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Plants take up the nitrogen necessary for their growth mainly in the form of nitrate. To cope with spatiotemporal fluctuations in NO3 - availability in soils, these organisms have developed adaptation mechanisms specific to each situation. Plant N response involves several signaling pathways that depend on the N variation scenarios of the medium. Two major signaling pathways are studied in this thesis. The Primary Nitrate Response (or PNR) which corresponds to the rapid (within minutes) and nitrate-specific responses of the plant when provided with Nitrate. The Nitrogen Starvation response (or NSR) which corresponds to the slower response (within days) which makes it possible to overcome the lack of N in the medium. Although some molecular actors are known in each of the pathways (PNR and NSR); i) the NSR is significantly less well documented than the PNR, ii) nothing is known about the coordination of the 2 signaling pathways. During my thesis I was able to demonstrate that a subgroup of the GARP transcription factor family induced during PNR is directly involved in the regulation of NSR (repression of transport genes with a very high nitrate affinity). This provides both new NSR regulators and a coordination mechanism between the 2 signaling pathways. The phenotypes recorded for plants altered in this transcription factors family open up perspectives for crop biotechnological improvements because they have nitrate transport capacities far superior to wild plants. Results regarding the subcellular dual localization of HRS1 and the role of HRS1 in controlling the redox status of plants are presented and discussed in the context of the previously proposed PNR-NSR interaction model.; Les plantes prélèvent l’azote nécessaire à leur croissance essentiellement sous forme de nitrate. Pour faire face aux fluctuations spatio-temporelles de la disponibilité de cet ion dans les sols, ces organismes ont développé des mécanismes d’adaptation spécifiques à chaque situation. La réponse de la plante à l’azote met en jeu plusieurs voies de signalisations qui dépendent des scénarios de variations en azote du milieu. Deux grandes voies de signalisation sont étudiées en particulier dans cette thèse. La Primary Nitrate Response (ou PNR) qui correspond aux réponses rapides (minutes) et nitrate-spécifiques de la plante lors de la fourniture de Nitrate. La Nitrogen Starvation response (ou NSR) qui correspond à la réponse plus lente (jours) qui permet de pallier au manque d’azote dans le milieu. Bien que certains acteur moléculaires soient connus dans chacune des voies (PNR et NSR); i) la NSR est largement moins bien documentée que la PNR, ii) rien n’est connu concernant la coordination des 2 voies de signalisations. Au cours de ma thèse j’ai pu démontrer qu’un sous groupe de la famille GARP induit lors de la PNR est directement impliqué dans la régulation de la NSR (répression des gènes de transport à haute affinité de nitrate). Ceci fournit à la fois des nouveaux régulateurs de la NSR et un mécanisme de coordination entre les 2 voies de signalisation. Les phénotypes des plantes altérées dans l’expression des gènes de cette famille de facteurs de transcription ouvrent des perspectives d’ameliorations biotechnologiques des plantes car ces dernières présentent des capacités de transport du nitrate bien supérieures aux plantes sauvages. Des résultats quant à la double localisation sub-cellulaire d’HRS1 et du rôle d’HRS1 dans le contrôle du statut redox des plantes sont présentés et discutés dans le contexte du modèle d’interaction entre PNR et NSR proposé précédemment.

Plants are sessile organisms growing in a heterogeneous and fluctuating environment. Thus, foraging for nutrients is an important trait for plant growth and development. Nitrogen (N), especially as nitrate (NO3-) form, is one limiting element for plant growth but is also highly mobile in the soil leading to frequent heterogeneity distribution. Plants are managing this constraint through the regulation of root development and NO3- uptake in the different parts of the root system according to the spatial NO3- availability and the N needs of the whole plant. This adaptation relies on a dual signaling pathway involving i) a local signaling related to external NO3- supply and ii) a root-shoot-root long-distance (systemic) signaling related to the plant N needs.. However, the molecular basis of the long-distance signaling as well as the regulatory mechanisms associated with, are not fully understood. They rely on the integration at the shoot level of signals originating from both NO3--supplied and N-deprived root parts. Therefore, the shoots have a key role for an efficient adaptation to heterogeneous NO3- environment through the adjustment of root physiology and development. Previously, cytokinin biosynthesis has been shown to be essential for both molecular and morphological root responses to NO3- heterogeneous environment. Moreover, it is known that upon NO3- supply, de novo biosynthesis of this hormone in the roots is increased along with its accumulation in the shoots. In this context, we hypothesized that cytokinins could correspond to an important root to shoot signal involved in NO3--dependent systemic signaling. The main objective of my PhD project was to decipher and understand how the shoots control root NO3- acquisition in response to spatial NO3- heterogeneity. To do so, we used the 'split-root' system, in which physically isolated roots of a same plant are challenged with different NO3- environments. In this framework, we characterized physiological, metabolic and molecular responses of Arabidopsis wild-type plants that we compared to responses of mutants impaired in cytokinin biosynthesis, acropetal transport or perception. The combination of these different approaches allowed me to demonstrate that cytokinins, and especially trans-zeatin species are indeed a root to shoot messenger that is crucial for root responses to spatial NO3- heterogeneity. Moreover, I have shown that NO3- heterogeneous supply compared to homogeneous supply triggers a substantial reprogramming of gene expression in aerial part, which largely depends on this trans-zeatin transport toward the shoots. Finally, the integration of these transcriptomic modifications into gene networks led to the identification of interesting candidate genes to characterize the shoot-to-root signaling.; Les plantes sont des organismes sessiles se développant dans un environnement hétérogène et fluctuant. La capacité d'acquisition des nutriments par le système racinaire est donc un caractère important pour leur croissance et leur développement. L'azote (N), notamment sous forme nitrate (NO3-), fait partie de ces éléments qui sont limitant pour la croissance des plantes mais aussi très mobiles dans le sol donc fréquemment distribués de façon hétérogène. Les plantes s'adaptent à cette contrainte en modulant le développement racinaire ainsi que la capacité de transport de ce nutriment dans les différentes parties du système racinaire en fonction de la disponibilité en NO3- et du besoin en azote (N) de la plante entière. Cette adaptation repose donc sur la combinaison de deux voies de signalisation, i) une signalisation locale dépendante de la disponibilité en NO3- dans le milieu extérieur ii) une signalisation longue distance (ou systémique) racines-feuilles-racines relative au besoin en N de la plante entière. Toutefois, les bases moléculaires de la signalisation longue distance comme les mécanismes de régulation qui y sont associés ne sont pas totalement connus. Ils reposent sur l'intégration au niveau des parties aériennes de signaux d'origine racinaire, provenant des racines exposées au NO3- mais aussi de celles qui en sont privées. Les parties aériennes jouent alors un rôle majeur dans la modulation de la physiologie et du développement racinaire en condition de disponibilité hétérogène en NO3-. Des études précédentes ont montré que la biosynthèse de cytokinines est essentielle pour la mise en place de cette réponse adaptative. De plus, il est connu qu'après un apport de NO3-, la biosynthèse de cette hormone dans les racines puis son accumulation dans les parties aériennes est augmentée. Dans ce contexte, nous avons émis l'hypothèse que les cytokinines pourraient correspondre à un messager racines/feuilles important pour la signalisation systémique NO3--dépendante. L'objectif de mon projet de thèse consistait à comprendre comment les parties aériennes contrôlent l'acquisition racinaire du NO3- en condition de disponibilité hétérogène en NO3-. Pour reproduire cette condition en laboratoire, le système de 'split-root', permettant de séparer le système racinaire en deux parties isolées pouvant être traitées différemment, a été utilisé pour exposer les plantes à différentes conditions de disponibilité en NO3-. Dans ces différentes conditions, les réponses moléculaires, métaboliques et physiologiques ont été caractérisées chez des plantes sauvages d'Arabidopsis et comparées à celles de mutants affectés dans la biosynthèse, le transport acropetal ou encore dans la perception des cytokinines. La combinaison de ces différentes approches m'a ainsi permis de démontrer que les cytokinines, et plus précisément les trans-zéatines, sont effectivement un messager racines-feuilles crucial pour la mise en place des réponses de la racine à une disponibilité hétérogène en NO3-. De plus, j'ai montré que l'apport hétérogène en NO3- comparé à l'apport homogène entraîne une importante reprogrammation de l'expression génique dans les parties aériennes qui est largement dépendante de ce transport de trans-zéatines vers les feuilles. Enfin, l'intégration de ces données transcriptomiques au sein de réseaux géniques a permis d'identifier des gènes candidats intéressants comme acteurs possibles de la signalisation feuilles-racines