Plant growth and development depends on controlled cell expansion. This, in itself, is determined by the plant cell wall, a structural matrix of polysaccharides encasing the plant cell. One line of investigation that has proven particularly successful in elucidating the components of the plant cell wall machinery has been the forward genetic screens of cell wall mutants. In this study, the molecular and cellular characterisation of sloughy, a cell separation mutant in Arabidopsis thaliana, was commenced. This mutant has a striking phenotype, with files of elongating epidermal cells snaking away from the adjacent epidermal cells and from the underlying cortex, loosing contact from the side walls while remaining attached at the cell ends, in a manner reminiscent of border-like cells in the root cap of arabidopsis. The sloughy mutation was fine mapped to a short region on chromosome I using high resolution melt point analysis. On sequencing all five genes in this region, a single nucleotide mutation, introducing a stop codon, was detected in exon 2 in the previously-described heat shock transcription factor SCHIZORIZA that results in a truncated protein missing several conserved domains essential for activity. SCHIZORIZA acts as a cell fate determinate in the root meristem to promote cortex fate, while suppressing epidermal and root cap fate in the mature ground tissue. Although the literature on schizoriza mutants has focused on the developing root meristem, with little documentation on the cell separation phenotype further up in the roots, the investigation of a collection of schizoriza TILLING mutants revealed that aberrant cell separation was ubiquitous to schizoriza mutants with a severely truncated protein. To investigate cell identity in the mature roots, sloughy was crossed to GAL4-GFP enhancer trap lines that act as cell-specific markers. Epidermal identity lines revealed that sloughy possessed a supernumerary ground tissue layer with epidermal identity. A cortex and endodermal line revealed that these two identities are restricted to the endodermal layer and the next ground tissue layer out. There was no indication of root cap identity in the mature root with any of the root cap lines used, although partial lateral root cap identity has been previously described in the epidermal and subepidermal cell layers in the meristem of schizoriza mutants expressing SOMBRERO-GFP, a lateral root cap-specific transcription factor. Immunolabelling of cell wall epitopes revealed that the JIM13 antibody, which specifically labels arabinogalactan-proteins in wild-type root caps, often labelled the epidermal cells and surrounding mucilage further up the in the roots of sloughy. The aberrant cell separation present in sloughy is thought to be a consequence of epidermal cells possessing partial lateral root cap identity. The data on sloughy/schizoriza is sufficient to generate a model on how a meristem developmental gene can generate a cell separation phenotype in the mature roots. Loss of SCHIZORIZA causes confused cell identity in the root meristem that results in an epidermal and subepidermal layer possessing mixed epidermal and lateral root cap identity. The distinctive properties of border-like cells in the root cap of arabidopsis have been linked to unique cell wall maturation and developmental processes, implicating the cellulases CEL3 and CEL5, the pectin glycosyltransferase QUA1, the pectin methyltransferase QUA2 and other pectolytic enzymes. The ectopic expression of these cell wall enzymes in the epidermal and subepidermal layers of sloughy roots result in reduced adhesion along the sides of the cell, while the ends remain attached, causing the observed cell separation phenotype.

Dans l’optique d’une seconde Révolution Verte, visant, à la différence de la première, à accroître les rendements des cultures dans un contexte de faible fertilité, les stratégies mises en place par les plantes pour une assimilation optimale des nutriments du sol se trouvent au cœur du problème. Afin de le résoudre et d’identifier les variétés idéales parmi la diversité génétique des plantes cultivées, les systèmes racinaires, leur développement et leur architecture, sont appelés à jouer le premier rôle. La variabilité au sein des racines latérales semble s’avérer une caractéristique cruciale pour l’optimisation de l’exploration du sol et de l’acquisition de ses ressources mobiles et immobiles, mais ce phénomène est encore mal appréhendé.Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur les racines latérales du maïs (Zea mays L.) dans un effort pour révéler les processus à l’origine des variations intrinsèques dans le développement racinaire. Il s’appuie en particulier sur le phénotypage des racines latérales à une échelle sans précédent, suivant la croissance journalière de milliers d’entre elles à haute résolution spatiale, pour caractériser précisément les variations spatio-temporelles entre et au sein des individus racinaires. Les profils individuels de vitesse de croissance ont été analysés à l’aide d’un modèle statistique qui a identifié trois principales tendances temporelles dans les vitesses de croissance menant à la définition de trois classes de racines latérales avec une vitesse et durée de croissance distinctes. Des différences de diamètre à l’émergence de ces racines (dont l’origine remonte au stade du primordium) conditionnent probablement la tendance ultérieur de croissance mais ne suffisent pas à déterminer le destin de la racine. Finalement, ces classes racinaires sont distribuées aléatoirement le long de la racine primaire, ce qui suggère qu’aucune stimulation ou inhibition locale n’existe entre racines voisines.Pour expliquer l’origine des variations observées dans la croissance, ce travail a été complété par une caractérisation multi-échelle de groupes de racines latérales présentant une croissance distincte, à un niveau cellulaire, anatomique et moléculaire. Un effort particulier a été dirigé à l’analyse des profils de longueur de cellules dans des apex racinaires pour lequel nous avons introduit un modèle de segmentation pour identifier des zones développementales. Grâce à cette méthode, une forte modulation dans la longueur des zones de division et d’élongation a été mise en évidence, en lien avec les variations de la croissance des racines latérales. Le rôle régulateur de l’auxine sur l'équilibre entre les processus de prolifération et d’élongation cellulaire a été montré avec l’utilisation de lignées mutantes. En fin de compte, les variations de la croissance entre racines latérales sont remontées jusqu’à l’allocation d’assimilats carbonés et la capacité de transport de la racine, ce qui suggère l’existence d’un mécanisme de rétroaction qui pourrait jouer un rôle déterminant dans la mise en place de tendances contrastées dans la croissance des racines latérales. / In the perspective of a second Green Revolution, aiming, unlike the first one, to enhance yields of crops in a low fertility context, the strategies used by plants for an optimal uptake of soil nutrients are at the core of the problem. To solve it and identify ideal breeds among the genetic diversity of crops, plant root systems, their development and their architecture, are called upon to play the leading role. The variability among secondary roots appears as a crucial feature for the optimality of soil exploration and acquisition of mobile and immobile resources, but this phenomenon remains poorly understood. The work presented in this thesis focuses on the lateral roots of maize (Zea mays L.) and attempts to unravel the processes at the origin of intrinsic variations in lateral root development. It relies notably on the phenotyping of individual lateral roots at an unprecedented scale, tracking the daily growth of thousands of them at a high spatial resolution, in order to characterize precisely the spatio-temporal variations existing both between and within root individuals. Individual growth rate profiles were analyzed with a statistical model that identified three main temporal trends in growth rates leading to the definition of three lateral root classes with contrasted growth rates and growth duration. Differences in lateral root diameter at root emergence (originating at the primordium stage) were likely to condition the followed growth trend but did not seem enough to entirely determine lateral root fate. Lastly, these lateral root classes were randomly distributed along the primary root, suggesting that there is no local inhibition or stimulation between neighbouring lateral roots. In order to explain the origin of the observed differences in growth behaviour, we complemented our study with a multi-scale characterization of groups of lateral roots with contrasted growth at a cellular, anatomical and molecular level. A particular focus is set on the analysis of cell length profiles in lateral root apices for which we introduced a segmentation model to identify developmental zones. Using this method, we evidenced strong modulations in the length of the division and elongation zones that could be closely related to variations in lateral root growth. The regulatory role of auxin on the balance between cellular proliferation and elongation processes is demonstrated through the analysis of mutant lines. Ultimately, variations in lateral root growth are traced back to the allocation of carbon assimilates and the transport capacity of the root, suggesting that a feedback control loop mechanism could play a determinant role in the setting out of contrasted lateral root growth trends.

Les racines ont deux grands rôles. Le premier est le prélèvement de l’eau et des éléments nutritifs et le second est l’ancrage dans le sol. Identifier les gènes responsables de la mise en place des tissus et de l'architecture du système racinaire est donc essentiel pour pouvoir améliorer les variétés de riz soumises à des stress abiotiques de plus en plus fréquents et nombreux du fait du changement climatique. Au cours de cette thèse, j'ai réalisé une analyse fonctionnelle du gène DEFECTIVE IN OUTER CELL LAYER SPECIFICATION (DOCS1) qui appartient à la famille des récepteurs kinases à répétitions riches en leucine (LRR-RLK). Ces protéines sont composées de deux domaines principaux: un domaine extra-cytoplasmique composé de répétitions LRR et un domaine kinase intra-cytoplasmique. Un mutant de ce gène, nommé c68, possède une mutation non-sens dans le domaine kinase. Les plantes mutantes c68 présentent plusieurs phénotypes: une sensibilité accrue à l'aluminium, une réduction du nombre et de la taille des poils absorbants dans les racines, et des couches d’exoderme/épiderme d’identité mêlée. Le premier chapitre de la thèse porte sur l’étude conjointe de lignées knock-out CRISPRs du gène DOCS1 et de c68. Nos résultats ont montré que les mutants c68 et CRISPRs présentaient les mêmes phénotypes : sensibilité à l’aluminium, défauts des poils absorbants et tissus externes d’identité mixte. Ces résultats suggéraient que chez le mutant c68, soit la protéine DOCS1 n'était pas fonctionnelle, soit elle n'était pas traduite. Nos analyses phénotypiques ont aussi révélé que tous les mutants présentaient des défauts de réponse à la gravité à différents stades de développement. A 3 jours, un retard de réponse à la gravité était observé pendant la première heure après gravistimulation. Les plantules mutantes présentaient aussi des défauts de localisation d’un transporteur d’auxine. A 40 jours, nous avons observé que l'angle du cône racinaire des plantes mutantes était plus ouvert que celui des plantes sauvages. Deux gènes liés à l’auxine et plusieurs QTLs ont déjà été identifiés comme participant à ce phénotype chez le riz. Dans la suite de notre étude, nous avons donc cherché à identifier de nouveaux QTLs et gènes impliqués dans ce phénotype morphologique par étude d'association pan-génomique dans deux panels Indica et Japonica. Toutes les accessions de l'écotype bulu d'Indonésie et trois japonicas tempérés d'Asie du Sud présentaient un angle du cône racinaire très ouvert. En utilisant un modèle mixte associé à une technique de ré-échantillonnage, 55 QTLs ont été détectés. L'analyse des gènes sous-jacents ou voisin (+/- 50kb) a identifié 539 gènes, dont 6 LRR-RLK, 5 gènes liés à l’auxine et 5 gènes avec une fonction validée dans le développement ou l'architecture racinaire. Une approche complémentaire par cartographie génétique classique est proposée pour identifier les gènes en cause dans la ou les mutations à angle du cône racinaire très ouvert. Des perspectives de poursuite du travail effectué sont aussi présentées afin de déterminer si le phénotype affectant l'angle du cône racinaire induit par les mutations du gène DOCS1 ou des nouveaux gènes identifiés est lié à des perturbations des flux d’auxine. / Roots have two major roles. The first one is to uptake water and nutrients and the second one is to anchor plants into the ground. Identifying the genes responsible for the establishment of tissues and architecture of the root system is essential to improve rice varieties subject to increasingly frequent and numerous abiotic stresses due to climate change. During my PhD, I undertook a functional analysis of the DEFECTIVE IN OUTER CELL LAYER SPECIFICATION (DOCS1) gene which belongs to the Leucine-Rich Repeat Receptor-Like Kinase (LRR-RLK) family. These proteins are composed of two main domains: an extra-cytoplasmic domain containing LRR repeats and a cytoplasmic kinase domain. A mutant of this gene, named c68, carries a nonsense mutation in the kinase domain. The c68 mutant plants show several phenotypes: increased sensitivity to aluminum, reduced number and size of root hairs, and layers of external tissues with exodermis/epidermis mixed identity. The first chapter of the thesis focuses on the joint study of knockout CRISPRs lines of the DOCS1 gene and c68. Our results showed that the c68 and CRISPRs mutants displayed the same phenotypes: sensitivity to aluminum, defects in root hairs and mixed identity of external tissues. These results suggested that in the c68 mutant, either the DOCS1 protein was not functional, or the protein was not translated. Our phenotypic analyses also showed that all mutants exhibited impaired gravity responses at different development stages. At 3 days, a delay of response to gravity was observed during the first hour after gravistimulation. Mutant seedlings also had defects in an auxin transporter localization. At 40 days, we observed that the root cone angle of mutant plants was more open than that of wild-type plants. Two genes associated with auxin and several QTLs have been identified as contributing to this phenotype in rice. In the rest of our study, we therefore tried to identify new QTLs and genes involved in this morphological phenotype by a genome-wide association study in two Indica and Japonica panels. All accessions of the bulu ecotype from Indonesia and three South Asian temperate japonica had a very open root cone angle. Using a mixed model associated with a resampling technique, 55 QTLs were detected. The analysis of the underlying or neighbor (+/- 50kb) genes identified 539 genes, including 6 LRR-RLK, 5 genes related to auxin and 5 genes with a function validated in root development or architecture. A complementary approach by classical genetic mapping is proposed to identify genes involved in the mutation(s) involved in very open root cone angle. Prospective research lines are also presented to determine if the root cone angle phenotype , induced by DOCS1 or by newly identified genes, is linked with disruption of auxin fluxes.