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International audience; Lateral roots originate deep within the parental root from a small number of founder cells at the periphery of vascular tissues and must emerge through intervening layers of tissues. We describe how the hormone auxin, which originates from the developing lateral root, acts as a local inductive signal which re-programmes adjacent cells. Auxin induces the expression of a previously uncharacterized auxin influx carrier LAX3 in cortical and epidermal cells directly overlaying new primordia. Increased LAX3 activity reinforces the auxin-dependent induction of a selection of cell-wall-remodelling enzymes, which are likely to promote cell separation in advance of developing lateral root primordia.

Establishment of arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis in rice can promote its growth and tolerance to abiotic stress such as drought by improving its access to nutrient and water. The use of AM fungi (AMF) as bio-fertilizer therefore represent an interesting avenue for improving sustainability and resilience of rice cultivation in a context of land degradation and climate change. However, AM-symbiosis can in some context lead to detrimental effect on rice growth. Recent studies suggest that rice response to inoculation can, in addition to fungi and to environmental characteristics, be influenced by specific genetic determinants in rice. In this work, our objectives were to identify QTLs associated with plant response to AM-symbiosis when grown under irrigated and water deficit conditions. For this, plant growth conditions allowing root infection by the AM fungi Rhizophagus irregularis and compatible with high-throughput phenotyping were first determined. Secondly, a fully sequenced panel of 150 African rice (O. glaberrima) was phenotyped for shoot biomass across growth in inoculated and non-inoculated conditions using an imaged-based high-throughput phenotyping platform. Plants were grown in inoculated or non-inoculated conditions for four weeks under irrigation followed by a water deficit for three weeks. In our conditions, a negative effect of inoculation on shoot growth was observed at early vegetative growth under irrigated conditions (at 28 days after sowing; DAS) and after drought stress (at 46 DAS). Expression analyses of rice marker genes involved in different steps of rice/RI interaction, combined with visual observations of fungi structures in the root revealed that the plant established a pre-symbiotic dialogue with the fungi without establishing functional symbiosis. Association analyses between genotype and phenotype for shoot biomass under the inoculated treatment at 28 DAS identified a QTL containing a gene involved in nitrate transport. Our results open interesting ways regarding the role of nitrogen nutrition on AM-symbiosis establishment., La symbiose endomycorhizienne peut améliorer la croissance et la résistance aux stress abiotiques chez le riz en améliorant son accès à l’eau et aux nutriments. L’utilisation de champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) comme bio-fertilisants représente donc une perspective intéressante pour améliorer la résilience et la durabilité de la riziculture dans un contexte de dégradation des sols et de changement climatique. Cependant, la symbiose endomycorhizienne peut dans certains contextes s'avérer inefficace ou même induire des effets négatifs sur la croissance du riz. Des études récentes suggèrent que la réponse du riz à l’inoculation par un champignon endomycorhizien pourrait être contrôlée, en plus des paramètres fongiques et environnementaux, par les caractéristiques génétiques de la plante de riz. L’objectif de cette thèse est d’identifier des traits à caractères quantitatifs (QTLs) associés à la réponse du riz à l’inoculation par un CMA au cours de sa croissance en condition irriguée et de stress hydrique. Pour cela, des conditions favorisants l’infection des racines de riz par le CMA Rhizophagus irregularis et compatibles avec le phénotypage haut-débit ont d’abord été déterminées. Dans un second temps, un panel de 150 génotypes de riz africain (Oryza glaberrima) aux génomes séquencés a été phénotypé pour la biomasse des parties aériennes au cours de la croissance en condition inoculé et non-inoculé grâce à une plateforme de phénotypage haut-débit. Les plantes ont ainsi été cultivées en conditions inoculées ou non-inoculées pendant quatre semaines avec irrigation suivies de trois semaines de déficit hydrique. Un effet négatif de l’inoculation sur la croissance a pu être observé au stade précoce en condition irriguée (à 28 jours après semis ; JAS) et après un stress hydrique (à 46 JAS) chez la majorité de génotypes. Des analyses d’expression de gènes marqueurs de l'interaction riz/RI couplées à l’observation visuelle des structures fongiques dans la racine ont révélé la mise en place d’un dialogue pré-symbiotique, sans mettre en évidence l’établissement d’une symbiose fonctionnelle. Des analyses d’association entre génotype et la biomasse aérienne en traitement inoculé à 28 JAS ont permis d’identifier un QTL contenant un gène impliqué dans le transport du nitrate. Ces résultats ouvrent des perspectives intéressantes sur le rôle de la nutrition azotée dans l’établissement de la symbiose endomycorhizienne.

Post-embryonic lateral root organogenesis plays an essential role in defining plant root system architecture, and therefore plant growth and fitness. The aim of the thesis is to elucidate the gene regulatory network regulating lateral root development and de novo root meristem formation during root branching in the model plant Arabidopsis thaliana by combining a system-biology based analysis of lateral root primordium transcritome dynamics with the functional characterization of genes possibly involved in regulating lateral root organogenesis.The first part of the thesis deals with the identification the target genes of PUCHI, an AP2/EREBP transcription factor that is involved in controlling cell proliferation and differentiation during lateral root formation. We showed that loss of PUCHI function leads to defects lateral root initiation and primordium growth and organisation. We found that several genes coding for proteins of the very long chain fatty acid (VLCFA) biosynthesis machinery are transiently induced in a PUCHI-dependent manner during lateral root development. Moreover, a mutant perturbed in VLCFA biosynthesis (kcs1-5) displays similar lateral root development defects as does puchi-1. In addition, puchi-1 loss of function mutant roots show enhanced and continuous callus formation in auxin-rich callus induction medium, consistent with the recently reported role of VLCFAs in organizing separated callus proliferation on this inductive growing medium. Thus, our results show that PUCHI positively regulates the expression of VLCFA biosynthesis genes during lateral root development, and further support the hypothesis that lateral root and callus formation share common genetic regulatory mechanisms.A second part of the thesis specifically addresses the issue of identifying key regulators of root meristem organization in the developing lateral root primordium. Material enabling the tracking of meristem cell identity establishment in developing primordia with live confocal microscopy was generated. A gene network inference was run to predict potential regulatory relationships between genes of interest during the time course of lateral root development. It identified potential regulators of quiescent center formation, a key step in functional organization of the lateral root primordia into a new root apical meristem. The characterization of some of these candidate genes was initiated.Altogether, this work participated in deciphering the genetic regulation of lateral root formation in Arabidopsis thaliana .; L’organogenèse post-embryonnaire des racines latérales joue un rôle essentiel dans l’établissement de l’architecture du système racinaire des plantes, et donc dans leur croissance et leur performance. L’objectif de cette thèse est de caractériser le réseau de gènes régulant le développement des racines latérales et en particulier, l’organisation fonctionnelle du primordium de racine latérale, formant un nouveau méristème racinaire, chez la plante modèleArabidopsis thaliana en combinant des études de biologie des systèmes appliquées à la dynamique du transcriptome lors de la formation des racines latérales avec la caractérisation fonctionnelle de gènes candidats pour la régulation de ce phénomène d’organogenèse.La première partie de la thèse concerne l’identification des cibles de PUCHI, un facteur de transcription de type AP2/EREBP impliqué dans le contrôle de la prolifération et de la différentiation cellulaire dans le primordium de racine latérale. Le phénotype liés à la parte de fonction de PUCHI a été caractérisé en détail et à mis en évidence un rôle de ce facteur de transcription dans l'initiation des racines latérales et le développement et l'organisation des primordia. Par l’analyse de profils spatiaux et temporels d’expression de gènes, nous avons pu mettre en évidence que l’expression de gènes codant des protéines impliquées dans la biosynthèse des acides gras à très longues chaînes (VLCFA) est transitoirement activée durant la formation de la racine latérale et que cette dynamique est dépendante de PUCHI. De plus, le mutant kcs1-5, perturbé dans la biosynthèse de VLCFAs, présente un phénotype de développement des racines latérales similaire à celui de puchi-1. Par ailleurs, la perte de fonction puchi-1 augmente fortement la formation de cals continus dans des racines cultivées sur milieu inducteur riche en auxine, ce qui est cohérent avec le rôle récemment décrit des VLCFA racinaires dans la formation et l’organisation de cals distincts lorsque la racine est cultivé sur milieu inducteur de cals. L'ensemble de nos résultats démontre que PUCHI régule positivement l’expression de gènes de biosynthèse de VLCFAs lors de la formation de racines latérales et la callogenèse. Nos résultats confortent également l’hypothèse selon laquelle la formation des racines latérales et celle de cals racinaires partagent des mécanismes de régulation communs.La seconde partie de la thèse s’intéresse à l’identification de facteurs régulateurs clés dans l’organisation fonctionnelle du primordium de racine latérale et particulièrement, l’organisation d’un nouveau méristème racinaire. J’ai contribué à produire de nouvelles lignées de plantes permettant de suivre en temps réel par microscopie confocale la mise en place des identités cellulaires caractéristiques d’un méristème racinaire dans le primordium de racine latérale en développement. En utilisant un algorithme d’inférence de réseau de gènes, j’ai produit puis analysé les relations prédites de régulation entre gènes d’intérêt, afin d’identifier des gènes candidats potentiellement impliqués dans la formation du centre quiescent, un élément clé dans l’organisation du primordium et la mise en place du nouveau méristème racinaire. La caractérisation fonctionnelle de certains de ces gènes candidats a été initiée.Ces travaux de thèse ont donc contribué à mieux comprendre les mécanismes de régulation de la formation des racines latérales chez Arabidopsis thaliana.

Actinorhizal plants belonging to 8 families of angiosperms can enter symbiosis with a soil actinomycete called Frankia. This interaction leads to the formation of nitrogen fixing nodules on the plant root system. The actinorhizal nodule is considered as a modified lateral root because i) it originates from divisions of pericycle cells situated in front of xylem poles, ii) its vasculature is central and its growth is indeterminate due to the presence of an apical meristem and iii) in some species such as Casuarina glauca a so-called “nodular root” is formed at the apex of each nodule lobe. Auxin, and more particularly auxin influx, is involved in lateral root formation. We identified auxin influx transporter genes in the actinorhizal plant C. glauca and studied the role of auxin influx transport during actinorhizal nodule formation.Two AUX-LAX genes encoding for auxin influx carriers have been identified in C. glauca. The expression patterns of CgAUX1 and CgLAX3 are highly conserved between C. glauca and Arabidopsis thaliana. Functional complementation of the Arabidopsis aux1 mutant revealed that CgAUX1 and AtAUX1 share equivalent functions. Our data suggest that functional divergence exists in the AUX-LAX family.We analysed the role of these genes during the actinorhizal symbiosis. Expression studies showed that CgAUX1 is expressed in all infected cells. Moreover, we confirmed that auxin influx transport is involved in the symbiotic process by taking advantage of an auxin influx transport inhibitor. We also observed that CgAUX1 is expressed in lateral root primordium but not in nodule primordium thus pinpointing some differences in the developmental program of these two organs.We then tried to identify the mechanisms acting downstream of auxin influx transport by studying the role of AtLAX3 in Arabidopsis. We showed that a set of cell wall remodeling genes are induced by auxin in a AtLAX3 dependent way during lateral root emergence. We next tried to identify cell wall remodeling genes that could be involved in the infection process in a CgAUX1 dependent way. Cg12 encodes for a subtilisin-like protease that is specifically expressed in Frankia infected cells and could be a target of CgAUX1 dependent auxin signaling.Our results suggest that auxin influx transport is involved in the infection process during actinorhizal nodule formation in C. glauca.; Les plantes actinorhiziennes appartiennent à 8 familles d'angiosperme et forment une symbiose fixatrice d'azote avec l'actinomycète du sol Frankia qui aboutit à la formation de nodules au niveau du système racinaire de la plante. Le nodule actinorhizien est considéré comme une racine latérale modifiée car i) il provient de divisions des cellules du péricycle situées en face du pôle de xylème, ii) il possède un méristème apical et un système vasculaire central et iii) chez certaines espèces comme Casuarina glauca une racine nodulaire est produite à l'apex de chaque lobe nodulaire. L'auxine, et notamment le transport d'influx, est impliquée dans la mise en place de la racine latérale. Nous avons donc identifié des gènes de transporteurs d'influx d'auxine chez la plante actinorhizienne C. glauca et étudié le rôle du transport d'influx au cours de la mise en place du nodule actinorhizien.Deux gènes de la famille AUX-LAX codant des transporteurs d'influx d'auxine ont été identifiés C. glauca. Les profils d'expression des gènes CgAUX1 et CgLAX3 sont très conservés entre C. glauca et Arabidopsis thaliana. De plus, des analyses fonctionnelles par complémentation de mutants d'A. thaliana ont mis en évidence une équivalence entre CgAUX1 et AtAUX1. Nos études suggèrent également qu'il existe une divergence fonctionnelle au sein de la famille AUX-LAX.Nous avons analysé le rôle de ces gènes au cours de la mise en place de la symbiose. Notre étude montre que le gène CgAUX1 est exprimé dans les cellules infectées tout au long de l'infection. De plus, le rôle du transport d'influx d'auxine dans le mécanisme d'infection a été confirmé par l'utilisation d'un inhibiteur du transport d'influx. Par ailleurs, le gène CgAUX1 est exprimé dans le primordium de racine latérale mais pas dans le primordium nodulaire. Cela suggère que ces deux organes présentent des différences dans leur programme de développement.Afin d'identifier les mécanismes agissant en aval du transport d'influx d'auxine, nous avons étudié le rôle d'AtLAX3 chez Arabidopsis. Nous avons montré qu'un certain nombre de gènes de remodelage de la paroi sont induits par l'auxine de façon dépendante d'AtLAX3 au cours de l'émergence de la racine latérale. Nous avons cherché à identifier des gènes de remodelage de la paroi qui pourraient être impliqués dans l'infection par la bactérie Frankia de façon dépendante de CgAUX1. Cg12 qui code une protéase de type subtilisine spécifiquement exprimée dans les cellules infectées pourrait être une cible de la signalisation auxinique dépendante de CgAUX1.Nos résultats suggèrent que le transport d'influx d'auxine est impliqué dans la mise en place du nodule actinorhizien chez C. glauca.