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Blanc - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc SVSE 5)
Edition 2013


GRAP2


Perception de la gravité chez les plantes: de la cellule à la réponse biomécanique.

GRAvity Perception in Plants :
From cell sensing to biomechanical response

GRAvity Perception in Plants :
Le but du projet est d’étudier dans une approche interdisciplinaire impliquant physiciens et biologistes la réponse des plantes à la gravité. Une première approche proposée concerne des expériences macroscopiques à l’échelle de la plante ayant pour but la mesure précise et systématique de la réponse de plantes à différents niveaux de gravité et différentes sollicitations au moyen d’un dispositif original de centrifugation (« le gravitron »). La seconde partie du projet était ciblée sur l’aspect microscopique. Elle consiste à observer sous un microscope placé en position horizontale la dynamique des statolithes, organites cellulaires riche en amidons, considérés comme les capteurs de la gravité et dont la sédimentation est sensée donner la direction de la gravité. La dernière étape du projet concerne une tentative d’intégration des résultats des expériences macro et micro dans un modèle théorique qui permettrait la prédiction de la réponse d’une plante à des changements de gravité.

GRAvity Perception in Plants
Le but du projet est d’étudier dans une approche interdisciplinaire impliquant physiciens et biologistes la réponse des plantes à la gravité. Une première approche proposée concerne des expériences macroscopiques à l’échelle de la plante ayant pour but la mesure précise et systématique de la réponse de plantes à différents niveaux de gravité et différentes sollicitations au moyen d’un dispositif original de centrifugation (« le gravitron »). La seconde partie du projet était ciblée sur l’aspect microscopique. Elle consiste à observer sous un microscope placé en position horizontale la dynamique des statolithes, organites cellulaires riche en amidons, considérés comme les capteurs de la gravité et dont la sédimentation est sensée donner la direction de la gravité. La dernière étape du projet concerne une tentative d’intégration des résultats des expériences macro et micro dans un modèle théorique qui permettrait la prédiction de la réponse d’une plante à des changements de gravité.

Résultats

Expériences macroscopiques à l’échelle de la plante (tache 1) : Un montage expérimental similaire à celui marseillais a été réalisé à Clermont Ferrand afin de pouvoir étudier en parallèle différentes espèces. Les résultats concernant la réponse de plantes à une inclinaison continue à différents niveaux de gravité g ont été obtenus sur le coléoptile de blé, la lentille, le tournesol, l’arabette, couvrant ainsi l’arbre phylogénétique. Ces mesures montre une indépendance de la réponse avec g, nous permettant d’affirmer que le capteur de gravité est donc un capteur d’inclinaison.

Expériences microscopiques à l’échelle de la cellule (tâche 2) : Des expériences ont été réalisées à Marseille pour observer la dynamique de statolithes sur des coupes de coléoptiles de blé. Les premiers résultats sont encourageants et ont permis de mettre en évidence que les statolithes ne se comportent pas comme un milieu granulaire simple mais sont agités sans doute par l’activité du cytosquelette. Ces observations ont également permis d’estimer les temps d’avalanches lors de l’inclinaison soudaine des cellules.

Perspectives

-finalisation des expériences de stimuli transitoires et lien avec la dynamique des avalanches des statolithes. Il serait intéressant dans ce cadre de regarder les avalanches à différent niveau de g et un montage est prévu dans ce sens sur le gravitron.
- finalisation des expériences sous clinostat. L’utilisation du clinostat pose de nombreuses questions et l’influence de la rotation lente et continue est finalement peu claire et très peu documentée dans la littérature. Nous envisageons dans un futur proche des expériences de clinostat à l’échelle de la cellule pour observer la dynamique des statolithes, ainsi que des expériences analogiques sur des suspensions macroscopiques.

Productions scientifiques et brevets

1. A Unified Model of Shoot Tropism in Plants: Photo-, Gravi-and Propio-ception. PLOS Comp. Bio. (2015) 1004037.
2. D. Lopez, K. Tocquard, J.-S. Venisse, V. Legué et P. Roeckel-Drevet, 2014. Gravity sensing, a largely misunderstood trigger of plant orientated growth. Frontiers in Plant Science, 5, 610. doi: 10.3389/fpls.2014.00610.

Partenaires

CNRS DR 12 _ IUSTI Centre National de la Recherche Scientifique Délégation Provence et Corse _ laboratoire IUSTI UMR7343

umr 547 Piaf UMR 547 Physique et Physiologie Intégrée des Arbres fruitiers et Forestiiers

Aide de l'ANR 369 234 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2014 - 48 mois

Résumé de soumission

La sensibilité des plantes à la gravité (gravitropisme) joue un rôle essentiel dans le développement et l’adaptation des végétaux à des changements environnementaux, du contrôle de la direction de germination au maintien de la posture finale. Une étape essentielle de cette sensibilité se situe dans des cellules perceptives (les statocytes) qui contiennent des petits grains d’amidon (les statolithes), Les grains étant plus denses que le fluide intracellulaire, ils sédimentent indiquant la direction de la gravité. Malgré de nombreuses études sur le sujet, les mécanismes à l'œuvre dans les statocytes et le lien avec le redressement de la plante à l'échelle macroscopique sont encore mal compris. Notre projet à la frontière de la biologie, de la mécanique et de la physique vise à étudier la réponse gravitropique aux deux échelles, l'échelle de la plante et l'échelle cellulaire.

Le premier volet concerne le redressement macroscopique de la plante et repose sur un dispositif de phénotypage quantitatif original appelé gravitron (mis au point lors d’un projet CNRS "Interface physique, biologie et chimie : soutien à la prise de risque)". Ce dispositif basé sur une table tournante permet d’avoir une variation continue de l’accélération sur un grand nombre de plantes en combinant inclinaison et centrifugation.
Le dispositif permet d’obtenir la fonction réponse des plantes sur une large gamme d'angles d'inclinaison et d’intensité de gravité. Des résultats préliminaires importants ont été obtenus montrant que la réponse des plantes est indépendante de l'intensité de la pesanteur et semble ne dépendre que de l’inclinaison. Cette observation préliminaire d’un gravitropisme indépendant de la gravité doit être confirmée sur différentes espèces et doit être étudiée plus en détails en mesurant la réponse à des stimuli transitoires et l'influence de drogues agissant sur le cytosquelette.

La deuxième étape du projet se concentre sur le niveau cellulaire, en particulier sur le mouvement des statolithes lorsque la cellule est inclinée. Ce mouvement est loin d'être une simple sédimentation et implique une activité du cytosquelette. Notre but est d’analyser les mouvements à l’aide d’outils de la physique des suspensions granulaires et des gels actifs. La force de notre projet repose sur la possibilité d'observer le mouvement des statolithes sur les mêmes espèces et en utilisant les mêmes stimuli et les mêmes traitements que ceux étudiés à l'échelle macroscopique sur la gravitron. Notre observation récente que l'intensité de la pesanteur ne joue pas de rôle dans la réponse macroscopique suggère que la position des statolithes est le paramètre pertinent détecté au niveau cellulaire, plutôt que la pression qu'ils exercent sur la membrane, ou leur mouvement comme suggéré par certains auteurs. Notre objectif est de tester cette hypothèse en réalisant une étude précise et systématique au niveau cellulaire.

La dernière étape est de relier le mouvement microscopique des statolithes à la réponse macroscopique des plantes dans un modèle théorique. Une approche simple sera d'abord développée sur la base de la description de la sédimentation des statolithes couplée à des modèles de poutres actives. Un modèle plus intégratif prenant en compte la structure de la plante entière et la mécanique des tissus en croissance sera développé dans un second temps.

L'originalité de notre approche repose sur l'aspect interdisciplinaire du projet et sur l'apport de notre formation de physicien-mécanicien. L'utilisation de nombre sans dimension pour caractériser le gravitropisme, l'étude du mouvement des statolithes en termes de mouvement aléatoire d'un milieux granulaire dans un gel actif, le développement d'un modèle intégrant des éléments de rhéologie et de mécanique de croissance sont à notre connaissance des approches nouvelles dans le domaine.

 

Programme ANR : Blanc - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc SVSE 5) 2013

Référence projet : ANR-13-BSV5-0005

Coordinateur du projet :
Monsieur Olivier POULIQUEN (Centre National de la Recherche Scientifique Délégation Provence et Corse _ laboratoire IUSTI UMR7343)

 

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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.