Dissertations / Theses on the topic 'Guidage du tube pollinique'

Chez les eucaryotes, les RNA Binding Proteins (RBP) s’associent aux transcrits pour former des Particules Ribo-Nucléoprotéiques (mRNP) dynamiques, dont la localisation et la composition sont déterminantes pour la maturation, l’export, la stabilité et la traduction des ARNm. Les protéines à motif LA sont des protéines de liaison à l’ARN, présentes chez plusieurs centaines d’espèces eucaryotes, qui se répartissent en 5 sous-familles : LA authentiques, LARP1, 4, 6 et 7. Les membres de ces sous-familles partagent des caractéristiques évolutives, des domaines additionnels et des fonctions conservés. Mes travaux de thèse ont contribué à l’étude fonctionnelle de protéines LARP6 chez Arabidopsis thaliana. On sait, à l’heure actuelle, que chez Manduca sexta et plusieurs espèces de vertébrés, LARP6 est impliquée dans la régulation de la différenciation cellulaire. Chez l’Homme, elle agit en tant que RBP pour coordonner la traduction des ARNm codant les sous-unités du collagène de type I. Les plantes vasculaires ont la particularité de contenir plusieurs protéines LARP6, classées en trois groupes évolutifs. Chez A. thaliana, l’unique représentant de chaque sous-famille semble s’être spécialisé. D’ailleurs, les protéines LARP6b et c ont des profils d’expression mutuellement exclusifs, où LARP6c est présente dans le pollen et LARP6b est ubiquitaire mais absente du gamétophyte mâle. Nous avons axé notre travail sur la protéine LARP6c et démontré qu’elle est cytoplasmique et impliquée, dans le pollen, dans le contrôle de la quantité d’ARNm codant des acteurs du transport vésiculaire. Les ARNm identifiés comme cibles potentielles de LARP6c codent, eux aussi, des facteurs impliqués dans le transport ; et possèdent dans leur 5’-UTR deux motifs qui pourraient permettre leur co-régulation par fixation de RBP. La délétion de LARP6c, affecte la capacité du tube pollinique à se diriger vers l’ovule suggérant un défaut de communication; ce qui est cohérent avec la dérégulation des ARNm codant des acteurs de la sécrétion/réception de signaux extracellulaires. Nous proposons que LARP6c intervient, dans le pollen, en tant que protéine de mRNP et co-régule la traduction et/ou la stabilité de transcrits codant des acteurs des voies de communications dépendantes de la sécrétion et de l’endocytose, et intervenant dans les échanges mâle/femelle
In eucaryotes, RNA Binding Proteins (RBP) associate with transcripts to form dynamic Ribo-Nucleoprotein Particles (mRNP), whose localization and composition are determinant for mRNA maturation, export, stability and translation. LA motif proteins are RNA binding proteins, found in several hundred eucaryotic species, which fall in 5 sub-families: genuine LA, LARP1, 4, 6 and 7. Members of these subfamilies share conserved evolutionary history, additional motifs and functions. My thesis work contributed to deciphering the functional properties of the Arabidopsis thaliana LARP6 proteins. Currently, we know that in Manduca sexta and many vertebrates species LARP6 is implicated in the regulation of cellular differentiation. In humans, it acts as an RBP to coordinate the translation of mRNA coding for type I collagen subunits. Vascular plants differ in possessing many LARP6 proteins classified in three evolutionary groups. In A. thaliana, the unique member of each subfamily seems to be specialized. LARP6b and c proteins present mutually exclusive expression profiles, with LARP6c only present in pollen and LARP6b ubiquitously expressed except in the male gametophyte. We mostly focused our work on LARP6c and showed it to be cytoplasmic and implicated in controlling the level of mRNAs encoding vesicular transport actors in pollen tubes. Putative identified LARP6c mRNA baits also encode proteins involved in transport and share two motifs in their 5’-UTR that could allow their co-regulation via RBP binding. LARP6c deletion induces deficiencies in pollen tube guidance towards the ovule, suggesting a communication default. This is consistent with the deregulation of mRNA coding for extra-cellular signal secretion/reception actors. We propose that LARP6c acts as an mRNP protein in pollen and co-regulates translation and/or stability of mRNA coding for actors of communication pathways depending on secretion and endocytosis; hence acting on male/female exchanges

Chez les plantes à fleurs, la communication entre les grains de pollen et les cellules épidermiques du stigmate, aussi appelées papilles, est cruciale pour le succès de la reproduction. Lorsqu’il est accepté, le grain de pollen germe et émet un tube pollinique qui transporte les gamètes mâles jusqu’aux ovules. La rencontre et la fusion entre les gamètes mâles et femelles reposent par conséquent sur la bonne trajectoire des tubes polliniques lors de leur progression dans les différents tissus du partenaire femelle pour atteindre les ovules. Les tubes polliniques croissent dans la paroi cellulaire des papilles stigmatiques et génèrent une pression sur ces dernières. De telles forces sont connues pour modifier le réseau de microtubules corticaux (MTC) ainsi que le comportement de la cellule. La première partie de ma thèse a consisté à étudier le rôle des MTC du stigmate dans le contrôle de la croissance du tube pollinique. En combinant imagerie cellulaire et approches génétiques, nous avons mis en évidence que chez le mutant katanin1-5 (ktn1-5) d’Arabidopsis, les papilles ont un réseau de MTC très isotrope, associé à une forte tendance des tubes polliniques sauvages à faire des spires autour des papilles. Ce phénotype a pu être partiellement reproduit par traitement des papilles avec un agent dépolymérisant les MTC, l’oryzaline. Compte tenu que le réseau de MTC est fortement lié à l’organisation des fibres de cellulose, et donc potentiellement à la rigidité de la paroi, nous avons mesuré la rigidité des papilles du mutant ktn1-5 grâce au microscope à force atomique. L’ensemble de ces résultats suggère que la KATANIN, en régulant l’organisation des MTC et conférant des propriétés mécaniques particulières à la paroi cellulaire, joue un rôle primordial dans le guidage des tubes polliniques lors de leur croissance dans les papilles stigmatiques. De façon similaire à la croissance des tubes dans les papilles, les hyphes des pathogènes filamenteux pénètrent les tissus épidermiques de leur hôte. Lors d’une attaque par un pathogène, les cellules de l’épiderme de l’hôte réagissent rapidement pour mettre en place une réponse appropriée, décisive sur le résultat de l’interaction plante-pathogène. La seconde partie de ma thèse a eu pour objectif de comparer la réponse cellulaire des papilles stigmatiques suite à l’invasion par deux types d’organismes, le tube pollinique lors de la pollinisation et les hyphes de deux Oomycètes pathogènes, Phytophtora parasitica et Hyaloperonospora arabidopsidis durant leurs processus d’infection. Nos résultats démontrent que la papille stigmatique est capable d’adapter sa réponse en fonction de l’identité de l’envahisseur
The epidermis is the first cellular barrier in direct contact with the environment in both animal and plant organisms. In plants, the result of the cell-to-cell communication that occurs between the pollen grain and the epidermal cells of the stigma, also called papillae, is crucial for successful reproduction. When accepted, the pollen grain germinates and emits a pollen tube that transports the male gametes towards the ovules. Effective fertilization in angiosperms depends on the proper trajectory that pollen tubes take while progressing within the pistil tissues to reach the ovules.Pollen tubes grow within the cell wall of the papilla cells, applying pressure to the wall. Such forces are known to alter the cortical microtubule (CMT) network and cell behaviour. The first part of my PhD thesis aimed at investigating the role of the microtubule cytoskeleton of stigmatic cells in pollen tube growth. By combining cell imaging and genetic approaches, we found that in the Arabidopsis katanin1-5 (ktn1-5) mutant, papillae have a highly isotropic CMT array, associated with a marked tendency of wild-type (WT) pollen tube to turn around the papillae. We could partially phenocopy this coiled growth of pollen tubes by treating WT papillae with the microtubule-depolymerizing drug oryzalin. As CMT pattern is linked to cellulose microfibrils organisation, and hence possibly to cell-wall stiffness, we assessed the stiffness of ktn1-5 and aged papillae using Atomic Force Microscopy. Altogether, our results suggest that both organisation of CMT and cell wall properties dependent on KATANIN have a major role in guiding early pollen tube growth in stigma papillae.Similarly to pollen tube growth within the stigmatic papilla, hypha of filamentous pathogens penetrates the epidermal tissue of the host. During pathogen attacks, epidermal cells promptly react to the invading organisms to adjust the most relevant response. Early response of the first cell layers including epidermal cells is decisive for the result of plant-pathogen interactions. The second part of my PhD work aimed at comparing the cellular response of stigmatic cells challenged by two types of invaders, the pollen tube during pollination and hyphae of two oomycete filamentous pathogens, Phytophtora parasitica and Hyaloperonospora arabidopsidis, during the infection process. We demonstrate that a stigmatic cell challenged by a pollen tube or an oomycete hypha adapts its response to the invader’s identity

Au cours de ma thèse, j'ai contribué par des approches moléculaires, génétiques et fonctionnelles à la caractérisation de l'unique transporteur de la sous-famille ABCA présent chez Arabidopsis thaliana et nommé AtABCA1. Nous avons cloné l'ADNc complet correspondant chez Arabidopsis (5649 paires de bases). Nous avons montré que la protéine AtABCA1 présente les motifs caractéristiques et la topologie typique des membres de la sous-famille ABCA. Des expériences de RT-PCR en temps réel et la technique du gène rapporteur GUS montrent que ce gène est exprimé majoritairement dans les anthères au niveau du tapetum et des grains de pollen. Une lignée défective pour AtABCA1 nous a permis de montrer une dérégulation de l'élongation des tubes polliniques in vitro amplifiée par le froid. En conclusion, nous proposons que le transporteur AtABCA1 soit impliqué dans la répartition des lipides et/ou stérols au niveau des couches protectrices et de la membrane des grains de pollen et ainsi régule la croissance des tubes polliniques
Here, we report the study of the only full-length transporter of the ABCA subfamily in Arabidopsis thaliana called AtABCA1. We cloned the AtABCA1 gene which includes 40 exons corresponding to 5,6 kb. It's the largest ABC transporter in Arabidopsis and presents ABCA subfamily specifics motifs and topology, consisting in two structurally related tandem arranged halves with a large exocytoplasmic domain followed by a multispanning membrane domain and a nucleotide binding domain. By northern-blot and quantitative RT-PCR studies, we demonstrate that AtABCA1 is fully expressed in anthers, especially in tapetum and pollen grains. In addition, the expression profile of AtABCA1 transcript is enhanced by cold treatment. Using a knock-out mutant, we demonstrate that AtABCA1 is implicated in regulation of pollen tube elongation. In conclusion, we proposed that AtABCA1 is implicated in lipids and/or sterols repartition at protective layers and cellular membrane of pollen grain and regulate the pollen tube elongation

Durant la reproduction sexuelle des plantes, la germination du grain de pollen et la croissance du tube pollinique dans le pistil sont des étapes essentielles pour permettre la fécondation et la production de graines. Le grain de pollen est composé de deux noyaux spermatiques et d'une cellule végétative délimitée, de l'intérieur vers l'extérieur, par la membrane plasmique, l'intine et l'exine. La dégradation de l'intine, composée de polysaccharides complexes dont les homogalacturonanes (HGs), est nécessaire pour une bonne germination du grain de pollen. Les HGs sont synthétisés sous leur forme fortement méthyl-estérifiés, dans l'appareil de Golgi, avant d'être sécrétés dans la paroi. La dé-méthyl-estérification des HGs est catalysée par des enzymes pariétales, les pectines-méthyl-estérases (PMEs). Lorsque les HGs sont dé-méthyl-estérifiés, ceux-ci peuvent se lier entre eux via une interaction avec le calcium, qui permet un renforcement pariétal du à ces structures en "boîtes à oeufs". Lorsque les HGs sont partiellement dé-méthyl-estérifiés, ils peuvent être la cible d'autres enzymes, telles que les polygalacturonases, ce qui entraîne également une modification des propriétés physiques de la paroi. Quatorze des 66 PMEs chez A. Thaliana sont exclusivement exprimées dans le grain de pollen et le tube pollinique. Nous avons analysé l'expression de ces 14 PMEs par qRT-PCR à trois stades de la germination du grain de pollen : dans le grain de pollen sec, dans les grains de pollen en cours d'imbibition et lors de la croissance des tubes polliniques. L'expression est à la fois dépendante du temps et du gène. Nous avons donc analysé par la suite des lignées mutantes pour les PMEs : PPME1, PME48 et PME23, à la fois in-vitro et in-vivo. Les lignées mutantes présentent des retards de germination par rapport aux grains de pollen sauvages. De plus, des phénotypes remarquables comme des doubles germinations ou un taux important d'éclatement des tubes polliniques ont été mis en évidence. L'objectif de ce projet a été de préciser le rôle des PMEs et des PMEIs au cours du trafic cellulaire dans la régulation des propriétés dynamiques et le remodelage de la paroi du grain de pollen lors de sa germination et des tubes polliniques lors de leur croissance
During sexual plant reproduction, pollen germination and pollen tube elongation in the pistil are essential for delivering the sperm cells to the ovule. Pollen grain is composed of two sperm cells and a vegetative cell limited, from the inside to the outside, by a plasma membrane, the intine and the exine. The degradation of the intine, composed of complex polysaccharides including homogalacturonans, is of main importance to insure a proper germination. Homogalacturonan (HG) is assumed to be synthetized under a methylesterified form in the Golgi apparatus before its secretion to the cell wall. De-methylesterification of HGs is catalyzed in the cell wall by Pectin methylesterases (PMEs). Upon block-wise action of PME, the blocks of de-methylesterified HGs can interact with Ca2+, promoting the formation of the so-called "eggs-box" structure and thus rigidifying the cell wall. Upon random action, the partially de-methylesterified HGs may become a target for pectin-degrading enzymes, such as polygalacturonases, affecting the texture and rigidity of the cell wall. Interestingly, 14 of the 66 Arabidopsis PMEs are specifically expressed in pollen grain and pollen tube. We have analyzed the expression of these 14 PMEs by RT-PCR in dry pollen grains, during imbibition and pollen tube growth. The expression is gene- and time-dependent. Based on this, we have studied knock-out mutants PMEs (ppme1, pme48 and pme23) under in-vitro and in-vivo conditions. These mutant lines present a strong delay in germination compared to the wild type and a remarkable phenotype with multiple pollen tube tips emerging from the pollen grain and an important bursting pollen tubes rate. The objective of this project was to clarify the role of PMEs and PMEIs during the regulation of dynamic properties during cell traffic and remodeling of the pollen grain cell wall during its germination and during the growing pollen tube cell wall

Au cours de la reproduction sexuée chez les plantes supérieures, les grains de pollen adhérent aux stigmates, se réhydratent et produisent des tubes polliniques qui se développent à travers le tissu de transmission femelle afin d’assurer la fécondation. Les tubes polliniques sont des cellules dont la croissance est rapide et polarisée à l’apex du tube. Ils représentent de bons modèles pour étudier la dynamique de la croissance cellulaire. Les tubes polliniques sont aussi capables de percevoir des signaux de guidage et d’adhérer à la matrice extracellulaire du tissu femelle. Afin de comprendre le mécanisme cellulaire de la croissance et de l'adhésion du tube pollinique, deux approches différentes ont été utilisées. Premièrement, un criblage de 258 molécules a permis d’isoler deux composés qui perturbent in vitro la croissance des tubes polliniques de tabac, de tomate et d' Arabidopsis thaliana. Les effets d’un inhibiteur des monogalactosyldiacylglycérol synthases, la galvestine-1, ont également été étudiés sur la croissance des tubes. Nous avons montré que ces trois composés réduisent la longueur du tube pollinique et induisent des phénotypes anormaux de façon dose-dépendante. La germination du pollen était réduite avec les deux composés isolés du criblage. Ils ont également affecté la distribution des polymères de la paroi des tubes polliniques. Les composés ont perturbé la production de ROS, ont désorganisé la dynamique des filaments d'actine et de la protéine RIC4 suggérant qu'ils pourraient perturber le trafic de vésicules à l'extrémité du tube pollinique. Dans un second temps, nous avons mis au point une approche de déconstruction enzymatique d’une matrice enrichie en polysaccharides afin d’étudier les phénomènes d’adhésion in vitro des tubes polliniques. Ce test a été développé sur des plaques 96 puits pour les tubes polliniques d'A. thaliana, en utilisant différents extraits de parois cellulaires de fleurs et de feuilles d'A. thaliana comme matrice ou des pectines commerciales de citron avec différents degrés de méthylestérification. Les traitements avec une polygalacturonase et une endo-galactanase des pectines commerciales et de l'extrait de paroi cellulaire de feuilles ont totalement ou partiellement perturbé l'adhésion des tubes polliniques. Ces résultats montrent que les tubes polliniques d’A. thaliana sont capables d'adhérer à des pectines d'origines diverses (espèces et organes) et suggèrent que les chaînes d’homogalacturonanes, les chaînes latérales du rhamnogalacturonane-I, en particulier les galactanes, avec un poids moléculaire minimum seraient nécessaires à l'adhésion des tubes polliniques
During plant sexual reproduction pollen grains land on the stigma, rehydrate and produce pollen tubes that grow through the female transmitting-tract tissue to assure a proper fertilization. Pollen tubes are fast tip-growing cells and represent a good model to study growth dynamics. Pollen tubes are able to perceive female guidance signals and to adhere to the extracellular matrix of the female transmitting tract. In order to improve our knowledge on the cell mechanisms implicated during pollen tube growth and adhesion, two different approaches have been used. First, 258 compounds were screened and two small compounds were isolated. They disrupted in vitro pollen tube growth of tobacco, tomato and Arabidopsis thaliana. The effects of an inhibitor of monogalactosyldiacylglycerol synthases, galvestine-1, on pollen tube growth were also studied. We showed that these 3 compounds reduced pollen tube length and induced abnormal phenotypes in a dose dependent manner. Pollen germination was significantly reduced with the two compounds isolated from the screen. They also affected cell wall material arrangement in pollen tube cell wall. The compounds modified ROS production and were able to disorganized actin filaments as well as the dynamic changes of the protein RIC4 suggesting that they might perturb vesicle trafficking at the pollen tube tip. Secondly, using a plant-made adhesion matrix in 96 –well plates, we studied the in vitro adhesion of A. thaliana pollen tubes. Different cell wall extracts from A. thaliana flowers and leaves or commercial lemon pectins with different degree of methylesterification were tested and the adhesive fractions were deconstructed by enzymatic treatments. Polygalacturonase or endo-galactanase treatments of commercial pectins and pectin-enriched cell wall extracts totally or partially disrupted pollen tube adhesion. Our results pointed out that A. thaliana pollen tubes are capable of adhering on pectins from diverse origins (species and organs) and suggested that homogalacturonan, the side chains of rhamnogalacturonana-I, especially galactans, as well as a minimum molecular weight may be necessary for pollen tube adhesion

L'interaction d'une impulsion laser intense et de courte durée avec un plasma permet de produire une onde de plasma de grande amplitude dans son sillage, auquel est associé un champ électrique longitudinal. Celui-ci peut être utilisé pour accélérer des électrons relativistes injectés dans l'onde jusqu'à de grandes énergies - de l'ordre du GeV - sur de courtes distances - quelques centimètres - au regard des distances dans les accélérateurs conventionnels. Le contrôle des caractéristiques du faisceau d'électrons lors du processus d'accélération est fondamental pour réaliser un étage d'accélération laser-plasma utilisable. Le travail de thèse a porté sur la création et la caractérisation d'une onde de plasma en régime faiblement non linéaire sur une longueur de plusieurs centimètres. Des tubes capillaires sont utilisés pour guider le faisceau laser sur ces distances tout en maintenant une intensité susante (~ 1E17 W/cm²). Le faisceau laser guidé ionise le gaz contenu dans le tube et crée l'onde de plasma. Un diagnostic optique reposant sur la modification du spectre de l'impulsion laser a été utilisé pour déterminer l'amplitude de l'onde de plasma le long du tube. Sa dépendance en fonction de la pression de remplissage du gaz, de la longueur du capillaire et de l'énergie laser, a été étudiée. Les résultats expérimentaux comparés aux résultats analytiques et de modélisation sont en excellent accord, et montrent que le champ électrique associé à l'onde de plasma est compris entre 1 et 10 GV/m sur une longueur allant jusqu'à 8 cm. Ce travail a permis de montrer la possibilité de créer de façon contrôlée une onde de plasma en régime faiblement non linéaire.

Le gène Solanum chacoense Fertilization-Related Kinase 1 (ScFRK1) code pour une protéine de la famille des MAPKK kinases exprimée spécifiquement dans les ovules. Son transcrit s’accumule principalement dans la zone micropylaire du sac embryonnaire à l’anthèse et diminue rapidement après pollinisation. Ces résultats suggèrent un rôle possible avant ou pendant la fécondation. Bien qu'aucune expression ne soit détectée dans le pollen à maturité, la protéine est cependant présente dans les cellules mères de microspores. Des plantes transgéniques sous-exprimant ScFRK1 ne montrent aucun phénotype au niveau des tissus végétatifs, mais présentent de petits fruits dépourvus de graines. L’étude microscopique du gamétophyte femelle révèle que son développement ne progresse pas au-delà du stade de la mégaspore fonctionnelle et une grande proportion de sacs embryonnaires anormaux est corrélée avec une faible expression de ScFRK1. De plus, la production de pollen viable diminue en fonction de la baisse des niveaux d’expression du gène, ce qui pourrait s’expliquer par un problème au cours de la mitose I. Puisque l’intégrité du sac embryonnaire est essentielle au guidage des tubes polliniques, nous avons conçu un système de guidage semi-in vivo permettant d’évaluer la capacité des ovules du mutant ScFRK1 à les attirer. L’attraction est sévèrement affectée dans de telles conditions, ce qui confirme l'implication des cellules de la zone micropylaire comme source attractive. Notre système nous a également permis de démontrer que le guidage est très spécifique à l’espèce et que cette attraction constitue un mécanisme important favorisant la spéciation et la maintenance des barrières interspécifiques dans la reproduction sexuée des végétaux.
The Solanum chacoense Fertilization-Related Kinase 1 (ScFRK1) is a member of plant MAPKKK that is specifically expressed in ovules. ScFRK1 mRNA levels accumulate predominantly in the egg apparatus cells of the embryo sac at mature stage and decrease rapidly following pollination. These results suggest both pre- and post-fertilization roles in ovule development. Although no expression could be detected in mature pollen, FRK1 mRNAs could be detected in pollen mother cells. Transgenic plants expressing sense or antisense ScFRK1 showed no abnormal phenotype in vegetative tissues but produced seedless fruits upon pollination. A microscope-based examination of developing female gametophytes revealed that its formation did not progress further than the functional megaspore stage in affected transgenic plants and, as the levels of ScFRK1 mRNA decreased, the percentage of normal embryo sacs declined. Surprisingly, even in severely affected plants producing no or very few embryo sacs, pollination led to the production of parthenocarpic fruits. Similarly, viable pollen production declined with decreasing levels of ScFRK1 and this could be linked to affected mitosis I. Since embryo sac integrity is a prerequisite for pollen tube guidance, we devised a semi-in vivo pollen tube growth system to assess the ability of the ScFRK1 mutant ovules to attract pollen tubes. As expected, guidance was severely affected, confirming the involvement of the egg apparatus cells as the source of attracting molecules. Attraction was also determined to be highly species-specific and developmentally-regulated with the acquisition of attraction competence on anthesis day.

Chez les plantes à fleurs, l’ovaire est l’organe reproducteur femelle et il interagit de façon importante avec les gamètes mâles durant la croissance, le guidage, la réception et la rupture du tube pollinique ainsi que la fusion des gamètes. Le processus débute lorsque de nombreux gènes de l’ovule sont activés à longue distance lors de la réception du pollen sur le stigmate. Afin d’explorer les signaux provenant de l’ovule ayant un impact important sur les interactions pollen–pistil, particulièrement les molécules sécrétées impliquées dans la signalisation espècespécifique, l’expression génique des ovules sous forme d’ARNm ainsi et la sécrétion protéique ont été étudiées chez Solanum chacoense, une espèce diploïde de pomme de terre sauvage. S. chacoense a subi beaucoup d’hybridation interspécifique avec d’autres espèces sympathiques de solanacées, facilitant ainsi grandement l’étude des interactions pollen–ovule de façon espècespécifique ainsi que leur évolution. Dans ce projet, des ovules provenant de trois conditions différentes ont été comparés: des ovules matures de type sauvage, des ovules légèrement immatures, récoltés deux jours avant l’anthèse et des ovules provenant du mutant frk1 pour lesquels le sac embryonnaire est absent. Un séquençage d’ARN à haut débit a d’abord été effectué sur les ovules de type sauvage de S. chacoense afin de générer un assemblage de référence comprenant 33852 séquences codantes. D’autres séquençages ont été effectués sur les trois conditions d’ovules et sur les feuilles afin de faire une analyse d’expression différentielle des gènes. En comparaison avec les ovules de type sauvage, 818 gènes sont réprimés dans les ovules du mutant frk1. Un sous-groupe de 284 gènes, étaient également sous-exprimés dans les ovules légèrement immatures, suggérant un rôle spécifique dans les stades tardifs de la maturation du sac embryonnaire (stade de développent FG6 à FG7) ainsi que du guidage du tube pollinique, puisque ni les ovules du mutant frk1 ni ceux légèrement immatures ne sont capables d’attirer les tubes polliniques lors d’essais de croissance semi in vivo. De plus, 21% de ces gènes sont des peptides riches en cystéines (CRPs). En utilisant un transcriptome assemblé de novo provenant de deux proches parents de S. chacoense, S. gandarillasii et S. tarijense, une analyse d’orthologie a été effectuée sur ces CRPs, révélant une grande variabilité et une évolution rapide chez les solanacées. De nouveaux motifs de cystéine uniques à cette famille ont également été découverts. En comparant avec des études similaires chez Arabidopsis, le sac embryonnaire de S. chacoense montre un transcriptome fortement divergent, particulièrement en en ce qui a trait à la catégorisation fonctionnelle des gènes et de la similarité entre les gènes orthologues. De plus,même si la glycosylation n’est pas requise lors du guidage mycropylaire du tube pollinique chez Arabidopsis, Torenia ou le maïs, des extraits d’ovules glycosylés de S. chacoense sont capables d’augmenter la capacité de guidage de 18%. Cette étude est donc la première à montrer une corrélation entre glycosylation et le guidage du tube pollinique par l’ovule. En complément à l’approche transcriptomique, une approche protéomique portant sur les protéine sécrétées par l’ovule (le secrétome) a été utilisée afin d’identifier des protéines impliquées dans l’interaction entre ovule et tube pollinique. Des exsudats d’ovules matures (capables d’attirer le tube pollinique) et d’ovules immatures (incapables d’attirer le tube pollinique) ont été récoltés en utilisant une nouvelle méthode d’extraction par gravité permettant de réduire efficacement les contaminants cytosoliques à moins de 1% de l’échantillon. Un total de 305 protéines sécrétées par les ovules (OSPs) ont été identifiées par spectrométrie de masse, parmi lesquelles 58% étaient spécifiques aux ovules lorsque comparées avec des données de protéines sécrétées par des tissus végétatifs. De plus, la sécrétion de 128 OSPs est augmentée dans les ovules matures par rapport aux ovules immatures. Ces 128 protéines sont donc considérées en tant que candidates potentiellement impliquées dans la maturation tardive de l’ovule et dans le guidage du tube pollinique. Cette étude a également montré que la maturation du sac embryonnaire du stade FG6 au stade FG7 influence le niveau de sécrétion de 44% du sécrétome total de l’ovule. De façon surprenante, la grande majorité (83%) de ces protéines n’est pas régulée au niveau de l’ARN, soulignant ainsi l’importance de cette approche dans l’étude du guidage du tube pollinique comme complément essentiel aux études transcriptomiques. Parmi tous les signaux sécrétés par l’ovule et reliés au guidage, obtenus à partir des approches transcriptomiques et protéomiques décrites ci-haut, nous avons spécifiquement évalué l’implication des CRPs dans le guidage du tube pollinique par l’ovule chez S. chacoense, vu l’implication de ce type de protéine dans les interactions pollen-pistil et le guidage du tube pollinique chez d’autres espèces. Au total, 28 CRPs étaient présentes dans les ovules capables d’attirer le tube pollinique tout en étant absentes dans les ovules incapables de l’attirer, et ce, soit au niveau de l’ARNm et/ou au niveau du sécrétome. De celles-ci, 17 CRPs ont été exprimées dans un système bactérien et purifiées en quantité suffisante pour tester le guidage. Alors que des exsudats d’ovules ont été utilisés avec succès pour attirer par chimiotactisme le tube pollinique, les candidats exprimés dans les bactéries n’ont quant à eux pas été capables d’attirer les tubes polliniques. Comme l’utilisation de systèmes d’expression hétérologue eucaryote peut permettre un meilleur repliement et une plus grande activité des protéines, les candidats restants seront de nouveau exprimés, cette fois dans un système de levure ainsi que dans un système végétal pour produire les peptides sécrétés. Ceux-ci seront ensuite utilisés lors d’essais fonctionnels pour évaluer leur capacité à guider les tubes polliniques et ainsi isoler les attractants chimiques responsable du guidage du tube pollinique chez les solanacées comme S. chacoense.
In flowering plants, the ovary is the female reproductive organ that interacts extensively with the male gametophyte during pollen tube (PT) growth, guidance, reception, discharge and gamete fusion. The process begins when numerous ovule-expressed genes are activated when pollen lands on the stigma. To explore the ovular signals that have a great impact on successful pollen–pistil interactions, especially the secreted molecules that mediate species-specific signalling events, ovule mRNA expression and protein secretion profiles were studied in Solanum chacoense, a wild diploid potato species. Solanum chacoense has undergone extensive interspecific hybridization with sympatric solanaceous species that greatly facilitates the study of species-specific pollen–ovule interactions and evolution. In this project, three ovule conditions were studied: wild-type mature ovules, slightly immature ovules at two days before anthesis (2DBA), and frk1 mutant ovules that lack an embryo sac (ES). RNA-seq was performed on S. chacoense ovules to provide a scaffold assembly comprising 33852 CDS-containing sequences, then to provide read counts for differential gene expression analyses on three ovule conditions as well as on leaf. Compared to wild-type ovules, 818 genes were downregulated in frk1 ovules. A subset of 284 genes was concurrently under-expressed in 2DBA ovules, suggestive of their specific involvement in late stages of ES maturation (female gametophyte (FG), FG6 to FG7 developmental stage), as well as in PT guidance processes, as neither frk1 nor 2DBA ovules attract semi in vivo-grown PTs. Of these 284, 21% encoded cysteine-rich peptides (CRPs). Using de novo assembled ovule transcriptomes of two close relatives, S. gandarillasii and S. tarijense, an orthology survey was conducted on these CRPs, revealing their highly polymorphic nature among species and rapid evolution. Interestingly, novel cysteine motifs unique to this family were also uncovered. As compared to parallel studies in Arabidopsis, S. chacoense was found to possess a highly divergent ES transcriptome, in terms of both functional categories and individual ortholog similarities. Although glycosylation is not required for micropylar guidance cues to attract PTs in Arabidopsis, Torenia or maize, glycosylated ovule extracts from S. chacoense showed enhanced PT guidance competency by 18%. This is the first time a positive regulation between glycosylation and ovular PT guidance has been observed. As a complement to the transcriptomic approach, a proteomic approach using secreted proteins from the ovule (secretome) was employed to identify proteins involved in pollen–pistil interactions. Ovule exudates were collected from mature ovules (PT attracting) and immature ovules at 2DBA (PT nonattracting), using a novel tissue free-gravity extraction method (tf-GEM), which efficiently reduced the cytosolic contamination to less than 1%. Through mass spectrometry analyses, a total of 305 ovule-secreted proteins (OSPs) were identified, of which 58% were considered ovule-specific when compared to secretome studies conducted in other plant tissues. The secretion of 128 OSPs was upregulated in mature ovules vs. immature ovules. These OSPs were considered as candidate proteins involved in late ovule maturation and PT guidance. This study demonstrated that the ES maturation from FG6 to FG7 stages influenced the secretion status of 44% of ovule secretome. Surprisingly, the majority (83%) of these proteins were not regulated at the RNA level, vindicating this novel approach in the study of PT guidance as a robust complement to transcriptomic studies. Among all identified guidance-related ovular signals from the transcriptomic and proteomic approaches described above, we focused on the evaluation of the involvement of CRPs in ovular PT guidance of S. chacoense, due to the implication of various CRPs in pollen–pistil interactions and, especially, in PT guidance. A total of 28 CRPs were present in PT attracting ovules while being low or absent in nonattracting ovules, at the mRNA and/or protein secretion levels. Of these, 17 CRPs were expressed in bacteria and purified in sufficient amount for PT guidance assays. However, while ovule exudates were shown to induce PT chemotropism in the bead assay, refolded candidates did not show guidance competency. Since the use of eukaryotic protein expression systems might lead to better refolding and higher protein activity, the remaining candidates will be expressed in both yeast and plant-based expression systems and tested for their ability to attract PTs in a semi in-vivo assay, in order to lead us toward the isolation of PT guidance chemoattractants in solanaceous species like S. chacoense.

L’auto-incompatibilité (AI) est une barrière reproductive prézygotique qui permet aux pistils d’une fleur de rejeter leur propre pollen. Les systèmes d’AI peuvent prévenir l’autofertilisation et ainsi limiter l’inbreeding. Dans l’AI gamétophytique, le génotype du pollen détermine son propre phénotype d’incompatibilité, et dans ce système, les déterminants mâles et femelles de l’AI sont codés par un locus multigénique et multi-allélique désigné le locus S. Chez les Solanaceae, le déterminant femelle de l’AI est une glycoprotéine stylaire extracellulaire fortement polymorphique possédant une activité ribonucléase et désignée S-RNase. Les S-RNases montrent un patron caractéristique de deux régions hypervariables (HVa et HVb), responsables de leur détermination allélique, et cinq régions hautement conservées (C1 à C5) impliquées dans l’activité catalytique ou la stabilisation structurelle de ces protéines. Dans ce travail, nous avons investigué plusieurs caractéristiques des S-RNases et identifié un nouveau ligand potentiel aux S-RNases chez Solanum chacoense. L’objectif de notre première étude était l’élucidation du rôle de la région C4 des S-RNases. Afin de tester l’hypothèse selon laquelle la région C4 serait impliquée dans le repliement ou la stabilité des S-RNases, nous avons généré un mutant dans lequel les quatre résidus chargés présents en région C4 furent remplacés par des résidus glycine. Cette protéine mutante ne s’accumulant pas à des niveaux détectables, la région C4 semble bien avoir un rôle structurel. Afin de vérifier si C4 est impliquée dans une liaison avec une autre protéine, nous avons généré le mutant R115G, dans lequel un acide aminé chargé fût éliminé afin de réduire les affinités de liaison dans cette région. Ce mutant n’affectant pas le phénotype de rejet pollinique, il est peu probable que la région C4 soit impliquée dans la liaison des S-RNases avec un ligand ou leur pénétration à l’intérieur des tubes polliniques. Enfin, le mutant K113R, dans lequel le seul résidu lysine conservé parmi toutes les S-RNases fût remplacé par un résidu arginine, fût généré afin de vérifier si cette lysine était un site potentiel d’ubiquitination des S-RNases. Toutefois, la dégradation des S-RNases ne fût pas inhibée. Ces résultats indiquent que C4 joue probablement un rôle structurel de stabilisation des S-RNases. Dans une seconde étude, nous avons analysé le rôle de la glycosylation des S-RNases, dont un site, en région C2, est conservé parmi toutes les S-RNases. Afin d’évaluer la possibilité que les sucres conjugués constituent une cible potentielle d’ubiquitination, nous avons généré une S11-RNase dont l‘unique site de glycosylation en C2 fût éliminé. Ce mutant se comporte de manière semblable à une S11-RNase de type sauvage, démontrant que l’absence de glycosylation ne confère pas un phénotype de rejet constitutif du pollen. Afin de déterminer si l’introduction d’un sucre dans la région HVa de la S11-RNase pourrait affecter le rejet pollinique, nous avons généré un second mutant comportant un site additionnel de glycosylation dans la région HVa et une troisième construction qui comporte elle aussi ce nouveau site mais dont le site en région C2 fût éliminé. Le mutant comportant deux sites de glycosylation se comporte de manière semblable à une S11-RNase de type sauvage mais, de manière surprenante, le mutant uniquement glycosylé en région HVa peut aussi rejeter le pollen d’haplotype S13. Nous proposons que la forme non glycosylée de ce mutant constitue un allèle à double spécificité, semblable à un autre allèle à double spécificité préalablement décrit. Il est intéressant de noter que puisque ce phénotype n’est pas observé dans le mutant comportant deux sites de glycosylation, cela suggère que les S-RNases ne sont pas déglycosylées à l’intérieur du pollen. Dans la dernière étude, nous avons réalisé plusieurs expériences d’interactions protéine-protéine afin d’identifier de potentiels interactants polliniques avec les S-RNases. Nous avons démontré que eEF1A, un composant de la machinerie de traduction chez les eucaryotes, peut lier une S11-RNase immobilisée sur résine concanavaline A. Des analyses de type pull-down utilisant la protéine eEF1A de S. chacoense étiquetée avec GST confirment cette interaction. Nous avons aussi montré que la liaison, préalablement constatée, entre eEF1A et l’actine est stimulée en présence de la S11-RNase, bien que cette dernière ne puisse directement lier l’actine. Enfin, nous avons constaté que dans les tubes polliniques incompatibles, l’actine adopte une structure agrégée qui co-localise avec les S-RNases. Ces résultats suggèrent que la liaison entre eEF1A et les S-RNases pourrait constituer un potentiel lien fonctionnel entre les S-RNases et l’altération du cytosquelette d’actine observée lors des réactions d’AI. Par ailleurs, si cette liaison est en mesure de titrer les S-RNases disponibles à l’intérieur du tube pollinique, ce mécanisme pourrait expliquer pourquoi des quantités minimales ou « seuils » de S-RNases sont nécessaires au déclenchement des réactions d’AI.
Self-incompatibility (SI) is a prezygotic reproductive barrier that allows the pistil of a flower to specifically reject their own (self-) pollen. SI systems can help prevent self-fertilization and avoid inbreeding. In gametophytic SI (GSI), the genotype of the pollen determines its breeding behaviour and in this system both female and male specificity determinants of SI are under the control of a multigenic and multiallelic locus called the S-locus. In Solanaceae, the female determinant of SI is a highly polymorphic stylar-expressed extracellular glycoprotein with RNase activity called the S-RNase. S-RNases show a distinct pattern of two hypervariable (HVa and HVb) regions, responsible for their allelic specificity, and five highly conserved regions (C1 to C5) thought to be involved in either the catalytic activity or the structural stabilization of the protein. In this work, we analyzed and characterized several conserved features of the S-RNases and also identified a potential novel S-RNase interactant in Solanum chacoense. The aim of our first study was to investigate the role of the C4 region of S-RNases. To test the hypothesis that the C4 region may be involved in S-RNase folding or stability, we examined a mutant in which the four charged residues in the C4 region were replaced with glycine. This mutant did not accumulate to detectable levels in styles, supporting a structural role for C4. To test the possibility that C4 might be involved in binding another protein, we prepared an R115G mutant, in which a charged amino acid was eliminated to reduce any potential binding to this region. This mutant had no effect on the pollen rejection phenotype of the protein, and thus C4 is likely not involved in either ligand binding or S-RNase entry inside pollen tubes. Finally, a K113R mutant, in which the only conserved lysine residue in all the S-RNases was replaced with arginine, was generated to test if this residue was an S-RNase ubiquitination site. However, S-RNase degradation was not disrupted in this mutant. Taken together, these results indicate that the C4 region likely plays a structural role. In a second study, we analyzed the role of S-RNase glycosylation. All S-RNases share a conserved glycosylation site in the C2 region. To test the possibility that the sugar residues might be a target for ubiquitination, a transgenic S11-RNase lacking its single glycosylation site was examined. This construct behaved similarly to a wild type S11-RNase, demonstrating that the lack of glycosylation does not confer constitutive pollen rejection. To determine if the introduction of an N-linked glycan in the HVa region would affect pollen rejection, a construct containing a second N-glycosylation site inside the HVa region of the S11-RNase and a construct containing only that N-glycosylation site inside the HVa region were prepared. The first construct rejected S11 pollen normally, but surprisingly, plants expressing the construct lacking the C2 glycosylation site rejected both S11 and S13 pollen. We propose that the non-glycosylated form is a dual specific allele, similar to a previously described dual-specific allele that also had amino acid replacements in the HV regions. Interestingly, this phenotype is not observed in the mutant containing two glycosylation sites, which suggests that the sugar residues are not removed during S-RNase entry into the pollen. In the final study, S-RNase-binding assays were performed with pollen extracts to detect potential interacting proteins. We found that concanavalin A-immobilized S11-RNase bound eEF1A, a component of the eukaryotic translational machinery. This interaction was validated by pull-down experiments using a GST-tagged S. chacoense eEF1A. We also found that a previously documented actin binding to eEF1A was markedly increased in the presence of S-RNases, although S-RNases alone do not bind actin. Lastly, we observed that actin in incompatible pollen tubes has an unusual aggregated form which also co-labels with S-RNases. This suggests that binding between S-RNases and eEF1A could provide a potential functional link between the S-RNase and the alteration of the actin cytoskeleton that occurs during the SI reaction. Furthermore, if eEF1A binding to S-RNases acted to titrate the amount of free S-RNase in the pollen tube, this binding may help explain the threshold phenomenon, where a minimum quantity of S-RNase in the style is required to trigger the SI reaction.

La fertilisation chez les plantes dépend de la livraison des cellules spermatiques contenues dans le pollen à l’ovule. Au contact du stigmate, le grain de pollen s’hydrate et forme une protubérance, le tube pollinique, chargé de livrer les noyaux spermatiques à l’ovule. Le tube pollinique est une cellule à croissance rapide, anisotrope et non autotrophe; ainsi tout au long de sa croissance à travers l’apoplaste du tissu pistillaire, le tube pollinique puise ses sources de carbohydrates et de minéraux du pistil. Ces éléments servent à la synthèse des constituants de la paroi qui seront acheminés par des vésicules de sécrétion jusqu’à l’apex du tube. Ce dernier doit aussi résister à des pressions mécaniques pour maintenir sa forme cylindrique et doit répondre à différents signaux directionnels pour pouvoir atteindre l’ovule. Mon projet de doctorat était de comprendre le rôle du cytosquelette dans la croissance anisotrope du tube pollinique et d’identifier les éléments responsables de sa croissance et de son guidage. Le cytosquelette du tube pollinique est composé des microfilaments d’actine et des microtubules. Pour assurer une bonne croissance des tubes polliniques in vitro, les carbohydrates et les éléments de croissance doivent être ajoutés au milieu à des concentrations bien spécifiques. J’ai donc optimisé les conditions de croissance du pollen d’Arabidopsis thaliana et de Camellia japonica qui ont été utilisés avec le pollen de Lilium longiflorum comme modèles pour mes expériences. J’ai développé une méthode rapide et efficace de fixation et de marquage du tube pollinique basée sur la technologie des microondes. J’ai aussi utilisé des outils pharmacologiques, mécaniques et moléculaires couplés à différentes techniques de microscopie pour comprendre le rôle du cytosquelette d’actine lors de la croissance et le tropisme du tube pollinique. J’ai trouvé que le cytosquelette d’actine et plus précisément l’anneau d’actine localisé dans la partie sub-apicale du tube est fortement impliqué dans la croissance et le maintien de l’architecture du tube à travers le contrôle de la livraison des vésicules de sécrétion. J’ai construit une chambre galvanotropique qui peut être montée sur un microscope inversé et qui sert à envoyer des signaux tropistiques bien précis à des tubes polliniques en croissance. J’ai trouvé que les filaments d’actine sont impliqués dans la capacité du tube pollinique à changer de direction. Ce comportement tropistique dépend de la concentration du calcium dans le milieu de croissance et du flux de calcium à travers des canaux calciques. Le gradient de calcium établi dans le tube pollinique affecte l’activité de certaines protéines qui se lient à l’actine et dont le rôle est la réorganisation des filaments d’actine. Parmi ces protéines, il y a celles de dépolymérisation de l’actine (ADF) dont deux spécifiquement exprimées dans le gamétophyte mâle d’Arabidopsis (ADF7 et ADF10). Par marquage avec des proteins fluorescents, j’ai trouvé que l’ADF7 et l’ADF10 ont des expressions différentielles pendant la microsporogenèse et la germination et croissance du tube pollinique et qu’elles partagent entre elles des rôles importants durant ces différents stades.
Fertilization in plants depends on the delivery of the sperm cells in the pollen grain through the pollen tube to the ovule. The pollen tube is a highly anisotropic, fast growing cellular protuberance. Because the pollen tube is non autotrophic, it requires a steady supply of carbohydrates and minerals supplied by the pistil to sustain its growth. These elements serve for the synthesis of cell wall material, delivered to the site of cell wall assembly in secretory vesicles that are transported along the actin cytoskeleton and deposited at the growing apex of the tube. The tube has to resist external deformation forces in order to maintain its cylindrical shape and to respond to various directional signals in order to reach its target. My objectives were to identify the role of the cytoskeleton in the anisotropic growth of the pollen tube and to determine how the tube responds to directional cues. The cytoskeleton in the pollen tube consists of microfilaments and microtubules, both forming long filamentous elements. For in vitro growing pollen tubes, carbohydrates and growth minerals have to be added to the growth medium in specific amounts order to sustain pollen tube growth. I optimized the growth conditions of Arabidopsis thaliana and Camellia japonica pollen tubes which, in addition to pollen from Lilium longiflorum, were used as model species for my experiments. I developed a microwave based, fast and efficient fixation and labelling protocol for pollen tubes. I used pharmacological, mechanical, molecular and microscopical tools to study the role of the cytoskeleton in pollen tube growth and tropism. I found that the actin cytoskeleton, and more specifically the subapical actin fringe, plays an important role in the regulation of pollen tube growth and architecture through the controlled delivery of secretory vesicles to the growing apex. I constructed a galvanotropic chamber that can be mounted on an inverted microscope to induce controlled tropic triggers. I found that the actin cytoskeleton is also involved in the ability of the pollen tube to change its direction. This tropic behaviour was shown to be dependent on the concentration of calcium ions in the growth medium and calcium influx through calcium channels. The cytosolic calcium gradient in the pollen tube regulates the activity of various actin binding proteins that are responsible for remodelling the actin cytoskeleton. Among these proteins are two Arabidopsis gametophyte-specific actin depolymerizing factors (ADFs) that I tagged with two intrinsically fluorescent proteins. I found that ADF7 and ADF10 are differentially expressed during microsporogenesis and pollen tube germination and growth and that they likely divide important functions between them.

L'élongation cellulaire de cellules cultivant bout comme hyphae fongueux, inculquez hairs, des tubes de pollen et des neurones, est limité au bout de la cellule, qui permet à ces cellules d'envahir l'encerclement substrate et atteindre une cible. Les cellules cultivant bout d'équipement sont entourées par le mur polysaccharide rigide qui régule la croissance et l'élongation de ces cellules, un mécanisme qui est radicalement différent des cellules non-walled. La compréhension du règlement du mur de cellule les propriétés mécaniques dans le contrôle de la croissance et du fonctionnement cellulaire du tube de pollen, une cellule rapidement grandissante d'équipement, est le but de ce projet. Le tube de pollen porte des spermatozoïdes du grain de pollen à l'ovule pour la fertilisation et sur sa voie du stigmate vers l'ovaire le tube de pollen envahit physiquement le stylar le tissu émettant de la fleur. Pour atteindre sa cible il doit aussi changer sa direction de croissance les temps multiples. Pour évaluer la conduite de tubes de pollen grandissants, un dans le système expérimental vitro basé sur la technologie de laboratoire-sur-fragment (LOC) et MEMS (les systèmes micro-électromécaniques) ont été conçus. En utilisant ces artifices nous avons mesuré une variété de propriétés physiques caractérisant le tube de pollen de Camélia, comme la croissance la croissance accélérée, envahissante et dilatant la force. Dans une des organisations expérimentales les tubes ont été exposés aux ouvertures en forme de fente faites de l'élastique PDMS (polydimethylsiloxane) la matière nous permettant de mesurer la force qu'un tube de pollen exerce pour dilater la croissance substrate. Cette capacité d'invasion est essentielle pour les tubes de pollen de leur permettre d'entrer dans les espaces intercellulaires étroits dans les tissus pistillar. Dans d'autres essais nous avons utilisé l'organisation microfluidic pour évaluer si les tubes de pollen peuvent s'allonger dans l'air et s'ils ont une mémoire directionnelle. Une des applications auxquelles le laboratoire s'intéresse est l'enquête de processus intracellulaires comme le mouvement d'organelles fluorescemment étiqueté ou les macromolécules pendant que les tubes de pollen grandissent dans les artifices LOC. Pour prouver que les artifices sont compatibles avec la microscopie optique à haute résolution et la microscopie de fluorescence, j'ai utilisé le colorant de styryl FM1-43 pour étiqueter le système endomembrane de tubes de pollen de cognassier du Japon de Camélia. L'observation du cône de vésicule, une agrégation d'endocytic et les vésicules exocytic dans le cytoplasme apical du bout de tube de pollen, n'a pas posé de problèmes des tubes de pollen trouvés dans le LOC. Pourtant, le colorant particulier en question a adhéré au sidewalls du LOC microfluidic le réseau, en faisant l'observation de tubes de pollen près du difficile sidewalls à cause du signal extrêmement fluorescent du mur. Cette propriété du colorant pourrait être utile de refléter la géométrie de réseau en faisant marcher dans le mode de fluorescence.
Cellular elongation of tip-growing cells such as fungal hyphae, root hairs, pollen tubes and neurons, is limited to the tip of the cell, which enables these cells to invade the surrounding substrate and to reach a target. Tip-growing plant cells are surrounded by the stiff polysaccharidic wall that regulates the growth and elongation of these cells, a mechanism that is very different from non-walled cells. Understanding the regulation of the cell wall mechanical properties in controlling growth and cellular functioning of the pollen tube, a rapidly growing plant cell, is the goal of this project. The pollen tube carries sperm cells from the pollen grain to the ovule for fertilization and on its way from the stigma towards ovary the pollen tube physically invades the stylar transmitting tissue of the flower. To reach its target it also has to change its growth direction multiple times. To assess the behavior of growing pollen tubes, an in vitro experimental system based on lab-on-chip (LOC) technology and MEMS (microelectro-mechanical systems) was designed. Using these devices we measured a variety of physical properties characterizing the pollen tube of Camellia, such as growth velocity, invasive growth and dilating force. In one of the experimental set-ups the tubes were exposed to slit-shaped openings made of elastic PDMS (polydimethylsiloxane) material allowing us to measure the force a pollen tube exerts to dilate the growth substrate. This invasion capacity is crucial for pollen tubes to allow them to enter narrow intercellular spaces within the pistillar tissues. In other assays we used the microfluidic set-up to test whether pollen tubes can elongate in air and whether they have a directional memory. One of the applications that the lab is interested in is the investigation of intracellular processes such as the motion of fluorescently labelled organelles or macromolecules while the pollen tubes grow within the LOC devices. To prove that the devices are compatible with high-resolution optical microscopy and fluorescence microscopy, I used the styryl dye FM1-43 to label the endomembrane system of Camellia japonica pollen tubes. Observation of the vesicle cone, an aggregation of endocytic and exocytic vesicles in the apical cytoplasm of the pollen tube tip, did not pose any problems in pollen tubes located within the LOC. However, the particular dye in question adhered to the sidewalls of the LOC microfluidic network, making viewing of pollen tubes close to the sidewalls difficult because of the highly fluorescent signal of the wall. This property of the dye might be useful to image the network geometry when operating in fluorescence mode.

L’une des particularités fondamentales caractérisant les cellules végétales des cellules animales est la présence de la paroi cellulaire entourant le protoplaste. La paroi cellulaire joue un rôle primordial dans (1) la protection du protoplaste, (2) est impliquée dans les mécanismes de filtration et (3) est le lieu de maintes réactions biochimiques nécessaires à la régulation du métabolisme et des propriétés mécaniques de la cellule. Les propriétés locales d’élasticité, d’extensibilité, de plasticité et de dureté des composants pariétaux déterminent la géométrie et la forme des cellules lors des processus de différentiation et de morphogenèse. Le but de ma thèse est de comprendre les rôles que jouent les différents composants pariétaux dans le modelage de la géométrie et le contrôle de la croissance des cellules végétales. Pour atteindre cet objectif, le modèle cellulaire sur lequel je me suis basé est le tube pollinique ou gamétophyte mâle. Le tube pollinique est une protubérance cellulaire qui se forme à partir du grain de pollen à la suite de son contact avec le stigmate. Sa fonction est la livraison des cellules spermatiques à l’ovaire pour effectuer la double fécondation. Le tube pollinique est une cellule à croissance apicale, caractérisée par la simple composition de sa paroi et par sa vitesse de croissance qui est la plus rapide du règne végétal. Ces propriétés uniques font du tube pollinique le modèle idéal pour l’étude des effets à courts termes du stress sur la croissance et le métabolisme cellulaire ainsi que sur les propriétés mécaniques de la paroi. La paroi du tube pollinique est composée de trois composantes polysaccharidiques : pectines, cellulose et callose et d’une multitude de protéines. Pour comprendre les effets que jouent ces différents composants dans la régulation de la croissance du tube pollinique, j’ai étudié les effets de mutations, de traitements enzymatiques, de l’hyper-gravité et de la gravité omni-directionnelle sur la paroi du tube pollinique. En utilisant des méthodes de modélisation mathématiques combinées à de la biologie moléculaire et de la microscopie à fluorescence et électronique à haute résolution, j’ai montré que (1) la régulation de la chimie des pectines est primordiale pour le contrôle du taux de croissance et de la forme du tube et que (2) la cellulose détermine le diamètre du tube pollinique en partie sub-apicale. De plus, j’ai examiné le rôle d’un groupe d’enzymes digestives de pectines exprimées durant le développement du tube pollinique : les pectate lyases. J’ai montré que ces enzymes sont requises lors de l’initiation de la germination du pollen. J’ai notamment directement prouvé que les pectate lyases sont sécrétées par le tube pollinique dans le but de faciliter sa pénétration au travers du style.
One of the most important features characterizing plant cells and differentiating them from animal cells is the cell wall that surrounds them. The cell wall plays a critical role in providing protection to the protoplast; it acts as a filtering mechanism and is the location of many biochemical reactions implicated in the regulation of the cell metabolism and the mechanical properties of the cell. The local stiffness, extensibility, plasticity and elasticity of the different cell wall components determine the shape and geometry of the cell during differentiation and morphogenesis. The goal of my thesis is to understand the role played by the different cell wall components in shaping the plant cell and controlling its growth behaviour. To achieve this goal, I studied the pollen tube, or male gametophyte, as a cellular model system. The pollen tube is a cellular protuberance formed by the pollen grain upon its contact with the stigma. Its main purpose is to deliver the sperm cells to the female gametophyte to ensure double fertilization. The pollen tube is a tip-growing cell characterized by its simple cell wall composition and by the fact that it is the fastest growing cell of the plant kingdom. This makes it the ideal model to study the effects of drugs, mutations or stresses on cellular growth behaviour, metabolism and cell wall mechanics. The pollen tube cell wall consists mainly of proteins and three major polysaccharidic components: pectins, cellulose and callose. To understand the role played by these components in regulating pollen tube growth, I investigated the effects of mutations, enzymatic treatments, hyper-gravity and omni-directional gravity on the pollen tube cell wall. Using mathematical modeling combined with molecular biology and high-resolution electron and fluorescent microscopy I was able to show that the regulation of pectin chemistry is required for the regulation of the growth rate and pollen tube shape and that cellulose is crucial for determining the pollen tube diameter in the sup-apical region. Moreover, I investigated the role of the pectate lyases, a group of pectin digesting enzymes expressed during pollen tube development, and I showed that this enzyme activity is required for the initiation of pollen germination. More importantly, I directly showed for the first time that the pollen tube secretes cell wall loosening enzymes to facilitate its penetration through the style.

La reproduction est un événement crucial pour la vie des plantes. Ce processus nécessite la formation du pollen et des ovules. Les cellules germinales vont subir la méiose puis une succession de mitoses, deux pour le pollen et trois pour l’ovule, ce qui va leur permettre d’acquérir leurs structures finales. Une fois formés, ces deux gamètes doivent se rencontrer. Pour cela, le grain de pollen va germer sur le stigmate puis former le tube pollinique. Le tube pollinique en croissance va traverser les différents tissus femelles et ainsi tracter les deux cellules spermatiques jusqu’à l’ovule, permettant la reproduction. Un important réseau de signalisation cellulaire est nécessaire pour permettre ces événements. Les cascades des Mitogen-Activated Protein Kinases (MAPKs) sont l’un des réseaux de signalisation les plus étudiés chez les plantes. Ces kinases sont impliquées dans de très nombreux processus développementaux tels que la formation de l’embryon ou des stomates. Pour autant, leurs rôles restent encore peu caractérisés pendant de la fécondation. Ce projet a pour objectif de mieux comprendre le rôle que jouent les MAPK lors de la formation des gamètes mâles et femelles ainsi que lors de la croissance des tubes polliniques. Plusieurs membres de la superfamille des MAPKs ont été caractérisés pour leurs rôles dans la reproduction sexuée des végétaux. De précédents travaux dans le laboratoire de Daniel P. Matton, ont démontré l’implication de deux MAPK Kinases Kinases (MAP3K), la Solanum chacoense Fertilization-Related Kinase 1 (ScFRK1) et ScFRK2. Ces deux kinases sont nécessaires pour le développement de l’ovule et du pollen chez S. chacoense, une espèce de pomme de terre sauvage diploïde. Dans un premier temps, nous avons étudié la fonction d’une nouvelle ScFRK, la ScFRK3. Ce troisième membre de la classe des FRKs chez S. chacoense, est, elle aussi, impliquée dans le développement des gamétophytes mâles et femelles. Du patron d’expression jusqu’à l’établissement d’une voie de signalisation potentielle, en passant par la caractérisation phénotypique des mutants, plusieurs expériences ont été réalisées dans le but de comprendre le rôle de ScFRK3 lors de la formation des gamètes chez Solanum chacoense. Nous montrons que la ScFRK3 est impliquée dans la formation du pollen ainsi que celui des ovules. Nous avons ensuite poursuivi nos recherches en affinant le phénotypage du mutant de surexpression ScFRK2. En effet, les précédentes études ont permis de montré que la surexpression de ScFRK2 conduit le primordium ovulaire à la formation de structures carpéloïdes. Pour autant, les ensembles des primordius ovulaires ne sont pas devenu des strutures capéloïde. Nous montrons ici que seulement 10 % des ovules dans l'ovaire sont devenu 4 des carpéloïde. Notre étude montre qu’en plus des structures carpéloïdes, un grand nombre d'ovule n'ont pas de sac embryonnaire à l'anthèse ce qui explique le faible nombre de graines par fruit. L’analyse du développement des sacs embryonnaires monte que la surexpression de ScFRK2 entraine l’arrêt au stade mégaspore fonctionnelle. Ce phénotype est similaire à ce qui a pu être observé dans les lignées ARN interférant pour la ScFRK1 et la ScFRK3. De précédentes études faites chez Arabidopsis thaliana semblent montrer que les membres de la superfamille des MAPK ne sont pas essentiels pour la croissance du tube pollinique. Pour comprendre le rôle que jouent les MAPK dans l’élongation du tube pollinique, nous avons utilisé un inhibiteur des MAP Kinase Kinase (MKK), appelé U0126. La présence de cette drogue dans le milieu de croissance des grains de pollen provoque une diminution de la germination et de l’élongation du tube pollinique. L’utilisation de la méthode semi-in vivo montre une perte de la polarisation de la croissance des tubes polliniques causée par l’inhibition des MKK. La présence de l’inhibiteur conduit à la diminution de la quantité de filaments d’actine ainsi qu’à leur désorganisation à l’apex du tube. L’exocytose est aussi affectée par l’inhibition des MKK. Les cascades MAPK sont nécessaires à la croissance polarisée du tube pollinique chez Arabidopsis thaliana. Pour finir, nous avons voulu identifier certains membres de la superfamille des MAPK impliqués dans la croissance du tube pollinique. Nous nous sommes intéressés en premier lieu aux orthologues de la famille ScFRK chez Arabidopsis thaliana. Les AtMAP3K19-20-21 sont les orthologues les plus proches de ScFRK3. Ces AtMAP3K sont exprimées lors du développement des grains de pollen et lors de l’élongation de tube pollinique. L’analyse du pollen des différentes lignées mutantes montre qu’en leur absence, le pollen ne présente aucun problème de développement contrairement à ScFRK3. Par contre, les doubles mutants et le triple mutant pour les AtMAP3K19-20-21 montrent une diminution de la capacité de germination. L’élongation du tube pollinique est affectée lors de la mutation d’au moins une des AtMAP3K. Ces deux études démontrent que les MAPK sont essentielles dans la formation et l’élongation du tube pollinique.
Reproduction is a crucial event for plant life. This process requires the formation of pollen and ovules. The germ cells will undergo meiosis and then a succession of mitosis, two for the pollen and three for the ovule, which will allow them to acquire their final structures. Once formed, these two gametes must meet each other. For this, the pollen grain will germinate on the stigmas to form the pollen tube. The growth of the pollen tube will pass through the different female tissues and thus pull the two sperm cells to the ovum for reproduction. An important cellular signaling network is necessary to allow these events to occur. The Mitogen-Activated Protein Kinase (MAPKs) cascades are one of the most studied signaling networks in plants. These kinases are involved in a wide range of developmental processes such as embryo formation and stomata. However, their roles remain poorly characterized during fertilization. The aim of this project is to better understand the role played by MAPKs during the formation of male and female gametes as well as during the growth of pollen tubes. Several members of the MAPK superfamily have been characterized for their role in the sexual reproduction of plants. Previous work in Daniel P. Matton's laboratory has demonstrated the involvement of two MAPK Kinases (MAP3K), Solanum chacoense Fertilization-Related Kinase 1 (ScFRK1) and ScFRK2. These two kinases are necessary for egg and pollen development in S. chacoense, a diploid wild potato species. In a first step, we studied the functionality of a new ScFRK, ScFRK3. This third member of the class of FRKs in S. chacoense, is also involved in the development of male and female gametophytes. From the expression pattern to the establishment of a potential signaling pathway, through the phenotypic characterization of mutants, several experiments have been performed in order to understand the role of ScFRK3 in the formation of gametes in S. chacoense. We show that ScFRK3 is involved in the formation of pollen as well as that of the embryonic sac. We then continued our research by refining the phenotyping of the overexpression mutant ScFRK2. Indeed, previous studies have shown that ScFRK2 overexpression leads the ovular primordium to the formation of carpeloid structures. However, the sets of ovular primordia have not become capeloid structures. We show here that only 10% of the eggs in the ovary have become carpeloid. Our study shows that in addition to the carpeloid structures, a large number of ova do not have an embryonic sac in the anthesis, which explains the low number of seeds per fruit. The analysis of the development of the embryonic sacs shows that 7 overexpression of ScFRK2 leads to the cessation of the functional megaspore stage. This phenotype is similar to what has been observed in interfering RNA lines reducing expression of ScFRK1 and ScFRK3. Previous studies in Arabidopsis thaliana suggest that members of the MAPK superfamily are not essential for pollen tube growth. To understand the role that MAPKs play in pollen tube elongation, we used a MAP Kinase Kinase (MKK) inhibitor called U0126. The presence of this drug in the growth medium of pollen grains causes a decrease in germination and elongation of the pollen tube. The use of the semi in vivo method shows a loss of polarization of the pollen tube growth caused by the inhibition of MKK. The presence of the inhibitor leads to a decrease in the number of actin filaments and their disorganization at the apex of the tube. Exocytosis is also affected by MKK inhibition. We show in this chapter that MAPK cascades are necessary for polarized pollen tube growth in Arabidopsis thaliana. Finally, we wanted to identify some members of the MAPK superfamily involved in pollen tube growth. We were first interested in the ScFRK family orthologs in Arabidopsis thaliana. AtMAP3K19-20-21 are the closest orthologs to ScFRK3. These AtMAP3K are expressed during the development of pollen grains and during the elongation of the pollen tube. Pollen analysis of the different mutant lines shows that in their absence the pollen does not present any development problems unlike ScFRK3. On the other hand, double mutants and triple mutant for AtMAP3K19-20-21 show a decrease in germination capacity. Pollen tube elongation is affected when at least one of the AtMAP3Ks is mutated. These two studies demonstrate that MAPKs are essential for the formation and elongation of the pollen tube and that AtMAP3K19-20-21 participate in these biological processes.

L’auto-incompatibilité (AI) est la capacité génétiquement déterminée d’une plante fertile de rejeter son propre pollen. Chez les Solanacées l’AI dépend des éléments d’un locus fort complexe (locus S) multigénique. L’élément du locus-S exprimé dans le pistil est une ribonucléase (S-RNase) dont le rôle est de dégrader l’ARN chez le pollen self, tandis que l’élément du locus S exprimé dans le pollen est un ensemble de protéines du type F-box, qui sont normalement impliquées dans la dégradation des protéines. Cependant, comment les S-RNases self restent actives lors des croisements incompatibles et comment les S-RNases non-self sont inactivées lors des croisements compatibles ce n’est encore pas clair. Un modèle propose que les S-RNases non-self soient dégradées lors des croisements compatibles. Un autre modèle propose que toutes les S-RNases, self et non-self, soient d'abord séquestrées à l’intérieur d’une vacuole, et elles y resteraient lors des croisements compatibles. Lors de croisements incompatibles, par contre, elles seraient relâchées dans le cytoplasme, où elles pourront exercer leur action cytotoxique. Notre étude tente de répondre à ces questions. Notamment, nous cherchons à mettre en évidence la localisation vacuolaire et/ou cytoplasmique des S-RNases et leur concentration par immunolocalisation, en utilisant un anticorps ciblant la S11-RNase de Solanum chacoense et la microcopie électronique à transmission. Nos résultats montrent que la densité de marquage observée pour les S-RNases cytoplasmiques est significativement plus haute dans les tubes incompatibles que dans ceux compatibles ce qui nous indique que pour qu’un tube pollinique soit compatible il doit contenir une faible densité de S-RNase cytoplasmique.
Self-incompatibility (SI) is a widespread genetic device used by flowering plants to reject their own pollen, and thus to avoid inbreeding. This cell-cell recognition mechanism is mediated by molecular interactions between gene products expressed in the pollen and those expressed in specialized cells of the pistil. The genetic determinants of the system are produced from a highly complex multigenic S-locus with multiple S-haplotypes, although other genes outside the S-locus also contribute to the phenomenon in a non-allele specific manner. SI discriminates between self and non-self pollen, as the former will be rejected (incompatible cross), whereas the latter will be allowed to accomplish fertilization (compatible cross). In the Solanaceae (to which Solanum chacoense belongs) the pistillar determinant to SI is an extremely polymorphic stylar extracellular S-RNase, whereas the pollen determinant involves the collaborative action of several members of the F-box family (SLF or S-locus F-box). This has led to the hypothesis that during compatible crosses, ubiquitin-mediated degradation of non-self S-RNases takes place (degradation model). However, it has also been found that non-self S-RNases appear to be sequestered in the vacuole during compatible crosses (sequestration model). The objective of our study was to discriminate between these two models by using immunolocalization techniques and transmission electron microscopy. We have found that the concentration of S-RNases is significantly higher in incompatible pollen tubes than in compatible ones.