Propriétés du réseau de gènes contrôlant l'organisation du primordium de racine latérale chez Arabidopsis thaliana

Gene regulatory network for lateral root formation in Arabidopsis thaliana

• Auteur / Autrice : Duy Chi Trinh
• Direction : Laurent Laplaze
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie du développement
• Date : Soutenance le 22/03/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Diversité et Adaptation et Développement des plantes (DIADE), Montpellier
• Jury : Président / Présidente : Alain Gojon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Laplaze, Alain Gojon, Frédéric Domergue, Valérie Legué, Sandra Bensmihen, Joop EM Vermeer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Domergue, Valérie Legué

Mots clés

Mots clés contrôlés

Division cellulaire végétale

Rhizosphère

Racines (botanique)

Arabidopsis thaliana

Mots clés libres

Formation de racines latérales

Réseau de régulation du gène

Formation de mersitem

Niche de cellules souches

Puchi

Lateral root formation

Gene regulatory network

Mersitem formation

Stem cell niche

Puchi

Résumé

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.

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 .