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Grafting consists of the cutting and joining of two plants together to form one unique chimeric organism; it is done to combine biological traits of the two plants such as resistance to soil borne pathogens and high fruit quality in one plant. To survive, grafted plants, where all physical cell communications between aerial and root parts are interrupted by cutting, have to interact together to establish new exchange pathways. Nowadays, considerable efforts have been done to understand the developmental mechanisms underlying graft union formation in terms of hormone signaling, gene expression and histology however ultrastructural data are still lacking.Because of the difficulty of reliably targeting the graft interface under the electron microscope very few ultrastructural data of the graft interface are available; however such precise data is essential to understand the establishment of scion/rootstock communications.In this context, the aim of my thesis was to characterize the ultrastructural developments occurring during graft union formation to provide insights into the cellular mechanisms involved. First, a correlative light and electron microscopy (CLEM) approach was implemented on grafted hypocotyls of Arabidopsis thaliana and in vitro grafts of grapevine. Although quality obtained on the grapevine model still needs to be improved, the fluorescence and ultrastructure preservation obtained for A. thaliana allowed me to reveal four potential pathways of communication between the scion and rootstock: exosomes, plasmodesmata, phloem and xylem. The ultrastructural characterization of de novo plasmodesmata formed at the graft interface, by electron tomography, showed that more than 30 % of the attempts to form symplastic connection failed and resulted in the formation, both at scion or rootstock side of the cell wall, of hemi-plasmodesmata that do no span the cell wall. Moreover, the observations of events of secondary plasmodesmata biogenesis seem to indicate that plasmodesmata can be formed successfully between cells where there is a synchronous thinning of the cell wall. Finally, for the first time cytoplasmic exchanges were shown to happen at the graft interface and confirm that grafting combined with our CLEM approach could be a way to induce and study transplastomic events. They could play a role in wound healing or vascular reconnection. Additionally, biological tools have been developed to follow, in the future, the permeability of plasmodesmata at the graft interface of A. thaliana. The integration of ultrastructural and dynamic studies on different mutants will allow us to decipher the functional establishment of the cell-to-cell connectivity during the graft union formation.; Le greffage est une pratique qui consiste à couper et joindre les appareils racinaires et aériens de deux plantes pour former un organisme chimérique unique, combinant au sein d'un même individu, les caractéristiques biologiques les plus avantageuses de ces deux plantes, telles que la résistance aux agents pathogènes du sol et la production fruitière. Pour survivre, les plantes greffées, où toutes les communications cellulaires entre les parties aériennes et racinaires ont été interrompues par la coupe, doivent interagir ensemble pour établir de nouvelles voies d'échange. De nos jours, des efforts considérables ont été déployés pour comprendre les mécanismes de développement sous-jacents à la formation d'une union au niveau de la greffe en termes de signalisation hormonale, d'expression génique et d'histologie ; mais les données ultrastructurales sont encore insuffisantes.En raison de la difficulté de cibler de manière fiable l'interface de greffe en microscopie électronique, très peu de données ultrastructurales de l'interface de greffe sont disponibles. Cependant, ces données sont essentielles pour comprendre l'établissement de communications greffons / porte-greffes.Dans ce contexte, l'objectif de ma thèse était de caractériser les développements ultrastructuraux survenant au cours de la formation de cette union afin de caractériser les mécanismes cellulaires impliqués. Tout d'abord, une approche par microscopie correlative (CLEM) a été développée sur des hypocotyles greffés d'Arabidopsis thaliana et des greffes in vitro de vigne. Bien que la qualité obtenue sur le modèle de la vigne doive encore être améliorée, la préservation de la fluorescence et de l'ultrastructure obtenue pour A. thaliana a permis de révéler au moins quatre voies de communication entre le greffon et le porte-greffe: exosomes, plasmodesmes, phloème et xylème. La caractérisation ultrastructurale des plasmodesmes formés de novo à l’interface de greffe, par tomographie électronique, a montré que plus de 30% des tentatives pour former une connexion symplastique échouaient et aboutissaient à la formation d’hémi-plasmodesmes ne traversant pas la paroi cellulaire, aussi bien du côté du greffon que du porte-greffe. De plus, les observations d'événements de biogenèse de plasmodesmes secondaires semblent indiquer que ces plasmodesmes seraient formés dans des cellules présentant un amincissement synchrone de la paroi cellulaire. Enfin, pour la première fois, des échanges cytoplasmiques ont été observés à l’interface de greffe. Ainsi, le processus de greffage combiné à notre approche de CLEM pourrait être un moyen d’induire et d’étudier des événements de transplastomiques. Ces fusions cytoplasmiques pourraient jouer un rôle dans la cicatrisation des blessures ou la reconnexion vasculaire. Finalement, des lignées transgéniques d’Arabidopsis ont été mises au point pour suivre, à l'avenir, la perméabilité des plasmodesmes à l'interface de greffe. L’intégration d’études ultrastructurales et d’études dynamiques lors du greffage de différents mutants permettra d’élucider la fonctionnalité de la connexion de cellule à cellule pendant la formation de la greffe.

Grafting consists of the cutting and joining of two plants together to form one unique chimeric organism; it is done to combine biological traits of the two plants such as resistance to soil borne pathogens and high fruit quality in one plant. To survive, grafted plants, where all physical cell communications between aerial and root parts are interrupted by cutting, have to interact together to establish new exchange pathways. Nowadays, considerable efforts have been done to understand the developmental mechanisms underlying graft union formation in terms of hormone signaling, gene expression and histology however ultrastructural data are still lacking.Because of the difficulty of reliably targeting the graft interface under the electron microscope very few ultrastructural data of the graft interface are available; however such precise data is essential to understand the establishment of scion/rootstock communications.In this context, the aim of my thesis was to characterize the ultrastructural developments occurring during graft union formation to provide insights into the cellular mechanisms involved. First, a correlative light and electron microscopy (CLEM) approach was implemented on grafted hypocotyls of Arabidopsis thaliana and in vitro grafts of grapevine. Although quality obtained on the grapevine model still needs to be improved, the fluorescence and ultrastructure preservation obtained for A. thaliana allowed me to reveal four potential pathways of communication between the scion and rootstock: exosomes, plasmodesmata, phloem and xylem. The ultrastructural characterization of de novo plasmodesmata formed at the graft interface, by electron tomography, showed that more than 30 % of the attempts to form symplastic connection failed and resulted in the formation, both at scion or rootstock side of the cell wall, of hemi-plasmodesmata that do no span the cell wall. Moreover, the observations of events of secondary plasmodesmata biogenesis seem to indicate that plasmodesmata can be formed successfully between cells where there is a synchronous thinning of the cell wall. Finally, for the first time cytoplasmic exchanges were shown to happen at the graft interface and confirm that grafting combined with our CLEM approach could be a way to induce and study transplastomic events. They could play a role in wound healing or vascular reconnection. Additionally, biological tools have been developed to follow, in the future, the permeability of plasmodesmata at the graft interface of A. thaliana. The integration of ultrastructural and dynamic studies on different mutants will allow us to decipher the functional establishment of the cell-to-cell connectivity during the graft union formation.; Le greffage est une pratique qui consiste à couper et joindre les appareils racinaires et aériens de deux plantes pour former un organisme chimérique unique, combinant au sein d'un même individu, les caractéristiques biologiques les plus avantageuses de ces deux plantes, telles que la résistance aux agents pathogènes du sol et la production fruitière. Pour survivre, les plantes greffées, où toutes les communications cellulaires entre les parties aériennes et racinaires ont été interrompues par la coupe, doivent interagir ensemble pour établir de nouvelles voies d'échange. De nos jours, des efforts considérables ont été déployés pour comprendre les mécanismes de développement sous-jacents à la formation d'une union au niveau de la greffe en termes de signalisation hormonale, d'expression génique et d'histologie ; mais les données ultrastructurales sont encore insuffisantes.En raison de la difficulté de cibler de manière fiable l'interface de greffe en microscopie électronique, très peu de données ultrastructurales de l'interface de greffe sont disponibles. Cependant, ces données sont essentielles pour comprendre l'établissement de communications greffons / porte-greffes.Dans ce contexte, l'objectif de ma thèse était de caractériser les développements ultrastructuraux survenant au cours de la formation de cette union afin de caractériser les mécanismes cellulaires impliqués. Tout d'abord, une approche par microscopie correlative (CLEM) a été développée sur des hypocotyles greffés d'Arabidopsis thaliana et des greffes in vitro de vigne. Bien que la qualité obtenue sur le modèle de la vigne doive encore être améliorée, la préservation de la fluorescence et de l'ultrastructure obtenue pour A. thaliana a permis de révéler au moins quatre voies de communication entre le greffon et le porte-greffe: exosomes, plasmodesmes, phloème et xylème. La caractérisation ultrastructurale des plasmodesmes formés de novo à l’interface de greffe, par tomographie électronique, a montré que plus de 30% des tentatives pour former une connexion symplastique échouaient et aboutissaient à la formation d’hémi-plasmodesmes ne traversant pas la paroi cellulaire, aussi bien du côté du greffon que du porte-greffe. De plus, les observations d'événements de biogenèse de plasmodesmes secondaires semblent indiquer que ces plasmodesmes seraient formés dans des cellules présentant un amincissement synchrone de la paroi cellulaire. Enfin, pour la première fois, des échanges cytoplasmiques ont été observés à l’interface de greffe. Ainsi, le processus de greffage combiné à notre approche de CLEM pourrait être un moyen d’induire et d’étudier des événements de transplastomiques. Ces fusions cytoplasmiques pourraient jouer un rôle dans la cicatrisation des blessures ou la reconnexion vasculaire. Finalement, des lignées transgéniques d’Arabidopsis ont été mises au point pour suivre, à l'avenir, la perméabilité des plasmodesmes à l'interface de greffe. L’intégration d’études ultrastructurales et d’études dynamiques lors du greffage de différents mutants permettra d’élucider la fonctionnalité de la connexion de cellule à cellule pendant la formation de la greffe.

International audience

UMR BFP - Equipe Virologie; Towards the identification of plamodesmal and membranous host components involved in potyvirus movement. 16. Rencontres de Virologie Végétale (RVV 2017)