Cell volume regulation during lateral root development in "Arabidopsis thaliana"

Chez les plantes, l’architecture du système racinaire est façonnée par la formation de racines latérales. Chez Arabidopsis thaliana, celles-ci se forment à partir des primordia, qui se développent à partir des cellules du péricycle situées au pôle du xylème (XPP), puis progressent à travers l’endoderme, le cortex et l’épiderme sus-jacents pour émerger complètement. Contrairement aux cellules corticales et épidermiques qui sont physiquement repoussées par les primordia, il a été démontré que les cellules endodermiques modifient leur volume afin de s’adapter spatialement à ce nouvel organe. L’auxine et sa voie de signalisation sont importantes à chaque étape du développement de racines latérales. Le blocage de cette signalisation spécifiquement dans l’endoderme, par l’expression de shy2-2, un allèle dominant stabilisé de SHY2/IAA3, entraîne un phénotype où la formation de primordia est complètement abolie. Au cours de cette thèse, j’ai étudié les mécanismes moléculaires et cellulaires régissant les réponses d’accommodation spatiale lors de la formation des racines latérales chez Arabidopsis.
Premièrement, j’ai caractérisé les réponses auxiniques du mutant CASP1pro::shy2-2 en utilisant des traitements à l’auxine exogène afin d’explorer les mécanismes d’accommodation spatiale régulés par l’auxine, ainsi que l’interaction du transport et de la signalisation de l’auxine au cours de la formation de racines latérales (Chapitre 1). En raison du fort blocage mécanique de l’endoderme non-réactif et des exigences de transport de chaque auxine testée, ces traitements ne peuvent restaurer que partiellement le phénotype racinaire chez le mutant CASP1pro::shy2-2. De plus, nos résultats suggèrent qu’un signal précoce, dépendant de la signalisation de l’auxine médiée par les Aux/IAAs dans l’endoderme, est essentiel à l’accumulation du transporteur AUX1 dans le XPP et à l’initiation des racines latérales.
Deuxièmement, afin de mieux comprendre les bases moléculaires des réponses d’accommodation spatiale au cours du développement des racines latérales chez Arabidopsis, j’ai identifié des régulateurs candidats de ce processus par deux approches omiques spécifiques au type cellulaire : le translatome, via la méthode TRAP-seq (Chapitre 3), et le transcriptome, via le système « convexe IAA – concave TIR1 » (cvxIAA-ccvTIR1) (Chapitre 5). Nous avons démontré la dynamique spatiotemporelle de gènes candidats enrichis dans l’endoderme et le péricycle en réponse au signal induisant la formation des racines latérales, révélant que leur absence chez le mutant CASP1pro::shy2-2 pourrait être due à son incapacité à induire les gènes essentiels au cycle cellulaire dans le XPP, ainsi qu’à la maturation et à la structure cellulaire de l’endoderme.
Enfin, une analyse fonctionnelle de IQ67 DOMAIN22 (IQD22), identifié dans les deux jeux de données, a montré que IQD22 est requis pour le développement des racines latérales (Chapitre 4). Nous proposons que le rôle de IQD22 dans les réponses d’accommodation spatiale pourrait être dû à ses fonctions de plateforme de signalisation et d’interacteur du cytosquelette microtubulaire, modifiant possiblement la rétroaction de l’endoderme vers le XPP.

ABSTRACT
In plants, root system architecture is shaped by lateral root (LR) formation. In Arabidopsis thaliana, LRs are formed from the LR primordia (LRPs), which grow from the primed xylem pole pericycle (XPP) cells through the overlying endodermis, cortex and epidermis to become fully emerged. Unlike cortical and epidermal cells that are physically pushed away by the LRPs, endodermal cells were shown to modify their volume to spatially accommodate LRP outgrowth. Auxin and its signaling pathway are crucial during every stage of LR development. Blocking auxin signaling specifically in the differentiated endodermis by expressing shy2-2, a dominant stabilized allele of SHY2/IAA3, results in a phenotype where LRP formation is completely abolished. In this thesis, I tried to investigate the cellular and molecular mechanisms regulating spatial accommodation responses during LR formation in Arabidopsis.
Firstly, I characterized the auxin responses in the CASP1pro::shy2-2 mutant using exogenous auxin treatments to explore the auxin-regulated spatial accommodation mechanisms and the interplay of auxin transport and signaling during LRP formation (Chapter 2). Because of the strong mechanical block of the non-responsive endodermis and the transport requirements of each tested auxin, these treatments cannot fully restore the LR phenotype in CASP1pro::shy2-2. Moreover, our results suggest that an early signal dependent on the Aux/IAA-mediated auxin signaling in the endodermis is essential for the accumulation of AUX1 in the XPP and for the LR initiation event.
Secondly, for better understanding of the molecular basis of spatial accommodation responses during LR development, I identified the candidate regulators of this process via two different cell type-specific omics approaches: translatome, using TRAP-seq (Chapter 3), and transcriptome, using the convex IAA – concave TIR1 (cvxIAA-ccvTIR1) system (Chapter 5). We demonstrated the spatiotemporal dynamics of the candidate genes enriched in the endodermis and pericycle in response to the LR-inducing signal, revealing that the absence of LR phenotype in CASP1pro::shy2-2 mutant could be due to its failure to enrich genes critical for the cell cycle program in the XPP and for the maturation and cellular structure of the endodermis.
Last but not least, a functional analysis of IQ67 DOMAIN 22 (IQD22), independently detected in both datasets as one of the candidate regulators of spatial accommodation responses, was performed, showing that IQD22 is required for LR development (Chapter 4). We propose that the role of IQD22 in spatial accommodation responses could be due to its functions as a signaling hub and as an interactor of the microtubule cytoskeleton, possibly altering feedback from the endodermis towards the XPP.

Thesis director
Prof. Dr. Josephus E. M. VERMEER, University of Neuchâtel, Switzerland
Committee members
Prof. Dr. Felix KESSLER, University of Neuchâtel, Switzerland
Prof. Dr. Kaisa KAJALA, University of Utrecht, the Netherlands

Defended on 27.03.2026

No de thèse : 3247