Les assemblages moléculaires de microdomaines pariétaux contrôlent la dynamique des parois végétales – MicroWall

MicroWall a pour but (i) d’établir la preuve de concept en caractérisant un microdomaine d’assemblage moléculaire (PMEI6/HG/PRX36) impliqué dans le développement de la graine d’Arabidopsis, pour lequel nous avions des données préliminaires convaincantes (WP1 et WP2), et (ii) d’amener des preuves que cet exemple fait partie d’un concept plus universel avec d’autres combinaisons d’interaction entre membres des mêmes familles multigénique chez Arabidopsis mais aussi chez le lin (WP3).

L’obtention en juillet 2018 de ‘MicroWall’ a permis de pré-financer la finalisation d’expériences requises par les reviewers de l’article conduisant à sa publication en janvier 2019 (Francoz et al (2019) Dev Cell). Cet article fondateur pose les bases du concept du projet et répond à une partie du WP1. En effet, il présente par des approches intégrées de bioinformatique, de génétique et de biologie cellulaire, la relation entre 2 acteurs protéiques (PMEI6 et PRX36) et un acteur polysaccharidique (HG partiellement demethylestérifié) : Lors du développement de la graine d’Arabidopsis, PMEI6 contrôle, dans un microdomaine pariétal des cellules sécrétrices de mucilage (MSCs), la formation d’un motif de HG partiellement demethylestérifié permettant l’ancrage de PRX36. Cette peroxydase ainsi positionnée peut exercer son action de relâchement de la paroi végétale de façon polarisée. La conséquence physiologique est une « pré-fragilisation pointillée » du contour de la graine lors de son développement, permettant le relargage contrôlé du mucilage lors le l’imbibition de la graine mature, favorisant une germination correcte.

Deux autres articles concerant les thématiques de ce projet viennent d'être publiés (Jemmat et al (2020) Plant Sci; Viudes et al (2020) Plant Cell Environ).

Le projet se poursuit avec l'objectif de renforcer la démonstration de ces interactions par des approaches biochimiques et en criblant de potentielles autres combinaison d'interaction spécifique impliquant d'autres memebres des familles multigéniques concernées

1. Francoz E, Ranocha P, Le Ru A, Martinez Y, Fourquaux I, Jauneau A, Dunand C, Burlat V (2019) Pectin demethylesterification generates platforms that anchor peroxidases to remodel plant cell wall domains. Dev Cell. 48(2):261-276. doi: 10.1016/j.devcel.2018.11.016.
2. Viudes S, Burlat V, Dunand C (2020) Seed mucilage evolution: Diverse molecular mechanisms generate versatile ecological functions for particular environments. Plant Cell Environ. doi: 10.1111/pce.13827.
3. Jemmat AM, Ranocha P, Le Ru A, Neel M, Jauneau A, Raggi S, Ferrari S, Burlat V, Dunand C (2020) Coordination of five class III peroxidase-encoding genes for early germination events of Arabidopsis thaliana. Plant Sci. 298:110565. doi: 10.1016/j.plantsci.2020.110565.

La diversité et la dynamique des parois végétales (ex: polysaccharides, protéines) montrent des spécificités spatiotemporelles multi-échelles (ex: évolution, développement, cellulaire, subcellulaire) qui impactent leur valorisation industrielle. L’influence de cette hétérogénéité pariétale peut être positive (ex: les fibres de coton ont été sélectionnées depuis des millénaires pour leurs propriétés mécaniques liées à leur forte teneur en cellulose). Inversement, cette hétérogénéité peut influencer négativement la valorisation (ex: la production de biocarburants ou de pâte à papier nécessite une matière première pariétale abondante et la plus homogène possible). L’hétérogénéité pariétale est méconnue à l’échelle subcellulaire et résulte de l’assemblage de multiples microdomaines spécifiquement révélés par (immuno)marquages. De plus, les interactions moléculaires gouvernant la spécificité et le rôle de ces microdomaines restent obscures.
‘MicroWall’ a pour but de caractériser les interactions moléculaires présentes dans des microdomaines pariétaux et d’attribuer une fonction biologique à ces assemblages moléculaires complexes. Les molécules d’intérêt considérées sont des protéines codées par 3 familles multigéniques et un polysaccharide de composition et de structure variables. Ces familles multigéniques sont les peroxydases de classe III (PRX) connues pour leur double action de relâchement ou de renforcement pariétal, les pectine methylesterases (PME) et les inhibiteurs de PME (PMEI) qui contrôlent le degré de méthylestérification des domaines pectiques homogalacturonanes (HG). L’hypothèse de travail est que des patrons spécifiques d’HG forment un polysaccharide hautement variable pouvant permettre l’ancrage spécifique de PRX dans des microdomaines pariétaux particuliers. Ces localisations polarisées de PRX contribueraient à la dynamique pariétale par relâchement ou renforcement localisé de microdomaines pariétaux individuels. MicroWall a pour but (i) d’établir la preuve de concept en caractérisant un microdomaine d’assemblage moléculaire impliqué dans le développement de la graine d’Arabidopsis, pour lequel nous avons des données préliminaires convaincantes, et (ii) d’amener des preuves que cet exemple fait partie d’un concept plus universel. Le 1er but de ce projet (WP1 et 2) sera abordé par l’étude pluridisciplinaire d’un microdomaine d’HG dont le degré de méthylestérification est contrôlé durant le développement des cellules sécrétrices du mucilage des graines d’Arabidopsis par une PME à identifier qui est régulée par PMEI6. Notre hypothèse est que ce microdomaine pectique permettrait l’accrochage spécifique de PRX36 durant le développement de la graine. Ce positionnement de PRX36 permettrait successivement (i) le relâchement polarisé de ce microdomaine lors du développement cellulaire, (ii) la rupture polarisée de cette zone fragilisée, lors de l’imbibition de la graine sèche, et (iii) le relargage du mucilage favorisant la germination. Le 2ème but du projet sera abordé en transposant ce modèle PMEI6/HG/PRX36 au développement de la graine de lin (WP1), et en recherchant d’autres microdomaines impliquant d’autres patrons d’HG et d’autres PRX, PME, PMEI co-exprimées lors du développement des cellules sécrétrices du mucilage chez Arabidopsis (WP3). L’objectif est de démontrer que des membres individuels d'une famille multigénique donnée, co-exprimés dans une même cellule, possèdent des fonctions non redondantes grâce à leur positionnement dans des microdomaines spécifiques. Au delà de ces exemples centrés sur la dynamique pariétale des cellules sécrétrices du mucilage des graines, et puisque les acteurs moléculaires de ces assemblages sont universels chez les plantes, les connaissances fondamentales acquises lors de ce projet proposant des fonctions putatives pour des centaines de composants protéiques et polysaccharidiques pariétaux, seront cruciales pour la valorisation pariétale dans de nombreux autres contextes.