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The development of a symbiotic nitrogen-fixing nodule in legumes involves infection and organogenesis. Infection begins when rhizobia enter a root hair through an inward structure, the infection thread (IT), which guides the bacteria towards the cortical tissue. Concurrently, organogenesis takes place by inducing cortical cell division (CCD) at the infection site. Genetic analysis showed that both events are well-coordinated; however, the dynamics connecting them remain to be elucidated. To visualize the crossroads between IT and CCD, we benefited from the fact that, in Phaseolus vulgaris nodulation, where the first division occurs in subepidermal cortical cells located underneath the infection site, we traced a Rhizobium etli strain expressing DsRed, the plant cytokinesis marker YFP-PvKNOLLE, a nuclear stain and cell wall auto-fluorescence. We found that the IT exits the root hair to penetrate an underlying subepidermal cortical (S-E) cell when it is concluding cytokinesis.

Sterols are lipid components of eukaryotic membranes. Alterations of membrane sterol composition perturb the execution of cell division, which in diverse eukaryotes can have severe consequences for development of the organism. Partitioning of the cytoplasm during cell division occurs at the final stage of cell division named cytokinesis. In somatic plant cells, cytokinesis is initiated by fusion of membrane vesicles in the plane of cell division resulting in a transient compartment termed the cell plate. Cell plate maturation relies on temporal and spatial orchestration of membrane fusion and endocytosis. Impaired vesicle fusion or defects in endocytosis result in cytokinetic defects. In Arabidopsis thaliana, the KNOLLE and DYNAMIN-RELATED PROTEIN 1A (DRP1A) contribute to cytokinesis. KNOLLE mediates fusion of vesicles at the plane of cell division while DRP1A appears to be involved in cell plate maturation through its role in clathrin-mediated endocytosis. This thesis shows that KNOLLE is specifically restricted to the cell division plane through sterol-dependent endocytosis that involves a clathrin- and DRP1A-mediated mechanism. Sterols affect internalization of KNOLLE through their role in lateral membrane organization by keeping diffusion of KNOLLE to lateral membranes in check via its endocytic removal. It is shown that the cell plate represents a high-lipid-order membrane domain that depends on the correct composition and the right concentration of sterols. Accumulation of DRP1A at the cell plate requires correct sterol concentration and composition similar to high-lipid order. Conversely, high-lipid-order at the cell plate relies on DRP1A activity suggesting a feedback between DRP1A function and lipid order establishment. Finally, it is shown that sterols are also present at the tonoplast of dividing and elongated root cells. Taken together, the results reveal that formation of the cell plate in Arabidopsis thaliana depends on an intricate interplay between cytokinetic vesicle fusion, sterol-dependent lateral membrane and high-lipid-order domain organization as well as endocytic machinery function.

Trehalose-6-Phosphat (T6P) ist ein essentieller Signalmetabolit in Pflanzen. Es ist notwendig für die Regulation des Kohlenhydratmetabolismus und für die Steuerung der Entwicklung und des Wachstums. In planta Manipulationen des T6P Gehalts, sei es durch Einbringen eines Transgens in den TPS/TPP Weg oder durch Ausschalten einer der Komponenten des endogenen Trehalose Synthesewegs, erlaubten die Identifikation von T6P abhängigen Mechanismen in der Embryogenese, der Saccharosesignaltransduktion und im Zuge dessen der Stärkesynthese und der gewebsspezifischen Modulation des zentralen Stoffwechsel-regulators SnRK1. Um die Funktionen von T6P in einem heterotrophen Pflanzengewebe zu untersuchen wurden transgene Kartoffelpflanzen hergestellt, die unter der Kontrolle des knollenspezifischen B33 Promotors die E. coli Isoenzyme des TPS/TPP Weges OtsA und OtsB überexprimieren um den T6P Gehalt zu erhöhen bzw. zu reduzieren. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass ein modulierter Gehalt an T6P die Entwicklung und den Kohlenhydratmetabolismus von transgenen Kartoffelknollen massiv beeinflusst. Ein reduzierter Gehalt an T6P führte, wie in autotrophem Gewebe, zu einer Akkumulation von Hexose-Phosphaten und zu einer Störung in der Verwertung von Saccharose, bei gleichzeitiger Akkumulation derselben aufgrund von induzierter SPS Aktivität. Die Gesamtbiomasse der Knollen von B33-TPP Pflanzen war massiv reduziert. Auf der anderen Seite konnte gezeigt werden, dass ein erhöhter Gehalt an T6P, anders als in photoautotrophem Blattmaterial, nicht zu einer Aktivierung der AGPase und infolgedessen zu einer erhöhten Stärkesynthese führte. Während die Stärkesynthese in den B33-TPS Linien nicht betroffen war, führte eine erhöhte Respirationsrate infolge eines erhöhten Flusses durch den Zitratzyklus zu einer reduzierten Stärkeausbeute bezogen auf das Frischgewicht. In beiden transgenen Ansätzen war das Verhältnis von ATP zu ADP und damit vermutlich die ‚Adenylat Energieladung’ reduziert. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass das Keimungsverhalten von B33-TPP und B33-TPS Knollen stark von dem im Wildtyp verschieden war. Während B33-TPP Knollen hypersensitiv gegenüber Behandlung mit Gibberellinsäure und Cytokinin waren und nach stark verkürzter Dormanz keimten, zeigte sich, dass B33-TPS Knollen verzögert keimten und gegenüber Behandlung mit den Phytohormonen insensitiv waren. Der Gesamtgehalt an Abscisinsäure (ABA) in den Knollen mit reduziertem T6P war geringer als im Wildtyp und der ABA Katabolismus induziert. In den B33-TPS Knollen war zwar ein ABA abbauendes Enzym reprimiert, jedoch der Gehalt an ABA über die ganze Knolle nicht verändert. T6P könnte ein endogener Inhibitor der Knollenkeimung sein. In B33-TPP Knollen ist vermutlich die Aktivität der SnRK1 Kinase dereprimiert. Die SnRK1 Kinase ist das pflanzliche Homolog des konservierten Energie- und Nährstoffsensors AMPK und reguliert Stoffwechselflüsse, die Energiehomöostase und höchstwahrscheinlich das Wachstum des Organismus, angepasst auf die vorliegenden Bedingungen. Es konnte gezeigt werden, dass T6P ein in vitro Inhibitor des SnRK1 Komplexes aus Kartoffelknolle ist. In den Knollen mit reduziertem T6P Gehalt waren eine Reihe von Zielgenen der SnRK1 Kinase in die für eine Repression der SnRK1 durch T6P erwartete Richtung reguliert. Ein Großteil der modulierten Transkripte schien in B33-TPS Knollen symmetrisch reguliert. Es konnte anhand von Fütterung in Wildtypknollen gezeigt werden, dass eine Zufuhr von exogener Saccharose oder Trehalose den Gehalt an T6P im Knollenmaterial erhöht und vergleichbare Änderungen in den SnRK1 responsiven Transkripten wie Überexpression von TPS hervorruft. Aus den Daten der Transkriptomanalyse konnte ein viel versprechendes Kandidatengen für einen T6P responsiven Transkriptionsfaktor identifiziert werden. Ein Zink Finger Transkriptionsfaktor der GATA Familie wurde als T6P reprimiertes Transkript sowohl in Arabidopsis thaliana als auch in Solanum tuberosum bei Modulation des T6P Gehalts identifiziert. Die physiologischen und molekularen Untersuchungen deuten darauf hin, dass T6P in Kartoffelknollen ein Signal für die Verfügbarkeit von Saccharose darstellt. Es reguliert in diesem Zusammenhang, zumindest teilweise durch Modulation der Aktivität des SnRK1 Komplexes, Wachstumsprozesse und die Entwicklung von Organen durch Steuerung der Zellteilungsaktivität. Damit ist T6P ein Integrator des Metabolismus und des Wachstums. Die T6P Signaltransduktion in Kartoffelknolle unterscheidet sich teilweise von den bisher im Source-Blatt beschriebenen Funktionen. Obwohl aus den Analysen von transgenen Kartoffelknollen neue Erkenntnisse gewonnen wurden, müssen die Rezeptoren und Signalkaskaden der T6P Signaltransduktion eingehender untersucht werden. Trehalose-6-Phosphate (T6P) is an essential signalling metabolite in plants. It is necessary for the regulation of carbohydrate metabolism and for the control of development and growth. In planta manipulation of the T6P content, either through insertion of a transgene into the TPS/TPP way or by knocking out a component of the endogenous trehalose biosynthetic pathway, allowed to identify T6P dependent mechanisms in embryogenesis, sucrose signal transduction and in the course of that, starch synthesis and tissue specific modulation of the central metabolic regulator SnRK1. To investigate the mode of action of T6P in a heterotrophic plant tissue, transgenic potato plants were engineered, that overexpressed the E. coli derived isoenzymes of the TPS/TPP pathway OtsA and OtsB under the control of the tuber specific B33 promoter to increase or decrease T6P content, respectively. In the context of this work, it could be shown that a modulated content of T6P massively impaired the development and the carbohydrate metabolism in transgenic potato plants. A reduced content of T6P led to accumulation of hexose-phosphates and interfered with the utilisation of sucrose just as in autotrophic tissue and mediated the accumulation of the latter by induced SPS activity. The total tuber biomass yielded from the B33-TPP plants was massively reduced. On the other hand it could be shown that, in contrast to photoautotrophic leaf tissue, an increased content of T6P did not activate the AGPase and subsequently did not bring about boosted starch synthesis. While the starch synthesis in B33-TPS lines was not negatively affected, an increased respiration rate as consequence of increased flux through the citrate cycle constituted a reduced starch yield per freshweight. In both transgenic approaches the ratio of ATP to ADP, and therefore probably the adenylate energy charge, was reduced. It could be shown that the sprouting properties of the B33-TPP and B33-TPS tubers strongly differed from the wildtype. While B33-TPP tubers were hypersensitive towards treatment with Gibberellic acid and Cytokinin and sprouted after a syncopated period of dormancy, it appeared that B33-TPS tubers sprouted with delay and were insensitive for treatment with these phytohormones. The total content of Abscisic acid (ABA) in tubers with reduced T6P content was considerably lower than in the wildtype and ABA catabolism was induced. In B33-TPS tubers an ABA catabolic enzyme was indeed repressed, but the total content of free ABA was not modulated. T6P could as well be an endogenous inhibitor of tuber sprouting. In B33-TPP tubers the SnRK1 kinase was probably de-repressed. The SnRK1 is the plant homologue of the conserved energy and nutrient sensor AMPK which is indispensable for the regulation of metabolic fluxes, energy homeostasis and most probably growth of the organism in accordance to present conditions. It could be shown that T6P is an in vitro inhibitor of the potato tuber SnRK1 complex. In tubers with reduced content of T6P a bulk of target genes of the SnRK1 kinase were regulated in the direction expected for T6P repression of SnRK1. A major part of the modulated transcripts seemed to be regulated symmetrically in B33-TPS tubers. On the basis of feeding wildtype tubers it could be shown that application of exogenous sucrose and trehalose increased the content of T6P in tuber material and brought upon changes comparable to overexpression of TPS in SnRK1 responsive transcripts. Derived from the data obtained in the transcriptome analysis a promising candidate gene for a T6P responsive transcription factor could be identified. A zinc-finger transcription factor of the GATA family was found to be repressed by T6P in Arabidopsis thaliana as well as in Solanum tuberosum and induced upon depletion of this metabolite. The physiological and molecular surveys indicated that T6P is a metabolite signalling the availability of sucrose in potato tubers. In the course of this, it regulates growth and organ development through altering cell division, at least partially by modulation of SnRK1 activity. Therefore, T6P is an integrator of metabolism and growth. The events of T6P signal transduction differ from those previously observed in source tissue to some extent. Even though the analysis of transgenic potato tubers generated new insights, the underlying receptors and signalling cascades of T6P signal transduction must be further investigated.

Der Anbau von Topinambur (Helianthus tuberosus L.) als nachwachsender Rohstoff hat trotz vielversprechenden Potentials noch keinen Einzug in die Praxis gefunden. Ein Grund dafür ist, dass bei der maschinellen Rodung durchschnittlich ein Drittel der Knollen im Boden verbleiben, die im nächsten Jahr in der nachfolgenden Frucht wieder als Durchwuchs austreiben. In einem Feldversuch wurden zwei verschiedene Rodungsmethoden für Topinamburknollen in den beiden Jahren 2009 und 2010 verglichen: die Rodung mit Weideschweinen und die maschinelle Rodung mit einem Schleuderradroder. Die Methoden unterschieden sich im Rodungszeitpunkt und der Dauer (Rodung mit Weideschweinen: 50 Tage zwischen Mai und Oktober, maschinelle Rodung: 1 Tag im März). Bei der Rodung mit Weideschweinen wurden sechs Tiere für eine reine Topinamburfläche von 96 m2 eingesetzt, wobei pro Tier und Tag eine Fläche von durchschnittlich 0,34 m2 gerodet wurde. Um den Rodungserfolg der jeweiligen Methode bewerten zu können, wurde die Anzahl im Boden befindlicher Knollen unmittelbar vor und nach der Rodung gezählt. Bei der Rodung nicht erfasste Knollen, die wieder austrieben, wurden über Zählung der Durchwuchspflanzen in der nachfolgenden Kultur bestimmt. Die Rodung mit den Weideschweinen erwies sich als sehr effiziente Methode, um den überwiegenden Teil der Knollen aus dem Boden zu entfernen. Unmittelbar nach der Rodung wurden hier weniger als 3 Knollen m–2 gefunden, während es bei der maschi­nellen Rodung durchschnittlich 74 Knollen m–2 waren. Dieser Unterschied war auch in der Anzahl der Durchwuchspflanzen in der nachfolgenden Kultur deutlich sichtbar (Rodung mit Weideschweinen: weniger als 1 Durchwuchspflanze m–2, maschinelle Rodung: 31 Durchwuchspflanzen m–2). Die Entfernung von Topinamburknollen von einer Fläche durch Weideschweine stellt eine Möglichkeit zur effizienten Verminderung des Topinamburdurchwuchses in der nachfolgenden Kultur dar, auch wenn sie nur in einigen Betrieben umsetzbar ist., Journal für Kulturpflanzen, Vol. 63 No. 6 (2011): Biannual issue crop science

Mes travaux de recherche, au travers de 3 approches distinctes, se focalisent sur l'analyse du développement d'Arabidopsis thaliana. Ainsi, ma thèse a porté sur la caractérisation génétique, physiologique, cytologique et moléculaire d'une classe de mutants de développement d'Arabidopsis thaliana : les mutants " tonneau " et a permis de montrer que les gènes TON, impliqués dans l'ancrage du cytosquelette cortical à la membrane jouaient un rôle majeur dans le développement de la plantule. Au cours de mon stage post doctoral j'ai étudié le rôle de la protéine KNOLLE dans le trafic vésiculaire et plus précisément dans la formation du phragmoplaste et de son impact sur la division cellulaire et la formation de l'embryon d'Arabidopsis. Depuis mon recrutement à l'INRA, je me suis plus particulièrement intéressé au développement racinaire adaptatif tout d'abord en réponse à une carence en phosphore puis en réponse à l'apport de nitrate. Au travers d'approches combinées de génétique, transcriptomique, physiologie, biologie cellulaire et moléculaire, j'ai pu caractériser les réponses adaptatives et identifier plusieurs gènes clés. L'évolution récente de mon activité de recherche m'a conduit à aborder un des aspects majeurs de la nutrition minérale que constituent les mécanismes de détection et de signalisation d'un élément nutritif. Nous avons ainsi pu identifier que le transporteur de nitrate NRT1-1 jouait un rôle de senseur de nitrate et activait une voie de signalisation impliquant l'auxine conduisant à une modification de l'architecture du système racinaire. Le programme de recherche que je vais développer dans les prochaines années concerne la caractérisation des bases moléculaires impliquées dans les signalisations nitrate NRT1-1-dépendantes.

[gezeichnet von Johann Melchior Füssli] ; [ergänzt von Johann Daniel Preissler], Vorzeichnung zu Johann Jakob Scheuchzer: Physica Sacra, 1731, Abtheilung 2, nach S. 544, Tafel 300 (ZB III ZZ 55), Illustriert Num 11,4-5, Zeichnung von Füssli, ornamentaler Rahmen mit Feder in Schwarz von Preissler ergänzt, Vermutlich im 18. Jh. unten rechts mit Feder in Braun bezeichnet "Joh. Daniel Preisler fecit 1692", Im 19. Jh. entlang der Rahmung ausgeschnitten, auf violettes Papier montiert und in einer Box aus grüner Leine mit weiteren Vorzeichnungen aufbewahrt