Gene regulatory network for lateral root formation in Arabidopsis thaliana Duy Chi Trinh To cite this version: Duy Chi Trinh. Gene regulatory network for lateral root formation in Arabidopsis thaliana. Plants genetics. Université Montpellier, 2019. English. NNT : 2019MONTG003. tel-02304191 HAL Id: tel-02304191 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02304191 Submitted on 3 Oct 2019 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. THÈSE POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE MONTPELLIER En Biologie du Développement École doctorale n°584 GAIA : Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau Unité de recherche DIADE : Diversité, Adaptation et Développement des Plantes 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 Présentée par TRINH Duy Chi Le 22 mars 2019 Sous la direction de Dr. Laurent LAPLAZE Devant le jury composé de Mr Alain GOJON, Directeur de Recherche, INRA, Montpellier Président du jury Mme Sandra BENSMIHEN, Chargé de Recherche, CNRS, Toulouse Examinateur Mr Frédéric DOMERGUE, Chargé de Recherche, CNRS, Bordeaux Rapporteur Mme Soazig GUYOMARC’H, Maitre de conférences, Université de Montpellier Invité Mr Laurent LAPLAZE, Directeur de Recherche, IRD, Montpellier Directeur de thèse Mme Valérie LEGUÉ, Professeur, Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand Rapporteur Mr Joop VERMEER, Professeur, Université de Zurich Examinateur This PhD was prepared in the DIADE research unit DIversité - Adaptation - DEveloppement des plantes Centre IRD de Montpellier 911 Avenue Agropolis 34394 Montpellier Cedex 5 France 1 Abstract in English 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 transcriptome 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, roots of puchi-1 loss of function mutant 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 demonstrate 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. Key words: gene regulatory network, lateral root, stem cell niche, mersitem formation, very long chain fatty acids (VLCFAs), PUCHI 2 Abstract in French 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 modèle Arabidopsis 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. Mots clés: réseau de régulation du gène, racines latérales, niche de cellules souches, formation de mersitem, acides gras à très longue chaine (VLCFAs), PUCHI 3 ACKNOWLEDGEMENTS First of all, I express my greatest gratitude to my PhD supervisors, Dr. Laurent Laplaze and Dr. Soazig Guyomarc’h. I feel truly privileged to be your student. You two have guided me through this journey with kindness, encouragement and great patience. Thank you very much Dr. Laurent for spending your valuable time discussing via video and answering all my requests with incredible efficiency. Thank you very much Dr. Soazig for finding the time between the university and the lab to be there for enthusiastic discussions, as well as for all the help with my everyday life. I and my little family, especially my daughter, deeply appreciate your generous support during our stay. I thank Dr. Sandra Bensmihen, Dr Frédéric Domergue, Dr. Alain Gojon, Dr. Valérie Legué, and Dr. Joop Vermeer for participating in my PhD defense jury. I am deeply grateful to all members of my PhD committee to my study. Thank you all very much, Dr. Thierry Joet, Dr. Patrick Lemaire, Dr. Philippe Nacry, Dr. François Parcy and Dr. Benjamin