Blanc SVSE 5 - Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes : Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques

Physique de la morphogenèse des plantes: propriétés dynamiques et mécaniques de la paroi des cellules du méristème – MechaStem

Vers une compréhension du rôle des contraintes mécaniques dans la croissance des plantes

Une approche quantitative pour identifier les règles mécaniques à la base du développement des plantes

Contribution de la composante mécanique dans la biologie du développement des plantes

Au cours des trente dernières années, de nombreux progrès ont été réalisés dans le domaine de la recherche sur le développement des organismes et nous connaissons aujourd’hui les grandes familles de gènes responsables de la croissance et de la différenciation des cellules et des tissus. Toutefois, cette connaissance ne nous permet pas de comprendre comment ces gènes contrôlent une forme et sa dynamique. Le chaînon manquant est de nature physique : changer de forme, c’est changer de structure, et cela implique par définition les lois de la mécanique. Dans ce projet, grâce à une approche interdisciplinaire, nous avons établi un lien entre régulation génétique et lois mécaniques, notamment en analysant l’impact des régulateurs génétiques sur les propriétés mécaniques des cellules végétales. Nous avons également montré comment les modifications des propriétés mécaniques des cellules peut exercer un contrôle en retour sur les voies de régulation génétique. Au delà de l’aspect fondamental pour la connaissance biologique, les résultats de ce projet contribueront au codage de l’activité des gènes en terme mécanique, ce qui permettra à terme, de prédire le potentiel morphogénétique des organismes vivants sur la base de leur patrimoine génétique.

Nous avons développé des approches pour mesurer localement les propriétés mécaniques du méristème (un groupe de cellules jeunes en division qui contrôle toute l’organogenèse aérienne de la plante), et nous avons corrélé les mesures obtenues avec l’expression de gènes marqueurs et la modification biochimique des propriétés mécaniques des tissus. En parallèle, la croissance et la morphogenèse ont été analysées principalement par des méthodes de microscopie optique à fluorescence, afin de relier expression génétique, propriétés mécaniques et croissance. Pour cela nous avons adapté la microscopie à force atomique (AFM) pour mesurer des propriétés mécaniques sur des tissus vivants, nous avons développé de nouveaux outils d’interprétation des quantifications fournies par l’AFM (script Matlab, modélisation) et nous avons développé des outils de quantification de la géométrie des tissus (croissance, courbure locale) et des acteurs intracellulaires (orientation du cytosquelette, expression des gènes). Enfin, nous avons généré des outils statistiques pour corréler ces données entre elles (par ex : courbure, rigidité et expression des gènes) et produire les modèles prédictifs correspondant.

Nous avons établi une carte des propriétés mécaniques du méristème, à la fois à l’échelle très locale de la paroi cellulaire et à celle du tissu méristématique. Une relation entre l’hormone auxine, la modification biochimique des composés pectiques de la paroi, les propriétés mécaniques des cellules et l’organogenèse a été démontrée. Nous avons identifié l’identité mécanique des cellules souches du méristème. Nous avons également montré que la dynamique des microtubules donne une compétence aux cellules méristématiques pour répondre aux contraintes mécaniques et y résister, contrôlant ainsi la croissance et la morphogenèse du méristème. Enfin, nous avons pu établir une chaine causale entre ces aspects moléculaires et mécaniques locaux et l’architecture globale de la plante. Outre la publication d’articles de recherche dans des revues de premier plan, l’ensemble des protocoles utilisés dans ce projet a été diffusé sous forme d’articles méthodologiques et de notes d’applications.

Les perspectives de ce projet incluent une analyse approfondie des remodeleurs de la paroi et de leur contrôle par les régulateurs transcriptionnels majeurs du méristème. Une autre perspective est d’analyser le rôle de la mécanotransduction dans la différenciation cellulaire, en commençant par l’identification des voies de mécanotransduction actives dans le méristème apical caulinaire. Le soutien de l’ANR a facilité l’obtention de 3 bourses ERC (pour un total de 5 millions d’euros) pour poursuivre ces projets.

Mécanique tissulaire et architecture
Peaucelle et al., 2011 Development, Landrein et al., 2013 Curr. Biol.

Mécanique tissulaire et organogenèse :
Peaucelle et al., 2011 Curr. Biol., Braybrook et al., 2013 PlosOne

Mécanique cellulaire et expression des gènes :
Milani et al., 2014 Plant Physiol., Landrein et al., soumis

Mécanique locale de la paroi et morphogenèse cellulaire :
Sampathkumar et al., 2014 eLife

Mécaniques des cellules en culture (comparaison animal/végétal):
Durand et al., 2014 Biophys. J. ; Digiuni et al., soumis

Réponse du cytosquelette aux contraintes mécaniques
Uyttewaal et al., 2012 Cell, Alim et al., 2013 Front. Plant Sci., Burian et al., 2013 J. Exp. Bot.

Physique/Mathématiques de l’indentation :
Vella et al., 2011 Phys Rev Lett.

Protocoles expérimentaux :
Milani et al., 2011 Plant J ; Boudaoud et al., 2014 Nat. Protocols, Peaucelle, 2014 JoVE ; Hamant et al., 2014 Meth. Mol. Biol., Milani et al., 2013 Bruker application notes

Revues :
Mirabet et al., 2011 Ann. Rev. Plant Biol., Bringmann et al., 2012 Trends in Plant Sci., Asnacios and Hamant, 2012 Trend Cell Biol., Landrein and Hamant, 2013 Plant J., Milani et al., 2013 J. Exp. Bot., Robinson et al., 2013 J. Exp. Bot

Le rôle des forces physiques au cours de la morphogenèse est souvent décrit comme une composante essentielle de la biologie du développement. Pourtant, la contribution de la mécanique dans la genèse des formes est encore très largement inconnue. Sur la base d'avancées récentes des partenaires du projet, nous ré-examinerons ce problème en exploitant de nouvelles technologies d'imagerie combinées à des approches génétiques et micro-mécaniques. Nous concentrerons nos efforts sur le méristème apical caulinaire d'Arabidopsis thaliana, une population de cellules souches qui constitue le centre organisateur de l'architecture des plantes. En utilisant la microscopie à force atomique, nous mesurerons et altérerons les propriétés mécaniques du tissu méristématique, et nous pourrons associer ces propriétés au réseau de gènes contrôlant la synthèse et le remodelage de la paroi, faisant ainsi un lien entre gène et forme via les propriétés mécaniques de la cellule.

Coordinateur du projet

Monsieur Olivier Hamant (CNRS - DELEGATION REGIONALE RHONE-AUVERGNE) – olivier.hamant@ens-lyon.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LJC CNRS - DELEGATION REGIONALE RHONE-AUVERGNE
INRA - IJPB INRA - CENTRE DE RECHERCHE DE VERSAILLES GRIGNON
RDP CNRS - DELEGATION REGIONALE RHONE-AUVERGNE
RDP CNRS - DELEGATION REGIONALE RHONE-AUVERGNE

Aide de l'ANR 460 200 euros
Début et durée du projet scientifique : - 36 Mois

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