How does DNA make the abundant and diverged life world? To address this question, a DNA “Jigsaw Puzzle” structure model was proposed and first tested by comprehensively analyzing the genome of the model dicot plant, Arabidopsis thaliana. However, it is unknown whether this model is held in other species. Here we report the studies of the DNA structure model using the monocot plant model species, rice (Oryza sativa), and the single-celled model species, yeast (Saccharomyces cerevisiae). Analyses of the genomes sequenced so far revealed that the genome of an organism consists of a limited number of sequence-specialized, so-called fundamental function elements. For a higher organism, these elements often include genes (GEN), retro-transposable elements (RTE), DNA transposable elements (DTE), simple sequence repeats (SSR) and low complex repeats (LCR). Datasets were developed for RTE, DTE, SSR, LCR and GEN as well as genes categorized into different function categories from the sequences of the rice and yeast genomes using appropriate window sizes. The datasets were subjected to statistical analyses to test the DNA “Jigsaw Puzzle” structure model in terms of the unambiguousness, correlation, uniqueness and selection of their genome-constituting element arrays. The analyses were conducted with a series of window sizes of the sequences at both the whole genome and individual chromosome levels, both including and excluding the centromeric regions. The results showed that all fundamental function elements of the genomes as well as the genes categorized into different function categories were arrayed in the genomes in an unambiguous manner resembling linear “Jigsaw Puzzles” at the whole genome and/or individual chromosome levels, no matter whether the centromeric regions were included or excluded. The analyses revealed that arraying of the genomic elements was correlated significantly and uniquely for each chromosome and each species. This further confirmed the non-random arraying characteristic of the genomic elements for the DNA “Jigsaw Puzzle” structure model and suggested that the DNA “Jigsaw Puzzle” structure is unique for an organism, which has probably resulted from natural selection. These results unambiguously support the hypothesis of the DNA “Jigsaw Puzzle” structure model. Since the content, arraying and interaction pattern of the fundamental function elements were shown to be unique for each organism, variations of an organism in its DNA “Jigsaw Puzzle” array would lead to phenotypic variations, thus resulting in different organisms. Moreover, the fundamental function elements constituting a genome, as the four nucleotides (A, T, G and C) of DNA, could be arrayed into an infinite number of DNA molecules, thus giving different forms of organisms. Therefore, the DNA “Jigsaw Puzzle” structure model would provide a novel, but convincing explanation for the abundance, diversity and complexity of living organisms in the world.

Thèse de doctorat : Biologie moléculaire et cellulaire : Strasbourg 1 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 273-279.

The physiological process of cold acclimation protects plants native to the temperate regions of the world from the deleterious effects of low and freezing temperatures. This is achieved by a series of transcriptional, regulatory, and metabolic changes that enable continued growth and survival. Within minutes of exposure to temperatures below ca. 10°C, a complex cascade of transcriptional events is initiated to accomplish these changes. The initial alarm phase favors the rapid induction of a library of stress proteins with protective functions (e.g. COR proteins). This is followed by a cold hardened phase, characterized by maximal freezing tolerance, which continues until either the stress is removed, or the plant's metabolic and/or developmental state can no longer support maximal resistance. We have studied some of the important transcription factors and transcriptional changes associated with the initial alarm and later hardened phases of cold acclimation in the herbaceous annual Arabidopsis thaliana and the woody perennial Populus spp. We confirmed the functionality of the CBF-mediated signaling cascade in Poplar overexpressing AtCBF1, but noted that regulon composition and endogenous poplar CBF ortholog induction appeared to be tissue-specific. The lack of statistically significant DRE enrichment in the Poplar AtCBF1 regulons led us to investige cis-element abundance in the cold-associated transcription factor regulons of publicly available microarray data from Arabidopsis, leading to the development of a gene voting method of microarray analysis that we used to test for regulatory associations between transcription factors and their downstream cis-elements and gene targets. This analysis resulted in a new transcriptional model of the ICE1-mediated signaling cascade and implicated a role for phytochrome A. Application of this same method to microarray data from arabidopsis leaves developed at low temperature allowed us to identify a new cis-element, called DDT, which possessed enhancer-blocking function during the alarm stage of cold stress, but was enriched in the promoters of genes upregulated during the later cold hardened stages. As leaf growth and development at low temperature correlated with the enhancement freeze tolerance in Arabidopsis, we compared the transcriptomes of rapidly growing and fully grown poplar leaves at night (when both low temperatures and PhyA status might play important roles in nature), in the hopes of comparing this data with that of cold-treated leaves in the future. We identified the nocturnal mode of leaf growth in Populus deltoides as predominantly proliferative as opposed to expansive, and potentially linked to cellular carbohydrate status.

Brassica napus ist eine der wichtigsten Pflanzen in der Landwirtschaft. Pathogene verursachen jährlich große Ertragsverluste. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Interaktionen zwischen der Nutzpflanze Brassica napus bzw. der Modellpflanze Arabidopsis thaliana und dem phytopathogenen Pilz Verticillium longisporum untersucht. Verticillium longisporum ist ein auf Brassica spezialisierter Pilz, der die sogenannte Verticillium-Welke verursacht. Er dringt in die Wurzeln der Pflanze ein und steigt durch die Leitgefäße in den Spross auf. Die Pflanze zeigt in Folge der Infektion vor allem einen stark verkürzten Spross, Chlorosen und eine Notreife. Für die Experimente wurde Brassica napus und Arabidopsis thaliana mit Verticillium longisporum infiziert. Die Emissionen von Volatilen (volatile organic compounds (VOC)) der Pflanzen wurden sowohl ober- als auch unterirdisch bezüglich sich ändernder VOCs analysiert. Bei der Probennahme wurde darauf geachtet, die Pflanzen nicht zu verletzen und durch Messungen bedingten Stress zu minimieren. Auch während der Messungen der Wurzel-emissionen wurden die Pflanzen nicht aus ihrem Substrat entfernt, sondern innerhalb dessen gemessen. Während sich das Duftspektrum der Wurzeln von Brassica napus nicht änderte, emittierten die Sprosse infizierter Brassica Pflanzen signifikant mehr Dimethyldisulfid, ß-Ionon und ß-Cyclocitral. Bei der Infektion von Arabidopsis thaliana mit Verticillium longisporum hingegen spielten diese VOCs keine Rolle. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Vermutung überprüft, dass sich im Infektionsverlauf ändernde VOCs als Abwehrmoleküle dienen könnten. Hierfür wurde ein Bioassay entwickelt und zwei weitere pathogene Pilze, Gaeumannomyces graminis var. triciti und Sclerotinia sclerotiorum, unterschiedlicher Spezialisierung einbezogen. Wir setzten sie Dimethyldisulfid und ß-Ionon in unterschiedlichen Konzentrationen aus. Sowohl Dimethyldisulfid als auch ß-Ionon zeigten nur eine geringe fungizide Wirkung, gemessen am Myzelwachstum, gegen den Brassica-Spezialisten Verticillium longisporum. Gaeumannomyces graminis var. triciti wurde bereits bei geringeren Konzentrationen gehemmt. Sclerotinia sclerotiorum reagierte nicht oder sogar positiv auf die VOCs. Die (Mikro-) Sklerotienbildung wurde nur bei Verticillium longisporum beeinflusst. ß-Ionon unterstützte diese Entwicklung signifikant.

Abiotic stresses are one of the major limiting factors of plant growth and thus crop productivity. Exposure to these stresses, including temperature and UV, cause physiological and epigenetic changes in plants. Such changes may be inherited in the progeny of stressed plants, and may change their ability to respond to stress. To understand the ability of plants to inherit an epigenetic stress memory as well as the physiological manifestations of such a memory, we propagated both stressed and control plants and compared the progeny under both normal and stressed conditions. In addition to wild-type plants we used Dicer-like mutants dcl2, dcl3 and dcl4, as Dicers have been linked to RNA-directed DNA methylation, a form of epigenetic memory. These studies revealed that leaf number decreases in the progeny of stressed plants, and bolting occurs earlier in the progeny of temperature stressed plants but later in the progeny of UV-C stressed plants. Transposons were also re-activated in the progeny of stressed plants. While heat shock transcription factor 2A increased expression in the progeny of heat stressed plants, many genes involved in DNA repair and histone modifications decreased. DCL2 and DCL3 appeared to be more important in transgenerational stress memory than DCL4. However, all dcl plants were generally not significantly different than wild-type plants, indicating that a single DCL deficiency may be compensated for by another DCL. / xiv, 246 leaves : ill. ; 29 cm

L'agriculture mondiale a connu de profonds changements qui lui ont permis de faire face à l'augmentation constante de la demande alimentaire. Cependant, les conséquences de ces nouvelles pratiques agricoles sur l'environnement et la santé humaine font l'objet de préoccupations croissantes. Notamment, les politiques sanitaires actuelles visent à réduire l'utilisation des produits phytosanitaires. Aussi de nouvelles stratégies de protection des cultures doivent-elles être développées. Une meilleure compréhension des échanges moléculaires qui contribuent au succès des bioagresseurs est nécessaire. Ces échanges impliquent notamment la sécrétion de protéines qui interfèrent avec le métabolisme de l'hôte : les effecteurs. Certains d'entre elles sont accumulés au cours de la pénétration des premières cellules végétales, une étape décisive pour le succès de la tentative d'infection. Les travaux menés au cours de cette thèse se sont concentrés sur 3 de ces effecteurs, sécrétés par l'oomycète Phytophthora parasitica. L'analyse des lignées de surexpression chez Arabidopsis thaliana a permis de mettre en évidence des perturbations du développement et de la physiologie de certaines hormones végétales en réponse à l'accumulation de ces effecteurs. Ces données confirment l'importance de la manipulation des voies hormonales dans le cadre des interactions plantes-pathogènes et soutiennent l'hypothèse récente selon laquelle des effecteurs sécrétés par les agents pathogènes interfèrent avec un petit nombre de cibles clefs du métabolisme de l'hôte. Ces cibles constituent des candidats de choix pour développer des variétés plus résistantes.

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Throughout their life cycle, plants adjust growth in response to their developmental and environmental situation within the limits of their energetic capacities. This capacity is defined by the local sugar availability, which is constantly modulated through synthesis, transport and consumption of sugar. The monitoring of sugar presence is carried out by a complex signalling network in which simple sugars (e.g. glucose, fructose and sucrose) act as metabolic signals for the modulation of physiological processes. However, often it remains unclear whether the regulation is induced by the simple sugars themselves or by their derivatives generated during sugar metabolism. This thesis focuses on the dissection of distinct sugar signals, their generation, perception and impact on the modulation of gene expression and cell division both in cell culture and young seedlings. Based on a stem-cell-like A. thaliana cell culture, which could be sustained in a hormone-free media, a new biological system, supplied with Xyl as the only carbon source was developed. The performance of a variety of sugar and sugar analogue treatments in this novel system allowed for the identification of sugar-responsive candidate genes, which were specifically regulated by glucose, fructose and sucrose. For several genes (e.g. bZIP63, AT5g22920, TPS9, MGD2 and BT2), this regulation required both sugar transport into the cytosol and metabolisation for the generation of the signal. Furthermore, gene expression analyses in young A. thaliana seedlings indicated the requirement for the catalytic activity of hexokinase 1 in the regulation of bZIP63, Atg22920 and BT2 under conditions of a perturbed carbohydrate balance. These findings have been combined in a proposed model for the transcriptional regulation of bZIP63, AT5g22920, TPS9, MGD2 and BT2, which further proposes a function of those genes in the regulation of cell division. The optimisation of a protocol for long-term real-time live-cell imaging provided a valuable tool to show that, similar to gene expression, the progression of cell division depended on a sugar-type-specific regulation at the single-cell level; this regulation was most likely caused by prolongation of the interphase. Together with the observation of cell death and growth arrest of the primary root in intact seedlings in response to the glucose analogue 2dog, this led to the conclusion that sugar signals themselves were sufficient to induce cell division. However, the continuation of cell cycle progression and consequently organ growth over long-time required the availability of the energy contained in the sugar.

La bactérie Erwinia amylovora est responsable de la maladie du feu bactérien des Maleae (pommier, poirier...). Le pouvoir pathogène de cette bactérie dépend d'une seringue moléculaire appelé système de sécrétion de type 3 (SSTT). Ce SSTT permet à la bactérie d'injecter des effecteurs dans les cellules de la plante. Parmi les effecteurs injectés, DspA/E est l'effecteur indispensable au pouvoir pathogène d'E. amylovora. Cet effecteur est à lui seul capable de provoquer la mort des cellules chez le pommier et le tabac et permet à la bactérie de se multiplier de manière transitoire chez A. thaliana. L'objectif de ce travail de thèse était de comprendre la fonction de DspA/E dans la cellule végétale et d'identifier des facteurs végétaux impliqués dans la toxicité de DspA/E. Afin de répondre à cette question, des plantes transgéniques exprimant DspA/E sous contrôle d'un promoteur inductible à l'estradiol ont été construites.Dans un premier temps, la caractérisation phénotypique des lignées exprimant DspA/E a été effectuée. Les résultats obtenus montrent que DspA/E est toxique lorsqu'il est exprimé in planta (il provoque la mort des cellules, inhibe la germination, la croissance racinaire et la traduction) et permet la multiplication in planta d'un mutant dspA/E. Un crible de mutants suppresseurs de la toxicité de l'effecteur DspA/E a été effectué sur une lignée transgénique exprimant DspA/E dans le but d'identifier un ou plusieurs gènes impliqués dans la toxicité de DspA/E. Ce crible suppresseur a permis d'identifier un candidat potentiel impliqué dans la photo-respiration, la glycolate oxydase 2 (GOX2). L'analyse fonctionnelle réalisée sur le mutant gox2-2 a permis de montrer que le gène GOX2 est un régulateur positif des réponses de défense d'A. thaliana en réponse à l'infection par E. amylovora.Enfin, la caractérisation du stress oxydant a permis de montrer que plusieurs formes actives de l'oxygène (H2O2 et O2.-) s'accumulent au cours de l'interaction entre A. thaliana et E. amylovora. Ceci a permis également de comprendre le rôle de DspA/E sur ce stress oxydant. Nos résultats suggèrent que la glycolate oxydase 2 participerait à l'induction du stress oxydant en perturbant le métabolisme des sucres.

Les bactéries Pectobacterium sont classées parmi les agents pathogènes les plus importants économiquement pour la culture de la pomme de terre. Au cours des dernières années, une augmentation des maladies dues à ces bactéries a pu être observée. Le but de ce travail de thèse était d'analyser certains aspects de la diversité liés aux Pectobacterium sp à savoir : (i) la diversité génétique liée aux régulateurs du pouvoir pathogène de la bactérie (ii) la diversité de virulence et d'agressivité des souches de Pectobacterium vis-à-vis de leurs hôtes et (iii). Le rôle et la diversité des effets induits par le lipopolysaccharides (LPS), composants de la surface bactérienne de bactéries phytopathogène ou non phytopathogène. Ce travail de thèse souligne également le rôle potentiel que pourrait jouer ces molécules LPS dans le biocontrôledes Pectobacterium sp. Différentes expérimentations cellulaires et moléculaires allant de l'identification de la bactérie à la compréhension des voies de signalisation ont été utilisées. Les résultats obtenus nous ont permis de montré, en premier lieu que, le séquençage du gène pmrA, gène connu pour être impliqué dans la régulation du pouvoir pathogène desPectobacterium, est un outil moléculaire complémentaire d'identification de sous espèces de Pcc et pourrait être aussi un moyen efficace d'évaluation de la diversité génétique intraspécifique. Dans un second temps, nous avons montré que les cultures cellulaires d'Arabidopsis thaliana pourraient être un modèle végétal d'évaluation de l'agressivité des Pectobacterium. Ceci a été obtenu par quantification des cinétiques de trois paramètres associés à la pathogénie de ces bactéries à savoir : l'activité des pectate-lyases, déterminant majeur du pouvoir pathogène des Pcc, la fuite des électrolytes, considérée comme un marqueur précoce de la mort cellulaire, et la mort cellulaire des cultures elle-même. Enfin nous avons également montré que les effets induits par les LPS chez les cellules d'Arabidopsis thaliana sont dépendant du type bactérien. En effet Les résultats obtenus nous ont permis de mettre en évidence trois types de réponses différentes aux LPS en fonction de leur origine: les réponses identiques (régulation des flux d'ions), des réponses communes mais présentant des intensités et de cinétiques différentes (production de ROS, induction de gènes de défense) et des réponses spécifiques (induction d'une PCD, alcalinisation du milieu). Ces résultats indiquent que différentes voies de signalisation pourraient être activées chez Arabidopsis thaliana. Ils nous ont permis également de mieux comprendre l'implication des LPS dans le biocontrôle contre les Pectobacterium sp.