In response to compatible rhizobia, leguminous plants develop unique plant organs, root nodules, in which rhizobia fix nitrogen into ammonia. During nodule invasion, the rhizobia gain access to newly divided cells, the nodule primordia, in the root inner cortex through plant-derived cellulose tubes called infection threads. Infection threads begin in curled root hairs and bring rhizobia into the root crossing several cell layers in the process. Ultimately the rhizobia are deposited within nodule primordium cells through a process resembling endocytosis. Plant host mechanisms underlying the formation and regulation of the invasion process are not understood. To identify and clone plant genes required for nodule invasion, recent efforts have focused on Medicago truncatula. In a collaborative effort the nodulation defect in the lin (lumpy infections) mutant was characterized. From an EMS-mutagenized population of M. truncatula, two non-allelic mutants nip (numerous infections with polyphenolics) and sli (sluggish infections) were identified with defects in nodule invasion. Infection threads were found to proliferate abnormally in the nip mutant nodules with only very rare deposition of rhizobia within plant host cells. nip nodules were found to accumulate polyphenolic compounds, indicative of a host defense response. Interestingly, nip was also found to have defective lateral root elongation suggesting that NIP has a role in both nodule and lateral root development. NIP was found to map at the upper arm of chromosome 1. In sli, infection threads were observed to bring rhizobia from infection threads to newly divided nodule primordium cells in the roots inner cortex. Polyphenolic accumulation in sli nodule/bumps was found. Lateral roots in sli were found to be clustered at the top of the root, indicating that sli like nip may be defective in lateral root development.

Nous présentons l’étude de l’interaction entre la bactérie pathogène racinaire Ralstonia solanacearum et la légumineuse modèle Medicago truncatula. Un pathosystème avec les lignées A17 et F83005.5, respectivement sensible et résistante à la souche GMI1000, a été mis en place avec une procédure d’inoculation sur racines intactes. Ce dispositif expérimental nous a permis de suivre le processus infectieux, de la pénétration de la bactérie par l’extrémité racinaire au développement des symptômes foliaires. L’analyse des étapes précoces de l’interaction a permis de décrire l’apparition de symptômes racinaires qui se mettent en place rapidement après l’infection, que les lignées soient résistantes ou sensibles à la bactérie. Un arrêt de croissance de la racine s'observe dès 24 heures post-inoculation, ainsi qu’une mortalité de l’épiderme de l’extrémité racinaire. Ces phénotypes sont notés suite à des inoculations avec de faibles concentrations bactériennes, et ce sur plusieurs espèces hôtes ou non-hôtes testées. La mise en place des symptômes racinaires est dépendante de l’appareil de sécrétion de type III. Un crible de mutants d’effecteurs de type III de la souche GMI1000, basé sur l’apparition des symptômes racinaires, a permis de montrer que des pools différents d’effecteurs interviennent chez A17 et F83005.5. Chez la lignée sensible A17, deux effecteurs sont principalement impliqués, Gala7 et AvrA. L’étude de la colonisation de cette lignée a montré que le mutant gala7 ne pénètre pas la plante et n’induit pas de symptômes de flétrissement. Le mutant avrA s’est révélé capable d’induire la maladie chez la lignée A17 mais de manière nettement réduite par rapport à la souche sauvage. L’analyse des extrémités racinaires des lignées sensible et résistante infectées par la souche GMI1000 a révélé qu’au niveau des parois de l’endoderme, la présence de lignine est induite de manière plus précoce chez la lignée résistante. Des phénomènes de division cellulaire ont été identifiés autour du cylindre central et semblent également liés à une restriction de la propagation bactérienne. Au niveau du contenu cellulaire, une autofluorescence et une production de ROS semblent liés à une phase nécrotrophe de la bactérie lors de sa propagation dans la zone corticale de l’extrémité racinaire. L’étude de la colonisation bactérienne en s’affranchissant de l’étape de pénétration a révélé que des mécanismes de résistances peuvent intervenir au niveau de collet chez la lignée F83005.5 et lors de la colonisation racinaire des vaisseaux conducteurs suite à une inoculation avec le mutant gala7 / Manquant

Leguminous plants are able to fix nitrogen by establishing a symbiotic relationship with soil dwelling bacteria, called rhizobia. The model plant Medicago truncatula forms a partnership with Sinorhizobium meliloti whereby the plant gains bioavailable nitrogen and in exchange the bacteria gains carbohydrates. This process occurs within nodules, which are structures produced on the roots of the plants within which nitrogen is fixed. M. truncatula incomplete root elongation (MtIRE) was localized to the infection zone, which is zone II of indeterminate nodules. It was shown to encode a signaling kinase so it was anticipated to play a role in nodulation. Mutants of MtIRE in the R108 background, mutagenized with the Tnt1 retrotransposon, were obtained from reverse screen, and were assessed to determine if a disrupted MtIRE gene was the cause of nitrogen fixation defective nodules. Mutant line NF1320, having a mutant phenotype, showed typical Mendelian segregation of 3:1 when backcrossed to R108. Experimental results show that MtIRE gene is not the cause of the mutant phenotype, but was linked to the causative locus. MtIRE co-segregated with the mutant phenotype 83%. Southern blot and the first version of the M. truncatula genome (version 3.5) reported a single MtIRE gene and this was shown to be on chromosome 5 but the latest version of the M. truncatula genome (version 4.0) showed a second copy of the gene on chromosome 4. The genome sequence is based on the A17 reference genome. Both genes are 99% identical. Genetic markers that originate from flanking sequence tags (FSTs) on both chromosome 4 and 5 were tested in an attempt to find an FST that co-segregated with the mutant phenotype 100%. An FST derived from a Tnt1 insertion in Medtr4g060930 (24F) co-segregated with the mutant phenotype closely, with 76% co-segregation. Medtr4g060930 (24F) is on chromosome 4, making it likely that the Tnt1 inserted in the MtIRE gene is also on chromosome 4, and thus the defective gene is on chromosome 4.

In this dissertation I am using M. truncatula as a model legume that forms indeterminate nodules with rhizobia under limited nitrogen conditions. I take advantage of an M. truncatula Tnt1 mutant population that provides a useful resource to uncover and characterize novel genes. Here, I focused on several objectives. First, I carried out forward and reverse genetic screening of M. truncatula Tnt1 mutant populations to uncover novel genes involved in symbiotic nitrogen fixation. Second, I focused on reverse genetic screening of two genes, identified as encoding blue copper proteins, and characterization of their mutants' potential phenotypes. Third, I further characterized a nodule essential gene, M. truncatula vacuolar iron transporter like 8 (MtVTL8), which encodes a nodule specific iron transporter. I characterized the expression pattern, expression localization and function of MtVTL8. Additionally, I characterized several residues predicted to be essential to function using a model based on the known crystal structure of Eucalyptus grandis vacuolar iron transporter 1 (EgVIT1), a homologous protein to MtVTL8. I identified several potential essential residues of the MtVTL8 protein, mutagenized them, and through complementation experiments in planta and in yeast assessed functionality of the resulting protein. This helped us to better understand the potential mechanism by which MtVTL8 functions.

Des études de l'interaction de la plante modèle des légumineuses Medicago truncatula avec des microorganismes pathogènes et symbiotiques ont été réalisées. Tout d'abord un pathosystème fongique a été caractérisé: M. truncatula en interaction avec Fusarium oxysporum spp., champignon responsable des fusarioses, soit du flétrissement vasculaire ou de la pourriture racinaire chez de nombreuses plantes cultivées. Deux lignées de M. truncatula: A17 et F83005.5 ont été identifiées comme sensible et tolérante respectivement à F. oxysporum f.sp. medicaginis, la forma specialis attribuée à la luzerne. De plus 9 souches de F. oxysporum isolées de différentes plantes hôtes et une souche non pathogène du sol ont été testées dans des expériences d'inoculation avec ces deux lignées. Elles ont toutes été capables d'induire les symptômes de la maladie chez M. truncatula. A l'aide d'une souche de F. oxysporum f.sp. medicaginis exprimant le gène rapporteur GFP, les étapes de colonisation de la racine par le champignon ont été caractérisées. Les observations en microscopie à fluorescence et microscopie confocale des racines d'A17 et F83005.5 ont indiqué un patron de colonisation inhabituel et ont montré que la tolérance de F83005.5 n'était pas corrélée à un mécanisme d'exclusion du cylindre central. Cependant, des différences dans l'expression de gènes de défense ont été détectées entre les deux lignées. Dans la deuxième partie, le rôle de l'acide salicylique a été étudié. Les résultats d'expériences avec l'acide salicylique exogène ont indiqué que le prétraitement de racines avec ce composé pouvait conférer une protection aux plantes vis-à-vis de F. oxysporum f.sp. medicaginis et la bactérie phytopathogène Ralstonia solanacearum. Avec l'objectif d'étudier le rôle de l'acide salicylique endogène dans les interactions avec les microorganismes, la transformation génétique de M. truncatula avec le gène NahG codant le salicylate hydroxylase a été entreprise. Cette enzyme dégrade l'acide salicylique en catechol. Seulement la lignée 2HA a pu être transformée et régénérée en plantes transgéniques. Ces plantes 2HA-NahG ont été inoculées avec des microorganismes pathogènes (R. solanacearum, Verticillium albo-atrum, F. oxysporum f. sp. medicaginis Colletotrichum trifolii et C. higginsianum) ainsi qu'avec le champignon endomycorhizien Glomus intraradices. Les limitations expérimentales n'ont pas permis de conclure définitivement, mais indiquent qu'il est possible que la signalisation par l'acide salicylique ne soit pas impliquée dans les défenses de M. truncatula face à ces microorganismes pathogènes et symbiotiques. / A study on the interactions of the plant model legume Medicago truncatula (M.t.) with pathogens and symbiotic microorganisms was undertaken. First, a fungal pathosystem was characterized: M. truncatula in interaction with Fusarium oxysporum spp., the causal agent of Fusariosis, of Fusarium wilt and of root rot in many crop plants. Two M. truncatula lines, A17 and F83005.5, were identified as susceptible and tolerant respectively to F. oxysporum f.sp. medicaginis, the forma specialis related to alfalfa. Besides, 9 strains of F. oxysporum isolated from different host plants and a non-pathogenic soil-borne strain were tested in inoculation experiments with both lines. All the strains were able to trigger disease symptoms in M. truncatula. Using the F. oxysporum f.sp. medicaginis strain transformed with the GFP reporter gene, the stages of the root colonization by the fungi were characterized. Fluorescence and confocal microscopy observations on A17 and F83005.5 roots showed an unusual pattern of colonization and showed that the F83005.5 tolerance was not related to an exclusion mechanism in the central cylinder. However, differences on defence gene expression were detected in both lines. In the second part, the role of salicylic acid was studied. Results of experiments with exogenous salicylic acid indicated that prior treatment of roots with this compound may confer a protection towards F. oxysporum f. sp. medicaginis and the phytopathogenic bacterium Ralstonia solanacearum. With the goal to study the role of endogenous salicylic acid, the genetic transformation of M. truncatula with the NahG gene was initiated. This gene codes for a salicylate hydroxylase which degrades salicylic acid to catechol. Only the highly embryogenic 2HA line could be transformed and regenerated into transgenic plants. These 2HA plants were inoculated with pathogenic microorganisms (Ralstonia solanacearum, Verticillium albo-atrum, Fusarium oxysporum f.sp. medicaginis Colletotrichum trifolii and C. higginsianum) as well as the mycorrhiza fungus Glomus intraradices. Experimental limitations did not allow us to conclude definitely, but it seems possible that the salicylic acid signaling way may not be implicated in the defence of M. truncatula against these pathogenic and symbiotic microorganisms

Les communautés microbiennes du sol peuvent améliorer la croissance de la plante en augmentant la disponibilité en nutriments du sol, favorisant ainsi leur prélèvement par la plante. Dans le contexte d’une production agricole à bas niveau d’intrants, la nutrition de la plante est susceptible de reposer de plus en plus sur les interactions plante-communautés microbiennes de la rhizosphère, qui peuvent être modulées par le génotype de la plante. Pourtant, très peu d’études se sont intéressées aux modifications des communautés microbiennes de la rhizosphère dans leur globalité et ce en relation avec à la fois le génotype et le phénotype de la plante. Ces travaux de thèse ont été consacrés à étudier l’effet du génotype de la plante sur la structure génétique des communautés microbiennes de la rhizosphère en relation avec les stratégies nutritionnelles de la plante.L’interaction plante-communautés microbiennes de la rhizosphère a été évaluée par une approche multidisciplinaire alliant écophysiologie et écologie microbienne. L’effet du génotype de la plante sur la structure génétique des communautés microbiennes de la rhizosphère qui lui sont associées a été analysé par DNA fingerprint. Les différentes stratégies nutritionnelles de la plante ont été analysées par une approche de type structure/fonction prenant en compte la mise en place des structures (feuilles, racines) et leur fonctionnement (photosynthèse, rhizodéposition, prélèvement spécifique d’azote).Dans une première expérimentation réalisée sur sept génotypes de Medicago truncatula, nous avons montré qu’à un stade précoce du développement de la plante, le génotype de Medicago truncatula affectait la structure génétique des communautés bactériennes du sol. En revanche, à ce stade précoce, peu de différences de croissance ont été observées entre les différents génotypes étudiés. Ces derniers ont par contre présenté des stratégies nutritionnelles contrastées. Les descripteurs fonctionnels sont donc plus efficaces que les descripteurs structurels pour discriminer les génotypes de plantes à un stade précoce du développement de la plante. De plus, nous avons montré un lien entre les stratégies nutritionnelles de la plante et la sélection des communautés bactériennes associées. Cette étude nous a également permis de développer un cadre d’analyse écophysiologique appliqué à l’étude des interactions plante-communautés microbiennes de la rhizosphère.Outre l’effet majeur du génotype de la plante dans les interactions plante-communautés bactériennes de la rhizosphère, nous avons également montré qu’il y avait un effet important de l’environnement, comme la disponibilité en azote minéral du sol. En effet, la disponibilité en azote minéral du sol a affecté la structure génétique des communautés bactériennes rhizosphériques via un effet indirect de la plante dépendant du génotype considéré. Les effets des différents génotypes de Medicago truncatula et de leurs stratégies de réponses à des contraintes environnementales, comme la disponibilité de l’azote du sol, se sont révélées être des composantes majeures de la sélection des communautés microbiennes. [...] / The soil microbial communities can improve plant growth by increasing soil nutrient availability, thereby promoting their uptake by the plant. In an overall context of input reduction, the plant nutrition should be increasingly based on plant- rhizosphere microbial communities’ interactions. Yet, very few studies have examined the entire rhizosphere microbial communities in relationship with both plant genotype and phenotype. The aim of this thesis was to study the plant genotype effect on the rhizosphere microbial communities in relationship with the plant nutritional strategies.To do so, the plant-rhizosphere microbial communities’ interaction was assessed by a multidisciplinary approach combining ecophysiology and microbial ecology. The plant genotype effect on the genetic structure of the associated rhizosphere microbial communities was analyzed by DNA fingerprinting. The different plant nutritional strategies were analyzed by a structural/functional approach taking into account both structure establishment e.g. leaves and functions e.g. photosynthesis.In a first experiment carried out on seven genotypes of Medicago truncatula, we showed that the Medicago truncatula genotype affected the genetic structure of the rhizosphere bacterial communities very early relatively to the plant development stages. However, at this early stage, few growth differences could be observed among the different genotypes. Yet, those genotypes presented contrasted nutritional strategies. Therefore, the functional descriptors were more efficient than the structural ones to discriminate plant genotypes at an early developmental stage. In addition, we showed that a link existed between the plant nutritional strategies and the rhizosphere bacterial communities selection. Finally, this study enabled to develop a multidisciplinary framework applied to the study of the plant- rhizosphere microbial communities’ interactions.In addition to the plant genotype effect, we showed that there is an environmental effect e.g. soil mineral nitrogen availability on the rhizosphere bacterial communities. Indeed, the soil mineral nitrogen availability affected the genetic structure of the rhizosphere bacterial communities via an indirect effect of the plant depending on its genotype. The effects of the different Medicago truncatula genotypes and their response strategies to environmental constraints (soil mineral nitrogen availability), proved to be a major component of the selection of the rhizosphere microbial communities.In order to identify the genetic determinisms of the interaction between the plant and the rhizosphere microbial communities, a second experiment was conducted on a core collection of 184 genotypes of Medicago truncatula. Initial results enabled to identify and characterize four groups of genotypes with contrasted phenotypes for their growth and their specific nitrogen uptake. Thanks to high-throughput sequencing, we will analyze the rhizosphere microbial communities’ diversity associated with the different Medicago truncatula genotypes. These results should determine if the plant genotype influences the selection of beneficial rhizosphere microbial communities. Moreover, when the whole genome sequencing data would be available for the 184 genotypes of the Medicago truncatula core collection, a genome-wide association study will be proceed. The creation of plant ideotypes, which will promote beneficial interactions with rhizosphere microbial communities, will be possible. Plant growth and yield will be improved without the concomitant increase of agricultural inputs.

La compréhension des interactions qui associent les plantes et les microorganismes du sol est une étape incontournable pour une gestion durable de nos écosystèmes notamment en agriculture. Parmi les services écosystémiques résultant de leurs interactions, on peut citer la productivité végétale répondant, en partie, aux besoins alimentaires de la population mondiale et la régulation des cycles biogéochimiques. Les services écosystémiques, qui émergent de telles interactions, reposent sur des liens trophiques pouvant être représentés par un compromis entre coûts et bénéfices pour les différents partenaires de l’interaction. Les plantes, organismes autotrophes ou producteurs primaires, sont des organismes clefs qui font entrer le carbone dans l’écosystème, via la photosynthèse. Une partie de ce carbone est libérée sous forme de molécules plus ou moins complexes, au niveau de leurs racines, par le processus de rhizodéposition. Ces composés servent de molécules signal et de nutriments pour les microorganismes du sol, essentiellement hétérotrophes, c’est l’effet rhizosphère. Ce processus est donc coûteux pour la plante mais bénéfique aux microorganismes. Les microorganismes contribuent, en retour, à la nutrition et la santé des plantes ce qui est coûteux mais leur assure une source bénéfique de nutriments. Ces échanges trophiques reposent néanmoins sur un équilibre dépendant des conditions biotiques et abiotiques qui affectent chaque partenaire. La biodiversité microbienne, de par la multitude d’interactions au sein des communautés microbiennes, est un facteur biotique important. Parmi les facteurs abiotiques, le contexte environnemental actuel, soumis aux changements globaux, est propice à une déstabilisation de ces interactions. L’objectif de ce travail est donc de comprendre comment vont varier les coûts et bénéfices, pour chaque partenaire, suite à des modifications de l’environnement affectant l’un ou l’autre. L’intérêt étant de savoir si les bénéfices pour les plantes et les microorganismes, qui permettent les services écosystémiques, seront affectés. Pour répondre à cet objectif, un cadre d’interaction plantes-microbes simplifié a été choisi et une déstabilisation, au niveau de la plante, a été effectuée au moyen d’une augmentation en CO2 atmosphérique. L’interaction entre Medicago truncatula et Pseudomonas fluorescens a ainsi été étudiée. Les interactions ont ensuite été complexifiées en utilisant une communauté microbienne dans son ensemble et, cette fois, la modification a été appliquée au compartiment microbien soumis à une dilution de sa diversité. L’effet du gradient de diversité microbienne obtenu a été mesuré sur la croissance et la reproduction de trois espèces végétales modèles (Medicago truncatula, Brachypodium distachyon et Arabidopsis thaliana). Enfin, l’analyse s’est focalisée sur la communauté microbienne en identifiant la part active, c'est-à-dire les microorganismes qui utilisent les composés libérés par la plante. Ces microorganismes, qui interagissent réellement avec la plante, ont été détectés grâce à une analyse ADN SIP utilisant l’isotope 13C. Les principaux résultats observés, que la modification affecte l’un ou l’autre des partenaires, sont une déstabilisation des coûts et bénéfices. La première étude montre une variation temporaire des interactions en faveur de la plante en condition de CO2 augmenté. Dans le cas d’une dilution de la diversité microbienne, les coûts pour la plante sont conditionnés par la dépendance naturelle des plantes vis-à-vis des microorganismes symbiotiques qui interagissent avec le reste de la communauté. Cela est confirmé par la dernière expérimentation qui met en évidence les interactions microbes-microbes qui conditionnent la structure de la communauté microbienne interagissant avec la plante. [...] / Understanding the interactions that bind plants and soil microorganisms is an essential step for the sustainable management of ecosystems, especially in agriculture. The ecosystem services resulting from such interactions include plant productivity which responds, in part, to the food requirements of the world's population and the regulation of biogeochemical cycles. These ecosystem services depend on trophic links between the two partners in the interaction and can be represented by a tradeoff between the costs and benefits for each partner. Plants, being autotrophic organisms or primary producers, are key organisms which introduce carbon into the ecosystem, through photosynthesis. Part of this carbon is released as more or less complex molecules at the roots level, thanks to the rhizodeposition process. These compounds act as signal molecules and nutrients for soil microorganisms, which are mainly heterotrophic, in the so-called rhizosphere effect. This process is costly for the plant but beneficial to the microorganisms. In return, microorganisms contribute to plant nutrition and health, which is costly but provides them with a beneficial source of nutrients. These trophic exchanges, however, are based on a balance which depends on the biotic and abiotic conditions that affect each partner. Microbial biodiversity, through the multitude of interactions occurring within microbial communities, is a significant biotic factor. Among the abiotic factors, the current environmental context, subject to global change, is tending to destabilize these interactions. The objective of this work was to understand how environmental changes affect the costs and benefits for each partner by applying changes to one or the other, the aim being to determine whether these changes would affect the benefits for plants and microorganisms that provide ecosystem services. To achieve this objective, a simplified framework for plants-microbes interaction was first chosen. Destabilization at the plant level was carried out by increasing the atmospheric CO2 and studying the interaction between Medicago truncatula and Pseudomonas fluorescens. The interactions were then made more complex by using a whole microbial community but this time the change was applied to the microbial compartment by subjecting it to diversity dilution. The effect of the resulting microbial diversity gradient was measured on the growth and reproduction of three model plant species (Medicago truncatula, Brachypodium distachyon and Arabidopsis thaliana). Finally, the microbial community was subjected to a DNA SIP analysis, with the isotope 13C, to identify the active portion, i.e., those microorganisms which really interacted with the plant and used compounds released by it. The main result, when the change affected one or other partner, was a destabilization of the costs and benefits. The first study showed a transient variation in the interactions in favour of the plant under increased CO2 conditions. In the case of a dilution of microbial diversity, the costs for the plant are conditioned by the natural dependency of plants on symbiotic microorganisms that interact with the rest of the community. This was confirmed by the last experiment that highlighted the between-microbes interactions which determined the composition of the microbial community that interacted with the plant. This work has helped to clarify the functioning of relationships between plants and soil microbes and the factors that contribute to their maintenance which is essential to the functioning of ecosystems. These studies also provide ways for predicting the impacts of global change on ecosystems. The conservation or restoration of ecosystem services is essential for human well-being

Les peptides Albumines 1 b sont des membres de la famille structurale des knottines et présentent un potentiel intéressant en tant que composés insecticides. À ce jour, leur diversité parmi les Fabacées a été essentiellement étudiée en utilisant des approches biochimiques et moléculaires. Les ressources bioinformatiques (le séquençage complet du génome, les bases de données transcriptomiques (EST…), les atlas d’expression...) de l’espèce modèle des légumineuses, Medicago truncatula Gaertn. (Mtr), nous a permis de développer une approche génomique de cette biodiversité. Deux objectifs principaux nous ont guidé à : 1) déchiffrer l'histoire évolutive de la famille A1 dans cette espèce et 2) explorer la biodiversité naturelle afin de découvrir de nouvelles molécules bioactives. L'exploration du génome de Mtr a révélé une remarquable expansion, à travers des duplications en tandem, des loci A1 qui retiennent presque toutes la même structure génique canonique (2 exons et 1 intron). L'analyse phylogénétique nous a permis de comprendre l’évolution des gènes A1 intraspécifique et l’analyse de leur expression (EST, puces à ADN) a révélé la distribution de la famille des gènes A1 dans les organes de la plante (tissus) : Cette dernière s’est révélée bien plus diverse que celle connue chez les autres espèces examinées de légumineuses, où la famille était jusque-là principalement graine-spécifique. Selon plusieurs critères, certains peptides ont été sélectionnés puis chimiquement synthétisés et repliés in vitro et testés pour leur activité biologique. Parmi eux, un peptide, nommé AG41, isoforme MtrA1013 et issu de l’EST orpheline TA24778_3880, a révélé un pouvoir insecticide élevé et inattendu. L’analyse à grande échelle en présence d’homologues d’A1 des légumineuses a montré l’ancestralité de la fonction insecticide et l’âge de la famille est estimé à plus de 58 million d’années. Notre étude s’est aussi orientée vers l’analyse de cette famille peptidique chez des légumineuses originaires du Liban. Cette approche par biologie moléculaire nous a permis de caractériser 9 nouveaux gènes chez 6 espèces de Papilionoideae. L’étude plus approfondie de ces gènes au niveau structural et fonctionnel est envisagée. Afin de relier les variations de structure et d'activité, un système d'expression hétérologue (baculovirus/cellules d’insectes Sf9) a été mis au point. Le peptide recombinant de référence PA1b (Pea Albumin 1 sub-unit b), même exprimé en faible quantité, présente une activité biologique et une masse bien conforme ainsi qu’une structure bien repliée. Ce système a permis, de même, de produire la proprotéine PA1, forme intermédiaire entre la préproprotéine et le peptide PA1b mature. Cette proprotéine, identifiée pour la première fois, ne présente aucune toxicité envers les cellules Sf9. / Albumin 1 b peptides are members of the knottin structural family and display an interesting potential as insecticidal compounds. To date their diversity among Fabaceae was essentially investigated using biochemical and molecular approaches. The bioinformatic resources (full-genome sequencing, EST database, gene expression atlas…) of the Legume model, Medicago truncatula Gaertn. (Mtr), prompted us to develop a large-scale approach in two ways: 1) to decipher the evolutionary history of A1 family in this species and 2) to explore the natural biodiversity to uncover new bioactive molecules. Exploring Mtr genome revealed a remarkable expansion, through tandem duplications, of A1 loci that retain nearly all the primary structure (2 exons and 1 intron) . Phylogenetic analysis has allowed us to understand the evolution of intraspecific A1 genes and the analysis of their expression (EST, microarrays), and revealed the distribution of the A1 gene family in plant organs (tissue): the latter proved to be much more diverse than that seen in other examined legumes species, where the family until then was mainly seed-specific. Selected upon several criteria some peptides were chemically synthezised, folded in vitro and assayed for their biological activity. Among them one peptide, named AG41: isoform MtrA1013 (orphan EST : TA24778_3880), revealed a high and unexpected insecticidal power. The large-scale analysis in the presence of legumes A1 homologous showed the ancestry of the isecticidal function and the age of this family is estimated to be more than 58 million years. Our study is also directed towards the analysis of this family of peptide in legumes from Lebanon. This approach based on molecular biology has allowed us to characterize nine new genes in six species of Papilionoideae. The further study of these genes at the structural and functional level is considered. To link changes in structure and activity, a heterologous expression system (baculovirus / insect Sf9 cells) was developed. The reference recombinant peptide PA1b (Pea Albumin 1 sub-unit b), even expressed in small quantities, was biologicaly active and harbouring the expected mass as well as a well-folded structure. This system has enabled also to produce the proprotein PA1, intermediate form between the preproprotein and the mature peptide PA1b. This proprotein, identified for the first time, has no toxicity towards Sf9 cells.

Les légumineuses sont une source riche pour l’alimentation humaine comme celle du bétail mais elles sont aussi nécessaires à une agriculture durable. Cependant, les fractions majeures des protéines de réserve dans la graine sont pauvres en acides aminés soufrés et peuvent être accompagné de facteurs antinutritionnels, ce qui affecte leur valeur nutritive. Dans ce cadre, Medicago truncatula est une espèce modèle pour l’étude du développement de la graine des légumineuses, et en particulier concernant la phase d’accumulation des protéines de réserve. Vu la complexité des graines de légumineuses, une connaissance approfondie de leur morphogenèse ainsi que la caractérisation des mécanismes sous-jacents au développement de l’embryon et au remplissage de la graine sont essentielles. Une étude de mutagenèse a permis d’identifier le facteur de transcription DOF1147 (DNA-binding with One Finger) appartenant à la famille Zn-finger, qui s’exprime dans l’albumen pendant la transition entre les phases d’embryogenèse et de remplissage de la graine. Lors de mon travail de thèse, il a été possible de générer plusieurs constructions pour l’analyse de l’expression de DOF1147 ainsi que de la protéine DOF1147. Un protocole efficace pour la transformation génétique stable de M. truncatula a été établi et des études de localisation subcellulaire ont montré que DOF1147 est une protéine nucléaire. Un arbre phylogénétique a révélé différents groupes de facteurs de transcription DOF avec des domaines conservés dans leur séquence protéique. L’analyse du promoteur in silico chez plusieurs gènes-cible potentiels de DOF1147 a identifié les éléments cis-régulateurs de divers facteurs de transcription ainsi que des éléments répondant aux auxines (AuxREs), ce qui suggère un rôle possible de l’auxine pendant le développement de la graine. Une étude in vitro du développement de la graine avec divers régimes hormonaux, a montré l’effet positif de l’auxine sur la cinétique du développement de la graine, que ce soit en terme de gain de masse ou de taille, plus fort avec l’ANA que l’AIB. Grâce à une approche cytomique de ces graines en développement nous avons, en plus, démontré l’effet de l’auxine sur la mise en place de l’endoreduplication. En effet, celle-ci est l’empreinte cytogénétique de la transition entre les phases de division cellulaire et d’accumulation de substances de réserve lors du développement de la graine. Dans son ensemble, ce travail a démontré que l’auxine module la transition entre le cycle mitotique et les endocycles chez les graines en développement de M. truncatula en favorisant la continuité des divisions cellulaires tout en prolongeant simultanément l’endoreduplication. / Legumes are not only indispensible for sustainable agriculture but are also a rich source of protein in food and feed for humans and animals, respectively. However, major proteins stored in legume seeds are poor in sulfur-containing amino acids, and may be accompanied by anti-nutritional factors causing low protein digestibility problems. In this regard, Medicago truncatula serves as a model legume to study legume seed development especially the phase of seed storage protein accumulation. As developing legume seeds are complex structures, a thorough knowledge of the morphogenesis of the seed and the characterization of regulatory mechanisms underlying the embryo development and seed filling of legumes is essential. Mutant studies have identified a DOF1147 (DNA-binding with One Finger) transcription factor belonging to the Zn-Finger family which was expressed in the endosperm at the transition period between embryogenesis and seed filling phase. During my PhD work, a number of transgene constructs were successfully generated for expression analysis of DOF1147 gene as well as the DOF1147 protein. A successful transformation protocol was also established for stable genetic transformation of M. truncatula. Subcellular localization studies have demonstrated that DOF1147 is a nuclear protein. A phylogenetic tree revealed different groups of DOF transcription factors with conserved domains in their protein sequence. In silico promoter analysis of putative target genes of DOF1147 identified cis-regulatory elements of various transcription factors along with auxin responsive elements (AuxREs) suggesting a possible role of auxin during seed development. A study of in vitro seed development under different hormone regimes has demonstrated the positive effect of auxin on kinetics of seed development in terms of gain in seed fresh weight and size, with NAA having a stronger effect than IBA. Using the cytomic approach, we further demonstrated the effect of auxin on the onset of endoreduplication in such seeds, which is the cytogenetic imprint of the transition between the cell division phase and the accumulation of storage products phase during seed development. As a whole, this work highlighted that the auxin treatments modulate the transition between mitotic cycles and endocycles in M. truncatula developing seeds by favouring sustained cell divisions while simultaneously prolonging endoreduplication.

Les symbioses rhizobienne et mycorhizienne à arbuscules sont deux endosymbioses racinaires jouant des rôles importants dans le développement des plantes en améliorant leur nutrition minérale. Les lipo-chitooligosaccharides (LCOs), produits par les bacteries Rhizobia et les champignons mycorhiziens, sont essentiels pour l'établissement de la symbiose rhizobienne et stimulent la mycorhization. Chez la légumineuse Medicago truncatula, trois récepteurs-like kinase à motifs lysin (LysM), LYR3, NFP et LYK3 sont impliqués dans la perception des LCOs. Le travail présenté a eu pour objectif la caractérisation biochimique de ces récepteurs et leurs applications potentielles. Les orthologues de LYR3 de M. truncatula ont été clonés et se sont tous révélés, à l'exception de celui du lupin, capables d'établir une interaction d'affinité élevée avec les LCOs mais pas avec les chitooligosaccharides de structure apparentée. Afin de mieux comprendre les bases moléculaires de la reconnaissance des LCOs, des échanges de domaine entre les protéines LYR3 de lupin et de Medicago ont été effectués et ont révélé l'importance du troisième domaine LysM dans l'interaction. L'exploitation des capacités de reconnaissance des LCOs par LYR3 à des fins biotechnologiques a été évaluée à l'aide de récepteurs chimériques constitués du domaine extracellulaire de LYR3 et du domaine kinase des récepteurs immunitaires AtCERK1 et EFR. Il est apparu que LYR3 peut être utilisé pour élaborer des récepteurs chimériques mais leur mode d'activation reste à optimiser. Enfin l'étude des deux récepteurs symbiotiques NFP et LYK3 suggère qu'ils sont régulés par phosphorylation suite au traitement par les signaux symbiotiques. L'ensemble de ce travail apporte un éclairage nouveau sur les mécanismes de perception des LCOs et sur les modifications associées à leurs récepteurs qui en résultent. / Arbuscular mycorrhization and rhizobial nodulation are two major root endosymbioses which play important roles in plant development by improving their mineral nutrition. Produced by Rhizobia bacteria and mycorrhizal fungi, lipo-chitooligosaccharides (LCOs) were shown to be essential for the formation of the rhizobial symbiosis and to have stimulatory effects on mycorrhization. In the legume Medicago truncatula three lysin motif (LysM) receptor-like kinases LYR3, NFP and LYK3 have been shown to be involved in LCO perception. Here work is presented aimed at the biochemical characterization and application of these important receptor proteins. Cloned from several legume species orthologs of M. truncatula LYR3, except from lupin, were shown to bind LCOs with high affinity, but not structurally-related chitooligosaccharides (COs). Domain swaps between the lupin and Medicago proteins were used as a tool to decipher the molecular basis of LCO recognition and revealed the importance of the third LysM domain for LCO binding. The possibility of exploiting the LCO-binding capacity of LYR3 in biotechnology, through the composition of chimeric receptors, was investigated by combining together the extracellular domain of LYR3 protein with the kinases of Arabidopsis thaliana immune receptors, AtCERK1 and EFR. The results suggest that LYR3 could be used for constructing biologically active chimeric proteins whose mode of activation needs to be improved. Finally studies on the two LysM symbiotic receptors NFP and LYK3 suggest that they are regulated by changes in their phosphorylation after symbiotic treatments. Together this work brings light on the mechanisms underlying LCO perception and the modifications that receptors undergo after their treatment with LCO.