La compréhension des mécanismes de défense mis en place lors de la résistance des plantes vis-à-vis d'agents pathogènes a pour objectif de proposer des alternatives à l'utilisation de produits phytosanitaires utilisés en agriculture. Dans une première partie, nous avons étudié les mécanismes moléculaires impliqués dans la résistance induite aux pathogènes par l'acide β-aminobutyrique (BABA) chez la vigne. En effet, cet acide aminé non protéique favorise un état physiologique particulier, appelé potentialisation, dans lequel la plante est capable de mobiliser plus rapidement et/ou plus intensément ses réactions de défense en réponse à un stress. Contrairement aux éliciteurs comme les oligogalacturonates (OG), nous avons montré que le BABA seul n'induisait pas les événements précoces de signalisation sur suspensions cellulaires de vigne, tels que les variations de la concentration en calcium cytosolique libre ([Ca2+]cyt), la production de monoxyde d'azote (NO), la production d'H2O2, la phosphorylation de MAPkinases, ni l'expression de gènes de défense. Seules la production d'H2O2 et l'expression plus intense du gène RbohD codant une NADPH oxydase sont potentialisées par le BABA dans les suspensions cellulaires élicitées par les OG. In planta, le BABA potentialise également une production d'H2O2 en réponse à l'infection par l'oomycète Plasmopara viticola. L'utilisation d'un inhibiteur de NADPH oxydase abolit complètement cette production d'H2O2 et bloque partiellement la résistance induite par le BABA. Nous montrons donc que la potentialisation de la production d'H2O2 dépendante d'une NADPH oxydase contribue à l'établissement de la résistance induite par le BABA chez la vigne. Une deuxième partie a permis d'appréhender les événements cellulaires impliqués dans la résistance des plantes en se focalisant sur le mutant pad2 (phytoalexin deficient) d'Arabidopsis thaliana. Ce mutant présente une sensibilité accrue à différents pathogènes et contient un taux de glutathion de l'ordre de 20 % par rapport à l'écotype sauvage. Nous avons tout d'abord montré que le faible taux de glutathion dépendait d'une quantité réduite de la première enzyme de sa biosynthèse, la glutamate-cystéine ligase. Le glutathion étant impliqué dans la mise en place des réactions de défense, nous avons tenté de définir le lien entre la déficience en glutathion et la sensibilité de pad2 aux pathogènes. Nous avons tout d'abord montré que pad2 possédait un état redox du glutathion plus oxydé que le sauvage. Une analyse transcriptomique à l'état basal a révélé que la plupart des gènes différentiellement exprimés étaient réprimés chez pad2. Parmi ces gènes, certains codent des protéines impliquées dans les flux d'ions qui pourraient déréguler la dépolarisation membranaire. Nous avons ainsi confirmé que la dépolarisation de la membrane plasmique est amoindrie chez pad2 en réponse aux OG. De plus, des événements en aval tels que la production d'H2O2 et la production de NO sont également plus faibles chez le mutant par rapport au sauvage. Cette absence de la production d'H2O2 a également été spécifiquement observée sur plantes pad2 infectées par l'oomycète Phytophthora brassicae. Il en résulte un développement accru du pathogène corrélé à une absence de réponse hypersensible, une mort cellulaire localisée normalement observée dans le cas du sauvage résistant. En réponse aux OG ou à l'infection par P. brassicae, les analyses transcriptomiques font ressortir un fort enrichissement de gènes relatifs à la dégradation des protéines chez pad2. De manière globale, nos résultats suggèrent que la déficience en glutathion chez pad2 pourrait profondément modifier le turn-over des protéines, perturbant ainsi la signalisation cellulaire et les réponses biologiques associées.

Self-incompatibility is a genetic barrier by which a plant recognizes and rejects its own pollen while allowing pollen from more distantly related plants to germinate. In the Brassicacea family, it is controlled by a highly polymorphic locus called the S-locus, which contains the male and female determinants of self-incompatibility. The stigma expresses the female determinant of self-incompatibility, the plant receptor kinase (PRK) S-LOCUS RECEPTOR KINASE (SRK). In Brassica oleracea, SRK has a unique subcellular localization among PRK: the receptor is mostly localized in endosomes and to a lesser extent at the plasma membrane.We investigated the function of the endosomal localization of SRK in Arabidopsis thaliana. Firstly, we reintroduced self-incompatibility in Arabidopsis thaliana by expression of a functional SRK allele from Arabidopsis lyrata (a self-incompatible species). Secondly, we showed that a loss-of-function mutant of DYNAMIN-RELATED PROTEIN1A, a protein required for endocytosis, abolished self-incompatibility. Our results suggest that endocytosis is required for self-incompatibility, and that SRK may be signaling from endosomal compartments.

La recombinaison méiotique initiée en prophase I de méiose génère soit des crossing-over (COs), qui sont des échanges réciproques entre segments chromosomiques, ou des conversions géniques non associées aux COs (NCOs). Les deux types d'événements se produisent dans de petites régions (moins de 10 kilobases) appelées points chauds, qui sont distribuées de manière non homogène le long des chromosomes. L'objectif de ma thèse était la caractérisation d'un point chaud de recombinaison méiotique (nommée 14a) chez Arabidopsis thaliana (i) dans différentes accessions (ii) dans le mutant msh4, un gène impliqué dans la formation des COs. Dans les deux hybrides ColxLer et ColxWs (i) 14a a un taux très élevé de COs 0,85% et 0,49%, respectivement (ii) Les COs sont regroupés dans deux petites régions de quelques kilobases, 14a1 et 14a2 avec une distribution de type gaussienne observée aux points chauds décrits dans d'autres espèces (iii) 14a1 est aussi un point chaud de NCO avec un taux aussi élevé que celui des COs (0,5%) dans ColxLer (iv) un biais de l'initiation de recombinaison a été trouvé dans 14a1 aussi bien pour les COs que les NCOs dans le fond génétique ColxLer.Une réduction de la fréquence de CO a été observée dans le mutant msh4 dans le fond génétique ColxLer à 14a1 et 14a2 (6,4% et 18,7% par rapport au sauvage). Cela confirme le rôle précédemment connu de la protéine MSH4 impliqué dans la formation de CO. La fréquence de NCO à 14a1 est similaire à celle observéedans le fond sauvage. Le rôle des H3K4 histones trimethyltransferase d'Arabidopsis dans la recombinaison méiotique (comme précédemment observé comme Set1 chez S. cerevisiae ou PRDM9 chez les mammifères) a également été étudiée. Aucun des dix gènes d'histones méthyltransférase étudié n'a montré de rôle dans la méiose. Cela pourrait être dû à (i) une forte redondance de la fonction entre les protéines (ii) une autre histone méthyltransférase en charge de l'étiquetage des points chauds de recombinaison méiotique (plus de 29 putatif histone méthyltransférase ont été identifiés dans le génome d'Arabidopsis!) (iii) contrairement à S. cerevisiae, les souris et l'homme, un autre mécanisme de contrôle épigénétique de la recombinaison méiotique.

AtMAP65-4 est une protéine associée aux microtubules appartenant à la famille des AtMAP65s qui compte 9 membres identifiés chez Arabidopsis thaliana. Ces protéines appartiennent à une famille conservée au cours de l'évolution, les MAP65s. Ainsi, des protéines homologues sont présentes chez de mammifères (PRC1), chez la levure (Ase1p) ou chez la drosophile (FEO). Jusqu'ici l'étude des propriétés moléculaires et fonctionnelles des AtMAP65s s'est portée essentiellement sur l'étude d'AtMAP65-1 et AtMAP65-5. La principale caractéristique de ces protéines est d'induire la formation de faisceaux de microtubules in vitro. La distribution des AtMAP65s in vivo est très régulée, celle-ci sont localisées avec des réseaux des microtubules bien définis. Ainsi, leur rôle supposé est de mettre en place ces réseaux puis de participer à leur maintient. La localisation d'AtMAP65-4 apparait comme très intéressante car elle est strictement associée avec les microtubules du fuseau mitotique. D'après les résultats obtenus au cours de ce travail, nous avons suggéré que la fonction in vivo d'AtMAP65-4 est de participer à la mise en place et au maintient des microtubules en faisceaux dans les fibres kinétochoriennes lors de la division cellulaire. Lors d'une étude in vitro nous avons montré qu'AtMAP65-4 modifie les paramètres dynamiques de polymérisation des microtubules. Outre sa capacité à former des faisceaux, AtMAP65-4 permet une croissance régulière des microtubules au sein des faisceaux qu'elle induit. Le mécanisme d'action de la MAP à l'échelle moléculaire a été analysé à travers une étude bioinformatique où nous avons modélisé l'activité d'AtMAP65-4. Les données obtenues montrent qu'AtMAP65-4 peut bloquer les évènements de dépolymérisation des microtubules. Par ailleurs, l'activité d'AtMAP65-4 pourrait être régulée in vivo par des modifications post traductionnelles. En effet, nous avons montré et étudié l'effet de la phosphorylation d'AtMAP65-4 par les kinases Auroras. Cette phosphorylation pourrait être impliquée dans la régulation de l'activité d'AtMAP65-4 au cours de la mitose.

Les bactéries promotrices de la croissance des plantes (PGPR) peuvent améliorer la performance et la tolérance des plantes lors de stress environnementaux. Arabidopsis thaliana est un modèle de choix pour étudier les mécanismes impliqués dans les interactions plante-bactéries. Nous avons analysé de multiples traits associés à la dynamique de croissance, au développement et la physiologie des végétaux afin d'évaluer les effets de l'inoculation par Phyllobacterium brassicacearum STM196, une PGPR isolée de la rhizosphère du colza, sur les réponses d'A. thaliana à des stress hydriques de différentes intensités. Grâce à des outils performants de phénotypage, nous avons développé une nouvelle approche d'analyse à haut-débit pour examiner l'implication de STM196 dans les stratégies de résistance des plantes au stress hydrique. Nos résultats montrent pour la première fois que les PGPR peuvent interférer dans les stratégies d'échappement des plantes grâce à des modifications de la croissance et du temps de floraison. De plus, STM196 induit une meilleure résistance au déficit hydrique modéré et une meilleure tolérance à la déshydratation sous une contrainte hydrique sévère. L'inoculation par STM196 peut ainsi représenter une valeur ajoutée aux stratégies de résistance intrinsèques aux plantes, ce qui est illustrée par sa remarquable capacité à promouvoir la survie et la production de biomasse végétale dans des environnements contrastés. Nos résultats soulignent l'importance des interactions plantes-bactéries dans les réponses des plantes à la sécheresse et offrent de nouvelles voies de recherches pour l'amélioration de la résistance à la sécheresse dans les cultures.

The nucleotide sequence of a cloned RAPD DNA marker (OPI08) linked to a disease resistance gene in L. sativa (lettuce) revealed homology with the conserved domain of the reverse transcriptase of Ty3/gypsy retrotransposons. To further characterize the presence of Ty3/gypsy-like sequences in plants, sets of degenerate primers deduced from archetype retrotransposons were used for PCR amplification of a sequence domain characteristic of the reverse transcriptase and the integrase of Ty3/gypsy retrotransposons. The nucleotide sequence of two cloned DNA fragments of Z. mays (maize) and A. thaliana proved to be homologous with the conserved domains of the reverse transcriptase and the integrase of Ty3/gypsy retrotransposons. Southern blot analysis also demonstrated homology of the Z. mays clone to Lycopersicon (tomato) and L. sativa. This is the first report of Ty3/gypsy-like sequences in A. thaliana, and L. sativa. This research brings to six the number of plant species where this type of element has been reported, in contrast to the large number of plant Ty1/copia transposable elements described. It is not known whether these elements are actively transposing in plant genomes.

L’enzim 3-hidroxi-3-metilglutaril CoA reductasa o HMGR catalitza la reacció irreversible de reducció del HMG-CoA a mevalonat. Aquesta molècula, el mevalonat, es el primer intermediari específic de la ruta del mevalonat, una de les dues rutes biosintètiques de la síntesi de compostos isoprenoides en plantes. Els isoprenoides, també anomenats terpenoides, son un grup de molècules molt diversificat, no nomes pel que respecta a la seva funció, sinó també en estructura. A les plantes, s’han descrit mes de 29000 isoprenoides, amb funcions que van des de la formació i manteniment dels teixits fins a l’adaptació al medi. L’HMGR has estat objecte d’una gran quantitat d’estudis a llevats I animals, I s’ha descrit com el pas limitant pel que fa a la ruta de síntesi de colesterol. En aquests dos tipus d’organisme, el control sobre l’activitat de l’HMGR es molt complex, incloent diversos mecanismes de regulació com ara fosforilació, proteòlisi regulada o control transcripcional. En plantes, es conegut que l’HMGR es l’enzim que catalitza el pas limitant en la biosíntesi d’isoprenoides de la ruta del MVA. Al genoma d’Arabidopsis thaliana, trobem dos gens que codifiquen per tres isoformes diferents de l’HMGR. Les dues isoformes codificades al gen HMG1, difereixen entre elles únicament en una regió extra de 50 aminoàcids a la zona N-terminal de la proteïna, i degut a aquesta diferencia, han estat nominades d’acord amb això. D’aquesta manera trobem HMGR1S o isoforma curta de la proteïna, i HMGR1L o isoforma llarga. Ambdues isoformes es troben localitzades a la membrana del reticle endoplasmàtic (RE) però, mentre HMGR1L es troba present en una distribució uniforme dins la xarxa de túbuls i cisternes d’aquest orgànul, HMGR1S s’acumula específicament en unes vesícules associades amb aquesta xarxa. Aquest punt va esser demostrat gracies a la utilització d’un marcador de RE. Plantes transgèniques transformades amb una construcció quimèrica on el domini catalític de l’HMGR1S ha estat substituït per la proteïna verda fluorescent (GFP) han mostrat que aquestes vesícules son especifiques dels cotiledons, i que tenen una morfologia fusiforme. Estructures similars van ser trobades en plantes transgèniques que expressen la proteïna quimèrica GFP-HDEL, un altre marcador de la xarxa de RE. Aquestes vesícules van ser nomenades ER-bodies, i se sap que estan implicades en defensa i adaptació al medi ambient. Experiments de colocalització in planta han permès establir que la HMGR es troba present en aqeusts ER-bodies, i per tant aquest enzim podria estar implicat en la morfogènesi del RE o en la síntesi d’isoprenoides específics per a defensa. Anàlisis bioquímics d’activitat enzimàtica especifica HMGR en cèl•lules d’Arabidopsis van mostrar que l’activitat es troba disminuïda en situacions d’estres, sigui aquest biòtic o abiòtic, suggerint un reclutament de molecules d’HMGR cap als ER-bodies. Els nostres resultats suggereixen que, l’HMGR, una proteïna molt estudiada a nivell enzimàtic, presenta una funció paral•lela important per a l’estructuració del RE, que alhora es important enfront la resposta de la planta a estres, sense descartar, però, que al mateix temps l’HMGR podria estar implicada en la creació d’un entorn subcel•lular específic on la captació d’altres proteïnes amb activitat enzimàtica podria portar a la síntesi de compostos isoprenoides específics. / "Analysis of HMG-CoA Reductase of Arabidopsis thaliana: implication in the morphogenesis of the endoplasmic reticulum" The enzyme 3-hydroxi-3-methylglutharyl CoA Reductase or HMGR catalyzes the irreversible reaction of reduction of HMG-CoA to mevalonate, the first specific intermediate product of the mevalonate pathway, one of the two biosynthetic pathways of isoprenoid compounds in plants. Isoprenoid compoundsare a group of molecules with an extreme diversification. In plants, more than 29000 different isoprenoid have been identified, with completely different functions that range from formation and maintenance of tissues to adaptation to the environment. The HMGR has been extensively studies in yeast and mammals, as it is the limiting step of the synthesis of cholesterol. In plants, it is known that HMGR is also the limiting step in the biosynthesis of isoprenoides of the MVA pathway. In the genome of Arabidopsis thaliana, there are two genes that encode three different isoforms of HMGR. The two isoforms encoded in HMG1 gene differ only in an N-terminal extra region of 50 amino acids, and they were named according to that: HMGR1S or short, and HMGR1L or long isoform. HMGR1S is accumulated specifically in vesicles associated with it along its network. These vesicles are specific of the cotyledons and have an spin-shaped morphology. Similar structures called ER-bodies, involved in defense and adaptation to the environment have been described. Colocalization experiments in planta have shown that ER-bodies contain HMGR. Our results suggest that a very well-known metabolic protein, has a parallel function in the structure of the ER, important for the response to stress, without discarding that at the same time HMGR can produce an specific environment by recruiting other metabolic enzymes that lead to specific types of isoprenoid compounds.

In this thesis, I combined observational studies with field and greenhouse experiments to examine selection on life history traits and variation in tolerance and resistance against herbivores in natural populations of the annual herb Arabidopsis thaliana in its native range. I investigated (1) phenotypic selection on flowering time and plant size, (2) the effects of timing of germination on plant fitness, (3) the effect of leaf damage on seed production, and (4) correlations between resistance against a specialist and a generalist insect herbivore. In all three study populations, flowering time was negatively related to plant fitness, but in only one of the populations, significant selection on flowering time was detected when controlling for size prior to the flowering season. The results show that correlations between flowering time and plant fecundity may be confounded by variation in plant size prior to the reproductive season. A field experiment detected conflicting selection on germination time: Early germination was associated with low seedling survival, but also with large leaf rosette before winter and high survival and fecundity among established plants. The results suggest that low survival among early germinating seeds is the main force opposing the evolution of earlier germination, and that the optimal timing of germination should vary in space and time as a function of the relative strength of selection acting during different life-history stages. Experimental leaf damage demonstrated that tolerance to damage was lowest among vegetative plants early in the season, and highest among flowering plants later in the season. Given similar damage levels, leaf herbivores feeding on plants before flowering should thus exert stronger selection on defence traits than those feeding on plants during flowering. Resistance against larval feeding by the specialist Plutella xylostella was negatively correlated with resistance against larval feeding by the generalist Mamestra brassicae and with resistance against oviposition by P. xylostella when variation in resistance was examined within and among two Swedish and two Italian A. thaliana populations. The results suggest that negative correlations between resistance against different herbivores and different life-history stages of herbivores may contribute to the maintenance of genetic variation in resistance.

In the late 1990s, a series of landmark publications described RNA interference (RNAi) and related RNA silencing phenomena in nematodes, plants and fungi. By manipulating RNA silencing, biologists have been able to create tools for specifically inactivating genes. In organisms from trypanosomes to insects, RNA silencing is now indispensible for studying gene function. RNA silencing has been used in a project aimed at systematically knocking out all genes in the model plant Arabidopsis thaliana. RNA silencing has a natural role in defending eukaryotic cells against virus replication. By assembling virus DNA sequences in a form that triggers RNA silencing, biologists have created plants resistant to specific viruses. In this study, we set out to test if a similar approach would protect plants against infection by the agriculturally important Brassica pathogen, Plasmodiophora brassicae. P. brassicae is an obligate intracellular biotroph, from the little studied eukaryotic supergroup, the Rhizaria. To identify the gene sequences that would be starting material for P. brassicae RNA silencing, new P. brassicae genes were gathered by cDNA cloning or genomic PCR-walking. Using suppression subtractive hybridisation (SSH) and oligo-capping cloning of full-length cDNAs, 76 new gene sequences were identified. A large proportion of the cDNAs were predicted to contain signal peptides for ER translocation. In addition to the new cDNA identified here, partial sequences for the P. brassicae actin and TPS genes were published by other researchers close to the beginning of this study. Using PCR-walking, full-length genomic DNA sequences from both genes were obtained. Later, genomic DNA sequences spanning or flanking a total of 24 P. brassicae genes were obtained. The P. brassicae genes were rich in typical eukaryotic spliceosomal introns. Transcription of P. brassicae genes also appears likely to begin from initiator elements rather than TATA-box-containing promoters. A segment of the P. brassicae actin gene was assembled in hairpin format and transformed into Arabidopsis thaliana. Observation of simultaneous knockdown of the GUS marker gene as well as detection of siRNAs indicated that the hpRNA sequences induced RNA silencing. However, inoculation of these plants with P. brassicae resulted in heavy club root infection. We were unable to detect decreases in actin gene expression in the infecting P. brassicae, at either early or late stages of infection. We conclude that, within the limits of the techniques used here, there is no evidence for induction of RNA silencing in P. brassicae by in planta produced siRNAs.

In the late 1990s, a series of landmark publications described RNA interference (RNAi) and related RNA silencing phenomena in nematodes, plants and fungi. By manipulating RNA silencing, biologists have been able to create tools for specifically inactivating genes. In organisms from trypanosomes to insects, RNA silencing is now indispensible for studying gene function. RNA silencing has been used in a project aimed at systematically knocking out all genes in the model plant Arabidopsis thaliana. RNA silencing has a natural role in defending eukaryotic cells against virus replication. By assembling virus DNA sequences in a form that triggers RNA silencing, biologists have created plants resistant to specific viruses. In this study, we set out to test if a similar approach would protect plants against infection by the agriculturally important Brassica pathogen, Plasmodiophora brassicae. P. brassicae is an obligate intracellular biotroph, from the little studied eukaryotic supergroup, the Rhizaria. To identify the gene sequences that would be starting material for P. brassicae RNA silencing, new P. brassicae genes were gathered by cDNA cloning or genomic PCR-walking. Using suppression subtractive hybridisation (SSH) and oligo-capping cloning of full-length cDNAs, 76 new gene sequences were identified. A large proportion of the cDNAs were predicted to contain signal peptides for ER translocation. In addition to the new cDNA identified here, partial sequences for the P. brassicae actin and TPS genes were published by other researchers close to the beginning of this study. Using PCR-walking, full-length genomic DNA sequences from both genes were obtained. Later, genomic DNA sequences spanning or flanking a total of 24 P. brassicae genes were obtained. The P. brassicae genes were rich in typical eukaryotic spliceosomal introns. Transcription of P. brassicae genes also appears likely to begin from initiator elements rather than TATA-box-containing promoters. A segment of the P. brassicae actin gene was assembled in hairpin format and transformed into Arabidopsis thaliana. Observation of simultaneous knockdown of the GUS marker gene as well as detection of siRNAs indicated that the hpRNA sequences induced RNA silencing. However, inoculation of these plants with P. brassicae resulted in heavy club root infection. We were unable to detect decreases in actin gene expression in the infecting P. brassicae, at either early or late stages of infection. We conclude that, within the limits of the techniques used here, there is no evidence for induction of RNA silencing in P. brassicae by in planta produced siRNAs.