La phase de maturation des graines est caractérisée par l’ac-quisition successive de composantes qui constituent la qua-lité physiologique d’un lot de semences, à savoir la toléranceà la dessiccation (capacité à survivre au retrait total de l’eaucellulaire), la longévité (capacité de survivre à l'état sec pen-dant le stockage), la dormance ainsi que la vigueur germina-tive (capacité à germer de façon rapide et homogène quelquessoient les conditions de l’environnement). La production desemences à haute qualité germinative représente un enjeumajeur pour les semenciers car elle constitue un levier clefpour augmenter les rendements agricoles. Cependant, lesmécanismes régulant l’acquisition de la qualité germinativeet en particulier la longévité restent peu connus. Une étudepréalable d’un réseau de co-expression génique de facteursde transcription avait identifi é trois gènes candidats associésà la longévité chez Medicago truncatula :MtABL (ABA INSEN-SITIVE4-LIKE), MtABI5 (ABA INSENSITIVE5) et MtHSFA2.2(HEAT SHOCK FACTOR A2.2). L'objectif de cette thèse était devalider ces gènes et d’en comprendre leur fonction chez Medicagotruncatula et le pois par la caractérisation de mutantsd’insertion et EMS. ABL et ABI5 jouent un rôle dans la matu-ration en régulant positivement la longévité alors que celle-ci n’est pas affectée dans les mutants hsfa2.2. Des étudestranscriptomiques et biochimiques montrent que ABL et ABI5régulent de manière complexe la photosynthèse, la dégrada-tion de la chlorophylle et l’accumulation des oligosaccharide / Seed maturation is characterized by the acquisition ofthe various components that collectively constitute thephysiological quality or vigor of the seed: desiccation tolerance(DT, i.e. the capacity to survive complete drying), seedstorability or longevity (the capacity to remain alive duringstorage), dormancy, as well as fast and uniform germinationand seedling emergence under stressful conditions. Thesetraits are pivotal to ensure rapid and homogenous seedlingestablishment required for stable yield and are a majoreconomic challenge for the seed industry. Despite theiragronomic importance, the mechanisms regulating theiracquisition, including longevity, are still poorly understood. InMedicago truncatula, a gene co-expression network inferredthat transcription factors such asMtABL (ABA INSENSITIVE4-LIKE), MtABI5 (ABA INSENSITIVE5) and MtHSFA2.2 (HEATSHOCK FACTOR A2.2) are putative regulators of seedlongevity. The aim of this thesis was to characterize theirroles in Medicago truncatula and Pisum sativum using Tnt1insertion and EMS mutants. ABL and ABI5 are positiveregulators of longevity while defects in hsfa2.2 do not affectit. Transcriptomic and biochemical analyses show that ABLand ABI5 are involved in the regulation of photosynthesisassociated genes, chlorophyll loss and accumulation ofraffi nose family oligosaccharides (RFO). ABI5 is also involvedin the accumulation of stress proteins such as LEA proteins.By establishing a link between degreening, RFO contents andlongevity, our work offers new opportunities to tackle a

La symbiose légumineuse/rhizobium résulte en la formation d’un nouvel organe racinaire, le nodule, au sein duquel une induction coordonnée et massive de milliers de gènes a lieu. Plusieurs gènes contrôlant la méthylation de l’ADN sont régulés de façon spatiale au sein des nodules de Medicago truncatula, dont notamment un gène codant pour une déméthylase, DEMETER (DME), fortement exprimé dans la zone de différenciation. Ici, nous montrons que MtDME est essentiel pour le développement du nodule et qu’il régule l’expression de 1425 gènes, dont certains essentiels pour la différenciation des cellules de plantes et des bactéries. Une approche de séquençage bisulfite couplée à une capture génomique nous a permis d’identifier 474 régions qui sont différentiellement méthylées au cours du développement nodulaire, comportant notamment des gènes codant pour des peptides NCRs (Nodule-specific Cysteine-Rich). La diminution de l’expression de MtDME par ARN interférant mène à l’hyperméthylation et à la down-régulation de 400 gènes, la plupart d’entre eux étant associés à la différenciation du nodule. Une reprogrammation massive de l’expression génique via la déméthylation de l’ADN représente donc un nouveau mécanisme épigénétique qui contrôle une étape clé de l’organogenèse des nodules indéterminés durant l’interaction symbiotique. / The legume-Rhizobium symbiosis leads to the formation a new organ, the root nodule, involving coordinated and massive induction of specific genes. Several genes controlling DNA methylation are spatially regulated within the Medicago truncatula nodule, with notably a demethylase gene, DEMETER (DME), mostly expressed in the differentiation zone. Here, we show that MtDME is essential for nodule development and regulates the expression of 1425 genes, certain critical for plant and bacterial cell differentiation. Bisulphite sequencing coupled to genomic capture enabled the identification of 474 regions that are differentially methylated during nodule development, including notably Nodule-specific Cysteine-Rich peptide genes. Decreasing DME expression by RNA interference led to hypermethylation and concomitant downregulation of 400 genes, most of them associated with nodule differentiation. Massive reprogramming of gene expression through DNA de-methylation is a new epigenetic mechanism controlling a key stage of indeterminate nodule organogenesis during symbiotic interactions.

La verticilliose est une maladie vasculaire des plantes dont les symptômes typiques sont un flétrissement des parties aériennes, des feuilles chlorosées puis séchées, et dans les cas de maladie grave la mort de la plante. Au niveau des racines on observe une coloration brune du tissu conducteur. Cette maladie est causée par un champignon du sol du genre Verticillium. Les espèces majeures V. dahliae et V. albo-atrum sont responsables de pertes importantes de rendement sur de nombreuses cultures. Le champignon entre dans la racine par des blessures ou par des fissures au niveau de sites d’émergence de racines latérales, puis il avance vers le cylindre central et envahit les vaisseaux du xylème. Sa croissance reste pendant longtemps limitée aux vaisseaux qu’il colonise en avançant vers les parties aériennes de la plante. Aux stades tardifs, le champignon sort du cylindre central et colonise les autres tissus. En Europe, V. albo-atrum constitue l’une des principales causes de maladies chez la luzerne pérenne et est à l’origine de pertes économiques très importantes. La capacité de V. albo-atrum de survivre dans le sol ainsi que sa localisation protégée dans le cylindre centrale des plantes infectées en font un pathogène difficile à combattre, la lutte génétique par sélection de variétés tolérantes apparaissant comme une approche prometteuse. Cependant, la capacité des microorganismes pathogènes de s’adapter rapidement à des nouvelles plantes hôtes est une menace bien connue de la durabilité des variétés résistantes. Au laboratoire, des travaux ultérieurs ont établi que la plante modèle des légumineuses Medicago truncatula, une espèce sauvage proche de la luzerne cultivée, peut être utilisée pour étudier les mécanismes de résistance et sensibilité vis-à-vis de V. alboatrum. Une lignée résistant et une lignée sensible ont été identifiées et l’étude de la descendance d’un croisement entre ces deux lignées a permis d’identifier un locus majeur (Quantitative trait locus, QTL) contrôlant la résistance à une souche de V. albo-atrum isolée de la Luzerne (Ben et al., 2013 ; Negahi en 6e co-auteur). Ce travail a également montré qu’il existait une grande biodiversité au sein de l’espèce M. truncatula par rapport à la réponse à cette souche de V. albo-atrum. / Verticillium wilt, caused by Verticillium albo-atrum (Vaa) and Verticillium dahliae (Vd), is responsible for yield losses in many economically important crops. The capacity of pathogenic fungi to adapt to new hosts is a well-known threat to the durability of resistant crop varieties. Medicago truncatula is a good model for studying resistance and susceptibility to Verticillium wilt in legume plants. Phenotyping a population of inbred lines from a cross between resistant parent line A17 and susceptible parent F83005.5 contributed to the identification of a first QTL controlling resistance to an alfalfa strain of Vaa in M. truncatula. Then, 25 M. truncatula genotypes from a core collection and six Vaa and Vd strains were used to study the potential of non-host Verticillium strains isolated from different plant species to infect this legume plant, and the plant’s susceptibility to the pathogens. The experiment was arranged as factorial based on a randomized complete block design with three replications. The wilt symptoms caused by Vaa and Vd were scored on a disease index scale from 0 to 4, during 30 days after inoculation of ten day-old plantlets. Disease severity was quantified by the parameters Maximum Symptom Scores (MSS) and Areas Under the Disease Progress Curves (AUDPC). Highly significant differences were observed among plant genotypes and fungal strains, and their interaction was also significant. The correlation between MSS and AUDPC was 0.86 and highly significant. The most severe symptoms were caused by the alfalfa strain Vaa-V31-2 and the least severe by Vd-JR2, as shown by mean values obtained on the 25 genotypes. M. truncatula genotype TN8.3 was identified as the most susceptible genotype by mean values obtained with the 6 fungal strains, whereas F11013-3, F83005.9 and DZA45.6 were highly resistant to all strains studied. The results were used to choose parents for studying the genetics of resistance in M. truncatula to a nonalfalfa Verticillium strain. So, in the second part of this work, genotype A17 which was susceptible and genotype F83005.5 which was resistant to the potato strain Vaa-LPP0323 and recombinant inbred lines (RILs) from a cross between these genotypes were selected in order to study the genetic control of resistance to this strain of the pathogen. Our experimental design was a randomized complete blocks with 116 RILs and three replications. High genetic variability and transgressive segregation for resistance to Vaa-LPP0323 were observed among RILs. A total of four QTLs controlling resistance to Vaa-LPP0323 were detected for the parameters MSS and AUDPC. The phenotypic variance explained by each QTL (R2) was moderate, ranging from 3 to 21%. A negative sign of additive gene effects showed that favourable alleles for resistance come from the resistant parent.

La symbiose légumineuse-rhizobium a une importance majeure pour les écosystèmes terrestres puisqu'elle permet à la plante hôte de fixer l'azote atmosphérique. L'interaction initiale entre le poil absorbant de la plante hôte et son partenaire bactérien repose sur un dialogue moléculaire complexe. L'évènement de signalisation le plus précoce, détecté immédiatement après la perception des facteurs Nod bactériens, est un influx de Ca2+, accompagné d'une inhibition de la pompe à proton et d'un efflux de Cl- conduisant à une dépolarisation de la membrane plasmique. Cette dépolarisation provoque un efflux de K+ permettant le repolarisation de la membrane. L'objectif de ce travail a été d'identifier des acteurs moléculaires de cette signalisation électrique en utilisant Medicago truncatula comme légumineuse modèle. Dans un premier temps, nous avons identifié un répertoire de gènes candidats à partir de l'analyse du transcriptome du poil absorbant obtenu par RNA-Seq. Nous avons alors exprimé différents candidats (2 canaux anioniques, 1 canal cationique potentiel de la famille CNGC et 1 canal potassique) dans des ovocytes de xénope pour tester leur fonctionnalité (dans ce système) et préciser leurs propriétés de transport. Nous nous sommes alors focalisés sur l'analyse de la fonction in planta du gène codant le canal potassique (démontré comme étant de type rectifiant sortant) en précisant son patron d'expression par transgenèse et sa fonction par génétique inverse. L'absence d'expression fonctionnelle de ce gène se traduit par la disparition complète du courant potassique voltage-dépendant sortant des cellules de M. truncatula. Les premières analyses indiquent que cette perte de fonction n'inhibe pas la capacité de nodulation de la plante mais l'affecte significativement. Elle impacte également la régulation de l'ouverture stomatique de la plante mais n'a pas d'effet sur la translocation de K+ dans la sève xylémienne racinaire vers les parties aériennes. / The legume-rhizobium symbiosis is of crucial importance in terrestrial ecosystems because it allows the plant to assimilate atmospheric nitrogen. The establishment of the interaction between plant root hairs and their symbiotic bacterial partners relies on complex signaling mechanisms. The earliest detected event, immediately triggered by root hair perception of Nod-factors, is a Ca2+ influx, proton pump inhibition and efflux of Cl- resulting in depolarization of the cell membrane. This depolarization is followed by K+ efflux, allowing repolarization of the cell membrane. The general objective of this work is to identify the molecular mechanisms underlying this electrical signaling by using the legume model Medicago truncatula. In a first step, we identified candidate ion channels and transporters by analyzing the root hair transcriptome obtained by RNA-Seq. Then, several candidate genes (1 member from the CNGC channel family, 1 from the Shaker K+ channel family and 2 from the SLAC anion channel family) were expressed in Xenopus oocytes to check their activity in this heterologous system and determine their functional properties. Then, we focused on the gene encoding the Shaker channel, shown to mediate outwardly-rectifying voltage-gated K+ selective currents. We analyzed its expression pattern using a GUS construct and its function in planta by phenotyping a loss-of-function mutant pant. A first set of experiments has shown that the loss-of-function mutation does not suppress the plant nodulation capacity but significantly depresses it. It also affects the control of stomatal aperture upon water stress but let unchanged K+ secretion into the xylem sap in roots and translocation towards the shoots.

La mise en place des interactions symbiotiques, existant entre les Légumineuses et des microorganismes, sont des processus finement régulés, tant sur le plan moléculaire que cellulaire. Dans le cas de la symbiose avec des bactéries fixatrices d'azote, ou rhizobia, ces modifications se déroulent dans les poils racinaires. Plusieurs arguments tendent à montrer que la perception de contraintes mécaniques pourrait avoir un rôle dans la régulation de ces étapes. Par conséquent, nous nous sommes intéressés à une famille de protéines impliquées dans la mécanotransduction: les MSL (MscS-Like). Il s'agit de canaux capables de s'ouvrir en réponse à une tension mécanique appliquée sur la membrane plasmique. Nous avons exploré leurs fonctions dans les poils racinaires, lors de la mise en place de la symbiose entre la légumineuse modèle Medicago truncatula et des rhizobia. Des études in silico du génome de M. truncatula nous ont permis de définir la famille des MtMSL. Les analyses de l'expression de ces candidats ont montré que seuls deux d'entre eux sont transcrits dans les poils racinaires: MtMSL2.1 et MtMSL2.4, ce dernier étant majoritaire. Néanmoins, leur expression ne semble pas modifiée par un traitement aux facteurs Nod, molécules bactérienne induisant les premières étapes de la signalisation symbiotique. Parallèlement, des analyses en microscopie confocale, indiquent la présence de MtMSL2.4 à la membrane plasmique et dans des endomembranes. De plus, des mesures électrophysiologiques ont confirmé leur nature de canal à forte conductance activé par la tension de membrane. Enfin, plusieurs analyses phénotypiques ont été menées sur des mutants Mtmsl2.4, tant sur différents aspects de l'interaction avec les rhizobia, que sur la croissance racinaire ou celle des poils racinaires, pour laquelle une méthode de mesure semi-automatique a été développée. Cependant aucune différence avec les contrôles n'a pu être observée. Ces résultats laissent penser que le canal mécanosensible MtMSL2.4 aurait un rôle lors d'autres phénomènes qu'il serait intéressant de découvrir. / The first steps of symbiosis occurring between Legumes and microorganisms are highly regulated processes, both at the molecular level and at the cellular level. During symbiosis with nitrogen fixing bacteria, called rhizobia, these modifications occur in root hairs. Several arguments have shown that mechanical constraints may regulate these steps. Hence, the involvement of physical sensors during these early events is worth considering. We focused here on one of these sensor families, the MSL (MscS-Like). These proteins are channels able to open upon mechanical stretching. We look for their role during first steps of symbiosis between the model Legumes Medicago truncatula and rhizobia. In silico studies of M. truncatula's genome allowed us to define a MtMSL family. Transcript analyses showed that only two of them were expressed in root hairs: MtMSL2.1 and MtMSL2.4, the latter being the most expressed. However, this expression is not modified by Nod factor treatments; molecules produced by rhizobia that induces the first symbiotic signalization steps. In parallel, confocal microscopy analyses show plasma membrane and endomembrane localization of MtMSL2.4. Moreover, electrophysiological measurements confirmed that this candidate is a high conductance channel mechanically activated. Finally, we performed several phenotypical studies with Mtmsl2.4 mutants in different conditions. No differences were observed between the mutants and WT during rhizobia symbiotic interaction and root growth. There were also no differences observed in root hair development, for which a partly automatic measurement system was set up. These results suggest MtMSL2.4 may have a role in other phenomena, which could be interesting to understand further.

L’architecture du système racinaire des légumineuses est déterminée par la croissance des racines et leur capacité à former des racines latérales et des nodosités symbiotiques fixatrices d’azote en fonction des conditions environnementales. Chez la légumineuse modèle Medicago truncatula, nous avons mis en évidence que les phytohormones gibbérellines (GAs) et leur voie de signalisation – médiée par trois protéines MtDELLAs présentant des profils d’expression redondants – jouent un rôle clé dans la régulation du développement du système racinaire. En conditions non-symbiotiques, les GAs régulent négativement la croissance racinaire en réprimant l’activité méristématique et l’élongation cellulaire, et inhibent la formation des racines latérales. En conditions symbiotiques, le rôle des GAs et de leur voie de signalisation est double : au niveau de l’épiderme, les protéines MtDELLAs régulent positivement l’infection par les bactéries symbiotiques Rhizobia en interagissant de façon directe avec la voie de signalisation des facteurs Nod bactériens. Au niveau du cortex, les GAs régulent négativement l’organogénèse des nodosités. Les phytohormones cytokinines (CKs) et leur récepteur MtCRE1 étant essentiels pour initier la nodulation, l’interaction entre les voies de signalisation GA et CK a été analysée en parallèle. Les CKs régulent le niveau de GAs bioactives en modulant l’expression des gènes de leur métabolisme de manière dépendante du récepteur aux CKs MtCRE1. Réciproquement, les GAs régulent les gènes du métabolisme CK et le niveau de CKs bioactives de manière dépendante des MtDELLAs. Par ailleurs, une forme activée de MtDELLA complémente partiellement le phénotype de nodulation du mutant cre1 et lie le promoteur de MtCRE1, indiquant que les voies de signalisation GA et CK régulent la nodulation en étroite association. / Legume root system architecture is determined by both root growth and their ability to form lateral roots and nitrogen-fixing symbiotic nodules, depending on environmental soil conditions. In the model legume Medicago truncatula, we have shown that the phytohormones gibberellins (GAs) and their signaling – involving three MtDELLA proteins with redundant expression patterns – play a crucial role in the regulation of the root system development. In non-symbiotic conditions, GAs negatively regulate root growth through the repression of meristematic activity and cell elongation, and inhibit lateral root formation. In symbiotic conditions, GA and their signaling pathway play a dual role: in the root epidermis, MtDELLA proteins positively regulate infection by symbiotic bacteria Rhizobia, by directly interacting with the bacterial Nod factor signaling pathway. In the root cortex, GAs negatively regulate nodule organogenesis. The phytohormones cytokinins (CKs) and their receptor MtCRE1 being essential for the initiation of nodulation, we additionally analyzed the crosstalk between GA and CK signaling. CKs regulate the bioactive GA pool, controlling the expression of GA-metabolic genes, depending on the MtCRE1 receptor. In turn, GAs regulate CK-metabolic genes and the bioactive CK pool, depending on MtDELLAs. In addition, a dominant version of a MtDELLA partially complements the nodulation phenotype of the cre1 mutant and binds to the MtCRE1 promoter. These results indicate that GA and CK signaling pathways closely interact to regulate nodulation.

Research into the mechanism of symbiotic nitrogen fixation between legumes and rhizobia involves a complex interaction between the organisms, and many genes involved in this remain either uncharacterized or undiscovered. Using forward genetics, mutant plant lines are screened to find new genes without reliance on software-based gene prediction. A large population of Tnt1-mutagenized Medicago truncatula lines is used for this purpose. Herein, the aid of tools like whole genome sequencing (WGS) in this process is explored so that new methods and tools are elucidated. The use of WGS data allows for rapid prediction of all insertions in the genome and has been shown to predict insertion locations that were missed by the TAIL-PCR-based Tnt1 mutant database already in existence. This WGS strategy has been successfully used to find the causal mutations in multiple plant lines. Two WGS strategies are used to analyze insertions in nine sequenced lines and compared with each other and the existing Tnt1 mutant database. It appears that using either WGS method will yield similar results, but the TAIL-PCR-based predictions have much less overlap. The use of the latest R108 genome appears to decrease the degree of disagreement between the methods, while the correlation in the A17 genome update is less clear. There is also a demonstration of the use of other tools in addition to the WGS prediction output. Combining transcription data from previous experiments with the predicted insertions allowed for the creation of more holistic tables, which could better assist in screening the predictions made for the most likely candidate by highlighting those with expression profiles consistent with the observed mutation phenotype. Each of these tools and methods has been shown to be effective in screening Tnt1-mutagenized M. truncatula lines to find novel genes. Without further experimental data, determining the most accurate method is not possible. The best practice may be to use multiple methods and align them in comparison tables, leveraging all the predictive power of each of the methods into a single table.

Les légumineuses sont capables de s’associer en symbiose avec des bactéries du sol Rhizobium. Cette interaction culmine par la formation d’un nouvel organe racinaire appelé nodule, à l’intérieur duquel les bactéries différentiées fixent l’azote atmosphérique sous une forme assimilable par la plante hôte. La mise en place de cette association repose sur un dialogue moléculaire entre les deux partenaires, faisant intervenir des signaux bactériens lipo-chitooligosaccharidiques appelés Facteurs Nod (FNods). Chez la légumineuse modèle Medicago truncatula, la perception de ces signaux symbiotiques au niveau de l’épiderme racinaire, initie une voie de signalisation qui conduit à des oscillations calciques nécessaires pour l`activation de gènes de la plante hôte, tel le gène marqueur ENOD11. Il a été montré que les facteurs de transcription ERF ERN1/ERN2, étroitement apparentés, agissent comme des activateurs directs de la transcription d’ENOD11, via leur liaison à la séquence cis régulatrice NFbox. Le mutant ern1 est de manière cohérente requis pour l’activation d’ENOD11 en réponse aux FNods mais également au cours des étapes suivantes d’infection et de développement nodulaire. Cependant, ce mutant présente un phénotype symbiotique partiel soulevant la question d’une redondance fonctionnelle, qui pourrait être attribuée à la présence du facteur ERN2, étroitement apparenté. Ainsi, au cours de ma thèse, j’ai étudié la relation fonctionnelle entre les facteurs ERN1/ERN2 par de approches diverses visant à déterminer leur expression et fonctions relatives au cours de la symbiose rhizobienne. Mon travail de thèse a dans tout d’abord porté sur l’étude des profils d’expression spatio-temporels de gènes ERN au cours de la symbiose rhizobienne, corroborée par la dynamique de localisation cellulaire des protéines de fusions ERN. Ces facteurs sont exprimés de manière séquentielle mais aussi conjointe aux cours de la signalisation FNods et l’infection rhizobienne. Par la suite, des expériences de complémentation croisée, dans le fond mutant ern1, ont montré qu’ERN2 peut remplacer ERN1 pour l’induction d’ENOD11 en réponse aux FNods et pour la formation de nodules, dès lors qu’il est exprimé sous le contrôle du promoteur d’ERN1. Ceci indique que ces facteurs ont des activités biologiques similaires et suggère que l’absence de complémentation d’ern1 par le facteur endogène ERN2 est probablement liée à une régulation transcriptionnelle différentielle de la part de leurs promoteurs. Enfin, nous avons initié la caractérisation phénotypique de nouvelles lignées mutées au niveau du gène ERN2, dans le but d’identifier les fonctions spécifiques de ce facteur au cours de la nodulation. A travers l’analyse d’une lignée Tilling (ern2.1) présentant une mutation ponctuelle dans le domaine de liaison à l’ADN, nous avons mis en évidence un rôle d’ERN2 dans la progression des cordons d’infection au niveau du cortex racinaire. Des études moléculaires ont permis de montrer que l’acide aminé muté est un résidu conservé et important pour la topologie du domaine de liaison à l’ADN, mais également pour l’activité transcriptionnelle d’ERN2 sur ENOD11. Contrairement à ern1, le mutants ern2.1 et ern2.2 (mutant d’insertion) sont capables de former des nodules. Néanmoins, l’infection nodulaire apparait dans les deux cas parfois défectueuse, conduisant à une sénescence précoce. Ces résultats démontrent qu’ERN2 remplit aussi des rôles spécifiques au cours de la nodulation, qui ne sont pas entièrement complémentés par ERN1. Il semblerait donc que les facteurs ERN contrôlent des étapes communes et divergentes de l‘infection rhizobienne, ERN1 ayant un rôle prépondérant dans l`initiation et progression de l’infection tandis qu’ERN2 aurait un rôle secondaire, plus centré dans la progression des cordons. La lignée double mutant ern1ern2.1, ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude de la redondance fonctionnelle entre ces deux facteurs au cours des symbioses racinaires / Legumes are able to associate in symbiosis with Rhizobia bacteria in the soil, which culminates in the formation of a new organ referred to as the root nodule, within which differentiated bacteria fix nitrogen to the benefit of the host plant. The establishment of this association relies on a molecular dialogue between the two partners, involving bacterial lipo-chitooligosaccharide signals called Nod factors (NF). In the model legume Medicago truncatula, the perception of these symbiotic signals in the root epidermis, initiates a signaling pathway that leads to calcium oscillation responses required for the activation of downstream genes such as the well-characterized ENOD11. Previously, ERN1 and the closely-related ERN2 transcription factors (TFs) were reported as direct activators of ENOD11 via binding to the NFbox regulatory unit. In addition, phenotypic analysis of the ern1 knockout mutant has confirmed the importance of ERN1 not only during NF signaling but also throughout subsequent infection and nodule development stages. Nevertheless, the ern1 mutant displays a less severe phenotype compared to plants mutated in other NF signaling genes, raising the question of a possible functional redundancy with the endogenous closely-related ERN2 factor. My PhD project was focused on the study of the functional relationship between ERN1 and ERN2 TFs. By using a variety of strategies we aimed at determining both ERN expression profiles and relative functions during nodulation. We first examined the spatio-temporal expression profiles of these genes during rhizobial symbiosis and correlated this with the dynamics of cellular localization of ERN fusion proteins. These analyses revealed that these factors possess both common and distinct expression profiles, correlated with cell-type specific and dynamic in vivo protein accumulation, tightly associated with rhizobial pre-infection and subsequent infection stages in M. truncatula. Further cross-complementation studies in the ern1 mutant background showed that, when ERN2 is expressed under the control of the ERN1 promoter, it can fully restore the ern1 phenotype regarding NF-elicited ENOD11 activation and nodule formation. This indicates that these factors have similar biological activities and suggests that the incapacity of endogenous ERN2 to complement the ern1 mutant is mainly due to differences in their promoter activities. Finally, we also initiated a phenotypic characterization of M. truncatula ern2 mutant lines, in order to get a better insight into ERN2 specific functions during nodulation. The phenotypic analysis of a Tilling line (ern2.1) carrying a point mutation in a conserved amino acid in the ERN2 DNA binding domain, revealed a role for ERN2 during infection thread progression in the root cortex. Further molecular studies demonstrated that this mutated amino acid in the Tilling line is conserved and required for optimal DNA binding domain topology and transcriptional activity of ERN2 on its target ENOD11 gene. In addition, the ern2.1 line and a second ern2.2 insertional mutant line are both capable of forming nodules, in contrast to the ern1 mutant. Nevertheless, these nodules are partly infection defective leading to premature senescence. These findings provide evidence that ERN2 possesses specialized functions during nodulation that cannot be fully complemented by ERN1. This suggests that ERN possess common and divergent functions, ERN1 having a predominant role in rhizobial infection initiation and progression while ERN2 having a secondary and more centered role during infection thread progression. The ern1ern2.1 double mutant line, recently generated during my PhD, opens new perspectives to further study the functional relationship between ERN TFs during root endosymbioses.

Parmi les contraintes abiotiques la salinité est considérée comme un problème majeur, qui affecte le fonctionnement des plantes, en particulier leur croissance et leur rendement. Afin d’étudier le contrôle génétique de la tolérance à la salinité chez Medicago truncatula, plante modèle de la famille des légumineuses, deux expérimentations ont été réalisées. La première expérimentation visait à étudier l’effet de la contrainte saline sur différents paramètres morpho-physiologiques pour un panel de génotypes de M. truncatula afin de déterminer les traits de phénotypage pour la tolérance à la salinité. Les génotypes A17, TN1.11, DZA315.16, A20, TN1.12 et F83005.5 ont été sélectionnés parmi des lignées originaires de différents pays méditerranéens, qui ont été déjà séquencées (http://www1.montpellierinra.fr/BRC-MTR/mauguio/mauguio.php). Les génotypes ont été étudiés sous 6 traitements salins (0, 30, 60, 90,120 et 150 mM NaCl) dans un essai factoriel sous forme de blocs complets aléatoires en trois répétitions. L’analyse de la variance montre des différences significatives entre les niveaux de salinité et une interaction entre les génotypes et les traitements salins concernant la plupart des caractères étudiés. Le génotype « DZA315.16 » présente les valeurs les plus importantes concernant les effets principaux pour les caractères morphologiques alors que « TN1.11 » présente les valeurs les plus faibles. La projection verticale de la surface foliaire de la plante (Leaf Area=LA), significativement corrélée à la biomasse des plantes, apparaît comme un trait d’intérêt pour le phénotypage de la tolérance à la salinité. La concentration saline la mieux adaptée pour démontrer les différences parmi les lignes étudiées se situe entre 90 et 120 mM NaCl. Le génotype « TN1.11 » contrairement à « DZA315.16 » et à « Jemalong-A17 » présente un maintien de la surface foliaire de la plante en réponse à la salinité. Pour la deuxième expérimentation, une population de cent lignées recombinantes (Recombinant Inbred Lines=RILs) produite par le croisement entre « TN1.11 » et « Jemalong-A17 » a été retenue pour l’analyse du contrôle génétique de la tolérance à la salinité. Les RILs ont été développés par la méthode de descendant mono graines (Single Seed descent= SSD) jusqu’ à la génération F6 à l’INP-ENSAT, France. Le plan d’experimentation est « Spli plots » , sous forme de blocs randomisés avec trois répétitions et deux conditions : traitement salin (100 mM NaCl) et témoin (eau). L’expérience a été menée pour déterminer la variabilité génétique et pour identifier les QTLs contrôlant les caractères morphologiques et physiologiques chez la population des lignées recombinantes (RILs). L’analyse de la variance a montré une large variation génétique et une ségrégation transgressive pour les caractères étudiés. La différence entre la moyenne des RILs et la moyenne de leurs parents n’est pas significative concernant tous les caractères étudiés dans les deux conditions, ce qui montre que les RILs utilisées dans notre expérimentation sont représentatives de toutes les lignées recombinantes possibles du croisement « TN1.11 x Jemalong-A17 ». 21 QTLs ont été détectés dans la condition témoin et 19 QTLs ont été identifiés sous contrainte saline (100 mM NaCl). Le pourcentage de la variance phénotypique expliqué par les QTLs varie entre 4.60% et 23.01%. Certains de ces QTLs sont spécifiques à la condition saline, ce qui démontre l’existence du contrôle génétique de la tolérance à la salinité chez M. truncatula ; tandis que les autres ne sont pas spécifiques et contrôlent un même caractère dans les deux conditions. Des QTLs superposés concernant différents caractères ont été aussi observés. Les résultats fournissent des informations importantes en vue de futures analyses fonctionnelles de la tolérance à la salinité chez M.truncatula et pour d’autres espèces voisines. / Among abiotic stresses salinity is considered as a serious problem affecting plant functions especially growth and yield. In order to study the genetic control of salt stress in the model legume Medicago truncatula, two experiments were performed. The first experiment was conducted to study the effect of salt stress on some morpho-physiological parameters in M. truncatula genotypes and to determine the eventual use of some traits as tolerance criteria. Genotypes including A17, TN1.11, DZA315.16, A20, TN1.12 and F83005.5 are selected through a sequenced lines collection (http://www1.montpellierinra.fr/BRC-MTR/mauguio/mauguio.php) which are originated from different Mediterranean countries. Genotypes were studied under 6 salinity treatments (0, 30, 60, 90,120 and 150 mM NaCl) in a factorial design based on randomized complete blocks with three replications. Analysis of variance show significant differences among genotypes, salinity levels and interaction between genotypes and salt treatments for most of studied traits. “DZA315.16” genotype presents the highest main effect values for morphological traits whereas”TN1.11” has low values. Vertically projected leaf area (LA); show the highest variability through all studied salt concentrations. The best concentration to find differences between parental lines is 90 to 120 mM Nacl. A segregating population of recombinant inbred lines (100 RILs) of M.truncatula derived from a cross between TN1.11 and Jemalong-A17 was used for the second experiment. RILs were developed by single-seed descent until F6 generation at the INP-ENSAT, France. The experiment was undertaken to determine the genetic variability and to identify QTLs controlling several traits related to plant growth and physiology, in the population of recombinant inbred lines (RILs). Analyses of variance showed a large genetic variation and transgressive segregation for the traits studied. The difference between the mean of RILs and the mean of their parents was not significant for all of the traits in both conditions, showing that the RILs used in our experiment are representative of the possible recombinant lines from the cross TN1.11 x A17. A total of 21 QTLs were detected under control and 19 QTLs were identified under 100mM salt stress conditions. The percentage of total phenotypic variance explained by the QTLs ranged from 4.60% to 23.01%. Some of the QTLs were specific for one condition, demonstrating that the genetic control of a traits differed under control and salt stress conditions. Some others are non-specific and control a trait in both conditions. Overlapping QTLs for different traits were also observed. The results provide important information for further functional analysis of salt tolerance in M. truncatula

Les Légumineuses ont développé une interaction symbiotique avec des bactéries du sol, les rhizobia, qui fixent l’azote atmosphérique et le transfèrent à la plante sous forme assimilable.Cette interaction a lieu, au sein des nodosités, des organes racinaires où les bactéries intracellulaires se différencient en bactéroïdes. Chez Medicago truncatula, ces bactéroïdes correspondent à un stade de différentiation terminale corrélée à une endoréplication de leur génome, une augmentation de la taille des cellules, une modification des membranes et une faible capacité à se propager. Cette différentiation est induite par des facteurs de la plante appelés NCR (Nodule-specific Cysteine Rich). Les peptides NCRs ressemblent à des défensines, des peptides antimicrobiens ayant une activité antimicrobienne in vitro, tuant des bactéries. Ainsi, un élément clef dans la différenciation des bactéroïdes est la protéine bactérienne BacA, un transporteur membranaire qui confère une résistance contre l’activité antimicrobienne des peptides. Dans le cadre de ce travail de thèse, j’ai montré que l'expression des NCR est soumise à une régulation stricte et qu’ils sont activés dans trois vagues dans les cellules symbiotiques polyploïdes.Les mécanismes de contrôle par la plante sur les rhizobia intracellulaires demeurent à ce jourpeu connus et le seul modèle étudié, au début de ce travail de thèse, restait l'interaction entre M. truncatula et S. meliloti. Je me suis donc intéressée à la symbiose de certaines Légumineuses tropicales du genre Aeschynomene appartenant au clade des Dalbergoïdes où jemontre qu’ils utilisent une classe différente de peptides riches en cystéine (NCR-like) pour induire la différenciation des bactéroïdes. Ce mécanisme est analogue à celui décrit précédemment chez Medicago qui était jusqu'à présent supposé être limitée aux légumineuses appartenant au clade des IRLC. J’ai également montré que Bradyrhizobium, symbionte d’Aeschynomene possèdent un transporteur de type ABC homologues à BacA de Sinorhizobium nommé BclA. Ce gène permet l'importation d'une variété de peptides comprenant des peptides NCR. En l'absence de ce transporteur, les rhizobiums sont incapables de se différencier et de fixer l'azote.Cette étude a permis d'élargir nos connaissances sur l'évolution de la symbiose en montrant qu’au cours de l’évolution, deux clades de Légumineuses relativement éloignés (IRLC et Dalbergoïdes) aient convergé vers l’utilisation de peptides de l’immunité innée afin de contrôler leur symbionte bactérien et d’en tirer un bénéfice maximal au cours de l’interaction symbiotique. / The ability of legumes to acquire sufficient nitrogen from the symbiosis with Rhizobium relies on the intimate contact between the endosymbiotic, intracellular rhizobia, called bacteroids, and their host cells, the symbiotic nodule cells. A well-studied example is the symbiotic nitrogen fixing bacterium Sinorhizobium meliloti, which nodulates the legume Medicago truncatula. Nodules of M. truncatula produce an enormous diversity of peptides called NCRs which are similar to antimicrobial peptides (AMPs) of innate immune systems. These NCRs are involved in maintaining the homeostasis between the host cells in the nodules and the large bacterial population they contain. Although many NCRs are genuine AMPs which kill microbes in vitro, in nodule cells they do not kill the bacteria but induce them into the terminally differentiated bacteroid state involving cell elongation, genome amplification, membrane fragilization and loss of cell division capacity. Protection against the antimicrobial action of NCRs by the bacterial BacA protein is critical for bacteroid survival in the symbiotic cells and thus for symbiosis. As a part of my PhD thesis, I have shown that the differentiation of the symbiotic cells in M. truncatula is associated with a tremendous transcriptional reprogramming involving hundreds of genes, mainly NCR genes, which are only expressed in these cells. Although the extensive work on the model M. truncatula/S. meliloti, little is known how the plant controls its intracellular population and imposes its differentiation into a functional form, the bacteroids in other symbiotic systems.In my PhD work, I provide several independent pieces of evidence to show that tropical legumes of the Aeschynomene genus which belong to the Dalbergoid legume clade use a different class of cysteine rich peptides (NCR-like) to govern bacteroid differentiation. This mechanism is similar to the one previously described in Medicago which was up to now assumed to be restricted to the advanced IRLC legume clade, to which it belongs. I have also shown that the Bradyrhizobium symbionts of Aeschynomene legumes possess a multidrug transporter, named BclA, which mediates the import of a diversity of peptides including NCR peptides. In the absence of this transporter, the rhizobia do not differentiate and do not fix nitrogen. BclA has a transmembrane domain of the same family as the transmembrane domain of the BacA transporter of Rhizobium and Sinorhizobium species which is known to be required in these rhizobia to respond to the NCR peptides of IRLC legumes. Again this is a mechanism which is analogous to the one described in S. meliloti the symbiont of Medicago.This study broaden our knowledge on the evolution of symbiosis by showing that the modus operandi involving peptides derived from innate immunity used by some legumes to keep their intracellular bacterial population under control is more widespread and ancient than previously thought and has been invented by evolution several times.