Pourquoi une plante prend elle telle forme plut$ot qu’une autre? Les chercheurs voulaient connaître le mécanisme précis à l’oeuvre dans les croissance d’un végétal. Ils ont montré que les forces générées par des tissus en croissance déterminent l’orientation du cytosquelette des cellules. Le cytosquelette est l’ensemble de polymères protéiques qui confèrent à une cellule ses propriétés mécaniques. On les classe en trois catégories : les filaments intermédiaires, filaments d’actine et microtubules. Le cytosquelette à son tour, contrôle la forme des cellules et détermine en grande partie celle de la plante.
L’un des grands thèmes de la biologie du développement est de comprendre comment les réseaux de régulation génétique sont liés à la forme des êtres multicellulaires, constitués comme les plantes de multiples cellules.Les gènes contrôlent indirectement la géométrie des tissus en affectant les propriétés chimiques et mécaniques des cellules individuelles. Mais réciproquement, les propriétés des tissus peuvent affecter l’activité des gènes.
Cellules souches
L’enjeu est donc de préciser l’interaction entre gènes et formes. L’équipe pilotée par les chercheurs de l’INRA vient de réaliser une percée grâce à l’étude du mèristéme d’Arabidopsis, une plante à fleurs très utilisée en biologie végétale. Le mèristème est la zone à partir de laquelle la plante croît. Il est constitué de cellules souches capables de se diviser en donnant naissance aux cellules de tous les organes de la plante (fleurs, feuilles, fruits)
Le rôle des microtubules
Les différentes vitesses de croissance des cellules dans le mèristéme créent ensemble des champs de forces dans les tissus. Ces champs sont issus des pressions mécaniques qu’exercent les cellules les unes sur les autres. Les chercheurs ont utilisés des modèles informatiques validés pour comprendre comment tout cela pouvait jouer. Ils ont montré que les microtubules, constituants principaux du cytosquelette, s’orientent de façon parallèle aux directions des forces. Les cellules réagissent donc au stress mécanique.
Or les microtubules contrôlent le dépôt orienté des fibrilles de cellulose dans la paroi cellulaire. Elles donnent aux cellules leur rigidité et un axe de croissance préférentiel. Via l’organisation des microtubules dans chaque cellule, les tissus peuvent changer de forme, se plier et adopter des formes caractéristiques dans le mèristéme d’ Arabidopsis. Réciproquement, les formes en croissance gênèrent les contraintes mécaniques qui contrôlent l’organisation des microtubules.
Ces résultats incitent les chercheurs changer leur vision. Le développement embryonnaire n’est plus un processus sous le contrôte strict de la génétique. C’est un processus où plusieurs niveaux interagissent entre eux. Ces résultats sont le fruit d’une étroite collaboration entre biologistes, physiciens et spécialistes de la modélisation informatique. L’irruption récente des modèles dynamiques en biologie végétale l’étude des phénomènes complexes qui ont lieeu pendant la morphogénèse. Les tissus végétaux virtuels réalisés pour mener à bien cette recherche pourraient, à terme, permettre de rendre plus réalistes les modèles de plantes dont se servent notamment les agronomes.
Developmental patterning by mechanical signal in Arabidopsis, Science, 12 Décembre 2008
Olivier Hamant 1,2,7, Marcus Hetster 3,7, Henrik Jônsson 4,7, Pawl Krupinski 4, Magate Uyttewaat 1,2, Ptamen Bokov 5,6, Francis Corson 5, Patrik SaWin 4, Arezki Boudaoud 5, Elftoî M. Meyerovwtz 3, Yves Couder 6, Jan Traas 1,2
1 INRA, Laboratoire de Reproduction et Développement des Plantes; 2: Université Claude Bemard Lyon I, CNRS, Ecole Normale Supérieure de Lyon, 46 Allée d’Italie, 69364 Lyon Cedex 07, France; 3.Division of Biology, California Institute of Technology, Pasadena, California; Computational Biology and Biological Physics Group, Department of Theoretical Physics, Lund University, Suède; Laboratoire de Physique Statistique, Ecole Normale Normale Supérieure, Paris; Université Denis-Diderot Paris.