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,
