Search

Cluster roots (CRs) are striking root developmental adaptations to soils with scarce nutrient avaibility. The development of these spectacular structures, made of dozen of short packed small roots named rootlets, is mainly triggered in phosphate-deprived conditions. These particular secondary root stuctures are dedicated to improve phosphate acquisition by the plant, and are of interest for plant nutrition. Surprisingly, even though white lupin (Lupinus albus) is a model species for the study of CRs, little information can be found about their formation and the molecular mechanisms behind it.To better understand rootlet formation in white lupin, an anatomical description was performed. Starting with a tissular study, 8 stages in rootlet primordium development were defined by analogy with the model plant Arabidopsis thaliana. Due to the major role of the phytohormone auxin in the formation of lateral roots, the work was next focussed on auxin response. The expression of the DR5:GUS auxin reporter showed that an auxin maximum was gradually established at the tip of the rootlet primordium.With the aim to improve the description of rootlet primordium development, cell divisions dynamic and tissue differentiation were studied. Using tissue-specific markers (AtCYCB1 ;1, LaWOL, LaSCR, LaPEP), cell divisions were observed not only in the pericycle, but also in the endodermis and the cortex, suggesting a contribution of these tissues to the formation of the rootlet primodium. Following these divisions, tissues started to differentiate to form a higly-organized meristem, whose cellular organization was described with the same set of molecular markers.Lastly, a transcriptomic approach was performed on two detailed transcriptomics datasets describing rootlet development in a spatial and temporal manner. Analysis of gene expression profiles during the early steps of rootlet formation enabled the identification of specific expression profiles and the selection of candidate genes for functional analyses. Inhibiting the activity of 9 transcription factors (by fusing them with the SRDX repressor domain) allowed the identification of three genes for which repression prevented rootlet formation, suggesting a crucial role for LaLBD16, LaERF12 and LaSTY1 during rootlet organogenesis.This thesis work suggests that a lateral root developmental program may have been recycled for the formation of cluster roots. The molecular mechanisms governing the massive induction of rootlets at the origin of the developmental curiosity that are cluster roots remain to be determined. In the future, this work may allow to transfer the ability to produce these structures to other crop species to expand their soil exploration capacity and improve their phosphate nutrition.; Les racines protéoïdes (RPd) sont une des adaptations développementales les plus frappantes du système racinaire exposé à des sols pauvres en nutriments. Le développement de ces structures spectaculaires, composées de dizaines de petites racines nommées rootlettes, se déclenche principalement en réponse à une carence en phosphate (Pi). Ces racines particulières sont dédiées à améliorer l’acquisition du Pi par la plante et sont importantes pour sa nutrition. De façon surprenante, bien que le lupin blanc soit considéré comme une espèce modèle pour la formation des RPd, très peu d’informations sont actuellement disponibles sur leur formation et sur les mécanismes moléculaires qui contrôlent ce processus développemental.Afin de mieux comprendre comment se forment les rootlettes chez le lupin blanc, une description anatomique a été réalisée. Une étude tissulaire a permis de définir 8 stades dans le développement du primordium de rootlette, par analogie avec la formation des racines latérales chez Arabidopsis. Du fait du rôle majeur de l’auxine dans la formation des racines latérales, l’étude s’est focalisée sur les mécanismes reliés à cette hormone. L’expression du rapporteur auxinique DR5:GUS, chez le lupin blanc, a montré l’existence d’un maximum d’auxine, graduellement établi à l’apex du primordium de rootlette.Dans le but de générer une description détaillée du développement du primordium de rootlette, la dynamique des divisions cellulaires et la différenciation des tissus ont été étudiées. L’utilisation de marqueurs spécifiques des tissus de la racine protéoïde (CYCB1 ;1, LaWOL, LaSCR, LaPEP) a identifié des divisions non seulement dans le péricycle, mais également dans l’endoderme et le cortex, suggérant une contribution de ces tissus à la formation du primordium. A la suite de ces divisions, les tissus commencent à se différencier pour former un méristème dont l’organisation cellulaire a été décrite grâce au même jeu de marqueurs moléculaires.Enfin, une approche de transcriptomique a été réalisée sur deux jeux de données détaillés décrivant le développement des rootlettes de façon spatiale et temporelle. L’analyse de l’expression des gènes au cours des étapes précoces de la formation des rootlettes a permis de dresser des profils types d’expression et de sélectionner des gènes candidats pour des analyses fonctionnelles. De plus, le blocage de l’activité de 9 facteurs de transcription (par fusion avec le domaine répresseur SRDX) a permis d’identifier 3 gènes dont la répression bloque la formation des racines protéoïdes, suggérant un rôle important de LaLBD16, LaERF12 et LaSTY1 dans l’organogénèse des rootlettes.Ce travail de thèse suggère que le programme développemental de la racine latérale a pu être recyclé pour la formation des racines protéoïdes. Il reste à déterminer les mécanismes moléculaires qui gouvernent l’induction massive des rootlettes à l’origine de la curiosité développementale que sont les racines protéoïdes. Ces travaux permettront peut-être de transférer la capacité à produire ces structures à d’autres espèces cultivées pour élargir leur capacité à explorer le sol et améliorer leur nutrition phosphatée.

Cluster roots (CRs) are striking root developmental adaptations to soils with scarce nutrient avaibility. The development of these spectacular structures, made of dozen of short packed small roots named rootlets, is mainly triggered in phosphate-deprived conditions. These particular secondary root stuctures are dedicated to improve phosphate acquisition by the plant, and are of interest for plant nutrition. Surprisingly, even though white lupin (Lupinus albus) is a model species for the study of CRs, little information can be found about their formation and the molecular mechanisms behind it.To better understand rootlet formation in white lupin, an anatomical description was performed. Starting with a tissular study, 8 stages in rootlet primordium development were defined by analogy with the model plant Arabidopsis thaliana. Due to the major role of the phytohormone auxin in the formation of lateral roots, the work was next focussed on auxin response. The expression of the DR5:GUS auxin reporter showed that an auxin maximum was gradually established at the tip of the rootlet primordium.With the aim to improve the description of rootlet primordium development, cell divisions dynamic and tissue differentiation were studied. Using tissue-specific markers (AtCYCB1 ;1, LaWOL, LaSCR, LaPEP), cell divisions were observed not only in the pericycle, but also in the endodermis and the cortex, suggesting a contribution of these tissues to the formation of the rootlet primodium. Following these divisions, tissues started to differentiate to form a higly-organized meristem, whose cellular organization was described with the same set of molecular markers.Lastly, a transcriptomic approach was performed on two detailed transcriptomics datasets describing rootlet development in a spatial and temporal manner. Analysis of gene expression profiles during the early steps of rootlet formation enabled the identification of specific expression profiles and the selection of candidate genes for functional analyses. Inhibiting the activity of 9 transcription factors (by fusing them with the SRDX repressor domain) allowed the identification of three genes for which repression prevented rootlet formation, suggesting a crucial role for LaLBD16, LaERF12 and LaSTY1 during rootlet organogenesis.This thesis work suggests that a lateral root developmental program may have been recycled for the formation of cluster roots. The molecular mechanisms governing the massive induction of rootlets at the origin of the developmental curiosity that are cluster roots remain to be determined. In the future, this work may allow to transfer the ability to produce these structures to other crop species to expand their soil exploration capacity and improve their phosphate nutrition.; Les racines protéoïdes (RPd) sont une des adaptations développementales les plus frappantes du système racinaire exposé à des sols pauvres en nutriments. Le développement de ces structures spectaculaires, composées de dizaines de petites racines nommées rootlettes, se déclenche principalement en réponse à une carence en phosphate (Pi). Ces racines particulières sont dédiées à améliorer l’acquisition du Pi par la plante et sont importantes pour sa nutrition. De façon surprenante, bien que le lupin blanc soit considéré comme une espèce modèle pour la formation des RPd, très peu d’informations sont actuellement disponibles sur leur formation et sur les mécanismes moléculaires qui contrôlent ce processus développemental.Afin de mieux comprendre comment se forment les rootlettes chez le lupin blanc, une description anatomique a été réalisée. Une étude tissulaire a permis de définir 8 stades dans le développement du primordium de rootlette, par analogie avec la formation des racines latérales chez Arabidopsis. Du fait du rôle majeur de l’auxine dans la formation des racines latérales, l’étude s’est focalisée sur les mécanismes reliés à cette hormone. L’expression du rapporteur auxinique DR5:GUS, chez le lupin blanc, a montré l’existence d’un maximum d’auxine, graduellement établi à l’apex du primordium de rootlette.Dans le but de générer une description détaillée du développement du primordium de rootlette, la dynamique des divisions cellulaires et la différenciation des tissus ont été étudiées. L’utilisation de marqueurs spécifiques des tissus de la racine protéoïde (CYCB1 ;1, LaWOL, LaSCR, LaPEP) a identifié des divisions non seulement dans le péricycle, mais également dans l’endoderme et le cortex, suggérant une contribution de ces tissus à la formation du primordium. A la suite de ces divisions, les tissus commencent à se différencier pour former un méristème dont l’organisation cellulaire a été décrite grâce au même jeu de marqueurs moléculaires.Enfin, une approche de transcriptomique a été réalisée sur deux jeux de données détaillés décrivant le développement des rootlettes de façon spatiale et temporelle. L’analyse de l’expression des gènes au cours des étapes précoces de la formation des rootlettes a permis de dresser des profils types d’expression et de sélectionner des gènes candidats pour des analyses fonctionnelles. De plus, le blocage de l’activité de 9 facteurs de transcription (par fusion avec le domaine répresseur SRDX) a permis d’identifier 3 gènes dont la répression bloque la formation des racines protéoïdes, suggérant un rôle important de LaLBD16, LaERF12 et LaSTY1 dans l’organogénèse des rootlettes.Ce travail de thèse suggère que le programme développemental de la racine latérale a pu être recyclé pour la formation des racines protéoïdes. Il reste à déterminer les mécanismes moléculaires qui gouvernent l’induction massive des rootlettes à l’origine de la curiosité développementale que sont les racines protéoïdes. Ces travaux permettront peut-être de transférer la capacité à produire ces structures à d’autres espèces cultivées pour élargir leur capacité à explorer le sol et améliorer leur nutrition phosphatée.