Du réseau de gènes à la forme des organes : une étude interdisciplinaire du développement foliaire. – MorphoLeaf

Au sein de ce projet, le développement de la feuille est analysé à trois échelles différentes : l’organe entier, la cellule et les gènes/molécules. Des méthodes spécifiques permettant l’extraction, la quantification et la modélisation des données biologiques sont développées dans le cadre de ce projet.
- A l’échelle de l’organe entier, nous développons une méthode permettant d’extraire automatiquement le contour de feuilles à différents stades de développement et d’identifier de façon automatique des points remarquables tels les pointes et les creux des dentures de la marge foliaire. Des méthodes sont en cours d’élaboration permettant d’extraire les données quantitatives pertinentes.
- A l’échelle génétique et moléculaire, nous utiliserons des rapporteurs fluorescents de différentes couleurs afin de suivre l’activité transcriptionnelle ou traductionnelle de nos gènes d’intérêt ainsi que l’activité auxinique. En parallèle, nous formalisons ce réseau par un jeu d’équations différentielles ordinaires représentant la dynamique transcriptionnelle et les concentrations en protéines CUC2, CUC3 et en miR164, avec la signalisation auxinique en entrée du réseau.
- Les méthodes d’analyse à l’échelle cellulaire seront définies en fonction des observations faites aux deux autres échelles.

Analyse et modélisation morphologiques :
Plus de 2.500 feuilles en cours de développement (couvrant divers génotypes, rangs de feuilles ou conditions de culture) ont été prélevées et photographiées. Une méthode d’extraction semi-automatique du contour des feuilles a été développée. Plusieurs méthodes de reconnaissance automatique de landmarks sont en cours d’évaluation. D’ici la fin 2012, nous devrions produire une méthode d’analyse complète de la morphologie foliaire (associé à un logiciel) et l’utiliser pour analyser le matériel biologique collecté.

Analyses moléculaires :
L’ensemble des lignées permettant de suivre l’activité transcriptionnelle et/ou traductionnelle des gènes d’intérêts ont été réalisées et validées pour la plupart. Nous rassemblons actuellement plusieurs rapporteurs dans la même plante afin de pouvoir les suivre simultanément et les introduisons dans des fonds mutants.

Modélisation réseau :
Nous avons formalisé le réseau et obtenu un jeu d’équations différentielles ordinaires le représentant. Pour étudier ce réseau, nous avons combiné deux approches : la résolution numérique des équations différentielles pour obtenir la dynamique du réseau en variant ses paramètres ; la résolution analytique des équations donnant les points fixes et leur stabilité, qui permet d’avoir des résultats plus généraux. Les résultats théoriques sont en accord qualitatif avec les données. Toutefois, il reste à vérifier la cohérence de ces résultats avec les données de la littérature.

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Communication orale :
Kiss A., Cortizo M., Biot E., Burguet J., Godin C., Laufs P., Boudaoud A. : Quantification de la morphodynamique des dents des feuilles d’Arabidopsis thaliana.7eme Symposium Morphométrie et Evolution des Formes, Lyon, 24-25 mai 2012

Le développement est un processus complexe par lequel le zygote croit progressivement, se divise, et donne des tissus différenciés et des organes formés de cellules spécialisées. Ces processus doivent être coordonnés à la fois spatialement et temporellement. Des approches de génétique moléculaire, principalement fondées sur l’identification et l’étude de mutants, ont révélé des aspects majeurs des mécanismes sous-jacents, en identifiant de nombreux régulateurs comme des gènes ou morphogènes. En raison du grand nombre d’acteurs identifiés et de la complexité de leurs interactions, il devient de plus en plus difficile de prédire intuitivement les conséquences d’une perturbation d’un acteur sur l’ensemble du réseau. Pour pallier cette limitation, des approches de modélisation sont actuellement développées grâce à des collaborations entre biologistes et non biologistes (informaticiens, mathématiciens ou physiciens) et donnent naissance à une nouvelle discipline, la biologie des systèmes du développement. Toutefois, le passage d’un réseau régulateur à l’acquisition d’une forme complexe n’est pas encore compris. Nous proposons de résoudre une telle question dans le cas de la feuille d’Arabidopsis.

L’objectif de ce projet est d’appliquer une approche de type biologie des systèmes combinant des techniques de biologie, d’imagerie et de modélisation afin d’établir comment des réseaux génétiques et de signalisation sont traduits en des profils de croissance et des formes spécifiques au niveau de la marge foliaire.

La marge de la feuille peut être plus ou moins découpée, dépourvue d’incision (feuille entière), avec des incisions modérées (dentée), ou prononcées (lobée). La feuille elle-même pouvant être simple ou découpées en unités appelées folioles. Le partenaire 1 a identifié un facteur génétique conservé au sein des Eudicots, les gènes CUC, qui sont nécessaires pour le découpage de la feuille. Ces gènes CUC font partie d’un réseau impliquant une régulation négative par un microARN, miR164, et probablement une réponse à l’auxine. Toutefois, l’interaction entre les trois acteurs de ce réseau (CUC, miR164 et auxine) demeure mal comprise ; on ne connaît pas non plus ni les effets cellulaires de l’expression des gènes CUC, ni leur lien avec la croissance différentielle du bord de la feuille conduisant à la dentelure.

Ce projet réunit les expertises complémentaires des trois partenaires dans les domaines de la biologie, de l’analyse d’image et de la modélisation afin d’apporter une vision nouvelle du développement des marges foliaires. En combinant des observations et manipulations biologiques, des analyses quantitatives et la modélisation, nous allons spécifiquement déterminer la dynamique des facteurs CUC/mir164/auxine et leurs interconnexions, établir la contribution des divisions et expansion cellulaire à la dentelure foliaire, et déterminer le rôle de l’auxine et des gènes CUC dans ces processus. Nous allons construire progressivement, tester et valider un modèle du développement foliaire intégrant un réseau régulateur, le comportement cellulaire et la morphogénèse.