Formation et identité cellulaire du cortex

Formation et identité cellulaire du cortex

Systèmes racinaires

Le système racinaire est une composante anatomique fondamentale des végétaux supérieurs. Il regroupe différents types de racines qui sont les organes souterrains permettant à la plante de puiser les ressources dans le sol, telles que l’eau et les minéraux (Gregory 2006; Mai, Phung et al. 2014). En effet les racines ont pour rôle de prélever des substances vitales dans le sol, telles que eau, sels minéraux et nutriments, afin d’alimenter les cellules de la plantes. Le système racinaire est également nécessaire à la stabilité de la plante. Grâce à son ancrage dans le sol, il assure le port dressé de la plante (Nawy, Lee et al. 2005). En plus de ses rôles d’absorption des nutriments et de fixation de la plante, la racine est aussi un organe de réserve. Ces racines sont organisées selon une architecture complexe dépendant de plusieurs paramètres, tels que leur morphologie, leur anatomie, leur distribution hiérarchique et leur arrangement spatial (Jung and McCouch 2013; Ristova, Rosas et al. 2013).

Il existe deux principaux types de systèmes racinaires: le système racinaire pivotant et le système racinaire fasciculé. Le système pivotant se retrouve principalement chez les Dicotylédones et les Gymnospermes. Il se caractérise par une racine principale à gravitropisme positif sur laquelle se développent des racines latérales. Il est caractéristique de la carotte ou de la plante modèle Arabidopsis thaliana (Figure 1 a). Le système fasciculé, retrouvé chez presque toutes les monocotylédones (comme le riz et le maïs), se caractérise par la présence d’un grand nombre de racines. Une première racine émerge durant le stade embryonnaire (racine primaire, radicule ou racine séminale) puis est remplacé au cours du développement de la plante par des racines coronaires (appelées aussi adventives). Les racines séminales et coronaires peuvent se ramifier et produire des racines latérales, ce qui permet d’augmenter la surface d’exploration du sol (Smith and De Smet 2012) (Figure 1 b). Les racines coronaires et latérales, qui sont des racines post-embryonnaires, ont un mécanisme de formation qui leur sont propre et qui diffère de celui de la séminale (Orman- Ligeza, Parizot et al. 2013). De nombreuses études sont menées pour identifier les réseaux de gènes impliqués dans la formation du système racinaire et comprendre les voies de signalisations activées (Jung and McCouch 2013; Mai, Phung et al. 2014). Cependant les connaissances sont encore limitées et de nombreuses choses restent encore à découvrir.

Comparaison des systèmes racinaires du riz et d’Arabidopsis thaliana

Ces racines sont caractérisées par une organisation commune. Elles sont constituées de trois grands groupes de tissus : l’épiderme, les tissus internes et les tissus vasculaires (Gregory 2006). Les faisceaux vasculaires (xylème et phloème) sont situés dans la stèle, au centre de la racine. Les autres tissus s’organisent autour d’eux de façon concentrique. L’épiderme est la couche la plus externe dont le rôle est de protéger la racine. Avec ses poils absorbants, cette couche a également la fonction de puiser les nutriments dans le sol. A l’intérieur de l’épiderme se trouvent les tissus internes. Selon les espèces, leur organisation est plus ou moins complexe. Par exemple, chez A.thaliana ils se résument à deux tissus monocouches: le cortex et l’endoderme (Figure 2 a), tandis que chez le riz plus de couches sont formées avec de l’extérieur vers l’intérieur : l’exoderme, le sclérenchyme, le cortex et l’endoderme (Figure 2 b).

Dans la littérature, les tissus internes (entre la stèle et l’épiderme) sont parfois regroupés sous un terme générique, le cortex (Lux, Luxova et al. 2004). En effet, les tissus internes des Angiospermes dérivent tous d’une même cellule initiale, qui est à l’origine de toutes les couches cellulaires. Les différenciations tardives des cellules corticales génèrent de l’endoderme pour la couche la plus interne et du sclérenchyme ou de l’exoderme pour les couches les plus périphériques (Kawata S 1965). Chacun de ces tissus présente une fonction bien précise : l’exoderme et l’endoderme forment des barrières sélectives aux ions vers les tissus conducteurs. Leurs parois se différencient en cadres de Caspary, qui sont des cadres imperméables constitués d’une substance cireuse appelée la subérine. Grâce à ces structures, ces tissus contrôlent le transport des nutriments et de l’eau dans la racine, et jouent également un rôle dans la défense contre les pathogènes (Geldner 2013). Le sclérenchyme avec ses parois fortement lignifiées est un tissu de soutien, conférant une solidité particulière à la racine. Il a également un rôle de barrière à certains métaux toxiques tel que l’aluminium (Rebouillat, Dievart et al. 2009). Le cortex est la zone centrale où se concentrent les réserves. Selon l’espèce et selon le stade, cette couche est d’épaisseur variable (une couche chez A.thaliana et d’une à douze couches chez le riz). Certaines des cellules corticales peuvent entrer dans un programme de mort cellulaire nommé lysogénie, qui conduit à la formation de cavités appelées aérenchymes.

Mise place des systèmes racinaires

Les tissus racinaires sont mis en place au cours du développement au niveau de zones mitotiquement actives appelées méristèmes racinaires (Evert and Esau 2006; Gregory 2006). Les méristèmes sont des zones de croissance et de prolifération présents chez toutes les plantes terrestres. Ils sont à l’origine de l’ensemble des cellules de la plante, qui par la suite se différencieront et donneront naissance aux différents tissus et organes. Le méristème apical racinaire (RAM) génère donc les différents tissus racinaires, qui se mettent en place autour d’un groupe de cellules appelé centre quiescent (QC) (Figure 3). Ce QC est présent dans l’ensemble des racines des plantes supérieures et sa taille est proportionnelle au diamètre racinaire (Clowes 1984). Il peut être très petit, quatre cellules chez A.thaliana (Clowes 1984) mais peut atteindre plusieurs milliers de cellules chez le maïs (Clowes 1984; Dolan, Janmaat et al. 1993). Le QC se compose de cellules qui ne se divisent pas ou très peu. Chez A.thaliana et le riz, les cellules les plus internes nommées « initiales » se trouvent autour du QC (Clowes 1958; Clowes 1978). Chez A.thaliana elles sont appelées Cortex- Endodermis-Initials (CEI) et chez le riz Common-Endodermis-Exodermis- Initiales (CEEI). Ces cellules ont la particularité d’être totipotentes (Evert and Esau 2006) ce qui signifie qu’elles peuvent se différencier en n’importe quel type de cellules. Elles se divisent de façon anticlinale (perpendiculairement à la surface) pour donner les cellules initiales dites « filles » (CEID ou CEEID) qui sont adjacentes aux CEI. Les cellules filles se divisent à leur tour de façon périclinale (parallèlement à la surface) et augmentent ainsi le nombre de cellules par couches et forment les tissus internes. Ces couches se différencieront en endoderme et cortex chez A.thaliana ; en épiderme, exoderme, sclérenchyme, cortex et endoderme chez le riz.

Le Cortex

Les cellules corticales sont originellement considérées comme des cellules parenchymateuses (Clark and Harris 1981). Le parenchyme est, par définition, un tissu composé de cellules vivantes qui présentent des morphologies et des physiologies variées et qui sont capables de croitre et de se diviser (Evert and Esau 2006). Ces cellules sont peu différenciées et remplissent diverses fonctions telles que l’activité photosynthétique, des fonctions de stockage ou autres activités métaboliques. Le terme « cortex » est également utilisé pour désigner l’ensemble des tissus internes (Lux, Luxova et al. 2004; Gregory 2006). En effet, tous ces tissus sont issus de divisions successives d’une même cellule initiale. Selon cette définition, toutes les couches produites par cette initiale appartiendraient à un même tissu (le cortex), et acquerraient des identités et des propriétés fonctionnelles distinctes. La différenciation des parois cellulaires en cadres de Caspary ou leur épaississement par un phénomène de lignification engendrerait la différenciation des cellules dites corticales en endoderme, exoderme ou sclérenchyme, et leur confèrerait des fonctions particulières. L’utilisation du terme cortex est donc à préciser.

Dans le cadre de notre travail, nous désignerons par cortex les couches de cellules comprises entre l’endoderme et le sclérenchyme, et nous utiliserons le terme générique « tissus internes » pour désigner l’ensemble des couches de cellules comprises entre la stèle et l’épiderme. Le cortex est un tissu composé d’un nombre de couches variables. Le riz et le maïs sont composés de plusieurs couches de cortex, dont le nombre varie au cours du développement et selon les conditions environnementales, tandis qu’A.thaliana n’en comporte qu’une seule. Une récente étude a mis en évidence une augmentation du nombre de couches de cortex chez A.thaliana en cas de stress abiotique (Cui 2015), suggérant un rôle de ce tissu dans l’adaptation au déficit hydrique. En plus de faire varier le nombre de couches, certaines espèces sont aussi capables de former des structures particulières au sein de ce tissu, appelées aérenchymes (paragraphe I.2).

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Table des matières

Liste des Abréviations
Introduction Générale
I.Systèmes racinaires
I.1 Définition d’un système racinaire
I.2 Comparaison des systèmes racinaires du riz et d’Arabidopsis thaliana
I.3 Mise place des systèmes racinaires
II.Le Cortex
II.1 Origine et évolution du cortex
II.2 L’inner-cortex et sa régulation
II.3 Variation du nombre de couches de cortex selon les types racinaires
III. Contrôle de la mise en place des tissus internes chez Arabidopsis thaliana
III.1 AtSHR et AtSCR : deux gènes clefs impliqués dans la formation du cortex chez A.thaliana
III.2 Modèle moléculaire de la mise en place des tissus internes
IV.Orthologues à AtSHR
IV.1 Conservation et évolution des protéines SHR
IV.2 Les orthologues du riz
V.Problématique de la thèse
CHAPITRE I : Formation et identité cellulaire du cortex
Introduction
I.Caractérisation des deux types de cortex
I.1 Différences anatomiques entre l’endoderme et le cortex
I.2 Origine de la couche d’inner-cortex
II.L’inner et l’outer cortex présentent des signatures moléculaires distinctes
III. Le cortex dans les racines latérales : présence d’outer-cortex et absence d’inner-cortex
III.1 Différences anatomiques entre les 3 types de racines latérales
III.2 Identification des tissus internes dans les différents types de racines latérales
Conclusion
CHAPITRE II : Mécanismes moléculaires de la mise en place du cortex
Introduction
I.La surexpression des gènes SHR engendre la formation de couches surnuméraires de cortex
I.1. Phénotypage des lignées transgéniques
I.2 Corrélation entre phénotype et niveau d’expression des gènes SHR dans la plante
I.3 Régulation des SHR et réseau de gènes
Conclusion : un rôle commun des gènes SHR dans la mise en place du cortex racinaire, mais via des mécanismes distincts
II.Analyse de la mobilité des protéines SHR1, SHR2 et AtSHR dans le riz
II.1 Etude de la localisation des transcrits SHR
II.2 Analyses des fusions traductionnelles chez le riz
Conclusion : la protéine SHR2 plus mobile que SHR1 ?
III. Création de mutants perte de fonction
Introduction
III.1 Criblage d’une population TILLING
III. 2 Lignées transgéniques perte de fonction (Knock-down et Knock-out)
Conclusion générale : Rôles des gènes SHR dans la mise en place du cortex
CHAPITRE III : Etude de l’expression d’OsSHR1 dans le développement du cal et de la plante
Introduction
I.Etude de l’expression d’OsSHR1 au cours du développement de la plante
I.1 OsSHR1 est exprimé dès la germination
I.2 Profil d’expression d’OsSHR1 en réponse à différents signaux environnementaux
I.3 Conclusion : OsSHR1 a une expression stable au cours du temps
II.Etude de l’expression d’OsSHR1 au cours de la callogénèse et de la régénération
II.1 Profil d’expression d’OsSHR1 sur le milieu d’induction
II.2 Profil d’expression d’OsSHR1 sur le milieu de régénération
II.3 Conclusion : rôles d’OsSHR1 durant la callogénèse et la régénération
III. Etude de la régénération des plantes transgéniques OsSHR1
Conclusion générale : rôle de SHR1 dans la callogénèse
Discussion et Perspectives
Le cortex du riz présente des propriétés communes avec celui d’A.thaliana
SHR1 et SHR2 interviennent dans la mise en place du cortex
Perspectives à plus longs termes
Matériels et Méthodes
Matériels
Kits
Matériel végétal
Méthodes
Extraction des acides nucléiques
Analyses protéiques
Colorations
Clonages
Transformation du riz
Test antibiotique
Phénotypage racinaire des lignées TILLING
Milieux de culture, solutions, tampons
Annexes
Publications
Bibliographie

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