Thesis--Catholic University of America. / Bibliography: p. 30-32.

La sécheresse est un stress majeur pour les plantes qui ont développé de nombreuses stratégies pour y faire face. La réponse la plus rapide à un stress hydrique est la fermeture des pores stomatiques qui limite les pertes d'eau par évapo-transpiration. La phytohormone acide abscissique (ABA) participe à cette réponse en modifiant la turgescence des cellules de garde. La protéine kinase OST1 d'Arabidopsis thaliana contrôle les étapes précoces de la transduction du signal ABA dans ces cellules. Au cours de cette thèse, nous avons cherché à comprendre les mécanismes de régulation de la kinase OST1. Nous avons d'abord montré que la protéine 10xHis-OST1 produite chez E.coli est active et s'autophosphoryle. Ceci nous a permis d'identifier des résidus phosphorylés, cibles potentielles de kinases ou phosphatases régulant l'activité de OST1 dans la plante. L'importance de ces résidus a d'abord été étudiée in vitro par l'analyse de l'activité de protéines recombinantes mutées sur les résidus phosphorylés. Puis nous avons étudié l'impact de ces mutations dans la plante en réalisant des tests de complémentation du mutant ost1 et des tests d'activité kinase après immunoprécipitation des différentes versions de la protéine OST1. La même stratégie appliquée à l'étude de versions tronquées de OST1 nous a permis d'analyser son domaine C-terminal. Nous avons ainsi identifié plusieurs éléments structuraux critiques pour l'activité de OST1 et sa fonction dans la plante. Enfin, notre analyse des différents allèles mutants ost1 suggère que OST1 régule les flux transpiratoires en réponse à un stress hydrique à deux niveaux distincts, dans les cellules de garde et les tissus vasculaires.

Le mildiou est une maladie de la vigne affectant les feuilles et les baies et pouvant entraîner des diminutions importantes de la quantité et de la qualité de la vendange. L'agent responsable, Plasmopara viticola, un oomycète biotrophe obligatoire, provoque différentes altérations physiologiques au niveau de la feuille infectée. D'une part, il y a des accumulations anormales d'amidon au niveau des taches d'huile, symptômes caractéristiques de la maladie. D'autre part, l'infection induit une dérégulation des mouvements stomatiques. Les stomates, ouvertures naturelles permettant les échanges gazeux entre la plante et l'atmosphère, restent anormalement ouverts de nuit et ne se ferment plus en réponse à un stress hydrique ou à un traitement à l'ABA. Les deux parties de cette thèse avaient pour objectif de i) expliquer l'origine et le mécanisme de l'accumulation d'amidon et ii) isoler et identifier le facteur responsable de la dérégulation stomatique. Les modifications du métabolisme de l'amidon au niveau des feuilles infectées ont d'abord été étudiées à l'aide d'une analyse transcriptomique afin d'identifier les gènes codant pour des enzymes impliquées dans ce métabolisme dont l'expression était affectée. Après validation de deux gènes de référence, une étude par qRT-PCR a permis de vérifier les changements d'expression de certains de ces gènes au cours de la cinétique de l'infection, puis les activités des enzymes correspondantes ont été déterminées. Ces approches, complétées par des dosages de l'amidon et des sucres solubles ainsi que la mesure de l'activité photosynthétique, ont permis de corréler différents événements avec l'infection. D'après nos résultats, l'accumulation de l'amidon dans les taches d'huile pourrait résulter d'une augmentation de sa synthèse liée à l'augmentation de l'activité AGPase, combinée à une diminution de sa dégradation par modification de l'activité des amylases. Une diminution de la photosynthèse et une augmentation de l'activité invertase traduisent une transition source-puits au niveau des taches d'huile. La deuxième partie de la thèse a porté sur la recherche d'une molécule soluble d'origine végétale ou pathogène, secrétée dans l'apoplasme au cours de l'infection et responsable du dysfonctionnement stomatique. Sur " épidermes isolés ", les fluides apoplastiques extraits de feuilles infectées induisent une ouverture stomatique à l'obscurité et contrecarrent la fermeture induite par l'ABA à la lumière, mimant ainsi la dérégulation observée sur feuille entière. Le composé actif serait une protéine assez stable, de taille >50 kDa et modifiée post-traductionellement par une glycosylation essentielle à son activité sur l'ouverture stomatique. Après séparation par chromatographie d'exclusion des fluides apoplastiques de feuilles infectées, deux fractions ont été retenues : une présentant une forte activité sur l'ouverture stomatique, et une seconde sans activité. Neuf protéines de vigne ont été identi fiées spécifiquement dans la fraction active après une analyse comparative de ces deux échantillons par spectrométrie de masse. Des expérimentations supplémentaires seront nécessaires pour purifier et identifier la protéine recherchée.

De nombreux processus physiologiques tels que les mouvements stomatiques, l’absorption des nutriments, l’élongation cellulaire et la signalisation cellulaire impliquent des flux d’anions entre les membranes plasmique et vacuolaire des cellules végétales. Ces flux ioniques sont régulés par des canaux et transporteurs membranaires. Les canaux ioniques transportent passivement les ions au travers des membranes selon le gradient électrochimique. Les transporteurs actifs permettent le transport contre le gradient électrochimique de l’ion transporté induisant son accumulation dans un compartiment cellulaire. Dans les cellules végétales, le gradient de H+ entre différents compartiments constitue la principale source d’énergie couplée par les symports et les antiports au transport de NO₃⁻ et Cl⁻. Au cours de ma thèse, j’ai analysé ces flux ioniques avec deux approches. Une première approche a consisté en l’étude fonctionnelle par électrophysiologie de deux protéines membranaires, AtCLCc et AtCLCg impliquées dans le transport d’anions. Dans une deuxième approche, un biosenseur, clopHensor a été exprimé chez A. thaliana et a permis de mesurer simultanément la [NO₃⁻] et le pH cytosoliques in vivo. Les cellules de garde ont été choisies comme modèle cellulaire pour l’étude de la dynamique in vivo de la [NO₃⁻]cyt et du pH. Nous avons mis en évidence que la [NO₃⁻]cyt est influencée par les conditions extracellulaires dans ces cellules. Enfin l’expression de clopHensor en plantes KO pour un antiport NO₃⁻/H⁺ vacuolaire, AtCLCa, et d’un canal anionique de la membrane plasmique, SLAC1, nous a permis d’étudier la contribution de deux membranes dans la régulation de [NO₃⁻] et du pH cytosolique. Les travaux menés ont permis de visualiser l’activité de canaux et de transporteurs d’anions et H⁺ in vivo et de quantifier leur impact sur l’homéostasie du cytosol. / Many physiological processes like stomata aperture, nutrient up-take, cellular elongation and cell signalling involve anion fluxes at the two main membranes, the plasma and vacuolar membranes of plant cells. Specialized membrane proteins form active and passive anion transport systems mediating and regulating anion fluxes. Ion channels are passive transport systems mediating ion fluxes across membranes along the electrochemical gradient. Whereas active transporters work against the electrochemical gradient of the transported ion allowing its accumulation into a cellular compartment. In plant cells, the H⁺ gradient is the main energy source of antiporters and symporters that couple the transport of anions like NO₃⁻ and Cl⁻ to the transport of H⁺. In the presents work, we aimed at analysing anion and H⁺ fluxes at two levels. First, we used an electrophysiological approach to study the functional properties of two anion transport systems acting at the vacuolar membrane, AtCLCc and AtCLCg. We also expressed a biosensor, clopHensor in A. thaliana to dynamically measure in vivo the [NO₃⁻] and pH of the cytosol. We chose stomata guard cells as a cellular model to study these fluxes. Our results illustrate the in vivo dynamics of cytosolic [NO₃⁻] and pH variations in the cytosol of guard cells. Our data show that in guard cells the cytosolic [NO₃⁻] is highly influenced by the extracellular [NO₃⁻]. At last, clopHensor’s expression in plants KO for the vacuolar NO₃⁻/H⁺ antiporter AtCLCa and for the plasma membrane anion channel SLAC1 allowed us to dissect the role of the two membranes in controlling the variation of cytosolic [NO₃⁻] and pH. This work enabled to visualize the activity of an anion channel (SLAC1) and of a NO₃⁻/H⁺ antiporter (AtCLCa) in vivo and to quantify the impact of anion and proton fluxes on cytosolic homeostasis of guard cells.

Le mildiou est une maladie de la vigne affectant les feuilles et les baies et pouvant entraîner des diminutions importantes de la quantité et de la qualité de la vendange. L'agent responsable, Plasmopara viticola, un oomycète biotrophe obligatoire, provoque différentes altérations physiologiques au niveau de la feuille infectée. D'une part, il y a des accumulations anormales d'amidon au niveau des taches d'huile, symptômes caractéristiques de la maladie. D'autre part, l'infection induit une dérégulation des mouvements stomatiques. Les stomates, ouvertures naturelles permettant les échanges gazeux entre la plante et l'atmosphère, restent anormalement ouverts de nuit et ne se ferment plus en réponse à un stress hydrique ou à un traitement à l'ABA. Les deux parties de cette thèse avaient pour objectif de i) expliquer l'origine et le mécanisme de l'accumulation d'amidon et ii) isoler et identifier le facteur responsable de la dérégulation stomatique. Les modifications du métabolisme de l'amidon au niveau des feuilles infectées ont d'abord été étudiées à l'aide d'une analyse transcriptomique afin d'identifier les gènes codant pour des enzymes impliquées dans ce métabolisme dont l'expression était affectée. Après validation de deux gènes de référence, une étude par qRT-PCR a permis de vérifier les changements d'expression de certains de ces gènes au cours de la cinétique de l'infection, puis les activités des enzymes correspondantes ont été déterminées. Ces approches, complétées par des dosages de l'amidon et des sucres solubles ainsi que la mesure de l'activité photosynthétique, ont permis de corréler différents événements avec l'infection. D'après nos résultats, l'accumulation de l'amidon dans les taches d'huile pourrait résulter d'une augmentation de sa synthèse liée à l'augmentation de l'activité AGPase, combinée à une diminution de sa dégradation par modification de l'activité des amylases. Une diminution de la photosynthèse et une augmentation de l'activité invertase traduisent une transition source-puits au niveau des taches d'huile. La deuxième partie de la thèse a porté sur la recherche d'une molécule soluble d'origine végétale ou pathogène, secrétée dans l'apoplasme au cours de l'infection et responsable du dysfonctionnement stomatique. Sur « épidermes isolés », les fluides apoplastiques extraits de feuilles infectées induisent une ouverture stomatique à l'obscurité et contrecarrent la fermeture induite par l'ABA à la lumière, mimant ainsi la dérégulation observée sur feuille entière. Le composé actif serait une protéine assez stable, de taille >50 kDa et modifiée post-traductionellement par une glycosylation essentielle à son activité sur l'ouverture stomatique. Après séparation par chromatographie d'exclusion des fluides apoplastiques de feuilles infectées, deux fractions ont été retenues : une présentant une forte activité sur l'ouverture stomatique, et une seconde sans activité. Neuf protéines de vigne ont été identi fiées spécifiquement dans la fraction active après une analyse comparative de ces deux échantillons par spectrométrie de masse. Des expérimentations supplémentaires seront nécessaires pour purifier et identifier la protéine recherchée. / The grapevine downy mildew affects leaves and young berries and can affect the harvest quality and quantity. The causal agent is the obligate biotroph oomycete Plasmopara viticola that induces severe physiological alterations in infected leaves. One is the abnormal accumulation of starch in oil spots, the characteristic symptoms of the disease. Another is a deregulation of stomatal movements. Stomata, natural openings on the leaf surface allowing gas exchanges between the plant and the atmosphere, stay abnormally open during the night and do no longer close upon water stress or ABA treatment in infected leaves. This thesis is divided into two chapters that aim to i) explain the origin and mechanism of the abnormal starch accumulation and ii) isolate and identify the compound responsible for the stomatal deregulation. The modifications of starch metabolism in infected leaves were first studied by transcriptomic analysis allowing to identify transcriptional modifications of genes involved in starch metabolism. After the validation of two reference genes, a qRT-PCR analysis was performed in order to verify the expression alterations of some of these genes and the corresponding enzymatic activities were measured. The quantification of soluble sugars and starch, and the measurement of photosynthetic activity were included in the analysis and their alterations could be correlated with the infection. Altogether, the obtained results hint towards an increase of starch synthesis via an increase in AGPase activity, that, combined with a decrease of its degradation by modification of amylase activities, could be responsible for the observed starch accumulation in oil spots. Concurrently, a source-sink transition is apparent in infected leaves by decrease of photosynthetic activity and increase of a cell wall invertase activity. The second part of this thesis dealt with a soluble molecule of plant or pathogen origin that is secreted into the apoplast during infection and could be responsible for the stomatal deregulation. The apoplastic wash fluids from infected leaves increase tha stomatal aperture in the dark in grapevine epidermal peels and counteract the ABA-induced stomatal closure, thus mimicking the deregulation observed on whole leaves. The active compound seems to be a stable protein of > 50kDa with a glycosylation that is essentiel for its activity. After separation of the fluids by size exclusion chromatography, two fractions were compared : one active on stomatal aperture and an inactive one. 9 grapevine proteins could be identified in the active sample by mass spectrometry analysis, but further analyses are needed to purify and identify the one responsible for the stomatal deregulation.

Les plantes présentent une incroyable diversité de tailles, formes et couleurs, étroitement liée à certaines de leurs fonctions biologiques telles que la photosynthèse, la reproduction, etc. De ce fait, la façon dont ces organismes multicellulaires acquièrent des formes complexes est une question clé en biologie du développement. La morphologie des organes végétaux résulte en effet de la modulation, à l’échelle cellulaire, de patrons d’expression génétique, de croissance et de différenciation. Bien que la morphogénèse ait été largement étudiée d’un point de vue moléculaire, nous ne savons toujours pas comment ces réseaux génétiques sont traduits en formes biologiques. Le but de ce projet de recherche est donc d’étudier le développement des organes latéraux (feuilles juvéniles, feuilles caulinaires et organes floraux, id sépales, pétales et anthères) chez l’espèce modèle Arabidopsis thaliana. Afin d’approcher la question du rôle des interactions complexes entre cellules et organes lors du développement, nous nous intéressons à la variabilité entre les organes, mais aussi à la variabilité cellulaire intrinsèque de chaque organe. Nous avons donc testé (1) si la diversité de formes observées chez les organes latéraux résulte de modulations d’un programme développemental commun; (2) si la croissance et le développement des organes latéraux est un phénomène stochastique ou dépend de mécanismes sous-jacents spécifiques. Pour ce faire, nous utilisons une approche multidisciplinaire basée sur la génétique, la microscopie confocale et l’analyse d’images 3D pour extraire les patrons de croissance inhérents aux différents organes. Les résultats de la première étude (Chapitre 2) montrent que la forme des organes dépend de l’équilibre entre croissance et différentiation, dont la régulation précise permet l'acquisition de fonctions hautement spécialisées. La feuille caulinaire, par exemple, présente un retard de différenciation qui permet une activité morphogénétique prolongée et une redistribution de la croissance. À travers la suppression transitoire de la croissance lors des premiers stades de développement, la trajectoire développementale de la feuille caulinaire permet sa double fonction, à la fois protectrice et photosynthétique.\par La deuxième étude (Chapitre 3), quant-à-elle, s’intéresse aux comportements des cellules individuelles, dont la croissance, bien que contrôlée par des informations positionnelles, est souvent hétérogène. Cette variabilité résulte de la différenciation de cellules spécialisés, les stomates, qui suivent un programme de développement spécifique. Le comportement autonome de ces cellules, asynchrone, est la principale source de variabilité dans des tissus dont la croissance est autrement homogènes. Dans l’ensemble, cette thèse a permis de mettre en lumière l’importance de la temporalité lors du développement des organes végétaux. Que ce soit à l’échelle de l’organe, du tissu ou de la cellule, la modulation et la synchronisation de la croissance et de la différentiation sont nécessaires à l’acquisition des formes stéréotypiques des organes et à leur complexité fonctionnelle. / Plants display an incredible diversity of sizes, shapes, and colors, closely linked to some of their biological functions, such as photosynthesis, reproduction, etc. How these multicellular organisms acquire complex shapes is, therefore, a key question in developmental biology. The morphology of plant organs results from cell-level modulation of patterns of gene expression, growth, and differentiation. Although morphogenesis has been extensively studied from a molecular point of view, how genetic networks are translated into biological forms is still unclear. Thus, the aim of this research project is to study the development of lateral organs (rosette leaves, cauline leaves, and floral organs, i.e. sepals, petals, and anthers) in the model species Arabidopsis thaliana. To address the question of the role of complex cell-organ interactions during development, we are interested not only in variability between organs but also in the intrinsic cellular variability of each organ. We, therefore, tested (1) whether the diversity of shapes observed in lateral organs results from modulations of a common developmental program; (2) whether the growth and development of lateral organs is a stochastic phenomenon or depends on specific underlying mechanisms. To this end, we are using a multidisciplinary approach based on genetics, confocal microscopy, and 3D image analysis to extract the growth patterns inherent in the different organs. The results of the first study (Chapter 2) show that organ shape depends on the balance between growth and differentiation, which fine regulation enables the acquisition of highly specialized functions. The cauline leaf, for example, shows a delay in differentiation that allows for prolonged morphogenetic activity and growth redistribution. Through the transient growth suppression at early stages, the cauline leaf developmental trajectory allows for its dual function, from protection to photosynthesis. The second study (Chapter 3) focuses on the behavior of individual cells, whose growth, although controlled by positional information, is often heterogeneous. This variability results from the differentiation of specialized cells, the stomata, which follow a specific developmental program. The autonomous, asynchronous behavior of these cells is the main source of variability in tissues whose growth is otherwise homogeneous. Overall, this thesis has shed light on the importance of timing in plant organ development. Whether at the organ, tissue, or cell level, modulation and synchronization of growth and differentiation are necessary for the acquisition of stereotypic organ shapes and functional complexity.