Analyse quantitative de séquences temporelles de tissus biologiques : de l'individu à la population. Application au développement du bourgeon floral

Quantitative analysis of temporal sequences of biological tissues : from the individual to the population. Application to flower bud development

• Auteur / Autrice : Manuel Petit
• Direction : Christophe Godin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 29/06/2023
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon (Lyon ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Reproduction et Développement des Plantes (Lyon ; 1993-....)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Monéger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Godin, Françoise Monéger, Philippe Andrey, Elsa D. Angelini, Grégoire Malandain, Hugues Talbot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Andrey, Elsa D. Angelini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expression génique

Arabidopsis thaliana

Mots clés libres

Biologie développementale

Analyse quantitative

Atlas d’expression génétique

Séquences 3D+t

Arabidopsis thaliana

Developmental biology

Quantitative analysis

Gene expression atlas

3D+t sequences

Arabidopsis thaliana

Résumé

Chez les végétaux, l’organogenèse se fait à des endroits localisés à l’extrémité des tiges, appelés méristèmes apicaux et à partir desquels tous les nouveaux organes, aériens ou racinaires sont crées. Le développement de ces organes s’accompagne de modifications morphologiques contrôlées par des réseaux de régulation génétique. Pour étudier le déterminisme génétique de ce processus, la microscopie à fluorescence est utilisée pour suivre in-vivo les variations morphologiques ainsi que l'expression des gènes au niveau cellulaire. Des approches adaptées sont nécessaires pour quantifier le développement d’individu ou de population d’individu à partir de ces données volumétriques et temporelles appelées séquences 3D+t. Les méthodes existantes se heurtent à des difficultés liées à de larges déformations non-linéaires entre deux pas de temps consécutifs ainsi qu’à une forte variabilité inter-individu. Cette thèse aborde le développement de nouvelles approches d'appariement, dans le temps ou dans l'espace, nécessaires à la quantification de la variabilité inter-individu et la construction d'atlas. Les méthodes développées sont appliquées au développement du méristème floral d’Arabidopsis thaliana. Une première partie est consacrée au problème de l’amélioration de la construction de lignées cellulaires de méristèmes floraux à partir de séquences 3D+t. Ce problème est résolu en (1) segmentant les cellules de chaque image d’une séquence puis en (2) appariant ces segmentations dans le temps. Pour la première étape, nous proposons une étude comparative d'algorithmes de segmentation de membrane cellulaire comprenant des méthodes d'apprentissages profonds et une méthode classique. Pour la deuxième étape, nous introduisons une nouvelle métrique d’évaluation de lignées cellulaires dont l’intérêt est démontré à travers une méthode itérative robuste aux déformations. Une deuxième partie présente une nouvelle stratégie de recalage spatio-temporel inter-individu de séquences 3D+t de méristèmes floraux. Cette stratégie se base sur la courbure de la surface comme marqueur robuste du développement. Enfin, une troisième partie est dédiée à la comparaison quantitative de l’expression génétique entre plusieurs individus. Nous présentons un outil de projection d’information génétique quantitatif entre méristèmes. L’intérêt de cet outil est illustré par l’enrichissement d’un atlas binaire d'expression génétique de méristème floral construit manuellement.

In plants, organogenesis takes place at regions located at the two extremities of their stem, called apical meristems and from which all new organs, aerial or root are created. The morphological changes of these organs during their development is controlled by genetic regulatory networks. In order to understand the underlying mechanisms, fluorescence microscopy is used to follow in-vivo these morphological variations as well as the expression of genes at the cellular level. Specific methods are required to quantify the development of individual or population of individuals from these volumetric and temporal data called 3D+t séquences. Existing methods encounter difficulties related to large non-linear deformations between two time steps as well as high inter-individual variability.This thesis focuses on the development of more robust new pairing approaches, that are necessary to go towards the quantification of the inter-individual variability of the development of the floral meristem of Arabidopsis thaliana. A first part is dedicated to the problem of improving the construction of floral meristem cell lineage from 3D+t sequences. A classic two-step procedure consists of (1) first segmenting each cell in each image and then (2) temporally associating the segmentation of the consecutive images of the sequence. For the first step, we introduce a comparative study of cell membrane segmentation algorithms including deep learning methods and a classical method. For the second step, we develop a new cell lineage evaluation metric whose interest is demonstrated through an iterative tracking method robust to deformations. A second part introduce a novel spatio-temporal approach to register inter-individual 3D+t sequences of floral meristems. This method is based on surface curvature as a robust marker of development. A third and last part is dedicated to the quantitative comparison of inter-individual genetic expression. For this purpose, we introduce a method for projecting quantitative genetic information between meristems. The interest of this approach is illustrated by the enrichment of a binary gene expression atlas of floral meristem constructed manually.