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Modifier la géométrie des cellules végétales et leur impact sur la croissance et l’organisation tissulaire de la plante

Presque tout ce que nous mangeons provient des plantes, que ce soit directement ou indirectement. La recherche de l’UE entend augmenter le rendement des cultures sans recourir à la manipulation génétique.

Alimentation et Ressources naturelles

Afin de produire les meilleures cultures et les plus nutritives dans des sols peu adaptés, et afin de réduire la dépendance vis-à-vis des engrais inorganiques et des pesticides, il est indispensable de comprendre comment les plantes se développent. Les plantes sont soumises à une impressionnante série de pressions physiques: par exemple, le compactage du sol et l’exposition au vent. Mais elles pourraient être capables de s’adapter pour parvenir à une croissance optimale, il s’agit simplement de découvrir comment les cultivateurs et les agriculteurs peuvent induire cette réponse.

Des résultats significatifs

Le cytoplasme d’une cellule végétale ne se limite pas à une goutte de gelée, il a une forme soutenue par deux protéines cytosquelettiques principales, l’actine et les microtubules (MT). Ces dernières aident les cellules à conserver leur forme, et pourtant, le cytosquelette est très dynamique. «Le principal objectif du projet PlantCellMech consistait à développer une approche expérimentale pour contrôler la forme de cellules végétales uniques et mesurer la contribution de la géométrie cellulaire dans la détermination de l’organisation cytosquelettique», explique Pauline Durand-Smet, boursière Marie Skłodowska-Curie. Mme Durand-Smet a utilisé la micro-lithographie pour fabriquer un ensemble de minuscules moules en silicone de formes circulaire, carrée, rectangulaire et triangulaire, afin de contraindre les cellules végétales sans paroi (protoplastes) à adopter des géométries définies. Chaque moule a servi à réaliser une feuille d’agar avec des micro-puits parfaitement calibrés, chacun occupant un protoplaste végétal unique. Grâce à la modélisation 3D, les chercheurs ont révélé qu’une règle géométrique suffit à expliquer l’organisation des MT observée, contrôlant l’alignement du réseau de MT. Ils ont également montré que l’actine s’organise de manière similaire aux MT dans des formes allongées. L’application de médicaments qui modifiaient la polymérisation des protéines cytosquelettiques a révélé que l’organisation de l’actine en réponse à la géométrie dépend des MT mais pas l’inverse. L’expérimentation avec des cellules dotées de protéines katanines modifiées a également confirmé que la séparation des protéines est importante pour l’organisation bien alignée des MT en réponse à un changement de forme.

Contrôler les pressions expérimentales

«Le manque de contrôle de la pression de turgescence (qui survient de la différence de pression osmotique entre l’intérieur et l’extérieur des cellules) dans les protoplastes les fait éclater», explique Mme Durand-Smet. «Nous nous sommes donc assurés de contrôler la pression osmotique durant les études.» Ils ont également dû travailler rapidement car les protoplastes commençaient à régénérer une paroi cellulaire en quelques heures. En outre, l’analyse de la modélisation de la forme cellulaire nécessitait une identification exacte des filaments d’actine et des MT durant les changements de forme. Les chercheurs de PlantCellMech ont recouru à des marqueurs fluorescents pour les différentes protéines et ont observé les protéines cytosquelettiques au sein des protoplastes à l’aide d’une microscopie à haute résolution.

Conclusions, nouvelles applications et avenir

Le chemin peut sembler long entre la modélisation de la forme des protoplastes dans de minuscules puits en laboratoire et les applications commerciales. Toutefois, les plantes fournissent les matériaux de départ pour les vêtements, le papier, les meubles et le combustible. Mme Durand-Smet souligne: «Pouvoir contrôler la forme des cellules végétales et donc le modèle de croissance et le rendement revêt une importance économique.» Selon Mme Durand-Smet, ce travail est une première étape vers l’évaluation quantitative de la manière dont la géométrie cellulaire contribue au contrôle de l’organisation cytosquelettique dans les cellules végétales vivantes. «Nous espérons que l’approche adoptée dans PlantCellMech peut être développée pour étudier comment la géométrie influence l’orientation de la division cellulaire des plantes ou la polarité cellulaire», conclut-elle. Ses plans pour l’avenir comprennent le suivi de la manière dont le cytosquelette se réaligne durant la transition de forme cellulaire et la mesure de l’impact d’une force quantifiable appliquée à une cellule. L’article décrivant les travaux, «Cytoskeletal organization in isolated plant cells under geometry control», a été publié dans bioRxiv.

Mots‑clés

PlantCellMech, forme, géométrie, protoplaste, cytosquelettique, actine, cellule végétale unique, pression osmotique, croissance végétale, microtubule

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