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Communiqué de presse.
11/12/2008
Comment les plantes acquièrent-elles leur forme ?
INRA - ENS Lyon - CNRS
Une équipe composée de chercheurs français, américains et suédois, pilotée par des chercheurs lyonnais de l'INRA, en collaboration avec l’ENS de Lyon, le CNRS, l’Université Claude Bernard Lyon I et l’Université Paris 7, vient de mettre en lumière un mécanisme fondamental de la morphogénèse (1) des plantes. Au terme d'un travail interdisciplinaire combinant expérimentation et modèles informatiques, ils ont montré que les forces physiques générées par des tissus en croissance déterminent l'orientation du cytosquelette (2) des cellules. Celui-ci, à son tour, contrôle la forme des cellules et détermine en grande partie celle de la plante. Ces travaux sont publiés dans "SCIENCE" le 12 décembre 2008.
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L'un des grands thèmes de la biologie du développement est de comprendre comment les réseaux de régulation génétique sont liés à la forme des êtres multicellulaires. Les gènes contrôlent indirectement la géométrie des tissus en affectant les propriétés chimiques et mécaniques des cellules individuelles. Mais réciproquement, les propriétés des tissus peuvent affecter l’activité des gènes. L’enjeu est donc de déchiffrer le dialogue entre gènes et formes. L’équipe pilotée par les chercheurs de l’INRA vient de réaliser une percée dans ce domaine grâce à l'étude du méristème (3) d'Arabidopsis, une plante à fleurs très utilisée en biologie végétale.
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Modélisation des contraintes mécaniques dans l'épiderme du méristème après ablation d'une cellule.
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Les différentes vitesses de croissance des cellules dans le méristème créent collectivement des champs de forces dans les tissus. Ces champs sont issus des pressions mécaniques qu’exercent les cellules les unes sur les autres. Grâce à des modèles informatiques validés par de nombreux dispositifs expérimentaux, les chercheurs ont montré que les microtubules, constituants principaux du cytosquelette, s’orientent de façon parallèle aux directions des forces. Les cellules réagissent ainsi au stress mécanique. Or, il est admis que les microtubules contrôlent le dépôt orienté des fibrilles de cellulose dans la paroi cellulaire, donnant ainsi aux cellules à la fois leur rigidité et un axe de croissance préférentiel. Ainsi, via l’organisation des microtubules dans chaque cellule individuelle, les tissus peuvent changer de forme, se plier et adopter des formes caractéristiques dans le méristème d'Arabidopsis. Réciproquement, les formes en croissance génèrent les contraintes mécaniques qui contrôlent l’organisation des microtubules.
D'un point de vue plus général, ces travaux s'inscrivent dans un changement de paradigme en cours dans la biologie du développement : les chercheurs ne considèrent plus le développement embryonnaire comme un processus sous le contrôle strict de la génétique, mais plutôt comme un processus à plusieurs niveaux qui interagissent entre eux. Ainsi, l'équipe a démontré que la morphogénèse du méristème est un phénomène émergent issu du comportement individuel des cellules cherchant à résister au stress mécanique. Cependant, ce mécanisme n'est pas le seul à l'œuvre lors de la morphogénèse des plantes. Il fonctionne en parallèle aux chaînes de réactions induites par l’auxine, une hormone fondamentale dans la formation des organes des plantes. Comprendre comment ces deux mécanismes se coordonnent pour former des structures et des tissus parfaitement différenciés est un champ de recherches désormais ouvert aux chercheurs.
Ces résultats sont le fruit d'une étroite collaboration entre biologistes, physiciens et spécialistes de la modélisation informatique. L’irruption récente des modèles dynamiques dans le champ de la biologie végétale permet désormais l'étude des phénomènes complexes qui ont lieu durant la morphogénèse. Les tissus végétaux virtuels réalisés pour mener à bien cette recherche pourraient, à terme, permettre de rendre plus réalistes les modèles de plante dont se servent notamment les agronomes.
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Encadré
La plante modèle Arabidopsis : incontournable pour la recherche
Dans les années 1980, la communauté scientifique internationale a décidé de concentrer ses efforts sur Arabidopsis thaliana, une plante qui possède un petit génome et présente de nombreux avantages liés à sa facilité de culture en laboratoire, sa rapidité de développement et sa prolificité. L’INRA a contribué à l’essor des connaissances sur cette plante par la constitution d’une importante collection de mutants d’Arabidopsis à Versailles, grâce à la mise au point d’une méthode originale, utilisée maintenant dans le monde entier.
Aujourd'hui, l'ensemble du génome d'Arabidopsis est séquencé : la majorité des gènes sont identifiés et localisés et les recherches continuent pour établir la fonction de chacun d'eux. L’étude d’Arabidopsis a permis d’accélérer considérablement l’acquisition de connaissances sur les plantes et elle ouvre de nouvelles perspectives de recherches et d’applications agronomiques. Ces dernières années, les chercheurs ont connu plusieurs succès.
Ils ont contribué à décrypter des fonctions intimes comme les mécanismes de régulation épigénétique de l’expression des gènes, le rôle des hormones végétales, le déroulement de la méiose, la synthèse de la cellulose dans les parois cellulaires, la régulation de la forme des plantes et le développement des organes : feuilles, racines, fleurs ou graines.
Ils ont mis au jour des régulations de voies métaboliques comme celles du soufre, des flavonoïdes et de l’huile des graines ou des mécanismes de résistance des plantes au sel.
Ils ont également découvert des mécanismes de lutte contre les maladies comme la résistance à la maladie virale de la sharka, l’infection des plantes par Salmonella ou la sensibilité des plantes aux piqures de pucerons.
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(1) Développement des formes d'un organisme au cours du développement.
(2) Ensemble de polymères protéiques qui confèrent à une cellule ses propriétés mécaniques. On les classe en trois catégories : filaments intermédiaires, filaments d'actine et microtubules.
(3) Le méristème est la zone à partir de laquelle la plante croît. Constitué de cellules souches capables de se diviser, il est à l’origine de tous les organes de la plante (fleurs, feuilles, fruits...).
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Developmental patterning by mechanical signals in Arabidopsis
Science, 12 Décembre 2008
Olivier Hamant 1,2,7, Marcus Heisler 3,7, Henrik Jönsson 4,7, Pawel Krupinski 4, Magalie Uyttewaal 1,2, Plamen Bokov 5,6, Francis Corson 5, Patrik Sahlin 4, Arezki Boudaoud 5, Elliot M. Meyerowitz 3, Yves Couder 6, Jan Traas 1,2
1.INRA, Laboratoire de Reproduction et Développement des Plantes, 46 Allée d’Italie, 69364 Lyon Cedex 07, France
2.Université Claude bernard Lyon I, CNRS, Ecole Normale Supérieure de Lyon, 46 Allée d’Italie, 69364 Lyon Cedex 07, France
3.Division of Biology, California Institute of Technology, Pasadena, California 91125, USA
4.Computational Biology and Biological Physics Group, Department of Theoretical Physics, Lund University, S-221 00 Lund, Sweden
5.Laboratoire de Physique Statistique, Ecole Normale Supérieure, 24, rue Lhomond ; 75231 Paris Cedex 05, France
6.MSC, Université Denis-Diderot Paris 7, 10, rue Alice Domont et Léonie Duquet; 75013 Paris, France
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| Rédacteur : |
Service Presse INRA |
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S. Colleu ou ENS Lyon : J. Pornin tél 04 72 72 89 77 ou CNRS : L. Louis tel 01 44 96 51 37 ou Université Paris Diderot : Nadège Cauchois tel 01 57 27 83 39 |
Contacts :
Contacts scientifique :
- Jan Traas
UMR Reproduction et développement des plantes INRA-CNRS-ENS Lyon-Univ. Claude Bernard Lyon I
Tél : 04 72 72 86 14 / 86 01 ou 06 33 58 62 69
Mèl : jan.traas@ens-lyon.fr
- Olivier Hamant
UMR Reproduction et développement des plantes INRA-CNRS-ENS Lyon-Univ. Claude Bernard Lyon I
Tél : 04 72 72 89 81 / 86 13
Mèl : olivier.hamant@ens-lyon.fr
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