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Identification of salt- resistant tree species and genotypes is needed for rehabilitation of lands affected by salinity in Mexico. This dissertation consists of four studies for analyzing the responses of Pinus leiophylla seedlings to salt. In the first study, resistance to salt stress was studied in six-month-old seedlings from eight different sources of seed collected from the areas with contrasting precipitation levels. Plants from the xeric areas were shorter and had smaller stem diameters but were less sensitive to salt stress and recovered faster from salt injury compared with the plants from mesic sites, suggesting that morphological and physiological adaptations to drought were helpful with salt stress resistance. In the second study, fascicle needle production and tissue ion accumulation were examined in NaCl-treated three-month-old seedlings from two populations of the xeric origin and two populations from the mesic areas. Seedlings from the xeric population of San Felipe developed fewer fascicles and had shorter needles compared with seedlings from the remaining three populations. NaCl treatment delayed the emergence of fascicles and reduced the fascicle needle production and needle length. However, the extent of needle injury and ion accumulation in shoots were lower in the San Felipe seedlings compared with the other studied populations. In the third study, the effects of branch pruning and seedling size on total transpiration and accumulation of Na+ and Cl- in tissues were examined. Total plant transpiration, as affected by plant size and branch pruning, was correlated with Na+ and Cl- needle concentrations and needle necrosis. Branch pruning reduced ion accumulation in the shoots and needle necrosis levels in short seedlings but not in the tall seedlings. In the fourth study, sprouting and physiological responses of 16 month-old-seedling to salt were examined. NaCl treatment concentrations of 100, 150, and 200 mM reduced gas exchange and root hydraulic conductance, caused needle injury and triggered sprouting of adventitious shoots. Sprouting from the upper parts of the main stem and lateral branches was three times greater with 100 and 150 mM NaCl compared with 200 mM NaCl treatment but, at the base of the stem, sprout numbers were similar for all NaCl treatments.

La conductivité hydraulique racinaire (Lpr) traduit la capacité de transport d’eau de la racine. Lors de son trajet du sol vers le xylème, l’eau diffuse au sein de l’apoplasme ou au travers des cellules (voie de cellule-à-cellule). Au niveau de l’endoderme, la diffusion apoplasmique de l’eau est bloquée par le cadre de Caspari et des lamelles de subérine. La voie de cellule-à-cellule dépend principalement de l’activité des aquaporines régulées en partie par des interactions protéiques. Ce travail caractérise de nouveaux interactants de l’aquaporine racinaire PIP2;1 : le récepteur kinase RKL1 et 4 protéines de fonction inconnue appartenant à la sous-famille 1 des Casparian Strip membrane domain Protein Like (CASPL1) (CASPL1-B1/B2/D1/D2). RKL1 est exprimée dans l’endoderme, est capable d’interagir physiquement avec PIP2;1 et stimule in vitro le transport d’eau par l’aquaporine. Cependant, l’inactivation de RKL1 n’affecte pas la Lpr sans que cela ne puisse être expliqué par une redondance fonctionnelle avec son plus proche homologue, RLK902. Une étude bibliographique suggère que l’interaction entre RKL1 et PIP2;1 interviendrait dans une voie de signalisation en réponse à une attaque pathogène. Concernant les CASPL, D1 est exprimé dans tous les tissus, alors que B1, B2 et D2 semblent uniquement exprimés dans des territoires subérisés. Ce profil suggère une implication de B1, B2 et D2 dans une régulation des aquaporines et de la subérisation. Au niveau moléculaire, D2, malgré son interaction physique avec PIP2;1, ne module pas le transport d’eau par l’aquaporine. En revanche, B1 interagit préférentiellement avec PIP2;1 sous une forme phosphorylée et stimule le transport d’eau par l’aquaporine. Au niveau de la plante entière, l’inactivation d’un ou deux gènes CASPL n’affecte ni la Lpr., ni la subérisation. Par contre, l’inactivation de PIP2;1 et PIP2;2 révèle un effet inhibiteur de ces aquaporines sur la subérisation. Cette étude a permis de décrire de nouveaux mécanismes originaux de régulation des aquaporines. Elle pose également, la question de l’existence d’une relation entre les transports d’eau par la voie apoplasmique et par les aquaporines. / The root hydraulic conductivity (Lpr) reflects the water transport capacity of the root. During its transfer from the soil to the xylem, water can diffuse in the apoplasm or through the cells (cell-to-cell pathway). At the endodermis, the apoplastic diffusion of water is blocked by the Casparian Strip and suberin lamellae. The cell-to-cell pathway mainly relies on aquaporin activity which can be regulated by protein interactions. This study aims at characterizing new interactants of the root aquaporin PIP2;1: the receptor kinase RKL1 and 4 proteins of unknown function belonging to the Casparian Strip membrane domain Protein Like 1 sub-family (CASPL1-B1/B2/D1/D2). RKL1 is expressed in the endodermis, can physically interact with PIP2;1 and stimulates its water transport function in vitro. However a loss-of-function of RKL1 does not affect the Lpr., independently of a putative functional redundancy with its closest homolog RLK902. Concerning CASPL, D1 is expressed in every tissue of the root whereas B1, B2 and D2 appear to be specifically expressed in suberized tissues. This suggests a putative role of these isoforms in aquaporin regulation and suberisation. At the molecular level, D2 does not modulate PIP2;1 water transport activity despite a physical interaction between the two partners. By contrast, B1 interacts with PIP2;1 preferentially in its phosphorylated form and enhances the water transport activity of the aquaporin. At the plant level, disrupting one or two CASPL genes neither impact the Lpr nor affect the suberisation. However, the loss of function of both PIP2;1 and PIP2;2 reveals a negative effect of these aquaporins on suberisation. In conclusion, this study, uncovered novel regulation mechanisms of aquaporins. It also raises the question of the existence of a putative relationship between water transport by the apoplastic pathway and by aquaporins.

Wo und wie schnell nehmen Wurzeln Wasser auf? Obwohl diese Frage in Pflanzen- und  Bodenwissenschaften von großer Bedeutung ist, gibt es nur wenige experimentelle Daten darüber, an welcher Stelle der Wurzeln eine transpirierende Pflanze das Wasser aus dem Boden erhält. Die Antwort auf diese Frage erfordert direkte und in-situ Messungen des lokalen Wasserflusses in die Wurzel hinein. Ziel dieser Arbeit war es, eine neue Methode zu entwickeln und anzuwenden, um den lokalen Wasserfluss in unterschiedliche Segmente der Pflanzenwurzeln zu quantifizieren. Dabei wurde Neutronenradiographie eingesetzt um den Transport von deuteriertem Wasser (D2O) in die Wurzel von Lupinen zu untersuchen. Die Lupinen wuchsen in Aluminium Containern, die mit sandigem Boden gefüllt waren. Der sandige Boden wurde mit Hilfe von 1cm-dicken Schichten groben Sandes in verschiedene Bereiche eingeteilt. Diese Schichten reduzierten die Diffusion von D2O zwischen den verschiedenen Bereichen.  D2O wurde in ausgewählte Bereiche tagsüber (transpiriende Pflanzen) und nachts (nicht transpiriernde Pflanze) injiziert. Transport von D2O in die Wurzeln hinein wurde durch Neutronenradiographie mit einer räumlichen Auflösung von 100 µm in Intervallen von 10 Sekunden aufgezeichnet. Die Messungen zeigten: i) Transport von D2O in die Wurzel hinein war tagsüber schneller als nachst; ii) D2O wurde tagsüber schnell entlang der Wurzel in Richtung Spross transportiert, während dieser axiale Fluss nachts vernachlässigbar war. Die Unterschiede zwischen Tag- und Nachtmessungen wurden durch konvektiven Transport von D2O in den Wurzeln erklärt. Um den effektiven Wasserfluss in die Wurzeln hinein zu quantifizieren, wurde ein einfaches Konvektions-Diffusions Modell entwickelt, wobei die Zunahme der D2O Konzentration in Wurzeln vom konvektiven Transport abhängt und von the Diffusion des D2O in die Wurzeln. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wasseraufnahme nicht gleichmäßig entlang der Wurzel stattfindet. Die Wasseraufnahme war in den oberen Bodenschichten höher als in den tieferen. Entlang einzelner Wurzeln war der radiale Fluss in nahen Teilen der Wurzel höher als in den weiter entfernten Teilen der Wurzel. In Lupinen fand die Wasseraufnahme im Wesentlichen in den lateralen Wurzeln statt. Die Funktion der Pfahlwurzel war es, das Wasser der lateralen Wurzeln zu sammeln und zum Spross zu transportieren. Diese Funktion wird durch eine geringe radiale und eine hohe axiale Leitfähigkeit sichergestellt.  Wir haben diese Technik auch angewandt um den Einfluss der Rhizosphäre auf die Wasseraufnahme zu untersuchen. Wie vor Kurzem auch in der Literatur berichtet wurde, wurde auch in dieser Arbeit beobachtet, dass der Boden in der unmittelbaren Nähe der Wurzeln, der sogenannten Rhizosphäre, hydrophob wird, wenn der Boden trocken wird. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass durch die Hydrophobizität der Rhizosphäre die Wasseraufnahme nach Trocknung und folgender Bewässerung reduziert wird. Es wurde die Schlussfolgerung gezogen, dass nach Trocknung die Rhizosphäre einen entscheidenden Wiederstand für den Wasserfluss zur Wurzel darstellt. Das beeinflusst vermutlich auch die Ausdehnung des Bereiches der Wurzeln, in dem Wasser aufgenommen wird. Die Bedeutung dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Methode, um Wasseraufnahme durch Wurzeln lebender Pflanzen lokal zu quantifizieren. Diese Methode macht es möglich quantitativ zu messen, wo und wie schnell Wurzeln Wasser im Boden aufnehmen. Diese Technik wird es erleichtern, die Funktionsweise der Wurzeln verschiedener Pflanzen zu verstehen und den Einfluss von Wurzelwachstum und wechselnder äußerer Bedingungen, wie Wassergehalt, Transpiration und Verfügbarkeit von Nährstoffen und vieler weiterer Faktoren zu untersuchen.  Die Antwort auf diese Fragen könnten einen weiten Bereich für landwirtschaftliche Anwendungen eröffnen, die darauf abzielen, Bewässerungsmethoden zu verbessern.

Le sujet de l’adaptation aux changements climatiques est devenu l’un des sujets contemporains les plus importants dans la vigne. Une grande focalisation a été mise sur la compréhension des effets du porte-greffe sur la croissance du scion, l’absorption des nutriments, et la tolérance au stress, dans l’objectif final de développer de nouveaux porte-greffes qui facilitent l’adaptation au changement climatique. L’objectif de cette thèse est d’examiner comment les différences dans la résistance à la sécheresse entre les génotypes peut résulter en de grandes différences dans leur capacité à maintenir leur croissance racinaire en situation de stress. Une meilleure compréhension sur la manière dont la structure, la croissance racinaire et l’absorption d’eau répondent au stress nous permettra de mieux comprendre quels sont les aspects de la physiologie racinaire qui contribuent à la tolérance face à la sécheresse. Des recherches précédentes qui s’étaient focalisées sur l’absorption d’eau racinaire chez la vigne ont suggéré que l’absorption d’eau racinaire pouvait être fortement liée à la vitesse de croissance racinaire instantanée (voir Gambetta et al. 2013). Cette observation implique que des différences entre les génotypes dans la résistance face à la sécheresse pourrait largement résulter de leur capacité à maintenir la croissance racinaire en conditions de stress. Deux porte-greffes de vigne avec des capacités contrastées en matière de résistance à la sécheresse, le Riparia Gloire de Montpellier (RGM) et le 110 Richter (110R) ont été sélectionnés pour étudier dans cette thèse. RGM est considéré comme sensible à la sécheresse, tandis que 110R est fortement résistant à la sécheresse (Carbonneau 1985). La thèse a examiné la relation entre la croissance racinaire et la capacité de résistance à la sécheresse en évaluant la vitesse de croissance racinaire, la conductivité hydraulique à travers deux variétés de porte-greffe en conditions de déficit en eau. Le niveau de l’expression des gènes d’aquaporines (via la qPCR et l’ARNseq) et leur contribution à la conductivité hydraulique racinaire ont été analysés dans les radicelles afin d’obtenir une meilleure compréhension sur les mécanismes impliqués dans la régulation de l’absorption de l’eau racinaire et la conductivité hydraulique au cours du développement et en réponse à un manque d’eau.Le traitement de stress d’eau prolongé a diminué le potentiel hydraulique de la plante. La croissance racinaire individuelle est très hétérogène : bien que le traitement de sécheresse réduise l’élongation racinaire en moyenne, la vitesse de croissance racinaire varie tout de même énormément. Un haut niveau de stress hydrique a réduit significativement la vitesse de croissance racinaire moyenne à la fois pour RGM et 110R. Globalement, la vitesse de croissance racinaire moyenne a montré une tendance réduite au cours du développement de la plante. La température du sol est aussi un facteur qui affecte la croissance racinaire. Pour RGM et 110R, en conditionsIIde bon arrosage et de stress hydrique, la vitesse de croissance quotidienne moyenne a été positivement corrélée avec la température du sol quotidienne moyenne. En conditions de bon arrosage, des vitesses de croissance racinaires plus importantes ont été constamment observées chez 110R par rapport à RGM, ce qui pourrait être une explication possible de sa meilleure résistance à la sécheresse par rapport à 110R. [...] / The subject of adaptation to climate change has become one of the most important contemporary topics in grapevine. Much focus has been placed on the understanding of rootstocks effects on scion growth, nutrient uptake, and tolerance to stress, with the ultimate goal of developing novel rootstocks that facilitate adaptation to a changing climate. The purpose of this thesis is to examine how differences in drought resistance between genotypes could result largely from differences in their ability to maintain root growth under stress. A better understanding of how root structure, growth, and water uptake respond to stress will allow us to better understand what aspects of root physiology contribute to drought tolerance. Previous research focused on root water uptake in grapevine suggested that root water uptake could be tightly coupled to a root’s instantaneous rate of growth (see Gambetta et al. 2013). This observation implies that differences in drought resistance between genotypes could result largely from their ability to maintain root growth under stress. Two grapevine rootstocks with contrasting drought resistance capacity, Riparia Gloire de Montpellier (RGM) and 110 Richter (110R), were selected to study in this thesis. RGM is considered as sensitive to drought, while 110R is highly resistant to drought (Carbonneau 1985). The thesis examined the relationship between root growth and drought resistant capacity by assessing root growth rate, hydraulic conductivity across two rootstock varieties subjected to water deficit. The role of aquaporin gene expression (via qPCR and RNAseq) and their contribution to root hydraulic conductivity were analyzed in fine roots in order to obtain a better understanding on the mechanisms involved in the regulation of root water uptake and hydraulic conductivity across development and in response to water deficit.Prolonged water stress treatment decreased plant water potential. Individual root growth is very heterogeneous, although drought treatment reduces root elongation on average, individual root growth rate still varies enormously. High level of water stress significantly reduced average root growth rate for both RGM and 110R. Globally, average root growth rate showed a decreased trend over plant development. Soil temperature is also a factor that affects root growth. For both RGM and 110R, under both well-watered and water-stressed conditions, average daily root growth rate was positively correlated with average daily soil temperature. Under well-watered conditions, higher root growth rates were constantly observed in 110R compared to RGM, which could be one possible explanation for the higher capacity in drought resistance of 110R.Root hydraulic conductivity (Lpr) was influenced by both water stress treatment and plant developmental stage. Generally, for both RGM and 110R, Lpr was significantly reduced under water stress in early stage. In mid and late stages, no significant differences in Lpr were observedIVbetween well-watered and water-stressed plants. Changes in individual root Lpr in response to pre-dawn leaf water potential (ᴪpredawn) were investigated as well. Lpr showed a fast drop in the beginning of water stress treatment when ᴪpredawn was higher than -0.5 MPa. However, with ᴪpredawn getting more negative, e.g. from -0.4 MPa to -2.0 MPa, the range of Lpr values measured in our study maintained constant. Lpr of well-watered plants decreased as well even though their ᴪpredawn was maintained at a high level (< 0.1 MPa) during the period of the experiment. [...]