ca2+] dans ces organites. De plus, nous montrons par des approches pharmacologiques et génétiques, que des homologues aux récepteurs du glutamate (GLRs) participent à la signalisation calcique induite par les OGs dans Arabidopsis. Les GLRs contrôlent en partie la production d’oxyde nitrique (NO) et d’espèces réactives de l’oxygène (ROS), ainsi que l’expression de gènes de défense. Par ailleurs, les plantes traitées par des antagonistes des GLRs, présentent une moindre résistance au pathogène fongique nécrotrophique, Botrytis cinerea et à l’oomycète biotrophique, Hyaloperonospora arabidopsidis. L’analyse de mutants Atglr révèle l’importante contribution de AtGLR3.3 dans la résistance envers H. arabidopsidis. De plus, de frappantes similarités dans l’expression de gènes sont observées après traitement par les OGs ou après infection par H. arabidopsidis. Enfin, une analyse transcriptomique montre qu’environ 60 % des gènes modulés par les OGs ont une expression qui dépend de GLRs. Ces gènes dépendants de GLRs appartiennent à diverses familles fonctionnelles dont celle répondant aux stress biotiques. En conclusion, ces études montrent 1) que les mitochondries et les chloroplastes présentent aussi une signalisation calcique induite par des éliciteurs de réaction de défense chez le tabac et 2) l’implication de GLRs dans la signalisation calcique induite par des éliciteurs ou des agents pathogènes et la résistance envers des agents pathogènes chez Arabidopsis / Plants do not display an adaptive immune system but express an efficient innate immune system defending them by inducing sophisticated multilevel defense responses against different potential pathogens. Indeed, plant immune responses are triggered upon the detection of many common pathogen- or microbe-associated molecular patterns (PAMPs/MAMPs) through specific pattern-recognition receptors (PRRs) and/or pathogen- or plant-derived signal molecules called elicitors. Cryptogein (Cry) and oligogalacturonides (OGs) are well known elicitors of defense reactions and their recognition induce a Ca2+-dependent signaling pathway: Ca2+ influx and subsequent free cytosolic [Ca2+] ([Ca2+]cyt) variations are earliest steps to trigger downstream plant defense signaling. Here we have demonstrated that elicitor-induced Ca2+ signaling in tobacco also takes place in mitochondria and chloroplasts. Pharmacological studies indicated that IP3-channels play an important role in the regulation of Ca2+ signaling in mitochondria and chloroplasts. Mitochondrial respiration and energy dissipation mechanisms in chloroplasts are partly controlled by [Ca2+] in these organelles. Moreover, using pharmacological and genetic approaches, our data demonstrated that glutamate receptors homologs (GLRs) participate in OGs-mediated Ca2+ signaling in Arabidopsis. GLRs partly control OGs-induced nitric oxide (NO) production, reactive oxygen species (ROS) production and expression of defense-related genes. Importantly, plants treated with GLRs antagonists exhibited compromised resistance to necrotrophic fungal pathogen, Botrytis cinerea and biotrophic oomycete, Hyaloperonospora arabidopsidis. Analysis of Atglr single mutants revealed the important contribution of AtGLR3.3 in resistance against H. arabidopsidis. Moreover, striking similarities in gene expression levels were observed after OGs elicitation/H. arabidopsidis infection. Finally, transcriptomic analysis demonstrated that about 60 % of the total OGs-modulated genes modified their expression in GLRs-dependent manner. These GLRs-dependent genes belong to different functional categories including the category “responses to biotic stresses”. Taken together, these data provide strong evidences of 1) elicitor-induced Ca2+ signaling in mitochondria and chloroplasts in tobacco and 2) the regulation of elicitor/pathogen mediated plant defense signaling pathways through GLRs in Arabidopsis thaliana

Les plantes doivent assurer la protection de trois génomes localisés dans le noyau, les chloroplastes et les mitochondries. Si les mécanismes assurant la réparation de l’ADN nucléaire sont relativement bien compris, il n’en va pas de même pour celui des chloroplastes et des mitochondries. Or il est important de bien comprendre ces mécanismes puisque des dommages à l’ADN non ou mal réparés peuvent entraîner des réarrangements dans les génomes. Chez les plantes, de tels réarrangements dans l’ADN mitochondrial ou dans l’ADN chloroplastique peuvent conduire à une perte de vigueur ou à un ralentissement de la croissance. Récemment, notre laboratoire a identifié une famille de protéines, les Whirly, dont les membres se localisent au niveau des mitochondries et des chloroplastes. Ces protéines forment des tétramères qui lient l’ADN monocaténaire et qui accomplissent de nombreuses fonctions associées au métabolisme de l’ADN. Chez Arabidopsis, deux de ces protéines ont été associées au maintien de la stabilité du génome du chloroplaste. On ignore cependant si ces protéines sont impliquées dans la réparation de l’ADN. Notre étude chez Arabidopsis démontre que des cassures bicaténaires de l’ADN sont prises en charge dans les mitochondries et les chloroplastes par une voie de réparation dépendant de très courtes séquences répétées (de cinq à cinquante paires de bases) d’ADN. Nous avons également montré que les protéines Whirly modulent cette voie de réparation. Plus précisément, leur rôle serait de promouvoir une réparation fidèle de l’ADN en empêchant la formation de réarrangements dans les génomes de ces organites. Pour comprendre comment les protéines Whirly sont impliquées dans ce processus, nous avons élucidé la structure cristalline d’un complexe Whirly-ADN. Nous avons ainsi pu montrer que les Whirly lient et protègent l’ADN monocaténaire sans spécificité de séquence. La liaison de l’ADN s’effectue entre les feuillets β de sous-unités contiguës du tétramère. Cette configuration maintient l’ADN sous une forme monocaténaire et empêche son appariement avec des acides nucléiques de séquence complémentaire. Ainsi, les protéines Whirly peuvent empêcher la formation de réarrangements et favoriser une réparation fidèle de l’ADN. Nous avons également montré que, lors de la liaison de très longues séquences d’ADN, les protéines Whirly peuvent s’agencer en superstructures d’hexamères de tétramères, formant ainsi des particules sphériques de douze nanomètres de diamètre. En particulier, nous avons pu démontrer l’importance d’un résidu lysine conservé chez les Whirly de plantes dans le maintien de la stabilité de ces superstructures, dans la liaison coopérative de l’ADN, ainsi que dans la réparation de l’ADN chez Arabidopsis. Globalement, notre étude amène de nouvelles connaissances quant aux mécanismes de réparation de l’ADN dans les organites de plantes ainsi que le rôle des protéines Whirly dans ce processus. / Plants must protect the integrity of three genomes located respectively in the nucleus, the chloroplasts and the mitochondria. Although DNA repair mechanisms in the nucleus are the subject of multiple studies, little attention has been paid to DNA repair mechanisms in chloroplasts and mitochondria. This is unfortunate since mutations in the chloroplast or the mitochondrial genome can lead to altered plant growth and development. Our laboratory has identified a new family of proteins, the Whirlies, whose members are located in plant mitochondria and chloroplasts. These proteins form tetramers that bind single-stranded DNA and play various roles associated with DNA metabolism. In Arabidopsis, two Whirly proteins maintain chloroplast genome stability. Whether or not these proteins are involved in DNA repair has so far not been investigated. Our studies in Arabidopsis demonstrate that DNA double-strand breaks are repaired in both mitochondria and chloroplasts through a microhomology-mediated repair pathway and indicate that Whirly proteins affect this pathway. In particular, the role of Whirly proteins would be to promote accurate repair of organelle DNA by preventing the repair of DNA double-strand breaks by the microhomology-dependant pathway. To understand how Whirly proteins mediate this function, we solved the crystal structure of Whirly-DNA complexes. These structures show that Whirly proteins bind single-stranded DNA with low sequence specificity. The DNA is maintained in an extended conformation between the β-sheets of adjacent protomers, thus preventing spurious annealing with a complementary strand. In turn, this prevents formation of DNA rearrangements and favors accurate DNA repair. We also show that upon binding long ssDNA sequences, Whirly proteins assemble into higher order structures, or hexamers of tetramers, thus forming spherical particles of twelve nanometers in diameter. We also demonstrate that a lysine residue conserved among plant Whirly proteins is important for the stability of these higher order structures as well as for cooperative binding to DNA and for DNA repair. Overall, our study elucidates some of the mechanisms of DNA repair in plant organelles as well as the roles of Whirly proteins in this process.

Les plantes doivent assurer la protection de trois génomes localisés dans le noyau, les chloroplastes et les mitochondries. Si les mécanismes assurant la réparation de l’ADN nucléaire sont relativement bien compris, il n’en va pas de même pour celui des chloroplastes et des mitochondries. Or il est important de bien comprendre ces mécanismes puisque des dommages à l’ADN non ou mal réparés peuvent entraîner des réarrangements dans les génomes. Chez les plantes, de tels réarrangements dans l’ADN mitochondrial ou dans l’ADN chloroplastique peuvent conduire à une perte de vigueur ou à un ralentissement de la croissance. Récemment, notre laboratoire a identifié une famille de protéines, les Whirly, dont les membres se localisent au niveau des mitochondries et des chloroplastes. Ces protéines forment des tétramères qui lient l’ADN monocaténaire et qui accomplissent de nombreuses fonctions associées au métabolisme de l’ADN. Chez Arabidopsis, deux de ces protéines ont été associées au maintien de la stabilité du génome du chloroplaste. On ignore cependant si ces protéines sont impliquées dans la réparation de l’ADN. Notre étude chez Arabidopsis démontre que des cassures bicaténaires de l’ADN sont prises en charge dans les mitochondries et les chloroplastes par une voie de réparation dépendant de très courtes séquences répétées (de cinq à cinquante paires de bases) d’ADN. Nous avons également montré que les protéines Whirly modulent cette voie de réparation. Plus précisément, leur rôle serait de promouvoir une réparation fidèle de l’ADN en empêchant la formation de réarrangements dans les génomes de ces organites. Pour comprendre comment les protéines Whirly sont impliquées dans ce processus, nous avons élucidé la structure cristalline d’un complexe Whirly-ADN. Nous avons ainsi pu montrer que les Whirly lient et protègent l’ADN monocaténaire sans spécificité de séquence. La liaison de l’ADN s’effectue entre les feuillets β de sous-unités contiguës du tétramère. Cette configuration maintient l’ADN sous une forme monocaténaire et empêche son appariement avec des acides nucléiques de séquence complémentaire. Ainsi, les protéines Whirly peuvent empêcher la formation de réarrangements et favoriser une réparation fidèle de l’ADN. Nous avons également montré que, lors de la liaison de très longues séquences d’ADN, les protéines Whirly peuvent s’agencer en superstructures d’hexamères de tétramères, formant ainsi des particules sphériques de douze nanomètres de diamètre. En particulier, nous avons pu démontrer l’importance d’un résidu lysine conservé chez les Whirly de plantes dans le maintien de la stabilité de ces superstructures, dans la liaison coopérative de l’ADN, ainsi que dans la réparation de l’ADN chez Arabidopsis. Globalement, notre étude amène de nouvelles connaissances quant aux mécanismes de réparation de l’ADN dans les organites de plantes ainsi que le rôle des protéines Whirly dans ce processus. / Plants must protect the integrity of three genomes located respectively in the nucleus, the chloroplasts and the mitochondria. Although DNA repair mechanisms in the nucleus are the subject of multiple studies, little attention has been paid to DNA repair mechanisms in chloroplasts and mitochondria. This is unfortunate since mutations in the chloroplast or the mitochondrial genome can lead to altered plant growth and development. Our laboratory has identified a new family of proteins, the Whirlies, whose members are located in plant mitochondria and chloroplasts. These proteins form tetramers that bind single-stranded DNA and play various roles associated with DNA metabolism. In Arabidopsis, two Whirly proteins maintain chloroplast genome stability. Whether or not these proteins are involved in DNA repair has so far not been investigated. Our studies in Arabidopsis demonstrate that DNA double-strand breaks are repaired in both mitochondria and chloroplasts through a microhomology-mediated repair pathway and indicate that Whirly proteins affect this pathway. In particular, the role of Whirly proteins would be to promote accurate repair of organelle DNA by preventing the repair of DNA double-strand breaks by the microhomology-dependant pathway. To understand how Whirly proteins mediate this function, we solved the crystal structure of Whirly-DNA complexes. These structures show that Whirly proteins bind single-stranded DNA with low sequence specificity. The DNA is maintained in an extended conformation between the β-sheets of adjacent protomers, thus preventing spurious annealing with a complementary strand. In turn, this prevents formation of DNA rearrangements and favors accurate DNA repair. We also show that upon binding long ssDNA sequences, Whirly proteins assemble into higher order structures, or hexamers of tetramers, thus forming spherical particles of twelve nanometers in diameter. We also demonstrate that a lysine residue conserved among plant Whirly proteins is important for the stability of these higher order structures as well as for cooperative binding to DNA and for DNA repair. Overall, our study elucidates some of the mechanisms of DNA repair in plant organelles as well as the roles of Whirly proteins in this process.