Developmental instability in lateral roots of maize: a multi-scale analysis

Moreno-Ortega Beatriz. 2016. Developmental instability in lateral roots of maize: a multi-scale analysis. Montpellier : Montpellier SupAgro, 213 p. Thèse de doctorat : Biologie, interactions, diversité adaptative des plantes : Montpellier SupAgro Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques

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Titre français : Instabilité développementale chez les racines latérales du maïs : une analyse multi-échelle

Encadrement : Muller, Bertrand ; Guédon, Yann

Résumé : In the perspective of a second Green Revolution, aiming, unlike the first one, to enhance yields of crops in a low fertility context, the strategies used by plants for an optimal uptake of soil nutrients are at the core of the problem. To solve it and identify ideal breeds among the genetic diversity of crops, plant root systems, their development and their architecture, are called upon to play the leading role. The variability among secondary roots appears as a crucial feature for the optimality of soil exploration and acquisition of mobile and immobile resources, but this phenomenon remains poorly understood. The work presented in this thesis focuses on the lateral roots of maize (Zea mays L.) and attempts to unravel the processes at the origin of intrinsic variations in lateral root development. It relies notably on the phenotyping of individual lateral roots at an unprecedented scale, tracking the daily growth of thousands of them at a high spatial resolution, in order to characterize precisely the spatio-temporal variations existing both between and within root individuals. Individual growth rate profiles were analyzed with a statistical model that identified three main temporal trends in growth rates leading to the definition of three lateral root classes with contrasted growth rates and growth duration. Differences in lateral root diameter at root emergence (originating at the primordium stage) were likely to condition the followed growth trend but did not seem enough to entirely determine lateral root fate. Lastly, these lateral root classes were randomly distributed along the primary root, suggesting that there is no local inhibition or stimulation between neighbouring lateral roots. In order to explain the origin of the observed differences in growth behaviour, we complemented our study with a multi-scale characterization of groups of lateral roots with contrasted growth at a cellular, anatomical and molecular level. A particular focus is set on the analysis of cell length profiles in lateral root apices for which we introduced a segmentation model to identify developmental zones. Using this method, we evidenced strong modulations in the length of the division and elongation zones that could be closely related to variations in lateral root growth. The regulatory role of auxin on the balance between cellular proliferation and elongation processes is demonstrated through the analysis of mutant lines. Ultimately, variations in lateral root growth are traced back to the allocation of carbon assimilates and the transport capacity of the root, suggesting that a feedback control loop mechanism could play a determinant role in the setting out of contrasted lateral root growth trends.

Résumé (autre langue) : Dans l'optique d'une seconde Révolution Verte, visant, à la différence de la première, à accroître les rendements des cultures dans un contexte de faible fertilité, les stratégies mises en place par les plantes pour une assimilation optimale des nutriments du sol se trouvent au coeur du problème. Afin de le résoudre et d'identifier les variétés idéales parmi la diversité génétique des plantes cultivées, les systèmes racinaires, leur développement et leur architecture, sont appelés à jouer le premier rôle. La variabilité au sein des racines latérales semble s'avérer une caractéristique cruciale pour l'optimisation de l'exploration du sol et de l'acquisition de ses ressources mobiles et immobiles, mais ce phénomène est encore mal appréhendé. Le travail présenté dans cette thèse se concentre sur les racines latérales du maïs (Zea mays L.) dans un effort pour révéler les processus à l'origine des variations intrinsèques dans le développement racinaire. Il s'appuie en particulier sur le phénotypage des racines latérales à une échelle sans précédent, suivant la croissance journalière de milliers d'entre elles à haute résolution spatiale, pour caractériser précisément les variations spatio-temporelles entre et au sein des individus racinaires. Les profils individuels de vitesse de croissance ont été analysés à l'aide d'un modèle statistique qui a identifié trois principales tendances temporelles dans les vitesses de croissance menant à la definition de trois classes de racines latérales avec une vitesse et durée de croissance distinctes. Des différences de diamètre à l'émergence de ces racines (dont l'origine remonte au stade du primordium) conditionnent probablement la tendance ultérieure de croissance mais ne suffisent pas à déterminer le destin de la racine. Finalement, ces classes racinaires sont distribuées aléatoirement le long de la racine primaire, ce qui suggère qu'aucune stimulation ou inhibition locale n'existe entre racinesvoisines. Pour expliquer l'origine des variations observées dans la croissance, ce travail a été complété par une caractérisation multi-échelle de groupes de racines latérales présentant une croissance distincte, à un niveau cellulaire, anatomique et moléculaire. Un effort particulier a été dirigé à l'analyse des profils de longueur de cellules dans des apex racinaires pour lequel nous avons introduit un modèle de segmentation pour identifier des zones développementales. Grâce à cette méthode, une forte modulation dans la longueur des zones de division et d'élongation a été mise en évidence, en lien avec les variations de la croissance des racines latérales. Le rôle régulateur de l'auxine sur l'équilibre entre les processus de prolifération et d'élongation cellulaire a été montré avec l'utilisation de lignées mutantes. En fin de compte, les variations de la croissance entre racines latérales sont remontées jusqu'à l'allocation d'assimilats carbonés et la capacité de transport de la racine, ce qui suggère l'existence d'un mécanisme de rétroaction qui pourrait jouer un rôle déterminant dans la mise en place de tendances contrastées dans la croissance des racines latérales.

Mots-clés libres : Root system, Lateral root, Zea mays, Growth pattern, Root meristem

Classification Agris : F50 - Anatomie et morphologie des plantes
F62 - Physiologie végétale - Croissance et développement
U10 - Informatique, mathématiques et statistiques

Champ stratégique Cirad : Axe 1 (2014-2018) - Agriculture écologiquement intensive

Auteurs et affiliations