Le développement chez les Angiospermes INTRODUCTION Quelques rappels et concepts de base Organisation générale d’une plante Introduction - I Un axe basal-apical ! Apical → Tige aérienne, feuille, fleur Polarité basaleapicale Basal → Racine Introduction - I Un axe radial et 3 tissus Iaires ! Épiderme Cortex Cambium Polarité radiale Introduction - I Méristème Apical de la Tige Épiderme Cortex Procambium (tissus vasculaires) Centre Quiescent Zone Périphérique Méristème Apical de la Racine Quelques notions utiles pour comprendre le développement Principe de base du dévent Des ¢ indifférenciées (totipotentes) acquièrent leur destin cellulaire par ≠tion Différenciation Gènes du dévent : gouvernent, organisent et dirigent la ≠tion Des infos déclenchent l’évolution et la ≠tion des ¢ Ces infos activent/inhibent la transcription de gènes 2 types d’infos: Info intrinsèque à la ¢ Info extrinsèque à la ¢ Information intrinsèque → Elle est déjà contenue dans la ¢ !! Répartition d’un morphogène selon un gradient Des ARNm Des protéines Des vésicules Organisation du cytosquelette …etc. Information intrinsèque → Peuvent être positionnées sur la membrane ou la paroi de la ¢ !! Signal Différenciation Info extrinsèque → Elle est transmise par des ¢ voisines !! = Info de position Induction → Un tissu dirige l’évolution d’un tissu voisin Destin ¢aire d’une ¢ = f (de sa position) Les informations de position sont prépondérantes dans le développement des plantes !! Méristème Apical Bourgeon axillaire Noeud Feuille Croissance modulaire Noeud Phytomère Noeud • Un noeud Entrenoeud (Tige) • Une feuille • Un bourgeon axillaire • Un entrenoeud Noeud Bourgeon apical M6 Feuille M5 M3 M4 Bourgeon axil. M2 Mi → Modules Noeud Internoeud Noeud Sytème Aérien M1 Tige Racine secondaire M1 M3 M4 M2 Racine primaire Sytème Racinaire Méristèmes → Groupes de ¢ embaires persistantes (¢ souches ) Dévent réitératif Ajouts de Nelles structures pendant toute la vie de la plante (croissance modulaire) Virtuellement, tous les tissus post embryonnaires sont générés par les MAR et les MAT Sequoia sempervirens Réservoir de ¢ souches actif depuis plus de 2000 ans ! Wolfia arrhiza (Lemnaceae) Différenciation Prolifération % asymétrique ¢ TA ¢ souche Zone de différenciation Transition en amplification (TA) Zone de la niche Cycle lent ¢ souche Organisation des méristèmes chez les plantes Des ¢ souches, un organisateur central (OC), une zone de prolifération périphérique (TA) ¢ souches → Régulées par des infos de positions ¢ souches → Précurseurs clonogéniques ¢ souches maintenues dans une niche "Un endroit spécifique dans un tissu où les ¢ souches peuvent résider pendant une période indéfinie et produire des ¢ filles en se renouvelant" (Ohlstein et al., 2004) La niche est un µenvent externe (signal de maintenance) en interaction avec infos intrinsèques Transition en amplification (¢ TA) ¢ TA → Capacités prolifératives Amplifier le nbre de ¢ Générer des produits asymétriques Une ¢ souches se %, les ¢ filles sont déplacées au-delà de la zone de signal de maintien ¢ souche (dans la niche) 1 ¢ fille qui reste dans la niche (retient le destin souche) 1 ¢ fille qui sort de la niche (entre en zone TA et se multiplie) Info intrinsèque ou extrinsèque Les méristèmes sont des zones de régulations cadastrées Zone de différenciation : rôle des protéines rétinoblastome (RBR) Zone TA : rôle des phytohormones (auxines, cytokinines) ? ¢ souche : dans une niche Centre Organisateur (CO: MAT) ou Centre Quiescent (CQ : MAR) Signal : nature encore inconnue Le rôle des protéines RBR (RetinoBlastoma Related gene) dans la différenciation RBR réduit la prolifération et enclenche la différenciation MAT et MAR Mécanismes similaires chez les animaux (convergence) Gènes sélecteurs Activation de certains gènes → Cascades d’activation/répression → Destins ¢aires ≠ Activation d’un réseau (network) → Organe ou différenciation G1 G2 G2 G1 Activation de G2 Répression de G1 G3 G3 G4 G4 Activation de G4 G5 Activation de G3 G5 Activation de G5 Des programmes intégrés existent: Les gènes sélecteurs les allument Quelques originalité du développement chez les plantes Introduction IV Les ¢ végétales sont insérées dans une paroi rigide !! Paroi Iaire Paroi IIaire Protoplaste Mbne plasmique (plasmalemme) % ¢aire (meresis) et l’élongation (auxesis) → Avant mise en place définitive de la paroi !! Le déplacement des ¢ impossible !! La communication inter¢ doit faire intervenir des structures spécialisées !! Introduction IV Comment résoudre le problème de la croissance et du développement? Les cellules des plantes se divisent et se différencient sur place !! Introduction IV Les ¢ communiquent par la voie apoplastique et symplastique Apoplastes → Pores dans la paroi Symplastes → Pores dans la paroi et plasmalemmes (plasmodesmmes) ∅ Plasmodesmes 2 à 3 X ∅ Apoplaste Voie apoplastique Voie symplastique Processus ligand-récepteur → Apoplastes Petits peptides ou hormones Transport actif (exflux et influx) → Auxine Transport symplastique directe : plasmodesmmes Protéines, mRNA ou autres ARN Plasmodesmes Desmotubes → Rét. Endo. + Mbane plasmique Orientation des plasmodesmes → Spécifique des tissus Desmotubules Plasmodesmes Mbne plasmique Les plasmodesmes peuvent se fermer SEL (Size Exclusion Limit) → Régulation de la taille des molécules qui transitent Plasmalemme Ret. end. Introduction - IV Communication symplastique → Rôle majeur dans le développement chez les plantes Notion de domaine symplastique ¢ d’un tissu → Transport inter¢aire de micro ou macro molécules Forment un domaine symplastique → Cytoplasme commun LE DEVELOPPEMENT CHEZ LES PLANTES Le développement des plantes Deux grandes étapes: Embryogenèse Organogenèse I - Embryogenèse Embryogenèse Zygote → Embryon mature (dans une graine) 1 - Construction de l’axe apical/basal 2 - Construction de la polarité radiale 3 - Mise en place des méristèmes Iaires Organogenèse Embryon → Germination et croissance Organogenèse → Fonctionnement itératif des méristèmes I I L’Embryogenèse: Mise en place et fonctionnement des méristèmes Rappel sur les grandes étapes de l’embryogenèse Embryogenèse Acquisition spatialement coordonnées de nombreuses identités ¢aires 3 phases distinguables: • (1) Proembryogenèse → Segmentation • (2) Organogenèse embryonnaire • (3) Maturation embryonnaire Segmentation Zygote Proembryogenèse Organogenèse 4 j. 3 j. Globulaire Cordiforme Torpille Les différents stades de développement embryonnaire chez Capsella bursa pastoris Embryon mature de Capsella bursa-pastoris (Brassicaceae) Axe hypocotyle radicule Procambium MAR Cotylédons Territoir présomptif du MAT Enveloppe de la graine Oosphère et zygote → ¢ polarisées !! Plastes amylifères 40 à 70 µm Plastes Noyau Cytoplasme Zygote → ¢ de grande taille 1ère % asymétrique → 1 ¢ apicale et 1 ¢ basale Cytoplasme dense Site très actif de synthèse protéique ¢ apicale Division Zygote Vacuole ¢ basale Cellules très vacuolisées Les destins cellulaires de la ¢ apicale et de la ¢ basale sont différents ¢ apicale → Majeure partie de l’embryon ¢ basale → Suspenseur + hypophyse Division anticline Division pericline Zone supérieure ic: initium cotylédonaire ic ic a c d b pr Primordium radiculaire a: Futur procamium b: Futur cortex c: Futur centre quiescent d: Future columelle Pr: Futur épiderme Organogenèse 200 ¢ Symétrie axiale → Symétrie bilatérale (ordre 2) Formation des organes embryonnaires fondamentaux Cotylédons et apex caulinaire, axe hypocotyleradicule, Radicule Iaire , MAT et MAR Stade torpille → Embryon mature Croissance de l’axe hypocotyle - radicule Croissance et maturation des cotylédons Zone apicale Zone basale Poussée cotylédonaire Lignage cellulaire (a et b) chez Petunia Arabidopsis: Pas de dédoublement en a1, a2 et 1 1 1 1 1 1 b 1, b 2 1 a1 a 1 1 b 1 i b2 b1 a2 1 i 1 1 i 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 2 i i i Lignage cellulaire (d) chez Petunia et Arabidopsis id 4 3 2 1 Cellule d → Initiale de la columelle Pas de lignage cellulaire Lignage cellulaire (Pr) chez Petunia et Arabidopsis ipr ipr ipr ipr Alternance de % anticlines et périclines Rhizoderme et coiffe Radicule d’un embryon mature Rhizoderme Procambium Centre quiescent Coiffe Columelle Embryon stade globulaire → Un seul domaine symplastique Symétrie bilatérale → Émergence de sous domaines Régulation des plasmodesmes → SEL (Size Exclusion Limit) Embryon stade torpille → 4 sous domaines symplastiques 1 - Apex radiculaire (avec MAT) 2 - Cotylédons 3 - Hypocotyle 4 - Radicule (avec MAR) II - Développement de l’axe radiculaire Mise en place et fonctionnement du MAR Le rôle fondamental de l’auxine Auxine Dévt axe apical-basal Dévt axial racine Identité et maintien du MAR Initiation des feuilles (phyllotaxie) Initiation des racines IIaires Transport d’Auxine polaire : Facteur majeur de formation des organes Polarisation du flux d’auxine Le flux d’auxine induit la polarisation axiale de l’embryon Le flux d’auxine induit l’identité et la régulation du MAR Stades embryonnaires Localisation de l’auxine dans différents tissus Zone d’accumulation Zone de transport et diron du flux Racine IIaire Auxine Primordium foliaire Auxine Peut transiter à travers la ¢ Voie apoplastique Transporteurs d’influx et d’exflux Fixation sur mb plasmique Récepteur ABP mbaire (Auxine Binding Protein) Cascade de signalisation Acidification et extension de la paroi Auxine Auxine cytosolique Fixation sur ARF Transcription de gènes de réponse à l’auxine (gènes à Auxine Response Elements) Auxine extracellulaire Transporteur d’influx: AUX1 Transporteur d’exflux: AtPIN1 Transcription AtPIN2 AtPIN3 ADN ADN Signal (cascade) ABP membranaire: Auxine Binding Protein Gène induit par auxine ARF: Auxine Response Factor Transcription ADN ADN Site promoteur CELLULE DE TRANSIT Région codante du gène L’auxine est synthétisée dans les jeunes feuilles du méristème apical de la tige M.A.R Transporteur d’influx Transporteur d’exflux Auxine Véhiculée par transporteurs d’exflux (AtPIN1, AtPIN2, AtPIN3, AtPIN4, AtPIN7) Véhiculée par transporteurs d’influx (AUX1) Voie apoplastique Transporteur d’influx Transporteur d’exflux La localisation sur les membranes cellulaires des transporteurs d’influx et d’exflux contrôlent et polarisent le flux Évolution de l’accumulation d’auxine % zygote → Auxine s’accumule dans ¢ apicale Embryon préglobulaire → Auxine en position apicale Embryon 32 ¢ → Accumulation dans hypophyse Quand CQ établit → Accumulation dans id Auxine dans embryon préglobulaire → Suspenseur et tissus maternels Embryon globulaire → Synthétise auxine dans zone apicale Le flux d’auxine s’inverse au cours de l’embryogenèse Changement de localisation des max. d’auxine → Corrélé avec distribution et redistribution des membres de la famille PIN PIN1 PIN7 Auxine Cambium Embryon cordiforme Transport basipétale et redistribution latérale → Initiales columelle Critique pour maintien de la zone méristème Boucle de reflux d’auxine → Régule la taille du MAR Localisation des transporteurs d’exflux AtPIN1 dans le procambium AtPIN1 Nature 2007 Mutants avec schéma axial défectueux GNOM Le mutant gnom • Mutant EMBRYO DEFECTIVE 30/GNOM • Structure en sphère → ¢ différenciées mais désorientées • Perte de polarité basale-apicale Le zygote gnom ne se divise pas normalement Protéine GNOM • Facteur d’échange à Guanine (ARF GEF) • ARF-GEF : régulent le trafic des vésicules • EMB 30/ GNOM → Régule la déposition polaire de AtPIN1 (Exflux auxine) Filaments d’actine et microfibrilles Noyau Golgi Protéine convoyeur La localisation de AtPIN1 se concentre progressivement dans les zones cotylédonnaires et les zones du cambium chez le phénotype sauvage (A et C) Localisation de AtPIN1 et polarité cellulaire A, B: Type sauvage C, D: Mutant emb30/gnom A et C: Stade dermatogène B et D: Stade globulaire précoce Le transporteur d’exflux d’auxine AtPIN1 → Normalement partie basale de la mb ¢ emb30/gn → Pas de localisation basale de AtPIN1 → Perte de polarité La polarisation du flux d’auxine induit la polarisation axiale de l’embryon Spécification du MAR Rôle du centre quiescent dans le MAR ¢ du CQ → Aussi des ¢ souches Capacité de prolifération illimitées Auto-maintenance et autorenouvellement MAR → Initiales structurelles (C.O.) et initiales fonctelles Initiales fonctelles ¢ qui se % activement → ¢ autour du CQ (souches) Initiales structelles % peu actives → ¢ du CQ % souvent pour remplacer ¢ initiale fonctelle Comment la balance initiales structelles / initiale fonctelle est t elle maintenue? Maïs, Arabidopsis → Ablation du CQ et coiffe Un nouveau MAR se reforme après le dèvent d’un nouveau CQ Inhibition du transport polaire d’auxine → Pas de néoformation du CQ et pas de MAR Transport polaire d’auxine → Rôle central dans spécification de la niche De nbeux facteurs de transcriptions sont nécessaires → spécifiques du CQ Gènes PLETHORA (PLT) PLT : Facteurs de transcription inductibles à l’auxine PLT1 : Dès stade 8 ¢ PLT2 : Stade embryon globulaire PLT 1 et 2 : Action redondante PLT : Spécification du CQ et activité initiales Doubles mutants plt1plt2 : pas de CQ et pas de MAR Expression des gènes PLT : CQ et ¢ souches Système à boucle de reflux Accumulation d’auxine (seuil?) → Id Id → Transcription de PLT Protéines PLT → Accumulation dans CQ CQ → Maintient identité des initiales Une combinaison de gènes PLT inductibles à l’auxine (et d'autres gènes) codent pour la spécification du CQ et des ¢ souches III - Développement de la graine Passage de l’ovule à la graine Téguments de l’ovule → Téguments de la graine Zygote → Embryon Zygote accessoire→ Albumen (endosperme) Gynécée→ Fruit Ovaire → Péricarpe