Telechargé par lilia khalil

aspect moléculaire de la différenciation végtale

publicité
Cours introductif
• Trois termes utilisés:
1. Croissance,
2. différenciation et
3. Développement
Développement
l’ensemble des modifications d’ordre quantitatif
et qualitatif qui se déroulent au cours de la vie
de la plante.
La croissance:
Changements de taille (augmentation du nombre
de cellules et de masse)
ou par la masse (volume) irréversiblement.
• la différenciation:
• Un terme qualitatif qui se rapporte à des modifications
qui ont porté à des changements de taille d’une cellule.
• des modifications qualitatives et non pas quantitatives.
• La dédifférenciation:
• Les cellules différenciées ou spécialisées à pouvoir en
sens revenir l’état embryonnaires.
• Et à se différencier à nouveau, formant un cal
indifférencié
• Cette capacité à régénérer une nouvelle plante;
totipotence
Les deux composantes de la croissance
• Mérèse: prolifération cellulaire (méristèmes)
• Auxèse: Augmentation des dimensions cellulaires
– Isodiamétrique (ex: parenchyme de feuilles, écorce, organes de
réserves)
– Longitudinale ( élongation) ou radiale (croissance en épaisseur)
• Différenciation: acquisition des caractères
morphologiques et physiologiques)
• Mérèse et auxèse sont séparés dans le temps et dans
l’espace
a. La division:
• Comprend:
–La karyokinèse:
–La cytokinèse:
– le phragmoplaste pour constituer la plaque
cellulaire
– Cellule animale: d’un pincement de la cellule par un
anneau contractile
b. Grandissement cellulaire
• Evénements cytologiques
• C’est une multiplication du volume de la cellule initiale.
• Agrandissement cellulaire en longueur plus importante
que en largeur.
• Formation de plusieurs vacuoles fusionnent pour
donner une grande vacuole (80-90 % du volume de la
cellule)
• Evénements biochimiques:
• une synthèse active des polysaccharides, la paroi
conserve son épaisseur.
• augmentation du nombre d’organites
(mitochondries, chloroplastes, dictyosomes,
ribosomes).
• une synthèse de petites molécules (acides
aminés, oses, sels minéraux)
• synthèse(protéines – acides ribonucléiques)
•
• Exemples:
• Une cellule en division produit deux cellules
filles. Le destin sera d’engendrer des
caractères anatomiques et des fonctions
différents.
• Le zygote donne des cellules qui formeront soit la racine
soit la partie feuillée.
• Des cellules parenchymateuses non spécialisées se
différencient en vaisseaux du xylème ou en tube criblés du
phloème.
•
Intitulé du Master : Biotechnologie végétale
•
•
•
•
•
•
•
Enseignant responsable de l’UEF1 : CHIKHI Amira
Matière 2 : Aspect cellulaire et moléculaire de la différenciation végétale
Enseignant responsable de la matière: CHIKHI Amira
Objectifs de l’enseignement : comprendre au niveau cellulaire et moléculaire
le passage d’une cellule méristématique à une cellule adulte différenciée.
• Connaissances préalables recommandées : biologie cellulaire, physiologie
végétale.
• Contenu de la matière :
•
• La cellule méristématique
• Organisation, structure et ultrastructure de la cellule méristématique
– cas des cellules méristématique primaires
– - cas des cellules méristématique secondaires.
• Croissance de la cellule méristématique
• Différenciation de la cellule méristématique
• 4-1- le passage d’une cellule méristématique à une cellule
parenchymateuse.
• 4-2- le passage d’une cellule méristématique à une cellule conductrice.
Notion de totipotence.
• Mode d’évaluation : Contrôle continu + examen final
•
• Références (Livres et polycopiés, sites internet, etc).
•
• DEMALSY P. et FELLER M. J. 1990 – Les plantes à graines : StructureBiologie – Développement. Ed. Armond- Colin 305 p.
• HUREL- PY. G. – Cours de Biologie végétale- Centre de
Documentation Universitaire – Paris, 132 p.
• BAREL G. – Biologie végétale, 2 iéme partie, Les Tissus végétaux,
L’appareil végétatif des végétaux vasculaires. Institut National
Agronomique – Département de Botanique. Alger
• Cours polycopiés – Institut National Agronomique - Département
de Botanique.Laboratoire de Biologie végétale. Alger
La passage d’une cellule
méristématique à une cellule
différenciée
la morphogenèse,
la différenciation cellulaire
couplage
la formation de tissus et d'organes distincts
• Processus hautement organisé dan le temps
et dans l’espace
LA DIFFERENCIATION
Dialogue gènes-milieu particulièrement
sensible et intense
Les niveaux de différenciation cellulaire
• Différenciation au niveau tissulaire
Différenciation au niveau cellulaire
Différentiation moléculaire
gènes qui répriment ou expriment d’autres gènes
La différenciation
l’acquisition de nouvelles propriétés
morphologiques, structurales, fonctionnelles.
• Deux étapes essentielles : la détermination et
la spécialisation
La détermination
les cellules sont orientées dans une
séquence d'événements
sortir de son état totipotent.
non observable
une période transitoire d'orientation
• Deux phénomènes de la
cytodifférenciation
– Phénomènes de polarité:
Axe de croissance, mitoses orientées, ségrégations des
organites)
– Hiérarchisation intercellulaire:
Développement de corrélations soit simulatrices soit
inhibitrices
Aspect cellulaire de la différenciation
• – la paroi (collenchyme, sclérenchyme, suber, etc.)
• – la différenciation de plastes (chloroplastes dans les
parenchymes chlorophylliens,
• amyloplastes dans les parenchymes des tissus de
réserve, chromoplastes dans les pétales
• ou les péricarpes des fruits, etc.)
• Le noyau et la vacuole
• – parfois une dégénérescence du contenu cellulaire.
Cette dégénérescence peut être partielle (tube criblé
du phloème) ou totale (vaisseaux du xylème).
• l’apoptose dans ce processus
Types de méristèmes:
• I. MERISTEMES PRIMAIRES:
• SAM, RAM, procambium
• tissus primaires- universels
• histogènes et organogènes
• cellules jeunes: petites, cytoplasme dense, petites vacuoles, noyau
en position centrale
• Certains méristèmes primaires sont formés après l’embryogenèse:
• - bourgeons axillaires: ramifications de la tige
• (structure et fonctionnement=SAM)
• - méristèmes intercalaires: allongement des entre-noeuds
• (surtout chez les Monocotylédones)
• - méristème d’élargissement: chez certaines Monocotylédones.
II. MERISTEMES SECONDAIRES
tissus (formations) secondaires
histogènes
Dédifférenciées à partir de : méristèmes primaires
cellules allongées, vacuolisées, noyau accolé à la membrane
structure : cylindres dans les axes (tiges et racines)
L’embryogénèse
L’embryogénèse
précoce
La polarité
apico-basale
L’organogenèse
embryonnaire
La symétrie
bilatérale
La polarité apico-basale
PIN1
Un maxima
d’auxine
PIN7
La symétrie bilatérale
Les méristèmes contiennent les cellules souches et sont organisés en
domaines fonctionnels
Méristème apical
feuille
mé ristème
prim ordium
ZC
ZP
MM
ZP
L3 L2
L1
Arabidopsis
adulte
Méristème racinaire
Divisions périclines
Parallèle à la surface
Divisions anticlines
Perpendiculaires à la surface
• Comment les gènes contrôlent la
croissance primaires ou racinaires ?
Mutations
Augmentation
Réduction
Absence
le benzopyrène, présent dans la fumée de cigarette et autres résidus de
combustion incomplète ;
le bromure d'éthidium, substance très utilisée en laboratoire de biologie
moléculaire ;
le dichlorométhane, solvant ;
l'éthanal ;
le trichloréthylène, solvant très utilisé.
Identification des gènes qui contrôlent la
formation des méristèmes apicaux et racinaires
• Intérêt des mutations pour comprendre le
développement.
• Utilisation du produit chimique causant des
mutations
• Rechercher les mutants parmi les descendants
• Identifier les gènes impliqués dans le
développement
Gene STM
• Le mutant shoot meristemless
( sans méristème)
Protéine n’est plus
fonctionnelle
Mutant perte de fonction
MAC est absent
Le gène affecté
SHOOT MERISTEMLESS (STM)
La mise en place et le maintien du méristème apical
• La protéine STM
Inhibe
L’expression de deux facteurs de transcriptions exprimés dans
les feuilles
ASYMETRIC LEAVES 1 et 2
Empêche la différenciation foliaire dans le MAC
Gènes WUS
• Le mutant wuschel (wus)
Mise en place du MAC
Le développement s’arrete après f° de quelques feuilles
Pas de renouvellement des cellules souches
Identité de ZC est perdue
Wus : maintien du MAC
• WUS, la protéine à homéodomaine.
• Maintenir les cellules souches de la ZC dans un
état indifférencié
• Le domaine d’expression de WUS est appelé
centre organisateur
Gènes CLAVATA
Gènes CLAVATA
• Opposé du mutant Wus
Clv1, clv2, clv3
MAC très élargi
Mille fois que MAC normal
Accumulation des cellules dans la ZC
Réguler le nombre de cellules dans la zone centrale
Interactions entre les gènes
• On réalise un double mutants
• Le double mutant wus et clv présente le
même phénotype.
• La mutation wus masque donc l’effet de la
mutation clv3
Wus et clv3 contrôle la taille de méristème
Interactions entre les gènes
WUS et CLV
La boucle autorégulation
De la taille de la zone centrale
Gène WUS
Détermine l’identité des
cellules souches
Maintien de la réserve des
cellules souches
Système de signalisation CLV3-WUS
Détermine la zone centrale
et la zone périphérique
Contrôle génétique du
fonctionnement du méristème
Initiation d’organes:
•
•
•
•
•
Formation d’initium: division cellulaire périclines,
Soulèvement de territoire cellulaire
Emergence de primordium
Formation de primordium:
Augmentation de l’activité mitotique et changement de
l’orientation des divisions cellulaires
• Mise en évidence d’un domaine frontière autour de
primordium
• La définition de l’identité du primordium
Dans l’initium:
•
•
•
•
STM ne s’exprime pas dans l’initium
AS1 et AS2 s’exprime et inhibe STM.
Puis ANT et LFY.
Le primordium est séparé du méristème par
une frontière exprimant les gènes GUC1 et
GUC2 et GUC3
AS: asymétric leaves: c.j.primordium # STM
ANT: aintegumenta: c.primordium
LFY: leafy: l’identité des organes latéraux
GUC: : arrêt de la prolifération cellulaire
• Croissance de primordium: intense activité
mitotique
• Par des divisions périclines
• Expansion cellulaire
• Mise en place des axes dorso-ventrale et
proximo-distale.
•
• Aucun organe ne peut se former dans la Zc
• Chaque primordium empêche la formation
d’un nouvel organe atour de sa
position.(rouge dégradé)
• I4 et i5 dans la zone périphérique ,en dehors
du champs d’influence des primoria
Coordinations des fonctions du MAC
• La plasticité du méristème:
• Une étroite coordination entre les différentes
zones du méristème
• Des signaux d’informations de position dans le
méristème caulinaire:
• Importance des hormones dans le
fonctionnement de méristème
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Teneur élevée en CK et peu d’AIA et GA
Knox stimule la biosynthèse des CK
Réprime la biosynthèse des GA et favorise leur dégradati
Wus stimule l’activité des CK
Ck stimule la division cellulaire
Active les gènes KNOX
Teneur AIA et GA sont élevées et CK est faible
L’AIA
KNOX ET BIO S CK
et les GA réduise l’activité des CK
Favorable à l’initiation d’organes
Les cytokinines
•
•
•
•
Ck stimule la division cellulaire
Transition la phase G à la phase S
Amorçant la réplication de la quantité D’ADN.
CK produites dans l’apex du MAC et diffusent aux
alentours via l’apoplasme.
• Maintien du MAC en stimulant STM ET KNOX
• Protéine KNOX active la biosynthèse des
cytokinines
• Wus stimulerait la voie de signalisation des
hormones des ck (inhibe les RG négatif).
Les gibbérellines
• Expansion cellulaire .
• Knox inhibe la biosynthèse de GA.
• Protéine STM stimule leur dégradation à la frontière entre le
méristème.
• Limitant leur diffusion dans le méristème.
• CK et GA antagonistes et s’inhibe mutuellement.
• Rapport CK/GA
•
AUXINE: AIA
• l’auxine AIA, la mise en place du MAC et
MAR (embryogénèse)
•AIA inhibe l’expression des gènes KNOX
comme STM
•AIA active les gènes impliqués dans la
différenciation
En rouge: AIA
En gris: GA
En rouge: CK
• Auxine, produite des les jeunes tissus
• Transportée par la sève phloémienne (transporteurs
PIN1)
• PIN1 change, varie la répartition d’auxine, le
développement et de l’initiation des organes
latéraux
• AIA réparti en gradient dans le méristème par ce
système de transport l’auxine.
• AIA transporté par les PIN1 vers L1
S’accumule et déclenche la formation de I3
Puis vers la z périphérique
F° de primordium
AIA est évacué par le phloème en
profondeur par les faisceaux
provasculaires
•
•
•
•
Le méristème florale est définie
La réserve des c de la zc est épuisée
L’initiation des organes floraux
Le gène AGAMOUS (AG) réprime wus
Arrêt de renouvellement des cellules de la ZC
MAR
• une structure invariable constituée de cellules
initiales fonctionnelles organisées en files
Le méristème racinaire : une organisation dépendante de divisions stéréotypées des
cellules souches
stele
epidermis
endodermis
cortex
lateral
root cap
quiescent
center
(QC)
columella
cortex/
endodermis
initial
Cell types in the Arabidopsis root meristem
Après chaque division
Qui restera indifférencié
(initiale régénérée)
Une initiale
Naissance à une fille
de cellule en
contact avec le CQ
Déconnectée du CQ
Une cellule fille (la
dérivée)
Se différenciée
4 types d’initiales fonctionnelles
1. Une initiale produira la columelle (columella stem cell)
2. Une même initiale produira le tissu latéral de la coiffe
et l’épiderme
3. Une même initiale produira l’écorce et l’endoderme
(cortical endodermal stem cell)
4. Une même initiale produira le péricycle et les tissus
vasculaires (stele stem cell)
Endodermis
Lateral
rootcap
Epidermis
Pericycle
Collection de marqueurs
spécifique d’un type cellulaire
Endo
+
Cortex
QC
Le méristème racinaire : une organisation dépendante de divisions stéréotypées des
cellules souches
stele
epidermis
endodermis
cortex
Division asymétrique
lateral
root cap
quiescent
center
(QC)
columella
cortex/
endodermis
initial
Cell types in the Arabidopsis root meristem
les signaux d’informations de
position dans le MAR
ablation au laser entraine la différenciation
des initiales fonctionnelles
Le CQ inhibe la différenciation des
initiales fonctionnelles en contact
le maintien de leur état indifférencié
(l’initiale régénérée) et une cellule fille (la
dérivée) déconnectée du CQ
Le centre quiescent (CQ):
Centre organisateur
Le gène WOX5
faible activité métabolique.
CQ inhibe la différenciation des I.F en contact de ce fait
le maintien de leur état indifférencié
Deux mutants déficients dans la mise en place et la
différenciation de l’endoderme
cor
end
Wild type
short-root
(shr)
cor
cor+end
scarecrow
(scr)
Positionnement du centre quiescent
Rôle des gènes dans le contrôle des divisions des initiales
mutants shortroot (shr)
Pas de l’endoderme
Gene SHR spécification de l’identité de l’ENDODERME
facteurs de transcription SHR
Produit dans le cc et migre via les Plasmodesmes dans l’endoderme
SCR and SHR control tissue patterning
during
root
development
WT
WT
Wild-type SHR expression
SHR-Promoter::GFP
Accumulation of transcripts
SHR::GFP
Accumulation of protein
101
mutant scarecrow (scr)
L’endoderme et l’écorce sont remplacés par une seule assise
SCR et de SHR
SHR active l’expression de SCR qui est nécessaire pour
la division cellulaire de la cellule dérivée qui donnera
naissance à l’écorce et l’endoderme
La division asymétrique de l’initiale cortico –endermique
Une donne cortex et l’autre donne l’endoderme
WT
SCR and SHR control tissue patterning
during root development
SCR-Promoter::GFP
CEI=cortex/endodermis initial
SCR expression
WT
SCR-Promoter::GFP
103
• Information de la positon radiale fournie par
SCR et SHR.
• information de la position longitudinale
fournie par l’auxine
• AIA induit l’expression des gènes PLETHORA1
et 2 (PLT1/PLT2) spécifier le CQ
• SCR et SHR et PLT1 et PLT2 stimule WOX5
• L’expression des gènes PIN. Stabilise
l’accumulation d’auxine
le passage d’une cellule méristématique à une cellule conductrice.
Différenciation d’un xylème: xylogénèse
Procambium: primordium foliaire
Cellules s’allognent
Clivent longitudinalement cordons de cellules longues, étroites,
Téléchargement
Explore flashcards