UE4 - usthb

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Anthère=androcée
=étamine
Filament
ovaire
Sac
embryonnaire
style
stigmate
réceptacle
pétale
sépale
Organes
sexuels mâles
pédoncule
UE4. M Gallusci
Biologie du développement et de la reproduction des plantes
Introduction générale:
Le cycle de développement d'une plante:
C'est une alternance d'une phase haploïde (phase gamétophytique) et d'une phase diploïde (sporophytique).
L'importance relative de ces deux phases varie. Chez les angiospermes, la phase gamétophytique est réduite au
développement de quelques cellules réduites. Cette phase est incluse dans le développement du sporophyte
(l'arbre). Chez les végétaux dits primitifs, la phase haploïde est prépondérante c'est à dire que le gamétophyte vit
par ses propres moyens, et inversement. On va s'intéresser au développement du gamétophyte mâle et femelle (le
pollen et l'ovule).
Structure d'une fleur:
Une fleur est composée de 4 verticilles, de l'intérieur vers l'extérieur: deux verticilles fertiles (gynécée qui
contient l'ovaire et les anthères), et deux verticilles stériles (pétales et sépales). . L’ensemble des étamines forme
l’androcée et l'ensemble des carpelles le gynécée. Le carpelle est surmonté du style et du stigmate, sur lequel se
pose le grain de pollen et le tube pollinique se forme. L'anthère est portée par le filet, ce qui forme l'étamine. Les
pétales et sépales ont un rôle d'attraction (insectes pollinisateurs…) et de protection (bourgeon).
Ce schéma est celui d'une fleur hermaphrodite (bisexuée). Il existe des fleurs qui ne portent que des organes
mâles, ou femelles (fleur unisexuée) , et cela sur la même plante ou sur des plantes séparées.
Si la plante porte des fleurs mâles et femelles, elle est dite monoïque (comme le maïs). Si la plante ne porte que
des fleurs mâles et qu'une autre plante porte les fleurs femelles, elle est dite dioïque.
L'identité des organes floraux est déterminée par un ensemble de gènes qui codent pour des facteurs de
transcription MADS box. Cela constitue le modèle ABC. Ces trois fonctions ABC permettent d'établir l'identité
des 4 verticilles.
A
C
B
Asépales
A+Bpétales
B+C
étamines
Ccarpelles

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Des arguments génétiques confirment ce modèle, comme la connaissance de mutant qui le vérifient. De plus, en
clonant ces gènes et en les séquençant, on a pu vérifier leurs profils d'expression spécifiques aux verticilles
cibles. De même une surexpression ectopique modifie le devenir des organes floraux.
Ce modèle est conformé chez plusieurs espèces dont Arabidopsis thaliana.
Partie 1: Déterminisme du sexe chez les plantes:
On se pose la question de savoir pourquoi certaines plantes sont unisexuées et d'autres bisexuées. On remarque
que les fleurs mâles correspondent à une répression de la formation des carpelles, et que les fleurs femelles
correspondent à la répression de la formation des étamines.
1/ Facteurs externes:
Certains facteurs externes sont connus pour influencer le déterminisme sexuel de la fleur, chez certaines espèces.
Par exemple la durée jour/nuit, ou la température, ou certaines hormones. Ainsi les gibbérellines (hormones
synthétisées par les plastes) induisent une féminisation du maïs. Selon l'espèce, l'influence d'une même hormone
peut changer du tout au tout, ou même ne pas avoir d'action du tout, de même pour les facteurs externes.
2/ Silene latifolia:
C'est le cas de Silene latifolia. Nous la prendrons comme modèle.
Il s'agit d'une espèce dioïque, c'est à dire que certaines plantes sont mâles et d'autres femelles exclusivement.
C'est une plante diploïde à 2*12 chromosomes. Elle possède 22 autosomes et 2 chromosomes sexuels X et Y.
Les plantes femelles sont XX et les plantes mâles sont XY. On peut provoquer une polyploïdie, ce qui peut
donner 3XY. On a alors des plantes mâles. On en déduit que le chromosome Y est le déterminant du caractère
sexuel.
Le ch. Y contient très peu d'hétérochromatine donc est très actif transcriptionnellement parlant. On possède aussi
des mutants asexués ou bisexués (par traitement aux rayons ) qui possèdent un ch. Y touché par le traitement.
Le passage à la bisexualité se fait quand une partie précise du chromosome est perdue. On en déduit que cette
partie code pour des gènes qui bloquent normalement le développement du gynécée. Une autre zone apparaît être
responsable du développement des carpelles (partie délétée: mâleasexuée). On peut dresser une carte grossière
de ce ch. Y:
C'est une idée assez grossière. Pour affiner on commence par comparer les stades de développement des fleurs
mâles et femelles:
 Stade I: aucune différence
 Stade II: primordium sépales/pétales. Aucune différence sur les verticilles fertiles.
 Stade III: la fleur mâle présente une inhibition de la formation du gynécée et la fleur femelle l'équivalent
pour le carpelle.
 Stade IV: chaque organe finit son développement pour donner une fleur adulte.
C'est entre les stades II et III qu'il faut chercher les gènes déterminant le sexe de la fleur, car c'est à ce moment
qu'ils vont s'exprimer, et (de façon classique) relativement brève.
On construit des banques d'ADNc pour comparer les ARNm exprimés chez les mâles et chez les femelles. Mais
il faut réaliser un criblage différentiel de la banque d'ADNc pour éviter de noyer les gènes qui l'ont cherche
(ceux qui sont différents chez le mâle et la femelle) au milieu des gènes communs majoritaires.
Pour ce faire, on construit une banque d'ADNc au stade III, qu'on crible par les ARNpolyA femelle, ce qui doit
donner quelques signaux, et criblée par les ARNpolyA mâles, où tout doit s'allumer (vu que ce sont les mêmes
gènes!). On met ainsi en évidence les clones spécifiques à la fleur mâle, et inversement.
D'autres techniques permettent actuellement d'arriver aux même résultats, basées sur la PRC (par amplifications
différentielles…).
(-) gynécée
(+) anthères
Partie commune avec X

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Mais on est confronté au problème de la sous-représentativité des gènes faiblement exprimés (souvent les plus
importants!). On peut construire une banque ADNc et hybrider de façon successive avec les ADNc femelles. On
élimine les hybrides et on recommence. C'est une banque soustractive, qui peut de plus être couplée à un
criblage différentiel.
On a ainsi mis en évidence une famille de gènes, les gènes MEN (MEN9) (man enhanced), qui sont
effectivement exprimés dans la fleur mâle et peu dans les fleurs femelles. Mais ce n'est pas très spécifique,
d'autant plus qu'il semble que leur expression soit assez tardive et que les produits de ces gènes ne semblent pas
jouer un rôle biochimique et finalement leur expression est limitée à l'épiderme de l'anthère. Il faut chercher
d'autres gènes déterminant le sexe plus en amont.
On a essayé de trouver des gènes MADS box, pour bâtir un modèle ABC. On a trouvé les gènes SLM, exprimés
préférentiellement dans les bourgeons floraux mâles ou femelles et pas dans les feuilles. Mais ces résultats sont
pondérés par d'autres expériences et on pensent à l'heure actuelle que ces gènes SLM ne sont pas non plus
déterminants dans le sexe de la plante Silene latifolia.
On a pu mettre en évidence aussi le rôle de la méthylation de l'ADN. Un des deux chromosomes X de la plante
femelle est hyperméthylé, se réplique tardivement et est très condensé (donc transcriptionnellement peu actif).
On a alors pensé que la méthylation pouvait jouer un rôle dans le déterminisme sexuel.
On connaît chez les mammifères des mécanismes de régulation de la dose des gènes (car on a 2X), dont fait
partie la méthylation.
On peut essayer de modifier le taux de méthylation du chromosome X chez la plante.
Pour cela on la fait pousser en présence de azacytidine: le carbone 5 de la cytidine (site de méthylation) est
remplacé par un N). Cette base modifiée va être incorporée dans l'ADN. Il faut savoir que la méthylation se fait
préférentiellement sur les cytidines. On aura ainsi une hypométhylation de l'ADN.
On a alors deux possibilités:
 L'hypométhylation permet de déréprimer l'expression de certains gènes
 Ou plus rare elle induit l'inhibition de l'expression de gènes. (Cela peut être dû à la dérépression d'inhibiteurs
de gènes).
On observe que les plantes femelles hypométhylées restent femelles mais que les plantes mâles hypométhylées
donnent deux populations de plantes: mâles à majorité et des plantes à fleurs hermaphrodites (80-20%). Aucune
plante XX ne devient hermaphrodite: cela confirme le rôle prépondérant de Y dans le déterminisme sexuel.
On peut analyser la descendance de ces plantes hermaphrodites:
 L'autofécondation ne donne pas de plantes mâles mais uniquement des plantes femelles et hermaphrodites.
 femelle sauvage * mâle/hermaphrodite  plantes mâles, femelles et hermaphrodites. On maintient de
caractère hermaphrodite en apportant le gamète mâle de la fleur hermaphrodite (l'hyperméhylation n'est pas
perdue).
 mâle/hermaphrodite * femelle sauvage  on conserve le caractère hermaphrodite, quelle que soit la
génération d'hermaphrodite donneur de gamètes mâles.
 femelle/hermaphrodite * mâle sauvage  caractère hermaphrodite perdu. Il y a correction de l'état
hypométhylé chez la femelle à la génération suivante.
On met ainsi en évidence un mécanisme de méthylation, l'imprinting ou empreinte parentale, chez la femelle. En
effet, la déméthylation est reversée chez la femelle par le passage à travers le sporophyte et le gamétophyte,
comme s'il y avait un "pattern" de méthylation chez la femelle. Pour dire les choses en français: il y a
probablement un mécanisme d'empreinte maternelle qui impose la méthylation lors de la méiose.
 Le taux de méthylation joue donc un rôle dans le déterminisme sexuel.
Ces résultats suggèrent un effet sur les gènes qui suppriment le développement du gynécée, situés sur le chY. La
déméthylation bloquerait ces gènes, ce qui permettait au gynécée de se développer, d'où la fleur hermaphrodite.
On est dans le cas rare où l'hypométhylation induit l'inhibition de l'expression de gènes (du chY impliqués dans
l'inhibition du gynécée…).
On peut penser qu'il y a aussi une induction de quelques gènes clés importants pour le développement du
gynécée, ce qui peut se produire plus fréquemment. (il doit y avoir beaucoup de gènes impliqués dans le
développement du gynécée donc c'est peut-être pas bête de penser à l'activation de gènes clés plutôt qu'à
l'inhibition des inhibiteurs…)
Il y a aussi

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3/ Le cas du Maïs:
C'est une plante monoïque, c'est à dire que la même plante prote les fleurs mâles (partie supérieure, la panicule),
et les fleurs femelles (partie inférieure, l'épi).
Lorsqu'on observe le développement des inflorescences mâles et femelles, on note à partir d'un moment précis
un blocage du gynécée (chez la fleur mâle) et des étamines (fleur femelle). Même si les primordium
apparaissent, ils sont bloqués rapidement.
Le maïs n'a pas de chromosome X ou Y. On a mis en évidence qu'une culture en conditions nuits froides et/ou
jours courts entraîne une féminisation des panicules. De même un traitement par des gibbérellines (le taux
sauvage de gibbérellines est 100*supérieur dans les épis que dans les panicules).
Le maïs possède beaucoup de mutants. Il existe des mutants où on a une masculanisation des fleurs, soit mise en
évidence d'un gène nécessaire à la féminisation, et des mutants où on a une féminisation, soit mise en évidence
d'un gène nécessaire à la masculanisation. (principe des mutants perte de fonction).
 Masculanisation des plantes:
 Mutants Dwarf d1, d2, d3: ces plantes sont naines. Cela indiquent qu'elles sont affectées sur la synthèse
des gibbérellines. On observe la présence d'étamines sur les épis. Ces mutants sont sensibles à l'addition
d'acide gibbérellique exogène. On peut ainsi complémenter la mutation: ces mutations touchent donc
bien la synthèse de gibbérellines.
 Dwarf d8, d9: ceux-là sont insensibles aux acides gibbérelliques. Ces mutations seraient plutôt
impliquées dans la perception des gibbérellines, et non dans la synthèse.
 Siklers sk: la fleur femelle est vide et remplacée par des étamines.
 Teosinte branched tb: donne un épis remplacé par une tige ressemblant à l'apex de la fleur mâle.
(comme le téosinte qui est l'ancêtre du maïs actuel).
 Féminisation des plantes:
 Tassel Seed ts1,2: les étamines sont féminisés. Ces étamines si elles sont pollinisées, donneront des
graines viables! La plante est incapable de bloquer le développement du gynécée au niveau des
étamines. (le gène sauvage TS bloque le développement du gynécée au niveau des étamines). Ce gène
code pour une alcool déshydrogénase, qui possède des homologies de séquences avec des enzymes du
métabolisme des stérols, soit apparemment sans aucun lien avec le déterminisme sexuel
(stérolhormones?).
 Terminal ear: la base de la panicule porte des pistils (féminisation partielle).
Désignation du gène
Phénotype mutant
Fonction du gène sauvage
Masculinisation (gène
sauvage impliqué dans le
déterminisme femelle)
Dwarf D1, D2, D3
Plantes naines, présences
d'étamines sur les épis,
sensibles à l'addition de
gibbérellines
Synthèse de gibbérellines.
Dwarf D8, D9
Idem. Insensibles aux
gibbérellines
Perception des
gibbérellines
Silkers SK
Suppression du pistil et
étamines sur épis
Développement du
gynécée et répression
étamines dans fleur
femelle
Teosinte branched TB
Epis de type teosinte et
portant des étamines
Idem
Féminisation (gène
sauvage impliqué dans le
déterminisme mâle)
Tassel seed TS1,2
Etamines féminisées
pouvant être pollinisées
Répression du
développement du
gynécée dans la panicule
(alcool déshydrogenase)
Terminal ear
Féminisation de la partie
proximale des panicules
Répression gynécée dans
la partie proximale
(basale) des panicules.

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On peut essayer de construire un modèle théorique avec ces gènes, mais il faut pour cela combiner les effets
de 2 (au moins) mutations: doubles mutants:
On construit le double mutant sk1 et ts2. On rappelle que sk1 donne une suppression du pistil et des
étamines sur l' "épis". ts2 donne une féminisation des étamines.
Le double mutant obtenu est caractérise:
 Phénotype épis: Phénotype normalépistasie totale (l'un masque l'autre) de ts2 sur sk1 (le côté femelle
l'emporte)
 Phénotype panicule: Partie distale normale. Partie proximale mutée (féminisée par ts2). On a épistasie
partielle de sk1 sur ts2.
Résumons:
sk1
ts2
sk1 + ts2
Panicule
WT
Etamines féminisées
Distal: WTépistasie
partielle de sk1 sur ts2.
Proximal: muté ts2
Epis
-pistil +étamines
WT
Epistasie totale de ts2 sur
sk1.
Raisonnons sur l'épis:
On peut faire l'hypothèse que dans la fleur sauvage, la fonction de SK1 est de bloquer TS2.
Pour la partie mâle, on peut considérer que sk1 n'entraîne pas une perte totale de fonction.
On a construit ce modèle:
TS2
SK1
(-)
(-)
(-)
Fleur femelle
Fleur mâle