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The formation of the haustorium in holoparasitic plants as demonstrated in Phelipanche ramosa is initiated through perception of a host-exudated cytokinin and a cytokinin signaling response., The heterotrophic lifestyle of parasitic plants relies on the development of the haustorium, a specific infectious organ required for attachment to host roots. While haustorium development is initiated upon chemodetection of host-derived molecules in hemiparasitic plants, the induction of haustorium formation remains largely unknown in holoparasitic species such as Phelipanche ramosa. This work demonstrates that the root exudates of the host plant Brassica napus contain allelochemicals displaying haustorium-inducing activity on P. ramosa germinating seeds, which increases the parasite aggressiveness. A de novo assembled transcriptome and microarray approach with P. ramosa during early haustorium formation upon treatment with B. napus root exudates allowed the identification of differentially expressed genes involved in hormone signaling. Bioassays using exogenous cytokinins and the specific cytokinin receptor inhibitor PI-55 showed that cytokinins induced haustorium formation and increased parasite aggressiveness. Root exudates triggered the expression of cytokinin-responsive genes during early haustorium development in germinated seeds, and bio-guided UPLC-ESI(+)-/MS/MS analysis showed that these exudates contain a cytokinin with dihydrozeatin characteristics. These results suggest that cytokinins constitutively exudated from host roots play a major role in haustorium formation and aggressiveness in P. ramosa.

To understand how the identity of an organ can be switched, we studied the transformation of lateral root primordia (LRP) into shoot meristems in Arabidopsis root segments. In this system, the cytokinin-induced conversion does not involve the formation of callus-like structures. Detailed analysis showed that the conversion sequence starts with a mitotic pause and is concomitant with the differential expression of regulators of root and shoot development. The conversion requires the presence of apical stem cells and only LRP at stages VI or VII can be switched. It is engaged as soon as cell divisions resume because their position and orientation differ in the converting organ compared to the undisturbed emerging LRP. By alternating auxin and cytokinin treatments, we showed that the root and shoot organogenetic programs are remarkably plastic because the status of the same plant stem cell niche can be reversed repeatedly within a set developmental window. Thus, the networks at play in the meristem of a root can morph in the span of a couple cell division cycles into those of a shoot, and back, through transdifferentiation.

In the perspective of a second Green Revolution, aiming, unlike the first one, to enhance yields of crops in a low fertility context, the strategies used by plants for an optimal uptake of soil nutrients are at the core of the problem. To solve it and identify ideal breeds among the genetic diversity of crops, plant root systems, their development and their architecture, are called upon to play the leading role. The variability among secondary roots appears as a crucial feature for the optimality of soil exploration and acquisition of mobile and immobile resources, but this phenomenon remains poorly understood. The work presented in this thesis focuses on the lateral roots of maize (Zea mays L.) and attempts to unravel the processes at the origin of intrinsic variations in lateral root development. It relies notably on the phenotyping of individual lateral roots at an unprecedented scale, tracking the daily growth of thousands of them at a high spatial resolution, in order to characterize precisely the spatio-temporal variations existing both between and within root individuals. Individual growth rate profiles were analyzed with a statistical model that identified three main temporal trends in growth rates leading to the definition of three lateral root classes with contrasted growth rates and growth duration. Differences in lateral root diameter at root emergence (originating at the primordium stage) were likely to condition the followed growth trend but did not seem enough to entirely determine lateral root fate. Lastly, these lateral root classes were randomly distributed along the primary root, suggesting that there is no local inhibition or stimulation between neighbouring lateral roots. In order to explain the origin of the observed differences in growth behaviour, we complemented our study with a multi-scale characterization of groups of lateral roots with contrasted growth at a cellular, anatomical and molecular level. A particular focus is set on the analysis of cell length profiles in lateral root apices for which we introduced a segmentation model to identify developmental zones. Using this method, we evidenced strong modulations in the length of the division and elongation zones that could be closely related to variations in lateral root growth. The regulatory role of auxin on the balance between cellular proliferation and elongation processes is demonstrated through the analysis of mutant lines. Ultimately, variations in lateral root growth are traced back to the allocation of carbon assimilates and the transport capacity of the root, suggesting that a feedback control loop mechanism could play a determinant role in the setting out of contrasted lateral root growth trends.; Dans l’optique d’une seconde Révolution Verte, visant, à la différence de la première, à accroître les rendements des cultures dans un contexte de faible fertilité, les stratégies mises en place par les plantes pour une assimilation optimale des nutriments du sol se trouvent au cœur du problème. Afin de le résoudre et d’identifier les variétés idéales parmi la diversité génétique des plantes cultivées, les systèmes racinaires, leur développement et leur architecture, sont appelés à jouer le premier rôle. La variabilité au sein des racines latérales semble s’avérer une caractéristique cruciale pour l’optimisation de l’exploration du sol et de l’acquisition de ses ressources mobiles et immobiles, mais ce phénomène est encore mal appréhendé.Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur les racines latérales du maïs (Zea mays L.) dans un effort pour révéler les processus à l’origine des variations intrinsèques dans le développement racinaire. Il s’appuie en particulier sur le phénotypage des racines latérales à une échelle sans précédent, suivant la croissance journalière de milliers d’entre elles à haute résolution spatiale, pour caractériser précisément les variations spatio-temporelles entre et au sein des individus racinaires. Les profils individuels de vitesse de croissance ont été analysés à l’aide d’un modèle statistique qui a identifié trois principales tendances temporelles dans les vitesses de croissance menant à la définition de trois classes de racines latérales avec une vitesse et durée de croissance distinctes. Des différences de diamètre à l’émergence de ces racines (dont l’origine remonte au stade du primordium) conditionnent probablement la tendance ultérieur de croissance mais ne suffisent pas à déterminer le destin de la racine. Finalement, ces classes racinaires sont distribuées aléatoirement le long de la racine primaire, ce qui suggère qu’aucune stimulation ou inhibition locale n’existe entre racines voisines.Pour expliquer l’origine des variations observées dans la croissance, ce travail a été complété par une caractérisation multi-échelle de groupes de racines latérales présentant une croissance distincte, à un niveau cellulaire, anatomique et moléculaire. Un effort particulier a été dirigé à l’analyse des profils de longueur de cellules dans des apex racinaires pour lequel nous avons introduit un modèle de segmentation pour identifier des zones développementales. Grâce à cette méthode, une forte modulation dans la longueur des zones de division et d’élongation a été mise en évidence, en lien avec les variations de la croissance des racines latérales. Le rôle régulateur de l’auxine sur l'équilibre entre les processus de prolifération et d’élongation cellulaire a été montré avec l’utilisation de lignées mutantes. En fin de compte, les variations de la croissance entre racines latérales sont remontées jusqu’à l’allocation d’assimilats carbonés et la capacité de transport de la racine, ce qui suggère l’existence d’un mécanisme de rétroaction qui pourrait jouer un rôle déterminant dans la mise en place de tendances contrastées dans la croissance des racines latérales.

Plant roots play a key role in reinforcing soils against erosion and shallow landslides through different chemical (formation of soil aggregate) and physical processes (mechanical reinforcement, water infiltration and water suction). Managing vegetated slopes on a longterm perspective to avoid soil loss necessitates understanding and quantifying the dynamics of root-soil interaction. Soil resistance to penetration is a major component that can significantly affect root growth. The impact of soil properties on root growth has been largely studied at the root, plant and vegetation scales, mainly reducing soil properties to a single input variable representing soil impedance. However the mechanical feedback between growing roots and a deformable soil, is still largely unknown. The underlying questions are how the grains are reorganizing under the action of growing roots, and in return how the resulting forces acting on the growing root tips modify its development, including root elongation rate, root shape and ramification. We started answering these questions in a theoretical way, developing a numerical model of root growth in a granular medium. The model is based on the discrete-element method (DEM). Single roots are modelled using chains of connected spheroline elements. The growth is initiated from a circular element placed at the free surface of a granular bed prepared by random pluviation. This circle plays the role of a meristem, which is constantly replicated at a given rate and pushed forward under the action of elastic forces, generating a line of fixed thickness equal to the diameter of the circle and with prescribed stiffness and bending moment. The orientation of the meristem at every growth step is driven by the dynamics of the whole root under the action of its internal elastic forces and reaction forces exerted by the grains. The preliminary model is two-dimensional, which not allows the pore space to be opened as in a 3D situation, consequently limiting root the penetration. To overcome this limitation, we introduce two different diameters for the grains, i.e. a “real” diameter that is considered to calculate grain-grain mechanical interactions, and a smaller “virtual” diameter to take into account root-grains interactions. The difference between the two diameters corresponds to the width of a gap at contact points through which the roots can pass. The ratio of this gap to the root diameter is considered as a model parameter. Parametric studies showed the influence of granular structure and root mechanical properties on root trajectories. The analysis of the evolution of reaction forces exerted by grains on the root tip exhibited a broad distribution of the forces experienced by the root apex during a given growth period. This distribution has the same functional form for each root stiffness when forces are normalized by the mean force. It is characterized by a decreasing power law for forces below the mean force, and by an exponential fall-off for forces above the mean force, thus reflecting the broad distribution of forces inside the granular material. (Texte intégral)

Dans l’optique d’une seconde Révolution Verte, visant, à la différence de la première, à accroître les rendements des cultures dans un contexte de faible fertilité, les stratégies mises en place par les plantes pour une assimilation optimale des nutriments du sol se trouvent au cœur du problème. Afin de le résoudre et d’identifier les variétés idéales parmi la diversité génétique des plantes cultivées, les systèmes racinaires, leur développement et leur architecture, sont appelés à jouer le premier rôle. La variabilité au sein des racines latérales semble s’avérer une caractéristique cruciale pour l’optimisation de l’exploration du sol et de l’acquisition de ses ressources mobiles et immobiles, mais ce phénomène est encore mal appréhendé.Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur les racines latérales du maïs (Zea mays L.) dans un effort pour révéler les processus à l’origine des variations intrinsèques dans le développement racinaire. Il s’appuie en particulier sur le phénotypage des racines latérales à une échelle sans précédent, suivant la croissance journalière de milliers d’entre elles à haute résolution spatiale, pour caractériser précisément les variations spatio-temporelles entre et au sein des individus racinaires. Les profils individuels de vitesse de croissance ont été analysés à l’aide d’un modèle statistique qui a identifié trois principales tendances temporelles dans les vitesses de croissance menant à la définition de trois classes de racines latérales avec une vitesse et durée de croissance distinctes. Des différences de diamètre à l’émergence de ces racines (dont l’origine remonte au stade du primordium) conditionnent probablement la tendance ultérieur de croissance mais ne suffisent pas à déterminer le destin de la racine. Finalement, ces classes racinaires sont distribuées aléatoirement le long de la racine primaire, ce qui suggère qu’aucune stimulation ou inhibition locale n’existe entre racines voisines.Pour expliquer l’origine des variations observées dans la croissance, ce travail a été complété par une caractérisation multi-échelle de groupes de racines latérales présentant une croissance distincte, à un niveau cellulaire, anatomique et moléculaire. Un effort particulier a été dirigé à l’analyse des profils de longueur de cellules dans des apex racinaires pour lequel nous avons introduit un modèle de segmentation pour identifier des zones développementales. Grâce à cette méthode, une forte modulation dans la longueur des zones de division et d’élongation a été mise en évidence, en lien avec les variations de la croissance des racines latérales. Le rôle régulateur de l’auxine sur l'équilibre entre les processus de prolifération et d’élongation cellulaire a été montré avec l’utilisation de lignées mutantes. En fin de compte, les variations de la croissance entre racines latérales sont remontées jusqu’à l’allocation d’assimilats carbonés et la capacité de transport de la racine, ce qui suggère l’existence d’un mécanisme de rétroaction qui pourrait jouer un rôle déterminant dans la mise en place de tendances contrastées dans la croissance des racines latérales., In the perspective of a second Green Revolution, aiming, unlike the first one, to enhance yields of crops in a low fertility context, the strategies used by plants for an optimal uptake of soil nutrients are at the core of the problem. To solve it and identify ideal breeds among the genetic diversity of crops, plant root systems, their development and their architecture, are called upon to play the leading role. The variability among secondary roots appears as a crucial feature for the optimality of soil exploration and acquisition of mobile and immobile resources, but this phenomenon remains poorly understood. The work presented in this thesis focuses on the lateral roots of maize (Zea mays L.) and attempts to unravel the processes at the origin of intrinsic variations in lateral root development. It relies notably on the phenotyping of individual lateral roots at an unprecedented scale, tracking the daily growth of thousands of them at a high spatial resolution, in order to characterize precisely the spatio-temporal variations existing both between and within root individuals. Individual growth rate profiles were analyzed with a statistical model that identified three main temporal trends in growth rates leading to the definition of three lateral root classes with contrasted growth rates and growth duration. Differences in lateral root diameter at root emergence (originating at the primordium stage) were likely to condition the followed growth trend but did not seem enough to entirely determine lateral root fate. Lastly, these lateral root classes were randomly distributed along the primary root, suggesting that there is no local inhibition or stimulation between neighbouring lateral roots. In order to explain the origin of the observed differences in growth behaviour, we complemented our study with a multi-scale characterization of groups of lateral roots with contrasted growth at a cellular, anatomical and molecular level. A particular focus is set on the analysis of cell length profiles in lateral root apices for which we introduced a segmentation model to identify developmental zones. Using this method, we evidenced strong modulations in the length of the division and elongation zones that could be closely related to variations in lateral root growth. The regulatory role of auxin on the balance between cellular proliferation and elongation processes is demonstrated through the analysis of mutant lines. Ultimately, variations in lateral root growth are traced back to the allocation of carbon assimilates and the transport capacity of the root, suggesting that a feedback control loop mechanism could play a determinant role in the setting out of contrasted lateral root growth trends.

No english abstract, Les embryons somatiques de vigne, obtenus in vitro à partir de cals d'anthères, sont tératologiques et n'évoluent que rarement en plantule. Ils proviennent de cellules uniques de l'assise mécanique de l'anthère et des assises superficielles du cal; un suspenseur est précocement formé. Le développement des embryons somatiques est étudié par comparaison avec celui des embryons zygotiques du même cultivar. Des examens histocytologiques et histochimiques en lumière blanche et en fluorescence, des études biochimiques, des dosages cytométriques de l'ADN nucléaire (in situ et en flux), des dosages de substance de croissance (polyamines, acide abscissique et auxine) révèlent similitudes et différences au cours des deux types d'embryogenèse. Les embryons somatiques évoluent, jusqu'au stade torpille, comme les embryons zygotiques. Ils possèdent un méristème caulinaire et un méristème racinaire. Le méristème caulinaire est bloqué en phase g0-1 ou g0-2 et le méristème racinaire est fonctionnel. Ce fonctionnement racinaire est associé à des caractéristiques n'apparaissant qu'après la germination des embryons zygotiques (lignification, subérification des assises superficielles, accumulation de réserves cotylédonaires). Cette germination précoce s'accompagne d'une morphogenèse tératologique (prolifération cellulaire anarchique de surface, malformations cotylédonaires). L'amidon et les triglycérides ne sont pas utilisés; l'activité isocitrate-lyase est nulle et l'activité malate synthase très faible. Les teneurs en polyamines et les activités ornithine-décarboxylase et arginine-décarboxylase sont très importantes à toutes les phases de l'embryogenèse somatique; le rapport putrescine/spermidine est anormalement élevé. Par contre, pour un même stade, les teneurs en auxine et en acide abscissique libres sont beaucoup plus faibles que celles des embryons zygotiques. Les causes de ce comportement sont analysées. Des méthodes permettant de promouvoir un développement normal et d'augmenter le taux de conversion en plantule sont proposées.

The development of Oryza sativa cv. « Cigalon was studied under strict anoxic conditions (< 0.5 v.p.m. 02). Coleoptile growth was still observed. A low but significant growth of the mesocotyl and first leaf occurred and the meristems of adventitious roots were initiated. Coleoptile growth under anoxia was seen in all the spp. and cvs. studied of Oryza (65 O. sativa L., 5 O. glaberrima Steud. and 2 O. breviligulata Chev. & Roehr.). This property correlates with the high metabolic activity of rice under anoxia.; Une analyse du phénomène de croissance des semences de riz en conditions d’absence d’oxygène extrêmement strictes (0,5 v.p.m.) a été entreprise. Dans ces conditions, la croissance du coléoptile est encore observée et on a pu noter une croissance faible du mésocotyle et de la première feuille ainsi qu’une initiation des méristèmes des racines adventices. La croissance du coléoptile de riz en anoxie a été observée chez 65 cultivars d’Oryza sariva L., 2 écotypes d’Oryza breviligulata Chev. & Roehr. et 5 d’Oryza glaberrima Steud. Cette propriété semble associée avec la forte activité métabolique du riz en anoxie.