dOSSIER Biologie Végétale - Université Paul Sabatier

page 4 Paul Sabatier — Le magazine scientifique — numéro 9
La contribution des végétaux à notre qualité de
vie est tellement naturelle qu’il arrive qu’on en
oublie l’importance. Les plantes fournissent à
l’homme, en effet, la base de sa nourriture mais
également de nombreux matériaux pour la
construction ou pour l’habillement. Capables de
synthétiser de très nombreuses substances qui
leur sont spécifiques, les plantes sont connues
pour être des sources de médicaments et pour
égayer les paysages par la variété de leurs formes.
A ces propriétés exceptionnelles, il faut rajouter
le caractère renouvelable (en principe) des
ressources végétales et l’effet protecteur de la
végétation contre l’érosion des sols. Les végétaux
ont aussi permis de découvrir des lois de portée
générale en biologie : la transmission
mendélienne des caractères génétiques,
les transposons (gènes sauteurs) ou, encore
récemment, le rôle de l’ARN interférant dans
la régulation de l’expression des gènes. Plus
spécifiquement, la compartimentation génétique
est particulièrement marquée chez les plantes
puisque, dans la cellule végétale, s’expriment
trois génomes : nucléaire, mitochondrial et
plastidial.
Ces propriétés, ainsi que la simplicité
morphogénétique qui permet de contrôler leur
processus de dédifférenciation/différenciation,
font des plantes un modèle singulier d’étude
du processus de développement.
L’exploitation extensive et intensive des
ressources a fragilisé le caractère renouvelable
des espèces végétales jusqu’à remettre en cause
notre mode de vie. Dans les pays développés, le
souci est maintenant de passer de la production
quantitative à la production qualitative avec
l’impératif de la préservation de l’environnement.
Dans ce contexte, les potentialités des végétaux
sont à explorer et à approfondir par les chercheurs.
Dialogues chimiques
Comprendre les dialogues chimiques et
physiques entre les plantes et leur
environnement devient un enjeu vital et
constitue en soi un thème de recherche
important sous le terme « signalisation ».
Les plantes recèlent-elles
encore des secrets ?
Elles ont beau être nos alliées depuis la nuit des temps, les plantes ne
cessent de nous étonner et leur potentiel reste encore loin d’être
complètement exploité…
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BIOLOGIE VÉGÉTALE
L’Institut Fédératif de Recherche 40
La communauté scientifique toulousaine impliquée dans l’étude des plantes comprend, en plus des acteurs universitaires
présents dans les laboratoires SCSV et EDB, une communauté beaucoup plus large regroupée dans un Institut Fédératif
de Recherche, l’IFR40, intitulé « Agrobiosciences, interactions et biodiversité ». Cet institut créé en 1996 réunit aujourd'hui
environ 350 personnes réparties dans 6 unités de recherche* représentant 5 établissements publics : UPS, CNRS, INRA,
INP-ENSAT et L’ENFA, auxquels est associée la société Biogemma Mondonville.
Depuis sa création, l'IFR40 a pour objectif de promouvoir et de fédérer sur Toulouse l'ensemble des recherches dans le
domaine de la biologie et de la microbiologie végétales, en particulier les mécanismes de développement et de signalisation
cellulaire, et les interactions entre les plantes et les microorganismes pathogènes ou symbiotiques. L'entrée en 2007
de l'UMR «EDB» a permis d'intégrer les dimensions adaptative et évolutive.
La recherche réalisée à l’IFR 40 est pluridisciplinaire, elle s’appuie sur des plates-formes mutualisées de haute technologie
et labellisées au plan national.
Les travaux menés dans le cadre de cet Institut contribuent au développement d'une agriculture plus soucieuse
de l'environnement, génératrice de produits de meilleure qualité ou adaptés à de nouvelles filières de transformation.
Ils concernent également la préservation et la gestion de la biodiversité.
* laboratoire « Surfaces Cellulaires et Signalisation chez les Végétaux » (CNRS/UPS), laboratoire « Evolution et Diversité Biologique » (CNRS/UPS/ENFA), « Laboratoire des
Interactions Plantes Microorganismes » (CNRS/INRA), laboratoire « Symbiose et Pathologies des Plantes » (INP/ENSAT), laboratoire « Génomique et Biotechnologie des Fruits »,
(INRA/INP-ENSAT), « Centre National de Ressources Génomiques Végétales » (INRA).
>>> Raoul RANJEVA, directeur de recherche
CNRS au Laboratoire « Surface cellulaire et
signalisation chez les végétaux »
(SCSV, unité Mixte UPS/CNRS).
Visiting Miler Professor UC Berkeley
>>>
>>> Zinnia Elegans : plante horticole fleurissant
nos jardins utilisée en laboratoire pour étudier
la vascularisation chez les végétaux.

Les connaissances de base acquises devraient
ensuite, ou en parallèle, permettre d’agir de
manière raisonnée. Ainsi, favoriser les
interactions entre plantes et microorganismes
(bactéries, champignons) vivant en symbiose
avec elles et leur apportant les éléments
minéraux nécessaires est essentiel pour limiter
l’apport d’engrais chimiques. De même, stimuler
les mécanismes de défenses naturelles contre les
agresseurs biologiques, rendre les plantes plus
aptes à utiliser les ressources en eau, à s’adapter
à des terrains salés et à la sécheresse, et
orienter la qualité du bois formé naturellement
sont également des bases du développement
durable.
Atteindre de tels objectifs vitaux nécessite
l’intégration des concepts et méthodologies
de la biologie moderne (du gène à la biologie
des systèmes) en essayant de comprendre
les nouvelles propriétés qui émergent
à chaque niveau d’organisation.
Le dispositif toulousain en sciences végétales
est organisé pour répondre à ces défis
scientifiques et sociétaux. Dans ce cadre,
l’université Paul Sabatier occupe une place
centrale en assurant sa double mission de
formation et de recherche en collaboration avec
le CNRS et l’INRA.
Les sciences végétales sont un champ de
recherche vaste et essentiel pour l’homme,
aujourd’hui et pour sa qualité de vie demain.
Contact: [e-mail]
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Biologie Végétale
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>>>
>>> Culture de cellules isolées de feuilles de Zinnia
elegans observées en microscopie à fluorescence
mettant en évidence les cellules impliquées dans
la vascularisation. (Plateforme Microscopie Imagerie
cellulaire) de l'IFR40. (Copyright Labo SCSV).
L’offre de formation en biologie
et technologie du végétal
L’université Paul Sabatier offre, souvent en
collaboration avec d’autres établissements, une
large palette de formations en biologie et
technologies du végétal. Ces formations sont
inscrites dans le dossier du pôle de compétitivité
AgriMip Innovation, et sont regroupées à l’UPS
avec les formations de microbiologie sous le thème
Microbiologie-Agrobiosciences.
Plusieurs niveaux de diplôme sont proposés :
> Une licence professionnelle (co-habilitée avec
l’Ecole Nationale de Formation Agronomique)
sur les aspects des biotechnologies végétales et
leur application à la sélection variétale.
> Un master professionnel de Bioingénierie
option Biotechnologie végétale.
> Un master recherche « Biosciences Végétales
», (co-habilité avec l’ENSA de Toulouse)
La poursuite en doctorat dans un des laboratoires
de l’IFR 40 s’effectue dans le cadre de deux filières
(« Développement des plantes » et « Interaction
plantes-microorganismes ») de l’Ecole Doctorale
Sciences Ecologiques Vétérinaires Agronomiques et
Bioingénieries (SEVAB).
Contact: Christophe Roux, Professeur UPS
([e-mail])
Site : www.scsv.ups-tlse.fr rubrique
« sites pédagogiques »

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Dans les gènes
de l’eucalyptus
Gérer une forêt exige des outils de plus en plus sophistiqués. Des outils
moléculaires permettent ainsi d’améliorer la production du bois. Exemple de
l’eucalyptus.
L’accroissement de la population humaine s’accompagne
d’une demande toujours plus forte en bois, aussi bien
comme source d’énergie que de bois matériau et
de fibres, alors que la surface totale des forêts tend
à diminuer. Conséquence directe, une aggravation
de l’état des forêts naturelles dont le cycle de
renouvellement n’arrive plus à compenser les
prélèvements. Par ailleurs, l’utilisation de plantations
forestières à forte croissance et à courte rotation fait
partie des solutions envisagées pour créer des puits
à CO2 atmosphérique afin de lutter contre le
réchauffement climatique. Préserver les forêts naturelles
et répondre à ces demandes rend stratégique
le développement de programmes d’amélioration
génétique des arbres cultivés en vue d’augmenter
la contribution des plantations industrielles,
aussi bien en terme de quantité que de qualité.
Eucalyptus
Excellent puit à carbone, l’eucalyptus est la première
espèce de plantation industrielle dans le monde.
Présentant une capacité exceptionnelle de croissance,
même sur des sols pauvres, cet arbre est surtout
recherché pour la qualité de ses fibres adaptées à
la fabrication de la pâte à papier. En France,
l’implantation d’une espèce rustique a débuté en Midi
Pyrénées sous l’impulsion de l’industrie papetière locale
et avec le soutien du Conseil Régional.
Mais la sensibilité au gel de l’eucalyptus limite son aire
d’implantation, en particulier en France, et restreint
également sa production de biomasse. La tolérance au
froid et la qualité du bois sont donc aujourd’hui les
deux caractères ciblés pour l’amélioration génétique
de l’eucalyptus. Les programmes traditionnels
d’amélioration n’ont permis de sélectionner que
des variétés tolérant -18°C, ce qui reste insuffisant
pour éliminer le risque des planteurs.
Les propriétés intrinsèques du bois chez les ligneux
dépendent directement des parois secondaires
des cellules du bois. Ces parois sont en très grande
partie formées de cellulose et de lignines dont les
proportions relatives affectent directement la qualité
du bois. Créer de nouvelles variétés dont les teneurs
en polymères au niveau des parois seraient différentes
permettrait donc de produire du bois mieux adapté
aux besoins.
Sélection génétique
La sélection génétique classique chez les arbres forestiers se
heurte à des contraintes spécifiques : évaluation tardive
des caractères cibles, complexité des caractères, longueur
des générations. Ainsi, l’identification directe des gènes
impliqués dans le contrôle des caractères d’intérêt
constitue une étape incontournable pour l’application
de la sélection assistée par marqueurs.
Les chercheurs des deux équipes ont isolé une large
collection de gènes d’eucalyptus dont 26 000 ont été
séquencés. Grâce à l’analyse de puces à ADN contenant
plusieurs milliers de ces gènes, nos équipes ont identifié
ceux dont l’expression semble corrélée à la tolérance au
froid ou à la formation du bois. Le rôle biologique de ces
gènes majeurs est actuellement vérifié par l’étude des
conséquences de leur sur- ou sous-expression dans la
plante. Les résultats obtenus permettront tout d’abord
la progression des connaissances fondamentales sur
le développement et les mécanismes adaptatifs
des végétaux. Ensuite, les différences au niveau de la
séquence de ces gènes dans les populations naturelles
d’eucalyptus sont recherchées et analysées en regard avec
la variabilité des tolérances au froid et des qualités de bois.
Les polymorphismes ainsi révélés sur les gènes d’intérêt
pourront alors potentiellement servir de marqueurs pour
une sélection précoce des meilleures variétés.
Contact: [e-mail] et
[e-mail]
>>> Eucalyptus dalrympleana,
Longages (Haute Garonne)
Biologie Végétale
>>> Jacqueline Grima-Pettenati, DR CNRS, et
son équipe du Laboratoire « Surfaces
cellulaires et signalisation chez les végétaux »
(unité mixte UPS/CNRS)
>>> Chantal Teulières, Professeur UPS, et
son équipe du Laboratoire « Surfaces
cellulaires et signalisation chez les végétaux »
(unité mixte UPS/CNRS)

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>>> Elisabeth JAMET, DR CNRS, et son équipe
Protéines pariétales et développement du
laboratoire Surfaces Cellulaires et Signalisation
chez les Végétaux (SCSV, unité mixte UPS/CNRS).
>>> Déborah GOFFNER, CR CNRS, et son équipe
Différenciation du xylème et dynamique pariétale
du laboratoire Surfaces Cellulaires et Signalisation
chez les Végétaux (SCSV,unité mixte UPS/CNRS).
Parois végétales :
une polyvalence utile à l’homme
Cellulose, pectines et lignines jouent des rôles clefs au cours du développement
des plantes et de leurs interactions avec des facteurs environnementaux. Ces
bio-polymères constituent l’essentiel d’une biomasse valorisable.
Les parois végétales, structures semi-rigides entourant
les cellules et autorisant le port dressé des plantes,
constituent environ 80% de la biomasse. Elles sont
valorisables sous forme de bois, pâte à papier, fibres
textiles, gélifiants pour l’industrie agroalimentaire,
fourrage pour les animaux ou biocarburants. Les
possibilités de modulation de la composition et de la
structure des parois au cours du développement et des
interactions avec l’environnement sont au cœur de
nos recherches.
Protéines polyvalentes et flexibles
Tous les constituants pariétaux sont remodelables
afin de faire face aux exigences du développement ou
des contraintes environnementales. Cette polyvalence
et cette flexibilité sont rendues possibles par l’activité
des protéines pariétales. Les parois primaires sont
constituées de réseaux de polysaccharides : la cellulose
forme des microfibrilles parallèles ; les hémicelluloses
entourent et relient entre elles ces microfibrilles ; les
pectines forment un gel qui détermine le degré de
porosité des parois et participe à l’adhésion cellulaire.
Dans les tissus spécialisés tels les vaisseaux, des
parois secondaires riches en lignines sont mises en
place. A ces polymères, il faut ajouter des réseaux de
protéines structurales et de nombreuses protéines
mobiles ou en interaction avec eux. Nous avons
entrepris des analyses protéomiques des parois de la
plante modèle Arabidopsis ce qui a permis d’obtenir
la première description des répertoires de protéines
pariétales de différents types cellulaires.
Actuellement, environ un quart des protéines prédites
pour être adressées aux parois d’Arabidopsis ont été
identifiées et distribuées en huit classes
fonctionnelles. Une telle variété est à l’image de la
diversité des rôles joués par les parois et de leur
dynamique. Par exemple, les expansines tirent leur
nom de leur capacité à permettre le glissement des
fibres de cellulose. Les peroxydases et les laccases
modulent le degré de polymérisation des protéines
structurales et des lignines. Outre ces familles
de protéines, nous avons mis en évidence des
protéines majeures dont la fonction n’est pas connue.
Nous recherchons maintenant leurs rôles, avec
la perspective de trouver de nouvelles fonctions
pour les parois.
Au coeur des stratégies de recherches
agronomiques et bio industrielles
Nous cherchons également à comprendre les
mécanismes moléculaires conduisant à la mise en
place d’une paroi secondaire par la cellule végétale.
Pour mener à bien ce projet, des approches
multidisciplinaires (génomiques, génétiques,
physiologiques) sont développées en partant d’une
plante modèle (Arabidopsis thaliana) et en allant vers
une plante d’intérêt agronomique (Zea mays). Nous
disposons aujourd’hui d’un large panel de plantes
(mutants ou transformants) altérées dans
l’élaboration et l’assemblage des parois cellulaires.
Ces mutants ou transformants sont des outils de
choix pour découvrir le rôle et la fonction des gènes et
leur étude a d’ores et déjà permis des avancées
significatives dans le domaine. Au delà d’un aspect
fondamental, la découverte de tels gènes a des
retombées significatives dans les secteurs
agronomiques (alimentation animale) et bio
industriels (production de bioéthanol). En effet,
avec l’épuisement des énergies fossiles à l’échelle
planétaire, les recherches visant à valoriser la
biomasse lignocellulosique (parois) s’intensifient.
Nous nous attachons maintenant, en partenariat
avec des chimistes, à définir l’idéotype des plantes
à vocation énergétique du futur.
Contacts : [e-mail] et
[e-mail]
Site laboratoire : http://www.scsv.ups-tlse.fr
>>> Deux éléments de vaisseau conducteur de sève montrant une ornementation de la paroi
secondaire de type réticulé et ponctué. La lignine a été colorée en rouge par le phloroglucinol.
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Comme tous les êtres vivants, les plantes sont
constamment en interaction avec les paramètres de
l’environnement et leurs variations (lumière,
température, qualité des sols, agresseurs) vis-à-vis
desquels elles adaptent leur programme de
développement et de reproduction. Cette aptitude à
percevoir des informations physiques ou chimiques
et à les convertir en un code interprétable par la
machinerie cellulaire repose sur des réseaux de
signalisation dont la compréhension constitue l’un
des enjeux de la biologie intégrative. Le calcium est
l’un des principaux messagers qui véhiculent dans la
cellule l’information nécessaire à l’établissement des
réponses biologiques aux stimuli de l’environnement.
Dans ce cadre, les activités du laboratoire SCSV
consistent à élucider le sens des messages calcium
produits dans les cellules végétales en réponse à des
signaux externes, et à déchiffrer les systèmes
d’interprétation des informations transmises par ce
messager.
Message calcium
Pour détecter en temps réel les variations du taux de
calcium dans les cellules végétales, nous utilisons
l’aequorine, une protéine d’origine animale qui émet
de la lumière lors d’une stimulation calcique. Les
cellules végétales, dotées de cette protéine après
transformation génétique, ont montré que
l’amplitude, la durée, la fréquence et la localisation
du message calcium fournissent un potentiel
combinatoire, apte à générer une partition, ou
signature calcique, propre à chaque stimulus initial.
La perturbation artificielle de cette signature nous
permet en outre d’appréhender l’importance du
message calcium dans l’établissement des réponses
biologiques observées.
Les outils moléculaires de décodage des signaux
calcium englobent à la fois des protéines liant le
calcium (qui assurent les fonctions de récepteurs
primaires) et leurs cibles respectives. Bien que le
calcium serve de messager intracellulaire chez tous
les organismes, les plantes se distinguent par une
gamme de récepteurs primaires et de cibles propres
au règne végétal, sur lesquels nous focalisons nos
études. Les ressources génétiques récemment
développées à partir de plantes-modèles telles
qu’Arabidopsis thaliana, nous aident à apprécier le
caractère essentiel des récepteurs primaires pour
activer les réponses des plantes aux facteurs de
l’environnement. Les méthodes biochimiques et
génétiques d’analyse des interactions moléculaires
sont exploitées en vue d’identifier les événements
de signalisation allant des cibles immédiates des
récepteurs jusqu’aux stades ultimes des cascades
de signalisation.
Stress salin et hydrique
Toutes les données acquises montrent que le calcium
est un commutateur central dans les réponses des
plantes à l’environnement. La modulation des voies
de signalisation associées à cet ion a déjà permis
d’augmenter la tolérance des plantes au stress salin
et au stress hydrique.
Contacts : [e-mail]
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Comprendre
la communication des plantes
Elles réagissent à la lumière et à la température, adaptent leur reproduction à leur
environnement, combattent leurs agresseurs… Au cœur de ces réponses, le calcium…
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>>> Benoît RANTY, CR CNRS,
Jean-Philippe GALAUD, MCF UPS,
Christian MAZARS, CR CNRS
au laboratoire Surfaces Cellulaires et
Signalisation chez les Végétaux
(SCSV, Unité mixte UPS/CNRS)
>>> Plantes d’Arabidopsis cultivées en situation de déficit hydrique.
La plante de gauche a été génétiquement modifiée et est déficiente
pour un gène de signalisation calcium.
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