SCR, SHR

Biologie du Développement
Végétal
Eric BONCOMPAGNI
[email protected]
http://jalon.unice.fr
Croissance et Développement végétal
Embryonnaire
Post-embryonnaire
Embryogenèse Germination &
croissance plantule
& Dt graine
Embryon
Graine
Plantule
Plante adulte
2
Croissance et Développement végétal
Développement végétatif
Embryogénèse
Développement reproductif
3
Embryogenèse et développement de la graine
Axe apico-basal
(longitudinal)
Développement de l’embryon :
- cotylédons
- méristème caulinaire
- hypocotyle
- racine
- méristème racinaire
- Etablissement des axes
- Etablissement des régions
méristématiques
Axe radial
- épiderme
- Ecorce - tissus profonds (moelle)
-Tissus conducteurs (phloème et xylème)
Développement de l’endosperme :
- Production de composés de stockage et de signalisation
- Préparation du Dt embryonnaire et de la germination de la graine
4
Double fécondation
5
Embryogénèse
- Processus qui initie le développement de la plante
- Transforme le zygote (cellule diploïde) en une plante embryonnaire,
multicellulaire microscopique (embryon)
- Génère une structure complexe la plantule (gemmule)
6
Contrôle très précis du devenir cellulaire
Puisque les cellules végétales ne peuvent se mouvoir, le contrôle précis de
l’orientation des divisions cellulaires détermine la forme de l’embryon
Divisions anticlines ou transverse:
Perpendiculaires à l’axe de la cellule mère
Division périclines ou longitudinales:
Parallèles à l’axe de la cellule mère
7
Méristèmes végétaux
- Populations de petites cellules isodiamétriques avec des
caractéristiques embryonnaires
- Conservent leur caractères embryonnaires indéfiniment (cellules
souches) car certaines cellules méristématiques ne se différencient pas
Méristèmes végétatifs:
- forment la tige, la racine
- se régénèrent continuellement
Cellule
souche
Cellules
filles
Méristèmes reproducteurs:
- méristème Iaire inflorescentiel
- méristème IIaire inflorescentiel
Cellules
compétentes
Cellules
différenciées
8
Identifications des acteurs moléculaires
9
Symétrie embryonnaire
AtLTP1: code une protéine de transfert lipidique impliquée dans la formation de
la cuticule (marqueur du protoderme). Marqueur de la polarité embryonnaire.
HIS?
Vroemen et al., Plant Cell (1996)
10
Symétrie embryonnaire : gnom
11
Symétrie embryonnaire
GNOM: code une protéine ayant des homologies de séquences avec une
protéine de levure impliquée dans le processus de sécrétion.
Phénotype gnom: GNOM est requise pour diriger les composés pariétaux à
leurs site de dépôts dans la paroi. S’il n’y a pas d’adressage approprié 
orientation des divisions anormales dans les embryons gnom.
12
Symétrie embryonnaire
La division asymétrique du zygote n’est pas requise pour l’établissement d’une
polarité axiale dans l’embryon
La polarité embryonnaire peut s’exprimer malgré des divisions cellulaires
anormales  il existe un signal ou un gradient définissant l’axe apico-basal (et
cela, indépendamment de l’architecture embryonnaire).
L’orientation initiale du signal ou du gradient dépend d’une polarité hérité du
zygote.
L’orientation inverse de l’axe longitudinal (gnom) suggère qu’une fois la polarité
initiale de l’embryon est perdue, un nouvel axe peut émerger de novo.
Rôle de l’auxine !
13
Rôle du transport polaire de l’auxine dans l’embryon
DR5 element
CaMV minimal 35S promoter (-90 +8)
ER-EGFP
(TGTCTC)9
Le transport polaire de long d’un axe longitudinal est un élement universel dans
les embryons des végétaux supérieurs.
14
PIN1::PIN1:GFP
Expression de PIN FORMED (PIN),
maxima d’auxine, et prédiction du
flux d'auxine durant l’embryogenèse
d’Arabidopsis.
PIN1 :: PIN1 : GFP dans une phase
tardive de l’ embryon sauvage.
Inversion de la polarité de PIN1
marquant la mise en place des
cotylédons, et par la suite, l'auxine
reflue des cotylédons vers le
méristème (délimité par des
astérisques)
15
La famille PIN
• 8 PIN1 like proteins chez Arabidopsis.
• Des simples mutations dans les autres membres (≠ pin1) n’ont pas
d’alteration de phénotypes.
• Par contre…
pin4 pin7
Fusion des cotylédons
hypocotyl court
pin1 pin3 pin4
Fusion des cotylédons,
hypocotyl et racine courtes
pin1 pin3 pin4 pin7
Les
cotylédons,
l’hypocotyl et la racine
sont fortement affectés
16
Les gradients d’auxine sont formés et maintenus par
les protéines PIN.
•
PIN1: uniformément localisé dans le jeune embryon (1-32 cellules), puis
devient plus spécifiquement accumulé dans la partie basale des cellules
provasculaires (extrude également l’auxine vers le suspenseur)
• PIN3: s’accumule plus tardivement (stade cordiforme) mais ne semble pas
jouer un rôle important dans la mise en place embryonnaire. Niveau du futur
pole racinaire
• PIN4: s’accumule dans la descendance des cellules provasculaires et de
l’hypophyse (extrude l’auxine vers le suspenseur).
• PIN7: transporte l’auxine du pole basal vers le pole apical (2 cellules), mais
change de polarité au stade 32 cellules (de l’hypophyse vers le suspenseur)
17
Autres acteurs clés
WT
mp
Méristème
racinaire
MP = MONOPTEROS
AXR6 = AUXIN RESISTANT 6
BDL = BODENLOS (BOTTOMLESS)
Impliqués dans la
signalisation de l’auxine!
Altérés dans la formation de l’axe
embryonnaire et dans la différentiation
vasculaire
Hypocotyle et racine
sont absents
Hypocotyle et
racine sont
variablement
réduits
18
Intéractions BODENLOS – MONOPTEROS
monopteros (mp)
Sans racine, hypocotyl
court
bodenlos (bd)
Sans racine
19
MONOPTEROS
Monopteros (mp)
Pas de racine et
hypocotyl court
20
BDL = IAA12, un gène impliqué dans
la réponse à l’auxine
•
•
•
•
•
•
•
bld1 : transition GA (Pro74  Ser74)
Pro74 : région hautement conservée (domaine II)
Mutation identiques chez des homologues à IAA12
(IAA3, shy2-2; IAA7, Axr2-1)
Ser74: augmentation de la stabilité de la protéine!!
BDL ne restaure pas le phénotype de bdl
Le phénotype est dépendant du nombre de copies
Les domaines III et IV sont impliqués dans les
interaction homo- ou hétéromériques
21
BDL: protéine nucléaire (comme MP), et
interagissant avec MP
GFP::BDL très fortement localisée dans des régions
nucléaires.
DBDL (66-72) est uniformément localisé dans le
cytoplasme et le noyau.
transient expression in parsley protoplasts
A,D
B,E
C,F
35S::GFP-BDL
GFP + signal nucléaire(ctrl +)
GFP + export nucléaire
1) BDL+MP C-terminal
2) GNOM+MP C-terminal (contrôle négatif)
3) BDL+BDL (homomer)
4) Vecteur vide (contrôle négatif)
22
Modèle proposé
BDL = Auxin repressor
AuxRE= Auxin Response Element
MP = Auxin response factor
23
La Racine
24
Rappel : Architecture racinaire
4 zones de développement racinaire:
- coiffe
- zone méristèmatique
- zone d’élongation
- zone de différentiation
25
Méristème Apical Racinaire (MAR)
Root Apical Meristem (RAM)
…produces new cells proximally and distally.
RAM contient différent type de cellules souches
Tous les tissus racinaires sont dérivées d’un faible nombre de cellules souches.
26
shr
WT
glm
scr
wol
pic
shr: shortroot
scr: scarecrow
pic: pinochio
glm: gollum
wol: wooden-leg
fs: fass
fs
27
Mutants de MAR
SHORTROOT (SHR):
- responsable de la mise en place de l’endoderme
- shr  absence ces cellules de l’endoderme
- nécessaire l’activation transcriptionnelle de SCARECROW
(SCR) et à la division des cellules filles initiales formant le
cortex et l’endoderme
28
SCR et SHR contrôlent la mise en place des tissus
pendant le développement racinaire
WT
WT
SHR expression
ProSHR::GFP
Accumulation of transcripts
ProSHR::SHR::GFP
Accumulation of protein
29
SCR et SHR contrôlent la mise en place des tissus
pendant le développement racinaire
WT
WT
SCR expression
ProSCR::GFP
ProSCR::GFP
CEI=cortex/endodermis initial
shr  absence des cellules de l’endoderme
SHR nécessaire à l’activation transcriptionnelle de SCARECROW (SCR) et
à la division des cellules filles initiales formant le cortex et l’endoderme
30
SCR et SHR contrôlent la mise en place des tissus
pendant le développement racinaire
Wild type
ProSCR::SHR
Expression de ProSCR::GFP
31
SCR et SHR contrôlent la mise en place des tissus
pendant le développement racinaire
32
SCR, SHR …
SHR is transcribed in the
vascular bundle and the SHR
protein moves outward to the
adjacent ground tissue stem cell,
its daughter and the endodermis.
SCR expression is set up
independent of SHR in the
immature ground tissue and
endodermis, respectively. There
it bind and trap SHR to the
nucleus, initiating the feedforward loop to restrict its
movement beyond a single layer.
In the stem cell and its daughter,
SHR activates expression of
SCR, resulting in asymmetric
division and determination of
endodermis and cortex fate. QC
signaling prevents asymmetric
division in the ground tissue stem
cell.
33
Formation des racines latérales et adventices
Racines latérales - au dessus de la zone d’élongation
- proviennent du péricycle
- l’auxine stimule la division des cellules qui vont former un
apex racinaire
- croissent au travers du cortex et de l’épiderme
Racines adventives
- proviennent de tissus non racinaires
- issues d’amas de cellules matures qui retrouvent
leur activité mitotique
- cette division des cellules va entrainer la formation
d’un apex racinaire (ie racines latérales)
- stimulation via l’auxine (idéal pour la formation de
racines adventives lors de greffes)
34
Schéma de la formation de racines latérales
Stage 6
Des divisions
cellulaires dans le
péricycle établissent un
méristème secondaire
qui croit au travers du
cortex et de l’épiderme
35
L’auxine est responsable de la formation des
racines latérales et adventices
WT
alf1
aberrant lateral
root formation
Extreme
proliferation of
lateral and
adventitious
roots
36
Gènes impliqués dans la régulation de la
formation des racines latérales
ALF1
WT
ALF3
ALF4
alf1 Defective in development
of lateral-root primordia
into mature lateral roots
37
Modèle de la formation de racines latérales
IAA transported acropetally (toward
the tip) in stele is required to initiate
cell division in pericycle
IAA is required to promote cell division
and maintain cell viability in developing
lateral root
38
Bilan
inflorescence
meristem
flowers
39
Les autres mutants
40
… et les autres
To be continued
41
42
WOL
43
WOL est aussi … CRE1!!!
44
Méristème Apical Caulinaire (MAC)
Shoot Apical Meristem (SAM)
Zone centrale (CZ)
Cellules indifférenciées
Zone périphérique (PZ)
formation des organes
latéraux
Zone support (RZ)
formation de la tige
Assise 1 (L1)
Génère
l’épiderme
Assise 2 (L2)
Assise 3 (L3)
Génère les tissus
internes
L1 + L2: divisions anticlines
L3: divisions orientées aléatoirement
45
46
MAC se forme où l’auxine est faiblement concentrée
47
Gènes requis pour la formation et le maintien du
MAC chez Arabidopsis
WT
SHOOTMERISTEMLESS
(STM)
WUSCHEL
(WUS)
Phénotypes shoot meristemless (stm) et wuschel (wus)
1. activité du MAC s’interrompt prématurément
2. Déplétion rapide des cellules souches (plus rapidement que leur
renouvellement)
48
STM prévient la différenciation cellulaire de la zone
périphérique
WT shoot apex
stm mutant
SHOOTMERISTEMLESS
1. Où? Cellules souches de la zone centrale et zone périphérique
2. Fonction? Moléculaire: Facteur de transcription (KNOX = Knotted-like
homeobox; rôle majeur dans les processus développementaux eucaryotes)
3. Fonction? Génétique: Réprime les gènes spécifiques de la production
d’organes (AS1, AS2)
4. Fonction? Développementale: Prévient une différentiation prématurée des
cellules de la zone périphérique
49
KNOX genes - Regulation around leaf primordia
KNOX = Knotted-like homeobox
act as transcription factors
major role in regulating developmental pathways in all eukaryotes
- Gain-of-function mutation kn1 causes
cell proliferation after normal cell
division ceases
- Division planes are abnormal, causing
distortion of the blade surface →
“knotted” appearance
50
WUSCHEL
WUSCHEL
• Où? “centre organisationnel” de la zone centrale (qq cellules)
• Fonction? Moléculaire: protéine à homéodomaine
• Fonction? Génétique: Induit l’expression de CLV3
• Fonction? Développementale: WUS caractérise les cellules souches du
MAC, cad maintien les cellules souches et leur identité
51
WUSCHEL et SHOOTMERISTEMLESS jouent des
rôles complémentaires dans la maintenance du MAC
Expression combinée de WUS et STM peut entrainer la formation
ectopique de méristèmes et l’organogénèse même dans des tissus
différenciés!
Lenhard et al. 2002
Development 129: 3195
52
Gènes requis pour la formation et le maintien du
MAC chez Arabidopsis
WT
clv3-2
WT
CLAVATA
(CLV)
53
Gènes CLAVATA
Mutations dans les gènes CLV1, CLV2, CLV3 produisent le même phénotypes
(élargissement du MAC)
Les gènes CLV sont requis pour limiter la taille du MAC
Les 3 gènes sont impliqués dans la même voie:
- CLV1 limite la taille du MAC
code un récepteur protéine kinase exprimé dans le MAC
- CLV2 code un récepteur similaire à CLV1 mais ne possède
pas le domaine kinase
- CLV3 code un polypeptide sécrété
ligand du complexe CLV1/CLV2
54
Gènes CLAVATA
CLAVATA1 et 2
1. Où? Partie supérieure L3 de la zone centrale
2. Fonction? Moléculaire: protéines à domaine transmembranaire avec un
domaine intracellulaire de type kinase (absent chez CLV2)
3. Fonction? Génétique: récepteur de CLV3
4. Fonction? Développementale: cf CLV3
CLAVATA3
1. Où? Cellules souches au dessus du centre organisationnel (L1,L2, L3)
2. Fonction? Moléculaire: code un peptide sécrété dans l’espace extracellulaire
3. Fonction? Génétique: Inhibe l’expression de WUS.
4. Fonction? Développementale: CLV3 restreint la taille de la zone centrale, cad
CLV3 restreint la taille de la population des cellules souches
55
Interactions génétiques entre CLV et WS
WUS
CLV
56
Model of the CLV1/2 receptor kinase signaling cascade –
Stem cell regulation
57
Maintien des cellules souches dans le MAC
58
Localisation des gènes important dans le MAC
SAM
59
The establishment of adaxial–abaxial polarity
YABBY and KANADI gene families are transcription factors
CRC (= YABBY): CRABS CLAW
60
Sac embryonnaire
Antipodes
Noyaux polaires
Cellule centrale
Oosphère
Synergides
Embryogénèse (1)
Le zygote (oosphère + gamète mâle) s’allonge
Il subit alors une première division asymétrique:
- la cellule apicale reçoit la plupart du cytoplasme de la cellule mère et est
très active en terme de synthèse protéique. Formera l’embryon au sens
strict.
- La cellule basale et sa descendance sont très vacuolisées. Elles
formeront le suspenseur, élément connectant l’embryon au tissus maternel.
62
Embryogénèse (2-4)
- Domaine apical: 2 divisions anticlines (transverses) et 1
division péricline (longitudinale) créent une sphère à 8
cellules (octant).
- Domaine basal: la cellule basale se divise
transversalement pour créer un fil de cellules, le
suspenseur.
-
Etablissement des cellules du protoderme
(méristème primaire externe se transforme en
épiderme) : division anticlines
- Les cellules du suspenseur (exceptée l’hypophyse)
s’orientent vers une mort cellulaire programmée
Les
cellules
centrales
se
divisent
(anticlines/périclines) permettant à l’embryon
d’avoir une symétrie axiale reconnaissable
63
Embryogénèse (5-6)
Domaine apical:
Génération des 2 primordia cotylédonaires (symétrie bilatérale)
Domaine basal:
Forme une structure radiale
Initie un méristème apical racinaire à partir de l’hypophyse
64
Embryogénèse (7)
- Domaine apical:
Croissance des cotylédon
Initiation du méristème apical caulinaire (MAC, SAM)
- Domaine basal:
Etablissement d’un axe caulinaire
Initiation du méristème apical racinaire (MAR, RAM)
- Etablissement des différents tissus : cortex, tissus
provasculaire, protoderme
- Mort cellulaire programmée des cellules du suspenseur
65
Embryogénèse (8-9)
Stade torpille
• Elargissement des cotylédons et de l’hypocotyle
• Différentiation vasculaire devient visible
Embryon mature
• Courbure des cotylédons (chez certaines plantes)
• Les couches de cellules sont clairement visibles, spécifiant clairement des
tissus et les organes
• L’embryon s’arrête et attend la dessiccation et la dormance
•
•
Etablissement de l’axe apical-basal et radial
Etablissement des régions méristématiques
shoot apical meristem (SAM)
root apical meristem (RAM)
66
Cas des Monocotylées
Scutellum
(ie cotylédon)
Coléoptile
(gaine de protection SAM)
Coléorhize
(gaine de protection RAM)
67
Cas des Monocotylées
68
Développement Végétal…
De la graine à la graine
69
70