Analyse quantitative de séquences temporelles de tissus biologiques : de l'individu à la population. Application au développement du bourgeon floral

Overview & Synopsis

Chez les végétaux, l’organogenèse se fait à des endroits localisés à l’extrémité des tiges, appelés méristèmes apicaux et à partir desquels tous les nouveaux organes, aériens ou racinaires sont crées. Le développement de ces organes s’accompagne de modifications morphologiques contrôlées par des réseaux de régulation génétique. Pour étudier le déterminisme génétique de ce processus, la microscopie à fluorescence est utilisée pour suivre in-vivo les variations morphologiques ainsi que l'expression des gènes au niveau cellulaire. Des approches adaptées sont nécessaires pour quantifier le développement d’individu ou de population d’individu à partir de ces données volumétriques et temporelles appelées séquences 3D+t. Les méthodes existantes se heurtent à des difficultés liées à de larges déformations non-linéaires entre deux pas de temps consécutifs ainsi qu’à une forte variabilité inter-individu. Cette thèse aborde le développement de nouvelles approches d'appariement, dans le temps ou dans l'espace, nécessaires à la quantification de la variabilité inter-individu et la construction d'atlas. Les méthodes développées sont appliquées au développement du méristème floral d’Arabidopsis thaliana. Une première partie est consacrée au problème de l’amélioration de la construction de lignées cellulaires de méristèmes floraux à partir de séquences 3D+t. Ce problème est résolu en (1) segmentant les cellules de chaque image d’une séquence puis en (2) appariant ces segmentations dans le temps. Pour la première étape, nous proposons une étude comparative d'algorithmes de segmentation de membrane cellulaire comprenant des méthodes d'apprentissages profonds et une méthode classique. Pour la deuxième étape, nous introduisons une nouvelle métrique d’évaluation de lignées cellulaires dont l’intérêt est démontré à travers une méthode itérative robuste aux déformations. Une deuxième partie présente une nouvelle stratégie de recalage spatio-temporel inter-individu de séquences 3D+t de méristèmes floraux. Cette stratégie se base sur la courbure de la surface comme marqueur robuste du développement. Enfin, une troisième partie est dédiée à la comparaison quantitative de l’expression génétique entre plusieurs individus. Nous présentons un outil de projection d’information génétique quantitatif entre méristèmes. L’intérêt de cet outil est illustré par l’enrichissement d’un atlas binaire d'expression génétique de méristème floral construit manuellement.