L’étude qualitative et quantitative du mode de développement des plantes envahissantes est actuellement considérée comme une étape clef dans la compréhension des phénomènes d’invasion. L’objectif de ce travail est de préciser les relations qui existent entre la structure architecturale des buissons et leur caractère proliférant. Nous avons sélectionné cinq espèces buissonnantes (Cornus sericea L., Cornaceae ; Prunus virginiana L., Rosaceae ; Rhamnus cathartica L., Rhamnaceae ; Rhus typhina L., Anacardiaceae ; Zanthoxylum americanum Mill., Rutaceae) qui sont connues pour leur aptitude à bloquer la succession végétale sous certaines conditions au Sud du Québec (Canada). L’analyse architecturale a permis chez ces espèces de caractériser les unités structurelles et leurs modifications ontogéniques. Ces modifications ontogéniques doivent être prise en compte afin d’obtenir une description complète de la plasticité phénotypique chez ces espèces. L’analyse des différentes unités structurelles révèle qu’elles ne possèdent pas la même signification fonctionnelle : les niveaux d’organisation les plus grands sont responsables majoritairement des capacités de plasticité phénotypique de la plante et de sa compétition. Ces analyses ont abouti à la définition de trois stratégies architecturales correspondant à des comportements individuels et qui sont également pertinentes pour expliquer la prolifération des populations. / Qualitative and quantitative studies of the pattern of invasive plant development is now considered a key aspect in understanding invasiveness. This work was performed to determine relationships between shrub architectural plasticity and proliferating behaviour. We selected five shrub species (Cornus sericea L., Cornaceae ; Prunus virginiana L., Rosaceae ; Rhamnus cathartica L., Rhamnaceae ; Rhus typhina L., Anacardiaceae ; Zanthoxylum americanum Mill., Rutaceae) known to arrest plant succession under certain conditions in Southern Québec, Canada. Architectural analysis revealed species’ structural units and their ontogenic changes. These ontogenic changes need to be calibrated if a full description of phenotypic plasticity is to be obtained. Analysis of the plant structural units reveals that they are of different functional significance: the higher the level of organization, the greater the capacity for phenotypic plasticity and competition. We defined three architectural strategies related to individual behaviours and which can relevantly explain the population proliferation of shrubs. / Réalisé en cotutelle avec l'Université Montpellier II

L'objectif de cette thèse est de contribuer à faire progresser les connaissances sur les interactions bénéfiques entre les plantes et les microorganismes en évaluant la contribution des systèmes de sécrétion de type III (SST3). Une synthèse des connaissances disponibles relatives aux SST3 chez les Pseudomonas non pathogènes, saprotrophes ou mutualistes, présentée chapitre I, montre que les SST3 ne sont pas cantonnés aux interactions parasites ou pathogènes avec les plantes. Dans l'étude expérimentale présentée chapitre II, nous avons utilisé différents génotypes de Medicago truncatula Gaertn. cv. Jemalong capables (Myc+) ou non (Myc-) d'établir une symbiose mycorhizienne. Ce travail nous a permis de montrer que les Pseudomonas spp. fluorescents possédant un SST3 (SST3+) sont préférentiellement associés aux racines mycorhizées des génotypes Myc+ de M. truncatula (J5 et TRV48) plutôt qu'aux racines du mutant Myc- (TRV25) et au sol nu. Ainsi, la plante seule n'est pas à l'origine de la présence accrue des Pseudomonas SST3+. La colonisation de la racine par les champignons mycorhizogènes à arbuscules (CMA), le développement du mycélium intraradiculaire et/ou la formation associée d'arbuscules, sont également déterminants. Dans l'étude présentée chapitre III, nous avons comparé les effets de la souche modèle promotrice de mycorhization (MHB) P. fluorescens C7R12 (SST3+) et de son mutant C7SM7 (SST3-), sur la mycorhization et la croissance de M. truncatula dans un sol non stérile. Ce travail a permis de montrer que le SST3 de C7R12 contribue à l'effet MHB de la bactérie. La promotion de la colonisation de la racine de M. truncatula par les CMA indigènes induite par le SST3 de C7R12 s'est traduite par une amélioration de la croissance de la plante. En revanche, l'inactivation du SST3 chez C7SM7 a eu un impact délétère sur la colonisation de la racine de M. truncatula par les CMA du sol étudié et sur la croissance de la plante. L'observation d'effets quantitatifs opposés entre C7R12 et C7SM7, nous a conduits à nous interroger sur l'existence d'un effet différentiel de l'inoculation de ces bactéries sur la structure et la diversité des communautés des microorganismes associés. Dans une étude présentée chapitre IV, le suivi dynamique en parallèle de la structure des communautés totales bactériennes (B-RISA) et fongiques (F-RISA) et de la colonisation de la racine par les CMA a été réalisée. Aucun effet de l'inoculation n'a été observé sur la structure des communautés fongiques de la rhizosphère ou des racines. En revanche, la structure des communautés bactériennes a varié selon que les plantes aient été inoculées ou non et selon la souche inoculée. Néanmoins, ces différences ont été observées plusieurs semaines après les effets de l'inoculation de C7R12 ou de C7SM7 sur la colonisation de la racine par les CMA. Ce décalage dans le temps, suggère que les différences observées dans la structure des communautés bactériennes pourraient être une conséquence plutôt qu'une cause des variations observées sur la mycorhization de M. truncatula. Nos résultats n'ont pas permis de mettre en évidence d'effets de l'inoculation sur la diversité des populations des bactéries fixatrices d'azote présentes dans les nodosités de M. truncatula. L'analyse des séquences de la grande sous-unité de l'ADN ribosomique (LSU rDNA) amplifiées à partir d'ADN extrait des racines, a montré pour les plantes inoculées et non inoculées, que les populations de CMA étaient majoritairement apparentées à Glomus intraradices. Un groupe d'isolats spécifiquement associé aux racines inoculées avec C7R12 et apparenté à G. claroideum a été décrit. Le groupe spécifique pourrait être associé à l'amélioration de la mycorhization observée dans les racines inoculées avec C7R12. Néanmoins, compte tenu de sa faible représentation numérique (8%), il semble probable que l'inoculation de C7R12 ait aussi un effet quantitatif sur la colonisation de la racine de M. truncatula par les CMA. etc

Petunia hybrida is an ornamental crop of high economic interest but diverse root pathogens can cause high ¬losses, especially in soilless greenhouse production systems, and their control by conventional methods implies an excessive use of pesticides. A more sustainable horticulture requires alternative methods to counter these chemical inputs. The introduction of arbuscular mycorrhiza (AM), known to reduce a number of root diseases in other plant species, into the production itinerary could form an integral part of an appropriate strategy. However, mycorrhizal effects against soil-borne pathogens are not always predictable and mechanisms behind the protective effects of mycorrhiza are largely unknown. In this context, mycorrhiza-induced resistance (MIR) was studied in P. hybrida in an inert soilless substrate, and the underlying mechanisms were investigated.After testing different soil-borne pathogenic fungi causing disease in petunia nursery production, Thielaviopsis basicola was selected as a model pathosystem. Three AM fungal species were evaluated for their ability to protect petunia against T. basicola; only Glomus mosseae BEG 12 turned out to reduce disease symptoms and pathogen spread in roots. Split root experiments showed that this protective effect was systemic and could be induced in non-mycorrhizal parts of mycorrhizal root systems, in agreement with previous studies in other plant pathosystems. The AM fungus, moreover, reduced the amount of phosphate fertiliser input fivefold, and provides tolerance against high salt concentrations in the horticultural substrate.In order to gain insight into molecular mechanisms involved in the MIR to T. basicola in petunia roots, hypotheses were tested by analysing the expression patterns of plant genes which are involved in various pathways of known plant defence responses. Nine genes related to the jasmonic acid pathway of induced systemic resistance (ISR) by plant growth promoting bacteria and three genes activated by salicylic acid, a key molecule in systemic acquired resistance (SAR), were selected. Expression profiles of these genes indicated that local MIR to T. basicola in petunia roots does not primarily involve either pathway, whilst systemic MIR in this pathosystem could include elements of both SAR and ISR. The activation of seven AM-related genes was unaffected by T. basicola infection of mycorrhizal petunia roots showing that the pathogen does not affect symbiotic functionality. Results suggest that the part of the symbiotic cell programme covering AM-regulated plant defence genes may constitutively contribute to the expression of local MIR; the role of such genes in this phenomenon merits further attention and analyses

Au vu de l'impact croissant du changement climatique global et en particulier de la sécheresse sur les forêts, il est nécessaire de comprendre les mécanismes de réponse des arbres face à des variations de disponibilité en eau. Ces dernières années, des études ont montré un contrôle épigénétique et notamment par la méthylation de l'ADN de la plasticité phénotypique des plantes en réponse aux variations environnementales. Dans ce contexte, cette thèse visait à évaluer le rôle de la méthylation de l'ADN des cellules du méristème apical caulinaire dans la plasticité développementale de la tige feuillée en réponse à des variations de disponibilité en eau chez le peuplier, un arbre modèle. A cette fin, le méthylome de la chromatine non condensée dans le méristème apical caulinaire de Populus trichocarpa a été caractérisé. Ensuite, l'impact de variations de disponibilité en eau sur la méthylation de l'ADN a été étudié dans l'apex caulinaire de différents hybrides (P. × euramericana). Les loci et les réseaux de gènes affectés pour leur expression et leur méthylation ont ainsi été identifiés. Ces travaux ont montré que dans le méristème apical caulinaire, la majorité des gènes étaient dans un état non condensé de la chromatine et méthylés dans leur corps. Ils ont également mis en évidence une forte variation de la méthylation globale de l'ADN selon les génotypes et en réponse à des variations de disponibilité en eau. De plus, des corrélations ont été établies entre les niveaux de croissance des arbres et de méthylation globale de l'ADN dans l'apex caulinaire. Enfin, les variations de la méthylation de l'ADN en réponse aux variations de la disponibilité en eau s'accompagnent de variations d'expression et ont ciblé particulièrement des gènes impliqués dans la signalisation par les phytohormones ou la morphogenèse. Ainsi, les travaux effectués lors de cette thèse suggèrent un rôle de la méthylation de l'ADN dans la plasticité phénotypique en réponse à des variations de disponibilité en eau chez le peuplier via le contrôle de l'expression de réseaux de gènes dans le méristème apical caulinaire.

Les âges du Bronze final et du premier Fer constituent, pour la Champagne, une phase d'expansion des installations humaines. C'est également au Bronze final que se généralise, à l'échelle européenne, l'adoption de nouvelles plantes cultivées, les millets, l'épeautre, l'ers, la féverole et la caméline. L'étude carpologique de 21 sites localisés dans la Plaine de Troyes, le Pays remois et la Bassée, livre des informations sur l'agriculture qui accompagne cette expansion, et sur la façon dont elle intègre les changements observés à l'échelle européenne. Dès le début du Bronze final, une agriculture diversifiée est en place. Elle inclue les nouvelles plantes, qui prennent une part importante aux productions régionales basées sur l'orge vêtue, le millet commun, et les blés vêtus, dont l'épeautre et le "new" glume wheat, blé jusqu'alors inconnu en France. La lentille, l'ers et la caméline jouent un rôle notable, complémentaire à celui des céréales. L'agriculture est stable pendant les 9 siècles étudiés. Les parcelles sont cultivées de manière permanente et plutôt intensive, sans baisse de la fertilité des sols. Une expansion des espaces pâturés est probable au cours du premier âge du Fer, peut-être sous forme de jachères. Les systèmes de culture semblent capables de répondre aux besoins de subsistance et de se perpétuer. Des pratiques sociales de repas collectifs sont attestées. Les différences qui existent entre les productions végétales, selon les secteurs géographiques, peuvent être liées aux contraintes du milieu, ou à certaines affinités culturelles.

La majorité des plantes terrestres forment une symbiose racinaire avec des champignons mycorhiziens à arbuscules (MA). Les champignons fournissent à la plante de l'eau et des minéraux en particulier du phosphate (Pi), en échange les plantes leur apportent des éléments carbonés. La fertilisation phosphatée est connue pour inhiber l'interaction symbiotique, mais les mécanismes intervenant dans cette régulation sont inconnus. Nous avons montré que le Pi est capable d'inhiber presque totalement la mycorhization à un stade très précoce, avant même l'attachement du champignon à la surface de l'épiderme racinaire. Cette inhibition est liée aux teneurs en Pi dans les parties aériennes et fait intervenir une signalisation systémique. Par la suite, nous avons cherché à identifier les mécanismes impliqués dans la régulation de la mycorhization par le Pi. Les évènements précoces d'interaction ont été examinés avec un intérêt marqué pour les exsudats racinaires. Tout d'abord, nous avons analysé l'importance des strigolactones dans la régulation. Ces molécules sont sécrétées par les racines des plantes et stimulent le développement des champignons (MA). La production de strigolactones est elle aussi régulée de façon systémique par le Pi et les exsudats végétaux de plantes non carencés en Pi sont dépourvus de strigolactones. Cependant, un ajout exogène de ces molécules ne suffit pas pour lever l'inhibition associée à la présence de Pi. De plus, la part des exsudats végétaux en général dans cette régulation a été étudiée. Bien que les exsudats jouent un rôle pour favoriser (ou non) la mise en place de l'interaction, des mécanismes de contrôle supplémentaires existent au niveau de la racine elle-même. Parmi plusieurs mécanismes régulateurs hypothétiques nous avons testé si le Pi pouvait affecter la capacité des plantes à reconnaitre correctement leurs partenaires fongiques. Pour cela nous avons utilisé deux approches. (i) Il est connu que les racines répondent à la présence de champignon par des oscillations de concentrations en calcium dans les noyaux. Nous n'avons pas trouvé d'effet du Pi sur cette réponse. (ii) Nous avons aussi analysé si l'expression de gènes végétaux en réponse au champignon pouvait être régulée par le Pi. Quelle que soit la condition phosphatée testée, les plantes sont capables de répondre à la présence de champignon par l'induction de gènes de défense et de gènes " symbiotiques ". Cependant, le Pi affecte négativement l'expression de certains des gènes symbiotiques, laissant penser que les plantes seraient moins à même de répondre au champignon lorsqu'il y a du Pi. Pour finir, d'autres mécanismes de régulation possibles (tels que la composition des parois ou un effet hormonal des strigolactones) sont proposés et discutés.

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 objective of the thesis is to improve plant yield through optimization and optimal control based on the GreenLab plant growth model. Therefore, the thesis proposed a methodology for investigation of plant yield improvement，whose characteristics are that (1) investigations are all based on the functional-structural plant growth model GreenLab and (2) heuristic optimization algorithm and optimal control techniques are applied to the plant growth model in order to improve plant yield. By applying optimization techniques on different species of plants (crops or trees) and for different kinds of optimization problems, common characteristics that a plant with high yield should possess were obtained. The optimal results in the thesis revealed the source-sink dynamics during the plant growth. The optimization results can be considered as references to guide breeding for ideotype and to improve cultivation modes. The optimization application of GreenLab could thus be possibly used to the agricultural decision support system.To achieve the aims of the thesis, the thesis investigated the effects of endogenous factors and exogenous environmental factors of plant growth on plant yield separately. First, given environmental conditions, the thesis investigated endogenous factors, and then the thesis did optimal control on exogenous environmental factors given plant genotype. Therefore, the problems investigated in the thesis consist of general optimization problems and optimal control problems.The main contributions of the thesis include following issues: According to the species of plants, single optimization problems, multi-objective optimization problems and optimization problems with constraints with respect to plant endogenous factors were formulated and investigated, in order to find the ideotype of plants with high plant yield. A population based algorithm is more suitable for the optimization problems in this thesis. Due to its better performance compared with other heuristic optimization algorithms, all optimization problems were solved by a population-based, heuristic optimization algorithm, namely Particle Swarm Optimization (PSO). Optimal control on the pruning strategy was formulated and investigated in the thesis. As GreenLab can be considered as discrete dynamic system and the objective function of the optimal control problem is analytical, the gradient based method, which is based on the variational approach and Lagrange theory, was used to solve the optimal control problem. Moreover, the optimal solutions were compared with the ones found by PSO, in order to validate the PSO method. The insect population dynamics was modeled mathematically, which was compatible with the plant model GreenLab in terms of spatial and temporal scales, to study the effect of biotic factors on plant growth. The interaction among plants, pests and auxiliaries was implemented, and the ecosystem model, which involves the three tri-trophic components, was thus developed in the thesis. The tri-trophic ecosystem model can simulate the insect population dynamics and the plant growth with consideration of the interaction of insects. Moreover, the tri-trophic ecosystem model considered the partition of individuals in the insect population among plant organs, which is not taken into account in the previous works. A global sensitivity analysis method Morris method was used to analyze the most important parameters and the least influential parameters to model outputs of interest. Through optimization on pest management techniques, the optimal strategies of the application of the pest management techniques were obtained. Estimation of GreenLab parameters with about 400 sets of observation data of 44 tomato genotypes was done in the thesis, by using a generalized non-linear least square algorithm. Taking the estimated parameter values as parameter space, the GreenLab model parameters were optimized, in order to maximize the fruit yield. Through the analysis of the correlation of estimated and optimal parameters with the fruit yield by statistical analysis methods, the most important parameters that result in the difference of fruit yield were found. According to the correlation and optimization results, the phenotypic differences among genotypes were explained from the physiological point of view.

La transmission à et par la semence correspond à une étape critique dans l'épidémiologie de nombreuses maladies et permet aux microorganismes pathogènes de survivre et d'assurer leur dispersion. Afin d'étudier les mécanismes impliqués dans la transmission à et par la semence, deux pathosystèmes modèles ont été mis au point. Deux agents pathogènes, une bactérie (Xanthomonas campestris pv. campestris), et un champignon (Alternaria brassicicola) ont été sélectionnés pour étudier leur transmission à et par la graine de la plante hôte modèle Arabidopsis thaliana. Nous avons montré par microscopie confocale à balayage laser que la colonisation de la hampe florale par X. campestris pv. campestris est strictement confinée aux tissus vasculaires du xylème. Une approche par microscopie électronique à balayage a permis d'identifier les différentes voies de pénétration d'A. brassicicola dans la silique d'A. thaliana et le mode de colonisation des graines. L'un (Xcc2828, xytA) des deux transporteurs TonB-dépendants testés intervient dans la colonisation des valves et graines mais pas dans la colonisation du xylème de la hampe florale montrant une probable spécificité de ce TBDT pour les xylanes des parois primaires. Nous avons montré que deux facteurs o54 (Xcc1935 Xcc2802) régulent différentiellement l'expression de gènes impliqués dans la mobilité et la formation de bio ilms chez X. campestris pv. Campestris, fonctions indispensables à la transmission à et par la graine. D'autre part, une histidine kinase de groupe III osmosenseur, la proteine AbNik1, intervient lors de la colonisation des graines d'A. thaliana par A. brassicicola.

L'ambition de cette thèse était de proposer un nouvel élan pour la création variétale chez la vigne, incluant les connaissances et les derniers outils de la recherche. En effet, la viticulture française comme d'autres filières agricoles doit aujourd'hui faire face à 3 grands défis: la réduction des intrants phytosanitaires (plan Ecophyto 2018), les changements climatiques, et de nouveaux concurrents, notamment les pays du Nouveau Monde. La création variétale, qui a été peu exploitée chez la vigne, peut être une des solutions pour répondre à ces défis. S'appuyant sur un génotypage dense, plusieurs outils et concepts innovants - réunis sous le terme de sélection génomique (GS) - ont vu le jour ces dernières années en sélection animale, qui permettent de prédire les phénotypes des individus seulement génotypés. Afin d'atteindre notre but, nous avons évalué et comparé l'efficacité de la GS et de la sélection assistée par marqueur (SAM) " classique ", basée sur la génétique d'association " genome-wide " (GWAS) chez la vigne. Le potentiel théorique des deux méthodes a été évalué dans une étude de simulation, puis sur des données réelles. Nous montrons que la GS est plus pertinente que la SAM " classique " pour prédire les phénotypes et ce pour des caractères complexes et / ou structurés. Cependant la GS couplée aux résultats issus de la GWAS semble être une méthode intéressante lorsque le marquage moléculaire est non limitant. Finalement, nous discutons des conditions d'utilisation de la GS en termes économiques et d'efficacité au cours du temps. Nous proposons trois scénarios fonction de l'investissement de départ et des besoins en termes de création variétale.