Root-knot nematode-induced gall biogenesis depends on cell cycle hyperactivation : Functional studies of new players of the mitotic and endocycle in giant-feeding cells | La biogenèse des galles induites par des phyto-nématodes dépend de l'hyperactivation du cycle cellulaire : études fonctionnelles des nouveaux acteurs du cycle mitotique et de l'endocycle dans les cellules géantes

Inglés. During the last twenty years, Arabidopsis thaliana has been successfully used as a model plant accelerating discoveries at the molecular and cellular level in numerous plant-pathogen interactions. Arabidopsis is susceptible to a number of pathogens including nematodes, responding to pathogen attack in a similar manner to cultivated plant species. Meloidogyne incognita is a crop parasite causing extensive economic losses of billions of dollars yearly for the agriculture worldwide. Root-knot nematodes induce feeding sites within the host root inducing up to eight giant-feeding cells within the root vascular cylinder by injecting secretions. These giant cells become hypertrophied and contain multiple enlarged nuclei as a result of numerous mitotic events of which cytokinesis is absent or interrupted. Throughout expansion, giant cells become highly polyploid via successive endoreduplication cycles. Thus, a crucial feature for root-knot nematode development is the hyperactivation of the plant host cell cycle in galls. The eukaryotic cell cycle is conserved and characterized by four phases: The S phase (DNA replication) is followed by the M phase (mitosis), cytokinesis and cell division. These are intercalated by the G1 phase (first gap) which connects the end of mitosis to the start of DNA synthesis, and the G2 phase (second gap) which connects the end of DNA synthesis to the start of mitosis. The endocycle is a variant of the cell cycle in which replication occurs without mitosis, resulting in a doubling of cellular DNA content for each endocycle round. The hyperactivation of the cell cycle is essential for the nematode-induced gall biogenesis, and a precise balance between mitotic and endocycle phases is essential for the successful compatible interaction. As a broad question of my PhD, we addressed which the pre-requisites are needed to establish a functional gall induced by root-knot nematodes. More specifically, I essentially focused on the functional studies of particular plant cell cycle genes playing a role in the mitotic and the endocycle during plant-root-knot nematode interaction. To address this question, functional studies of new players in the cell cycle of the plant host, stimulating (E2F genes), inhibiting (ABAP1 and an interactor AIP10 genes) or controlling (WEE1 gene) the cell cycle, were investigated in galls induced in our model host Arabidopsis thaliana. The results obtained demonstrate that the genes here studied are critical for, as well the formation as the maintenance of nematode feeding sites. Overall, our functional study and molecular analysis show that the absence of E2Fa and E2Fb transcription factors will severely affect gall development and nematode reproduction. As well, overexpression of E2Fa and E2Fb will disrupt the cell cycle in galls, validating their importance for nematode feeding site development. We further investigated if nematode induced stress might trigger a checkpoint control during cell cycle progression in galls. Therefore, functional analysis of the WEE1 transcription factor was performed and showed that its absence induced galls prematurely to enter mitosis, thus affecting feeding site development and nematode reproduction. Performing drug treatments and the use of the stress marker SMR7 and a DNA repair promoter reporter line PARP1 suggested the induction of checkpoint activation in galls at G1/S phase of the cell cycle. The data presented in this thesis provided fundamental knowledge for a better understanding of cell cycle control during gall biogenesis as well sideways for plant development. Currently, our results are being managed for application initially in Arabidopsis, and promising strategies will be conducted and extended towards different crop species in order to better control nematode attack. Here, we specifically aimed at generating genetically modified plants by silencing E2Fa genes as an anti-nematode strategy in the field.

Francés. Lors des vingt dernières années, l’utilisation d’Arabidopsis thaliana en tant que plante modèle a permis d’accélérer les découvertes biologiques dans l’étude de nombreuses interactions plante-pathogènes tant au niveau moléculaire que cellulaire. Arabidopsis réagis de manière similaire aux plantes cultivées face aux attaques de nombreux pathogènes, y compris les nématodes. Meloidogyne incognita est un nématode endoparasite de la racine des plantes causant de lourdes pertes agronomiques estimées à plusieurs milliards de dollars par an. Afin d’induire la formation de sites nourriciers dans la racine de l'hôte, les nématodes à galles. Ceci a pour effet d’induire la formation de cellules géantes à l’origine des nodosités observées sur la racine de l’hôte communément appelées galles. Lors de la formation des sites nourriciers, les cellules géantes ont pour caractéristiques d’être hypertrophiées et poly-nucléés du fait de l’absence ou de l’interruption de la cytokinèse et de nombreux cycles successifs d'endoreduplication. Ainsi, une caractéristique cruciale du développement du nématode est l’hyper activation du cycle cellulaire dans les galles. Le cycle cellulaire eucaryote est conservé et caractérisé par la phase S (réplication de l'ADN), suivie par la phase mitose (M), la cytokinèse et la division cellulaire. Celles-ci sont entrecoupées par la phase G1 (Gap 1) qui relie la fin de la mitose, et la phase G2 (Gap 2) qui relie la fin de la synthèse de l'ADN. L'endocycle est une variante du cycle cellulaire dans laquelle la réplication se produit sans mitose, induisant le doublement du contenu en ADN cellulaire pour chaque endocycle. L’hyper activation du cycle cellulaire est essentielle pour la biogenèse de la galle induite par les nématodes et un équilibre précis entre les phases mitotiques et endocycliques est essentiel pour la réussite du parasitisme. Dans le cadre de ma thèse de doctorat, nous avons étudié les conditions préalables nécessaires à l’établissement d’une galle fonctionnelle induite par M. incognita. Je me suis particulièrement concentrée sur l’étude fonctionnelle de gènes du cycle cellulaire de la plante jouant un rôle dans la mitose et l’endoreduplication lors de l’interaction plante-nématode. Pour répondre à cette question j’ai réalisé des études fonctionnelles de nouveaux acteurs du cycle cellulaire chez Arabidopsis stimulant (E2F), inhibant (ABAP1 et son-interactor) ou contrôlant (WEE1) le cycle cellulaire des galles. Les résultats obtenus démontrent que les gènes étudiés ici sont essentiels pour la formation et le maintien des sites nourriciers des nématodes. Notre étude fonctionnelle et notre analyse moléculaire montrent que l’absence ou la surexpression de facteurs de transcription E2Fa et E2Fb affectent gravement le développement de la galle et la reproduction des nématodes et perturbent le cycle cellulaire des galles, validant ainsi leur importance pour le développement du site d’alimentation des nématodes. Nous avons également cherché à déterminer si le stress induit par les nématodes déclenche un checkpoint control pendant la progression du cycle cellulaire dans les galles. Par conséquent, une analyse fonctionnelle du facteur de transcription WEE1 a été réalisée et a montré que son absence induit une mitose plus précoce dans les sites nourriciers, affectant ainsi le développement des galles et la reproduction des nématodes. L’utilisation de drogues, d’un marqueur de stress SMR7, ainsi que d’une lignée exprimant un gène rapporteur sous le contrôle du promoteur du gène PARP1 (impliqué dans la réparation de l’ADN) ont suggéré l’activation du checkpoint control G1/S dans les galles. Les données présentées dans cette thèse ont apporté des connaissances fondamentales pour une meilleure compréhension du contrôle du cycle cellulaire lors de la biogenèse de la galle, ainsi que lors du développement de la plante.