ONTOGENESE VEGETALE
publicité
ONTOGENESE VEGETALE 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Cycle de développement et reproduction des plantes Grandes lignes de la formation de l’appareil végétatif Racines et méristème racinaire Tige et méristème apical Transition florale et inflorescence Fleurs Gamétophytes et gamètes Stratégies de reproduction, cycle de développement des angiospermes. Une plante est fixée sur le sol. Elle doit donc s’adapter aux changements de son environnement et aux attaques biotiques. C’est pourquoi l’ontogenèse et le développement répondent à des mécanismes d’une grande plasticité, selon les conditions du milieu. Le cycle de développement d’un individu : croissance plantule Embryon (graine) germination Zygote 2n Plante mature stade végétatif Transition florale fécondation Gamètes n Stade reproducteur Sénescence programmée et mort Chacune de ces étapes est dépendante des conditions du milieu. La plantule est un individu encore hétérotrophe, c’est à dire qu’il n’a pas encore différencié son appareil photosynthétique. Le stade végétatif correspond à un stade où aucun organe reproducteur n’est exprimé. A ce stade, de nombreux organes sont produits : feuilles, tiges, racines, bourgeons. Les organes reproducteurs sont néoformés : ils ne se forment pas dès le stade embryonnaire. Il n’y a pas de lignées germinales. A certains stades (graine, bourgeon), il y a possibilité de vie ralentie ou dormance. C’est un programme de protection contre le stress thermique, hydrique, accumulation de réserves…sous contrôle hormonal. Quelques notions de taxonomie : L’ensemble des êtres vivants est divisé en deux groupes, les eucaryotes et les procaryotes. Les procaryotes sont formés par les archéobactéries et les eubactéries, les eucaryotes par les animaux, végétaux et champignons. On désigne par le monde végétal l’ensemble des organismes capables de photosynthèse. Il existe plusieurs groupes qui suivent l’évolution au cours des temps géologiques : Thallophytes : algues : l’appareil végétatif est simplifié à des couches cellulaires peu organisées (thalle). Cormophytes : végétaux à tige, cela est lié à la colonisation du milieu terrestre. - Bryophytes : mousses, sphaignes. Pas d’enracinement profond, pas de vaisseaux. - Brachiophytes : végétaux à vaisseaux et racines. - Ptéridophytes : fougères, sélaginelles… - Phanérogames : - Gymnospermes : conifères ; graines sur l’extérieur - Angiospermes mono et dicotylédones : plantes à fleur, graines dans un fruit. Cycle de reproduction : Un végétal passe par deux stades distincts, soit deux individus, l’un diploïde l’autre haploïde, le sporophyte et le gamétophyte. On parle de cycle de reproduction digénétique. Un cycle digénétique peut être isomorphe ou non, c’est à dire qu’une forme haploïde ou diploïde peut être favorisée. Si les sexes sont séparés, on parle d’individus dioïques. Il existe aussi des cycles monogénétiques haploïde où le zygote subit très vite la méiose. La forme sporophyte est en fait le zygote. Mais la diploïdie ne permet pas une grande multitude des allèles donc une grande souplesse d’adaptation. Ainsi les cycles monogéniques diploïdes sont favorisés. Les spores constituent le gamétophyte. Ce sont très souvent des cycles hétéromorphes. Sporophyte Zygote 2n Méiose n Gamètes n Gamétophyte Il peut aussi exister des cercles trigénétiques (algues rouges) où il y a doublement de la génération diploïde. Les bryophytes classiques sont gamétophytes. Les sporophytes se développent de façon parasitaire sur le gamétophyte. Les trachéophytes ont un cycle digénétique hétéromorphe où le sporophyte est dominant. Le pollen est le gamète mâle. L’ovule est le gamétophyte femelle. L’appareil végétatif se construit en permanence au cours de la vie de la plante. Les méristèmes sont responsables de cela. Ce sont des zones de cellules douées d’activité mitotique organisées (contrairement à une tumeur). Il s’en suit une histogenèse et une organogenèse. Ces méristèmes sont localisés spécifiquement aux extrémités : méristème apical responsable de l’édification de la tige principale, bourgeon axillaire pour l’édification des nouvelles branches. Il existe des phénomènes de dominance entre méristèmes apicaux et latéraux. Le système racinaire est formé par un méristème apical racinaire mais il n’existe pas de méristèmes latéraux pour les racines. Les méristèmes secondaires sont néoformés. Il existe aussi des cambium responsables de la croissance en diamètre. Mais un méristème conduit à de petites cellules. Il faut une étape de croissance cellulaire. Ce phénomène est localisé dans les tissus en dessous des méristèmes, dans les parties jeunes. Le grandissement cellulaire nécessite de l’eau (entrée par diffusion dans la cellule, selon le potentiel hydrique). Cela est contrôlé par la teneur en ion intracellulaire. La paroi cellulosique doit rester déformable (plasticité) sous la pression de turgescence, avec une notion de seuil. Méristème apical sol Zone de différenciation Zone d’élongation Méristème racinaire Il faut noter quelques originalités des plantes sur les animaux : - Organogenèse permanente liée aux méristèmes - Pas de migration cellulaire à cause de la paroi pectocellulosique et absence de cellules souches (lignées cellulaires). L’ontogenèse des plantes est due essentiellement à l’effet position. Cet effet position est dû à un ensemble de gradients trophiques (ressources), hormonaux, électriques, de pression… Il existe aussi un contrôle de l’activité mitotique, qui est organisée dans le méristème, comme un contrôle du plan de division : des divisions anticlinales vont élargir le tapis de cellules tandis que des divisions périclinales vont provoquer une percée du massif de cellules. Un autre contrôle se fait au niveau de l’intensité et de l’orientation du grandissement cellulaire (croissance isodiamétrique ou polarisée), mais aussi l’identité des organes (gènes homéotiques). Chez le végétal, la cellule indifférenciée est appelée cellule méristématique, ou cellule embryonnaire. Ce sont des cellules qui ont une activité mitotique organisée importante et qui n’ont pas de différenciation tissulaire particulière. Ces cellules évolueront en cellules différentes (pas de lignées cellulaires). A l’intérieur d’un organe, la cellule différenciée ne se divise plus mais elle conserve sa potentialité de dédifférenciation pour s’engager vers une autre voie de différenciation. Par exemple si on lèse les vaisseaux dans une tige, on observe que certaines cellules du parenchyme vont se re-différencier en cellules conductrices, pour créer une circulation alterne. C’est la réversibilité des étapes de différenciation. On utilise cette capacité pour le bouturage. C’est la totipotence des cellules végétales. Les plantes peuvent aussi avoir la capacité de néoformer des organes spécifiques par l’intermédiaire de bactéries. C’est le cas chez les Légumineuses qui en présence de Rhizobium vont former des nodosités pour les accueillir, à partir de cellules du cortex racinaire, pour une symbiose autour de N2 du sol. C’est le cas aussi des galles, souvent liées à des pathogènes (œufs d’insectes ou bactéries) qui libèrent des hormones et induisent la différenciation des cellules du végétal. La culture in vitro utilise la totipotence des cellules végétales : à partir d’un explant, on peut réaliser des cultures de cellules relativement indifférenciées en milieu liquide (suspension) ou solide (cal), des cultures de protoplastes (paroi digérée) ou culture de fragment d’organes ou de tissus. On peut diriger les différenciations par des hormones. On travaille beaucoup sur une plante modèle Arabidopsis thaliana (http://genomewww.stanford.edu/arabidopsis). Elle est avantageuse du point de vue de la taille, elle est autogame (homozygotie), cycle court, mutagène, fine et relativement transparente. Racine et méristème racinaire : La racine est un organe très différent des parties aériennes car elle ne connaît pas la transition florale. Elle a un développement continu issu du fonctionnement du méristème apical racinaire MAR. La racine a plusieurs fonctions : absorption d’eau et ions minéraux, ancrage, stockage, conduction. Elle est présente dès l’état embryonnaire Gemmule : tige embryonnaire et méristème apical caulinaire Cotylédones Radicule La radicule évolue en racine primaire (axe principal). Elle peut ensuite se ramifier en plusieurs racines latérales ou secondaires (cf. TD UE3) Les tiges se ramifient selon une base répétées, le métamère qui porte une feuille et un bourgeon. Il n’y a pas d’équivalent chez la racine. Elle apparaît à ce sujet un peu plus chaotique. Le primordium (massif de cellules qui va former la nouvelle racine) est le résultat d’une dédifférenciation de cellules de la racine primaire et non de MAR. Métamère Racine primaire Racine secondaire Les racines ont un gravitropisme positif et un phototropisme négatif. Elles possèdent une structure très particulière, les poils absorbants. Ce sont des expansions de cellules de l’épiderme Zone pilifère Epiderme : Trichoblastes ou Atrichoblastes La zone pilifère se déplace en suivant la croissance de la racine. Organisation du MAR : On observe des fils de cellules qui forment les différents tissus. Epiderme Parenchyme cortical Cylindre central : - endoderme subérifié (interrompt la voie apoplastique intracellulaire de diffusion des substances - péricycle à partir duquel se forment les racines secondaires. - Faisceau de xylème et phloëme - Parenchyme central. Arabidopsis thaliana a une organisation de ces tissus très simple, sur seulement une assise cellulaire. Stèle Parenchyme cortical MAR Columelle centrale Columelle latérale Coiffe (cap) Le MAR est constitué de 2 types cellulaires : les initiales : - initiales de la columelle centrale (divisions périclinales) - initiales de la columelle latérale et épiderme (anticlinales puis périclinales) - initiales du cortex et endoderme (anticlinales puis périclinales) - initiales de la stèle (périclinales) les cellules quiescentes qui se divisent peu ou pas du tout Localisation des initiales dans le MAR : CL : Stèle Cortex+endoderme Columelle latérale+épiderme Cellules quiescentes Columelle centrale Au-dessus de la zone de division méristématique, on trouve la zone d’allongement cellulaire puis la zone de différenciation. Pour identifier les zones mitotiques, on peut colorer les noyaux pour observer les figures de mitose. Les cellules quiescentes entretiennent le caractère de développement infini du MAR. La zone d’allongement est très importante pour le grandissement polarisé des cellules. Le MAR est formé chez l’embryon, avec ses initiales : méristème apical+cotylédones zygote Divisions asymétrique s hypocotyle+racine hypophysecoiffe+centre quiescent Le MAR est donc issu de l’hypophyse de l’embryon et de la demi-partie supérieure. Mais ces frontières restent floues. On dispose de marqueurs génétiques pour suivre la mise en place des initiales, par exemple le gène GUS (glucuronidase). Cette enzyme est en effet repérable grâce à un substrat chromogène. Le gène GUS est inséré dans le génome de la plante avec des promoteurs spécifiques des territoires cellulaires coiffe, columelle… une fois le territoire cellulaire repéré, on détruit précocement ce qu’on pense être une initiale et on observe l’influence sur le développement. On réalise des ablations cellulaires, ou destruction par laser. On met ainsi l’importance de l’effet position : en détruisant une initiale, on observe qu’une autre cellule prend sa place et remplit son rôleil n’y a pas de cellules souches mais un effet position. Mais pour qu’une cellule acquière un statut précis (comme celui d’initiale), elle doit être en contact avec des cellules différenciées. C’est une cellule différenciée qui va reprogrammer une cellule en initiale. Cela a été prouvé par des expériences d’ablation. C’est la communication intercellulaire (composition chimique de la paroi et par les plasmodesmes). Ces mécanismes de communication sont peu connus. On possède des mutants pattern qui modifient leur organisation générale, des mutants d’activité méristématique (prolifération ou arrêt précoce)… Le méristème apical caulinaire SAM (shoot apical meristem) : Il a pour fonction de fabriquer toutes les cellules de la tige. Il est localisé à l’extrémité de la tige. SAM Primordium foliaire Feuille Le SAM établit la succession des métamères de la tige : nœud, feuille, bourgeon axillaire. Le bourgeon axillaire, en dormance au pied de la feuille permettra la ramification. La plante acquière ainsi une architecture aérienne particulière, dépendante de sa programmation génétique et des conditions du milieu. Le SAM est formé dès le stade embryonnaire. Il produit tous les tissus végétatifs et, grâce à un changement d’activité, les pièces reproductives (méristème d’inflorescence). Le SAM caractérise le méristème végétatif. Structure du SAM : Il y a plusieurs façons de caractériser les différents éléments du SAM : par couche cellulaire (layers) ou par zones : L1 : divisions anticlinales CZ : central zone : peu de mitoses L2 : divisions anticlinales et PZ : peripherical : activité mitotique quelques périclinales plus importante L3 : anti et périclinales RibZ : médullairetissus de la stèle. (centrestèle) Il y a beaucoup de variantes à cette organisation : les mousses et fougères ne possèdent qu’une seule cellule qui sert d’initiale à toute la tige, les monocotylédones et gymnospermes ne possèdent pas de L2… Pour étudier la formation et l’entretien du SAM, on peut réaliser des mutations dirigées qui affectent pare exemple la teneur en chlorophylle ce qui est repérable par la suite. On obtient une plante chimère ou mosaïque, car toutes les cellules n’ont pas le même génotype. On a pu montrer ainsi que L1 forme l’épiderme, L2 le bord du limbe des feuilles et une partie des tissus périphériques de la tige et L3 la majeure partie de la tige, avec une grande variabilité. Dans chaque couche il y a de 1 à 3 cellules à l’origine de toutes les autres cellules. On peut les qualifier d’initiales. ces initiales sont à l’origine de secteurs de la plante. Mais ces frontières ne sont pas fixes, il existe des échanges de cellules. Il n’y a pas de lignées cellulaires fixes, là encore c’est l’effet position qui est prépondérant. Il n’y a pas de lignage génotypique. Les initiales se situent au sommet de la zone centrale. Dans la PZ, on a déjà un début de différenciation. La zone centrale apparaît conférer au Sam un caractère de développement infini. Pour étudier le fonctionnement u SAM, on réalise sur des mutants des travaux de profil d’expression du gène, avec des hybridations in situ. On appelle caulogenèse la fabrication de la tige, qui est le résultat du fonctionnement du SAM. Les méristèmes sont des structures relativement indépendants : si on décapite le SAM et qu’on le place sur un milieu de culture adéquat, il continue de fonctionner de façon indépendante pour produire une plantule entière. Cette propriété est utilisée pour sauver une plante de l’attaque d’un virus. Comme le virus n’attaque jamais le SAM, on peut ainsi reconstruire une plante saine entière. Cela permet aussi une culture in vitro intensive. La phyllotaxie est aussi utilisée pour déduire le fonctionnement du SAM : c’est l’étude de la disposition des feuilles le long de la tige, qui rend compte de l’activité du SAM. On déduit ainsi par des expérience de dissection des primordium foliaires qu’un primordium inhibe la formation d’un autre primordium trop près : 1 3 2 Cet effet inhibiteur de l’organe déjà formé est assez général pour d’autres organes. Les méristèmes sont aussi capables de néoformation, à partir de cellules différenciées ou indifférenciées, sur une tige qui n’a pas de SAM. Il se forme par recrutement de plusieurs cellules en fonction de leur position et de signaux hormonaux. Actuellement on utilise des mutants de fonctionnement du méristème : (chez Arabidopsis) - SMT (shoot meristemless). La mutation conduit à un phénotype plus ou moins sévère (activité finie dans le temps ou pas de Sam du tout) SMT est un gène homéotique responsable de l’activation du SAM, au contraire de clavata. Un gène homéotique est responsable de l’édification d’un organe à un endroit donné au bon moment. Les gènes homéotiques conduisent à des protéines à homéodomaines qui lient l’ADN. ces gènes sont généraux à tous les êtres vivants. Il existe chez le maïs un gène appelé knotted qui conduit à la formation de méristèmes sur les feuilles. La mutation modifie le profil d’expression de gène. SMT fait parti de la même famille de gènes homéotiques que knotted. La mutation SMT est une perte de fonction alors que knotted est un gain de fonction. Par hybridation in situ des ARNm de SMT on peut voir qu’il est exprimé uniquement dans les couches L2. on peut étudier son action en modifiant son niveau d’expression : on observe une expression ectopique (où on l’attendait pas) qui provoque la formation d’un méristème. SMT est responsable du maintien de l’activité du SAM. - Clavata : la mutation conduit à un SAM hypertrophié. Il joue un rôle dans la restriction méristématique. Il code pour une protéine kinase de type récepteur transmembranaire, impliquée dans les voies de signalisation intracellulaire. Chez les plantes, les kinases sont très souvent des Ser-K ou Thr-K. Cela montre que l’identité du méristème est aussi définie par des messages externes, apoplastiques. Profil d’expression du gène CLAVATA - Wuschel : la mutation provoque une perte du SAM. C’est un facteur de transcription mais pas homéotique. Transition floral, inflorescence : La fabrication d’une fleur provient d’un changement de fonctionnement du SAM qui passe d’un mode de fonctionnement végétatif en méristème de type floral. Lais la production de fleur n’est pas directe. La fleur est composée de plusieurs organes : - Les sépales - Les pétales - Les étamines (organes sexuels mâles) ou anthères - Les carpelles (organes sexuels femelles) La transition est l’état végétatif au méristème d’inflorescence puis au méristème floral. Chez Arabidopsis Thaliana, l’état végétatif se caractérise par des métamères très courts et la transition à l’état d’inflorescence se traduit par un allongement de la tige. Les méristèmes apicaux sont représentés par des flèches, les fleurs par des ronds. En (1), le SAM établie des métamères végétatifs. En (2), il devient un méristème d’inflorescence qui produit une tige plus grande qui porte des feuilles modifiées et des bourgeons axillaires. En (2), les bourgeons axillaires se développent pour former soit une fleur soit une tige latérale, qui porte à son tour des bourgeons… Chez Arabidopsis, ce sont les méristèmes latéraux qui donnent les fleurs. On appelle cela une inflorescence du type grappe, c’est à dire que le méristème apical ne donne jamais de fleur. Ces critères de floraison sont utilisés en botanique pour différencier des espèces différentes. Mais les conditions de passage à l’état floral sont très plastiques. Par exemple une plante monocarpique ne fleurit qu’une ois dans sa vie avant de mourir. Ce sont les plantes annuelles et quelques plantes pérennes (qui restent plusieurs années sans fleurir), mais aussi les plantes bisannuelles (oignon, betterave) qui ne fleurissent en général que la deuxième année. La plupart des plantes pérennes fleurissent plusieurs fois dans l’année. Le but de la floraison est de faire un nouvel individu. Avant de fleurir, il faut que la plante possède de suffisamment de temps pour former une graine (entre la floraison et la fin de maturation de la graine). Les conditions inductrices de la floraison dépendent du climat de la plante. Le contrôle de la floraison se fait donc par des paramètres exogènes (climat) et endogènes (génétiques). Les paramètres exogènes jouent sur l’activité de certains gènes. Si les conditions sont favorables, la plante passe à un état floral (induction ou évocation florale) puis il y a morphogenèse florale. Cela correspond à deux types de gène différents. Ces paramètres et leur importance relative dépendent de la plante étudiée. Parmi les facteurs externes qui contrôlent la floraison, il y a surtout la lumière. C’est la photopériode (durée d’ensoleillement journalier). Il existe ainsi des plantes jour-long qui ne peuvent fleurir que quand les jours sont longs (printemps comme Arabidopsis) et des plantes à jour-court (automne) ou encore des plantes à jourindifférent. Le photopériodisme (étude de l’influence de la photopériode sur la floraison) a permis de mettre en évidence l’existence de photorécepteurs (comme le phytochrome). Une stimulation pendant la nuit d’une plante à jour-court (donc nuit longue) par un éclair même bref (quelques secondes) empêche ou ralenti la floraison. Mais ce facteur n’est pas exclusif. La température agit aussi. Pour qu’une plante fleurisse, il faut généralement un passage à une température basse (0-5°C) ce qu’on appelle la vernalisation. C’est typiquement le cas des plantes bisannuelles. D’autres paramètres comme la taille (coupe), la fertilisation… agissent. Cela permet de faire des différenciations au-delà de l’espèce. Les paramètres exogènes agissent sur les feuilles (prouvé par les éclairs sur des feuilles ou par greffes). Les feuilles transmettent alors des messages chimiques vers le SAM et ces messages induisent la floraison. Il n’existe pas qu’une hormone responsable de cela, mais la plus importante est la gibbérelline. Le méristème reçoit ce message par la sève élaborée. Parmi les paramètres internes d’induction de la floraison, on peut citer l’âge de la plante, ou sa taille (nombre de métamères). L’approche génétique de recherche de mutants est appliquée. On dispose actuellement de mutants qui passent très rapidement à l’état floral ou qui n’y passent jamais. Par exemple le gène Leafy dont une mutation ralentit le passage à l’état floral. L’allèle sauvage est donc un activateur de la floraison. Le gène EMF (embryonic flower) est un répresseur de la floraison : sa mutation conduit à une floraison très précoce. Le méristème d’inflorescence après avoir donné une tige et des feuilles modifiées, se transforme en méristème floral qui donnera la fleur. Structure de la fleur : Le méristème floral est plus gros que le SAM et que le méristème d’inflorescence. il produit les organes floraux : sépales, pétales, étamines, carpelles : L’ensemble des sépales forme le calice ; l’ensemble des pétales forme la corolle. Les sépales et pétales forment le périanthe. L’ensemble des étamines forme l’androcée et des carpelles le gynécée. Chacun de ces organes correspond à une feuille modifiée. Le méristème floral a un fonctionnement limité dans le temps. Tous les territoires du méristème servent à donner des organes, il n’y a aucun territoire conservé pour son renouvellement. La disposition, la forme, la présence ou l’absence constitue un critère de reconnaissance précis de l’espèce végétale. La fleur est l’organe typique des angiospermes : on y trouve regroupés les organes sexuels mâles et femelles. Chez les gymnospermes, on parle de cône, où il y a une séparation des sexes. La fleur angiosperme est hermaphrodite, sauf exception. Dans les fleurs les plus évoluées, les organes de la fleur sont disposés en cercles, les verticilles. Chez les fleur plus primitive (famille des renonculacées), le fleur est disposée en spirale. Il existe aussi des formes intermédiaires où les verticilles externes sont cercle et les verticilles internes sont en spirale. Il peut aussi y avoir des phénomènes de fusion totale ou partielle de certains organes, à l’intérieur d’un même verticille ou même entre deux verticilles. Ainsi, les corolles sont le plus souvent fusionnées. On perle de gamopétale ou gamosépale en cas de fusion des pétales ou sépales, et cela est opposé à dialypétale ou dialysépale. On considère que les fusions d’organe sont caractéristiques des fleurs évoluées. Le diagramme floral : Il représente une vue de dessus de la disposition des organes de la fleur. Exemple de Arabidopsis thaliana : Soit la formule florale : 4S+4P+(4+2)E+2C (on a 2 ovules contenues dans deux carpelles) Le Muflier : (2+3)S+(3+2)P+(4+0)E+2C Les sépales : Très souvent chlorophylliens, de nombre variable. Dicotylédones : 2, 5 ou des multiples de ces nombres. Monocotylédones : 3 ou multiple. L’allure des sépales est variable. Fusion… Les pétales : il existe quelques espèces (frêne) qui n’ont pas de pétales ni sépales. Leur nombre est identique aux sépales sauf exceptions. Les pétales ne sont pas chlorophylliens et souvent colorés, et souvent plus grande que les sépales. Les pétales font que la fleur est un organe puit qui doit être nourri. La coloration des pétales est due à des pigments terpéniques (caroténoïdes) ou phénoliques (flavonoïdes). La forme et la couleur de la corolle favorisent la pollinisation, comme l’odeur qu’il peut fabriquer. A la base d’un pétale, il peut exister des nectaires (qui peuvent être associés à d’autres organes) qui sécrètent un liquide sucré (le nectar), exsudé. Chez les fleurs les plus évoluées, les nectaires sont au centre de la fleur. Cela permet d’attirer les insectes pollinisateurs. Il peut y avoir des phénomènes de dédoublement de vercitilles, comme par exemple les plantes ornementales. Les étamines : Anthères (2x) Filet pollen Fentes de déhiscence Méiosetétraspore (n)mitoses (=gamétophyte)gamètes mâles Le sporophyte produit les spores, le gamétophyte produit les gamètes. Les cellules qui subissent la méiose sont contenues dans un organe : le sporange. Les anthères sont le sporange mâle. Le grain de pollen est un individu haploïde, pluricellulaire, le gamétophyte. La tendance évolutive a favorisée la miniaturisation (des spores, gamétophyte, gamètes), la dissémination et le grand nombre. Les anthères sont dits microsporanges. Le grain de pollen est appelé microgamétophyte. Il peut y avoir des fusions d’étamines, le plus souvent par les filets. Le gynécée : Carpelle élémentaire : Stigmate (glandulaire : sécrétion de liquide visqueux pour coller grains de pollen) style Ovule (pluricellulaire) ovaire L’ovule est le sporange femelle. On parle de macrosporange. La méiose y a lieu. Les spores femelles sont grosses, en petit nombre et non disséminées. La spore forme un gamétophyte femelle à l’intérieure de l’ovule et qui va former les gamètes femelles. Le gamète femelle s’appelle oosphère. Après la fécondation, l’ovule se transforme en graine, cachée dans un tissu protecteur, le carpelle (fruit), chez les angiospermes. Chez les gymnospermes, l’ovule est nue, portée par une feuille modifiée non refermée en carpelle. Détail sur organes floraux : Androcée : étamines et pollen L’étamine est le sporange mâle. Chez les gymnospermes, les étamines sont organisées en cône, portant des écailles. Il peut exister des étamines sans anthères. On les appelle alors stamonoïdes. Maturation de l’anthère, CT : 2n n Les archespores sont les cellules à l’origine des sacs polliniques. Il s’agit d’un tissu sporophyte, à 2n. Les archéspores Les cellules mères de spore (les prolifèrent et donnent sporocytes) subissent la méiose deux types de cellules pour donner des méiospores (n) qui vont construire les organisés en tétrade. sac pollinique (assise mécanique, transitoire et tapis) et les cellules mères de spore. La paroi polysaccharidique des tétraspores est appelée membrane spéciale, même si c’est bien une paroi, riche en callose. Elle disparaît en suite. Chaque méiospore s’entoure de sa propre paroi. +mitoses Paroi Cellule végétative Cellule reproductive (contenue dans la végétative) La cellule reproductive forme par mitose deux gamètes. On peut aussi avoir des microspores tricellulés, mais un grain de pollen contient toujours deux gamètes. Les assises et parois : Assise mécanique Assise transitoire (appelée à disparaître) Tapis (rôle nourricier) Les sacs polliniques fusionnent deux à deux. Le tapis peut conserver une structure d’assise cellulaire ou devenir un espace sans membrane entre cellules avec beaucoup de noyau, un syncytium. (fusion des cellules). Au-delà de son rôle nourricier, le tapis est important pour fournir le matériel qui forme la paroi des grains de pollen. L’anthère mature : un programme de mort programmée se met en place, ce qui induit la dessiccation des sacs polliniques et ainsi leur déchirement selon des zones précises, souvent longitudinales. C’est la déhiscence. Le pollen : c’est une forme de survie face aux conditions du milieu extérieur. Il y a mise en place de dispositifs adaptatifs de survie mais aussi de pollinisation. La déshydratation est ainsi un point clé de survie. De plus, le grain de pollen s’entoure d’une paroi épaisse, étanche, qui constitue aussi une signature de l’espèce. elle est composée de sporopollénine, le composé organique le plus résistant et stable connu à ce jour. La palynologie est l’étude des grains de pollen dans les couches sédimentaires au cours des temps géologiques. Mise en place de la paroi du grain de pollen : Intine Détail méiospore : Exine Les constituants pariétaux sont produits par la cellule. Ainsi, l’exine est fabriquée en premier. On a d’abord la protoexine : paroi polysaccharidique qui se charge ensuite en sporopollénine. La sporopollénine se dépose de façon très irrégulière ce qui donne des sculptures spécifiques. Cela donne l’exine stable définitive. L’intine a une nature polysaccharidique plus classique (notamment de la cellulose). Dans les cavités de l’exine sculptée, des composés se déposent, synthétisées par les cellules du tapis. Cela forme le manteau pollinique. Dispersion des grains de pollen : Anémophile : se dit d’une espèce qui utilise le vent comme moyen de dispersion Entomophile : utilise des insectes pollinisateurs. Chez les conifères, l’évolution est moins poussée donc on a plus de cellules. En plus de la cellules végétative et reproductive, on observe deux autres cellules, que l’on considère être des répliques du prothalle ancestral. Un prothalle est un individu haploïde qui produira les gamètes. Il est disséminé et différent de la plante mère. Les prothalles sont conservés chez les fougères et mousses. Viabilité du pollen : Selon le degré de dessiccation Chez de nombreuses plantes, on observe des stérilités mâles : la plante n’est pas capable d’émettre du pollen viable : soit la plante ne possède pas d’anthère soit des problèmes apparaissent à différents niveaux de développement de la microspore. En agronomie, le rendement est souvent augmenté avec des plantes hybrides. Pour conserver ces hybrides, il faut éviter les autofécondations (qui mènent rapidement à des lignées pures). On utilise donc des lignées mères mâle-stériles ce qui empêche l’autofécondation. La stérilité mâle est très souvent déterminée par le génotype mitochondrial, voir chloroplastique. Cette hérédité est maternelle. On verra cela plus tard. Le gynécée : Chez les angiospermes, c’est l’ensemble des carpelles. Chez les gymnospermes, les ovules sont portés par des écailles. Les ovules sont les sporanges femelles. Carpelles et écailles : Exemple du pin : c’est une espèce monoïque, c’est à dire que les fleurs mâles et femelles sont séparées. On parle de cône plutôt que de fleur. Les cônes femelles apparaissent à la base des jeunes pousses, reposant sur une bractée et portant un ovule à leur aisselle. Chez les angiospermes, les carpelles sont très diverses. On envisage une construction théorique, virtuelle : Ovule Placenta Carpelle élémentaire Cette structure se referme selon plusieurs schémas : Pour les plus primitifs : cela donne un carpelle clos. Chaque carpelle est séparé. Ce sont des plantes à ovaire simple uniloculaire (une seule feuille et une seule loge). Très souvent, un des deux ovules dégénère, ce qui aboutira à une graine par fruit. Mais l’évolution a favorisé la fusion des carpelles, soit à partir d’un carpelle clos, soit à partir d’un carpelle élémentaire. Plantes à ovaire complexe uniloculaire à placentation pariétale Ce sont des critères de taxonomie. Chez les crucifères comme Arabidopsis thaliana : 2 carpelles à placentation pariétale séparés par une paroi appelée fausse paroi car elle s’est mise en place plus tard dans l’évolution. On peut aussi avoir des ovaires complexes pluriloculaires à placentation axile… (agrumes) Plantes à ovaire complexe pluriloculaire à placentation centrale On parle de pistil quand le gynécée est fusionné, même partiellement. Très souvent, les stigmates ne sont pas fusionnées alors que la base du gynécée si. Ovule : il est issue du sporophyte, ce sont donc des cellules diploïdes. A partir des feuilles carpellaires, il sa forme un massif de cellules, le nucelle (2n), recouvert d’un tégument. nucelle Tégument Chez les angiospermes, il y a généralement 2 téguments et 1 chez les gymnospermes les plus primitifs. Le tégument formera le tégument de la graine. Micropyle Chalaze : plan où s’arrêtent les vaisseaux conducteurs et où se différencient téguments et nucelle. Primine Secondine Nucelle Hile Funicule Placenta Vaisseaux conducteurs Dans le nucelle, une cellule, l’archespore, va subir la méiose. L’archespore ne se multiplie pas contrairement à ce qui se passe pour le grain de pollen. La méiose conduit à 4 mégaspores (n) organisées en tétrade : dégénèrent Se multiplie et conduit à un massif pluricellulaire= gamétophyte Chez les gymnospermes, le gamétophyte se développe pour former un tissu interne au nucelle, l’endosperme, plus ou moins réduit. L’endosperme se développe d’abord par des mitoses sans cytodiérèse, ce qui donne un ensemble plurinucléé. On parle de structure coenocytique. Plus tardivement, les noyaux peuvent s’individualiser avec des membranes. Il se gonfle de réserves. Chez les angiospermes, la mégaspore ne se divise que peu de fois : le gamétophyte est très réduit, à un stade de 8 cellules. Il s’organise en sac embryonnaire. La tendance évolutive à réduit le gamétophyte à un amas de cellules haploïdes parasitaires de la plante mère, car un organisme haploïde n’a que peu de capacités adaptatrices. Le gamétophyte produit les gamètes, grâce à un organe (chez les gamétophytes plus complexes), le gamétange. Formation des gamètes (oosphère). Chez les gymnospermes : des gamétanges se forment en haut de l’endosperme : Col : 8 cells Soit : 2 gamétanges se forment Oosphère Chez les angiospermes : la mégaspore se divise pour donner une structure coenocytique à 8 noyaux. Des cellules s’individualisent pour donner : Pôle micropylaire Synergides Oosphère Noyaux polaires Cellules antipodes Hile A la fécondation, chez le gymnosperme, les gamètes mâles apportés par le tube pollinique arrivent au niveau du col du gamétange. Il n’y aura qu’une seule fécondation. Chez l’angiosperme, le sac embryonnaire porte deux types de gamètes: l’oosphère et les noyaux polaires. Ils fusionneront chacun avec un gamète mâle. Oosphère+ gamète mâle zygote principal, embryon. Noyaux polaires+ gamète mâle zygote accesoire. Le zygote accessoire donnera un tissu triploïde der éserve pour l’embryon (albumen). Cela correspond bien au fait qu’un grain de pollen produit deux gamètes. Attention: la traduction anglaise d’albumen est ‘endosperm’, à ne pas confondre avec l’endosperme des gymnospermes. Au cours de l’évolution, les ovules ont adopté différentes formes: Ovule droit Ovule courbe ou Ovule inverse ou campylotrope anatrope Peu favorable à la fécondation vu le chemin à parcourir par le tube pollinique L’expression des gènes : Signaux externesexpression des gènesontogenèse. Signaux internes (hormones, sucres….) On fait une comparaison des génotypes différents. Il existe des variétés de fleur pour une même espèce : augmentation du nombre de verticilles, remplacement d’un organe floral par un autre. Les différences sont des mutations dans un ou plusieurs gènes donnés. On travaille sur des espèces modèles où on introduit quelque chose avec plus de mutations. On a alors soit un individu de type sauvage (pas de mutation) soit un individu avec une mutation dans le génome. On a alors une collection d’individus qui ont une mutation répartie de façon aléatoire dans le génome. Pour l’ontogenèse végétale, on utilise comme plante modèle le maïs, Arabidopsis thaliana, le muflier. Pour introduire une mutation, on réalise une mutagenèse, une analyse de phénotype, un clonage du gène, une analyse fonctionnelle. Pour réaliser une mutagenèse, on soumet l’individu à des conditions qui changent l’ADN pendant sa réplication. On fait de la mutagenèse chimique par l’éthyl methane sulfonate EMS. Elle provoque une mutation ponctuelle, soit un acide aminé différent. Si on a une modification dans le site actif de la protéine, son activité est changée, contrairement à une mutation dans un site non actif de la protéine. On fait aussi de la mutagenèse physique par des rayonnements ionisants comme les rayons X. Cela provoque une délétion ou une recombinaison. Ces deux mutagenèses se font sur des graines. Les mutations introduites sont difficiles à repérer dans le génome car elles se font au hasard. Il est donc difficile de cloner le gène muté : on repère le chromosome qui porte le gène muté, on encadre cette mutation par des marqueurs connus et on fait une marche sur le chromosome : on découpe chaque fragment qui encadre la mutation et on les introduits séparément dans une plante avec le fragment qui contient le phénotype sauvage. On séquence le fragment qui donne une réponse positive (=phénotype muté). On réalise aussi une mutagenèse par étiquetage : elle se fait sur de jeunes plantes. On introduit avec la mutation une séquence d’ADN connue qui servira à repérer la mutation. L’ADN étiquette empêche la transcription car on l’insère entre le gène et son promoteur. Il peut être un morceau de plasmide Ti de Agrobacterium tumefaciens. Ou encore un transposon (séquence d’ADN mobile dans le génome et dont la mobilité est contrôlée). Cet ADN sert de système fonctionnel pour insérer un ADN exogène dans un génome donné. On sélectionne alors une collection de plantes qui sont mutées sur les méristèmes et les organes reproducteurs. Pour réaliser l’étude des phénotypes, on cultive les plantes et on recherche les plantes différentes du WT. Un phénotype est un gène mendélien nucléaire qui est héréditaire et transmis dans la descendance. On appelle homeose le remplacement d’un organe par un autre. Cloner un gène est le fait d’obtenir son ADNc. On peut alors le séquencer et traduire la protéine correspondante in vitro, et de la séquencer. On peut aussi déterminer des caractéristiques structurales. On définit des protéines sans homologues ou des homologies entre enzymes, facteurs de transcription, récepteur, protéine structurale. Pour réaliser l’analyse fonctionnelle du gène, on utilise les outils de la biologie moléculaire : l’ADNc donne des sondes nucléotidiques qui servent à rechercher des gènes homologues, à rechercher le profil d’expression du gène, des sondes protéiques qui permettent l’étude de la fonction et régulation de la protéine native ou des interactions. On peut modifier le niveau d’expression du gène : par mutagenèse, en baissant son niveau d’expression, en faisant des constructions anti-sens ou des co-suppressions (répression complète du gène endogène et de transgène). On peut augmenter le niveau d’expression du gène en faisant une surexpression, par croisements (effets synergiques, antagonistes, indépendant des gènes), ou encore KO de gène…. Les différentes catégories de gène : On peut regrouper les gènes impliqués dans l’ontogenèse floral en plusieurs catégories : - les gènes de structure du méristème qu détermine l’état méristématique. Shoot meristemless, Clavata… - les gènes d’identité des méristèmes qui détermine les transitions de l’état végétatif vers l’état d’inflorescence et floral. - Les gènes d’identité des organes floraux ou gènes homéotiques. La nature de l’organe produit est déterminé par des combinaisons de l’expression de ces gènes. On considère que par défaut, sans autre informations, le méristème produit des feuilles, quel qu’il soit. on parle de cadastre : territoires définis par l’expression d’un ou plusieurs gènes homéotiques. Des gènes de cadastre établissent ces territoires. Les gènes homéotiques s’expriment dans des cadastres précis et produisent des organes précis dans chaque cadastre. La transition d’un organe à un autre se fait progressivement. Il existe des organes intermédiaire. Au 19 ème siècle, on parlait de métamorphose : l’ensemble des pièces florales sont des formes plus ou moins modifiées de feuilles. On parle aujourd’hui d’homéose : remplacement progressif d’un organe par un autre. On a construit le modèle ABC : l’ensemble des organes d’une fleur est déterminé par 3 fonction, A, B, C. ces fonctions sont codées par plusieurs homéogènes. Ces gènes ont une régulation traductionelle, on définis leur pattern d’expression pour préciser le cadastre de chaque fonction et de chaque organe : A C B Asépales Si A muté : A+Bpétales B+C étamines Ccarpelles Si C muté : sépales/pétales/pétales/sépales. C B Carpelles étamines étamines carpelles La fonction A est antagoniste de C, c’est à dire que si l’une est mutée, l’autre envahira son territoire. Les gènes des fonctions ABC ne déterminent que la floraison, ils n’ont pas d’autres actions sur d’autres organes. Il semble que ce modèle est général à toutes les plantes à fleur. APETALA 1 APETALE 2 FONCTION A APETALA 3 PISTILLATA FONCTION B AGAMOUS FONCTION C On peut réaliser des hybridations in-situ de ces gènes, ici sur Arabidopsis thaliana, vue de dessus : végétatif végétatif végétatif végétatif Gène leafy LFY (identité méristématique)dans tous les méristèmes. Gène AP1 : dans les deux premiers cercles, sauf à l’état très jeune du méristème floral où il est partout. AP3 et PI (fonction B) se retrouve donc dans les 2 et 3ème cercle. AG (fonction C) se retrouve donc dans les 3 et 4ème cercles. On réalise des doubles mutants et triples mutants pour confirmer ce modèle. Un mutant (A- ;B- ;C-) produira des feuilles. Il conserve son identité de méristème floral mais il ne peut pas déterminer l’identité de ses organes floraux. Il faut noter aussi que le gène AG indique la fin de l’état méristématique floral. Le mutant ag correspond ainsi à un emboîtement de fleurs stériles. Ces gènes contiennent des MADS box, séquences conservées chez touts les eucaryotes qui correspond à des facteurs transcriptionnels. Pour étudier ces gènes, on peut réaliser des expression ectopiques en introduisant le gène sous contrôle d’un promoteur fort. Son territoire va alors envahir l’ensemble du méristème. Ainsi, si on surexprime AG, on va inhiber la fonction A. Mais si on surexprime AP3, on pourrait attendre pétales/pétales/étamines/étamines. Mais on obtient sépales/pétales.étamines/étamines. Cela est dû au fait que pour avoir une fonction B, il faut coexpression de PI avec AP3. Or PI s’exprime précocement partout (donc dans le 4 ème cercle) ce qui donne des sépales de façon précoce (1er cercle). On peut réaliser beaucoup de construction. Comment les territoires de ces gènes sont mis en place ? Le gène Leafy LFY d’A.th. : Les méristèmes en haut donnent des fleurs, ceux du bas restent inflorescents. Que des feuilles ou des fleurs altérées. lfy WT AP1 a une double fonction : c’est un gène homéotique et un gène d’identité du méristème floral. ap1 donne le même résultat que lfy. Ces gènes fonctionnent précocement dans la transition florale. Modèle de la zonation : Paramètres internes Paramètres externes Induction florale LFY ?gène de cadastre zone B + AP1 zone A + gène de cadastre UFO zone C + fonction B - AP1 zone C UFO : unusual floral organ. Le gène UFO créé un cadastre sur le méristème végétatif. Sur le cadastre végétatif vient s’ajouter l’induction florale.
