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Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes : Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc SVSE 5)
Edition 2010


MechaStem


Physique de la morphogenèse des plantes: propriétés dynamiques et mécaniques de la paroi des cellules du méristème

Le contrôle mécanique de la croissance des plantes
Comment la régulation génétique affecte et est affectée par les propriétés mécaniques des tissus végétaux

Une approche quantitative pour identifier les règles mécaniques à la base du développement des plantes
Au cours des 30 dernières années, de nombreux progrès ont été réalisés dans le domaine de la recherche sur le développement des organismes et nous connaissons aujourd’hui les grandes familles de gènes responsables de la croissance et de la différenciation des cellules et des organes. Toutefois, cette connaissance ne nous permet pas de comprendre comment ces gènes contrôlent une forme et sa dynamique. Le chaînon manquant est de nature physique : changer de forme, c’est changer de structure, et cela implique par définition les lois de la mécanique. Dans ce projet nous voulons établir un lien entre régulation génétique et lois mécaniques, notamment en analysant l’impact des régulateurs génétiques sur les propriétés mécaniques des tissus, et en montrant comment les modifications des propriétés mécaniques des cellules peut exercer un contrôle en retour sur les voies de régulation génétique. Au delà de l’aspect fondamental pour la connaissance biologique, ce projet a pour ambition de définir un certain nombre de règles qui permettront de coder l’activité génétique en terme mécanique, afin de comprendre et donc de prédire le potentiel morphogénétique des organismes végétaux sur la base de leur patrimoine génétique.

Approches micromécaniques sur le méristème d’Arabidopsis thaliana
Nous avons développé une approche basée sur la microscopie à force atomique pour mesurer localement les propriétés mécaniques du méristème (un groupe de cellules jeunes en division qui contrôle toute l’organogenèse aérienne de la plante), et nous corrélons les mesures obtenues avec l’expression de gènes marqueurs et la modification biochimique des propriétés mécaniques des tissus. En parallèle, la croissance et la morphogenèse sont analysées principalement par des méthodes de microscopie optique à fluorescence, afin de relier expression génétique, propriétés mécaniques et croissance.

Résultats

Nous avons établi une carte des propriétés mécaniques du méristème, à la fois à l’échelle très locale de la paroi cellulaire (Milani et al., 2011, Plant J) et à celle du tissu méristématique (Peaucelle et al., 2011 Curr Biol.). Une relation entre la modification biochimique des composés pectiques de la paroi, propriétés mécaniques des cellules et organogenèse a été établi (Peaucelle et al., 2011, Curr. Biol.). Enfin, nous avons montré que la dynamique des microtubules donne une compétence aux cellules méristématiques pour répondre aux contraintes mécaniques et y résister, contrôlant ainsi la croissance et la morphogenèse du méristème (Uyttewaal et al., 2012 Cell).

Les résultats obtenus ont permis de publier 5 articles de recherche, dont 2 issus d’une collaboration inter-partenaires. Plusieurs articles de revue ont également été publiés dans le cadre du financement ANR.

Le projet ANR Mechastem a également servi de fondation pour de nouvelles demandes de financement. En particulier, les partenaires 1 et 2 ont obtenu le statut d’équipe visiteuse au laboratoire Joliot Curie de l’ENS Lyon (3 ans, 150 kE) et deux bourses ERC ont été obtenues en 2012 (1 bourse ERC « advanced » obtenue par Jan Traas (5 ans, 2.5 ME); 1 bourse ERC « consolidator » obtenue par Arezki Boudaoud (5 ans, 1.4 ME)). Enfin, une collaboration a été initiée avec l’entreprise Bruker pour corréler propriétés mécaniques et expression génétique sur des objets opaques.

Perspectives

La contribution de nombreux autres régulateurs dans la morphogenèse végétale pourra être étudiée avec notre approche, notamment, l’auxine, une hormone végétale qui joue un rôle central dans la croissance des plantes. Cela permettra notamment de coupler gradients biochimiques et gradients mécaniques dans un tissu en croissance. La question de la polarité cellulaire, qui contrôle la plupart des fonctions développementales, pourra être étudiée du point de vue mécanique en associant propriétés mécaniques polaires, localisation polaire des protéines, et anisotropie de croissance. Enfin, ces données permettront de donner les bases pour des approches de biologie prédictive, dont l’ambition est de prédire la forme des organismes sur la base du patrimoine génétique et des conditions environnementales.

Productions scientifiques et brevets

Sélection de publications représentatives issues du projet ANR Mechastem :

Milani et al., 2011 Plant J : Mise en évidence d’un patron mécanique à la surface du méristème
Peaucelle et al., 2011 Curr Biol. : Mise en évidence de l’impact mécanique de l’activité pectin méthyl esterase sur les cellules méristématiques et ses conséquences pour l’organogenèse
Uyttewaal et al., 2012 Cell : Rôle des contraintes mécaniques dans la promotion de l’hétérogénéité de croissance et la morphogenèse, et son contrôle par la dynamique des microtubules.


Partenaires

LJC CNRS - DELEGATION REGIONALE RHONE-AUVERGNE

RDP CNRS - DELEGATION REGIONALE RHONE-AUVERGNE

RDP CNRS - DELEGATION REGIONALE RHONE-AUVERGNE

INRA - IJPB INRA - CENTRE DE RECHERCHE DE VERSAILLES GRIGNON

Aide de l'ANR 460 200 euros
Début et durée du projet scientifique - 36 mois

Résumé de soumission

Le rôle des forces physiques au cours de la morphogenèse est souvent décrit comme une composante essentielle de la biologie du développement. Pourtant, la contribution de la mécanique dans la genèse des formes est encore très largement inconnue. Sur la base d'avancées récentes des partenaires du projet, nous ré-examinerons ce problème en exploitant de nouvelles technologies d'imagerie combinées à des approches génétiques et micro-mécaniques. Nous concentrerons nos efforts sur le méristème apical caulinaire d'Arabidopsis thaliana, une population de cellules souches qui constitue le centre organisateur de l'architecture des plantes. En utilisant la microscopie à force atomique, nous mesurerons et altérerons les propriétés mécaniques du tissu méristématique, et nous pourrons associer ces propriétés au réseau de gènes contrôlant la synthèse et le remodelage de la paroi, faisant ainsi un lien entre gène et forme via les propriétés mécaniques de la cellule.

 

Programme ANR : Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes : Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc SVSE 5) 2010

Référence projet : ANR-10-BLAN-1516

Coordinateur du projet :
Monsieur Olivier HAMANT (CNRS - DELEGATION REGIONALE RHONE-AUVERGNE)
olivier.hamant@nullens-lyon.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.