Le développement chez les Angiospermes

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1 Le développement chez les Angiospermes

2 INTRODUCTION Quelques rappels et concepts de base

3 Organisation générale d une plante

4 Introduction - I Un axe basal-apical! Apical Tige aérienne, feuille, fleur Polarité basaleapicale Basal Racine

5 Introduction - I Un axe radial et 3 tissus I aires! Épiderme Cortex Cambium Polarité radiale

6 Introduction - I Méristème Apical de la Tige Épiderme Cortex Procambium (tissus vasculaires) Centre Quiescent Zone Périphérique Méristème Apical de la Racine

7 Quelques notions utiles pour comprendre le développement

8 Principe de base du dév ent Des indifférenciées (totipotentes) acquièrent leur destin cellulaire par tion Différenciation Gènes du dév ent : gouvernent, organisent et dirigent la tion

9 Des infos déclenchent l évolution et la tion des Ces infos activent/inhibent la transcription de gènes 2 types d infos: Info intrinsèque à la Info extrinsèque à la

10 Information intrinsèque Elle est déjà contenue dans la!! Répartition d un morphogène selon un gradient Des ARNm Des protéines Des vésicules Organisation du cytosquelette etc.

11 Information intrinsèque Peuvent être positionnées sur la membrane ou la paroi de la!! Signal Différenciation

12 Info extrinsèque Elle est transmise par des voisines!! = Info de position

13 Induction Un tissu dirige l évolution d un tissu voisin Destin aire d une = f (de sa position)

14 Les informations de position sont prépondérantes dans le développement des plantes!!

15 Méristème Apical Feuille Noeud Bourgeon axillaire Croissance modulaire Noeud Phytomère Noeud Noeud Entrenoeud (Tige) Un noeud Une feuille Un bourgeon axillaire Un entrenoeud

16 Bourgeon apical Feuille M 5 M 6 M i Modules M4 Bourgeon axil. M 2 M 3 Noeud Internoeud Noeud Sytème Aérien Tige M 1 M 1 M 3 M 4 M2 Racine secondaire Racine primaire Sytème Racinaire

17 Méristèmes Groupes de emb aires persistantes ( souches ) Dév ent réitératif Ajouts de N elles structures pendant toute la vie de la plante (croissance modulaire) Virtuellement, tous les tissus post embryonnaires sont générés par les MAR et les MAT

18 Sequoia sempervirens Réservoir de souches actif depuis plus de 2000 ans!

19 Différenciation Prolifération % asymétrique TA souche

20 Zone de différenciation Transition en amplification (TA) Zone de la niche souche Cycle lent

21 Organisation des méristèmes chez les plantes Des souches, un organisateur central (OC), une zone de prolifération périphérique (TA) souches Régulées par des infos de positions souches Précurseurs clonogéniques

22 souches maintenues dans une niche "Un endroit spécifique dans un tissu où les souches peuvent résider pendant une période indéfinie et produire des filles en se renouvelant" (Ohlstein et al., 2004) La niche est un µenv ent externe (signal de maintenance) en interaction avec infos intrinsèques

23 Transition en amplification ( TA) TA Capacités prolifératives Amplifier le nb re de

24 Générer des produits asymétriques Une souches se %, les filles sont déplacées au-delà de la zone de signal de maintien souche (dans la niche) 1 fille qui reste dans la niche (retient le destin souche) 1 fille qui sort de la niche (entre en zone TA et se multiplie) Info intrinsèque ou extrinsèque

25 Les méristèmes sont des zones de régulations cadastrées Zone de différenciation : rôle des protéines rétinoblastome (RBR) Zone TA : rôle des phytohormones (auxines, cytokinines)? souche : dans une niche Centre Organisateur (CO: MAT) ou Centre Quiescent (CQ : MAR) Signal : nature encore inconnue

26 Le rôle des protéines RBR (RetinoBlastoma Related gene) dans la différenciation RBR réduit la prolifération et enclenche la différenciation MAT et MAR Mécanismes similaires chez les animaux (convergence)

27 Gènes sélecteurs Activation de certains gènes Cascades d activation/répression Destins aires Activation d un réseau (network) Organe ou différenciation

28 G 1 G 2 G 1 G 2 Activation de G 2 Répression de G 1 G 4 G 3 G 4 G 3 Activation de G 4 G 5 Activation de G 3 G 5 Activation de G 5

29 Des programmes intégrés existent: Les gènes sélecteurs les allument

30 Quelques originalité du développement chez les plantes

31 Introduction - IV Les végétales sont insérées dans une paroi rigide!! Paroi II aire Paroi I aire % aire (meresis) et l élongation (auxesis) Avant mise en place définitive de la paroi!! Protoplaste Mb ne plasmique (plasmalemme) Le déplacement des impossible!! La communication inter doit faire intervenir des structures spécialisées!!

32 Introduction - IV Comment résoudre le problème de la croissance et du développement? Les cellules des plantes se divisent et se différencient sur place!!

33 Introduction - IV Les communiquent par la voie apoplastique et symplastique Apoplastes Pores dans la paroi Symplastes Pores dans la paroi et plasmalemmes (plasmodesmmes) Plasmodesmes 2 à 3 X Apoplaste

34 Voie apoplastique Voie symplastique

35 Processus ligand-récepteur Apoplastes Petits peptides ou hormones Transport actif (exflux et influx) Auxine Transport symplastique directe : plasmodesmmes Protéines, mrna ou autres ARN

36 Plasmodesmes Desmotubes Rét. Endo. + Mb ane plasmique Orientation des plasmodesmes Spécifique des tissus

37 Plasmodesmes Mb ne plasmique Desmotubules Ret. end. Les plasmodesmes peuvent se fermer SEL (Size Exclusion Limit) Régulation de la taille des molécules qui transitent Plasmalemme

38 Introduction - IV Communication symplastique Rôle majeur dans le développement chez les plantes

39 Notion de domaine symplastique d un tissu Transport inter aire de micro ou macro molécules Forment un domaine symplastique Cytoplasme commun

40 LE DEVELOPPEMENT CHEZ LES PLANTES

41 Le développement des plantes Deux grandes étapes: Embryogenèse Organogenèse

42 I - Embryogenèse

43 Embryogenèse Zygote Embryon mature (dans une graine) 1 - Construction de l axe apical/basal 2 - Construction de la polarité radiale 3 - Mise en place des méristèmes I aires

44 Organogenèse Embryon Germination et croissance Organogenèse Fonctionnement itératif des méristèmes

45 I I

46 L Embryogenèse: Mise en place et fonctionnement des méristèmes

47 Rappel sur les grandes étapes de l embryogenèse

48 Embryogenèse Acquisition spatialement coordonnées de nombreuses identités aires 3 phases distinguables: (1) Proembryogenèse Segmentation (2) Organogenèse embryonnaire (3) Maturation embryonnaire

49 Zygote Segmentation Proembryogenèse Organogenèse 3 j. 4 j. Globulaire Cordiforme Torpille

50 Les différents stades de développement embryonnaire chez Capsella bursa pastoris

51 Embryon mature de Capsella bursa-pastoris (Brassicaceae) Axe hypocotyle radicule Procambium Enveloppe de la graine MAR Cotylédons Territoir présomptif du MAT

52 Proembryogenèse Phase de segmentation Zygote Embryon globulaire Embryon globulaire Zygote Suspenseur

53 Oosphère et zygote polarisées!! Plastes amylifères 40 à 70 µm Plastes Noyau Cytoplasme Zygote de grande taille

54 1 ère % asymétrique 1 apicale et 1 basale Cytoplasme dense Site très actif de synthèse protéique apicale Division Zygote Vacuole basale Cellules très vacuolisées

55 apicale basale 1 ère division Zygote

56 Les destins cellulaires de la apicale et de la basale sont différents apicale Majeure partie de l embryon basale Suspenseur + hypophyse

57 Suspenseur Hypophyse MAR (Arabidopsis: c et d; Petunia: d) Plan de % horizontal Partie basale: élargie en contact avec les tissus maternels

58 Ancrer l embryon dans sac Nutriment du sporophyte maternel embryon Structure filamenteuse très vacuolisées

59 apicale (Arabidopsis) 2 % verticales une % horizontale = Octant (8 ) % péricline Embryon 16 Protoderme mis en place

60 Embryon 1 Embryon 4

61 Embryon 8 Embryon 16

62 % péricline Couche externe 8 protoderme Couche interne 8 8 cellules 16 cellules

63 Division anticline Division pericline

64 L orientation de la % aires est contrôlée par l orientation d un réseau de µtubules corticales

65 Embryon globulaire Pas de polarité visible!! Partie supérieure Partie basale Embryon axialisé MAIS Pas de polarisation asymétrique dans la dimension basale - apicale

66 Embryon globulaire Étage apical (supérieur) bisérié Étage central (médian) Initium cotylédonaires Étage basal (inférieur): Primordium radiculaire 5 types de cellules (a, b,c, d et pr)

67 Zone supérieure ic: initium cotylédonaire ic a b c d ic p r Primordium radiculaire a: Futur procamium b: Futur cortex c: Futur centre quiescent d: Future columelle Pr: Futur épiderme

68 Proembryogenèse Stade globulaire Primordium radiculaire Petunia Primordium radiculaire Arabidopsis

69 Organogenèse 200 Symétrie axiale Symétrie bilatérale (ordre 2) Formation des organes embryonnaires fondamentaux Cotylédons et apex caulinaire, axe hypocotyleradicule, Radicule I aire, MAT et MAR

70 Stade cordiforme Primordium des organes majeurs de la plantule mis en place 3 tissus de base visibles Protoderme Cortex Procambium

71 Stade torpille Embryon mature Croissance de l axe hypocotyle - radicule Croissance et maturation des cotylédons

72 Zone apicale Zone basale Poussée cotylédonaire

73 Lignage cellulaire (a et b) chez Petunia Arabidopsis: Pas de dédoublement en a 1, a 2 et b 1, b a 1 a 2 b 1 b 2 a b i i i i i i

74 Lignage cellulaire (d) chez Petunia et Arabidopsis i d Cellule d Initiale de la columelle Pas de lignage cellulaire

75 Lignage cellulaire (Pr) chez Petunia et Arabidopsis i pr i pr i pr i pr Alternance de % anticlines et périclines Rhizoderme et coiffe

76 Radicule d un embryon mature Rhizoderme Procambium Centre quiescent Coiffe Columelle

77 Embryon stade globulaire Un seul domaine symplastique Symétrie bilatérale Émergence de sous domaines Régulation des plasmodesmes SEL (Size Exclusion Limit)

78 Embryon stade torpille 4 sous domaines symplastiques 1 - Apex radiculaire (avec MAT) 2 - Cotylédons 3 - Hypocotyle 4 - Radicule (avec MAR)

79 II - Développement de l axe radiculaire Mise en place et fonctionnement du MAR Le rôle fondamental de l auxine

80 Auxine Dév t axe apical-basal Dév t axial racine Identité et maintien du MAR Initiation des feuilles (phyllotaxie) Initiation des racines II aires Transport d Auxine polaire : Facteur majeur de formation des organes

81 Polarisation du flux d auxine Le flux d auxine induit la polarisation axiale de l embryon Le flux d auxine induit l identité et la régulation du MAR

82 Stades embryonnaires Localisation de l auxine dans différents tissus Zone d accumulation Racine II aire Zone de transport et dir on du flux Auxine Primordium foliaire

83 Auxine Peut transiter à travers la Voie apoplastique Transporteurs d influx et d exflux Fixation sur mb plasmique Récepteur ABP mb aire (Auxine Binding Protein) Cascade de signalisation Acidification et extension de la paroi

84 Auxine Auxine cytosolique Fixation sur ARF Transcription de gènes de réponse à l auxine (gènes à Auxine Response Elements)

85 Auxine extracellulaire ADN Transcription Signal (cascade) ADN ADN Gène induit par auxine Transcription ADN Transporteur d influx: AUX1 Transporteur d exflux: Site promoteur AtPIN1 AtPIN2 AtPIN3 ABP membranaire: Auxine Binding Protein ARF: Auxine Response Factor Région codante du gène CELLULE DE TRANSIT

86 L auxine est synthétisée dans les jeunes feuilles du méristème apical de la tige M.A.R

87 Transporteur d influx Transporteur d exflux Auxine Véhiculée par transporteurs d exflux (AtPIN1, AtPIN2, AtPIN3, AtPIN4, AtPIN7) Véhiculée par transporteurs d influx (AUX1) Voie apoplastique

88 Transporteur d influx Transporteur d exflux La localisation sur les membranes cellulaires des transporteurs d influx et d exflux contrôlent et polarisent le flux

89 Évolution de l accumulation d auxine % zygote Auxine s accumule dans apicale Embryon préglobulaire Auxine en position apicale Embryon 32 Accumulation dans hypophyse Quand CQ établit Accumulation dans i d

90 Auxine dans embryon préglobulaire Suspenseur et tissus maternels Embryon globulaire Synthétise auxine dans zone apicale

91 Le flux d auxine s inverse au cours de l embryogenèse

92 Changement de localisation des max. d auxine Corrélé avec distribution et redistribution des membres de la famille PIN PIN1 PIN7 Auxine Cambium

93 Embryon cordiforme Transport basipétale et redistribution latérale Initiales columelle Critique pour maintien de la zone méristème Boucle de reflux d auxine Régule la taille du MAR

94 Formation du site vasculaire par canalisation du flux d auxine Les se spécialisent vers le transport

95 Localisation des transporteurs d exflux AtPIN1 dans le procambium

96 AtPIN1 Nature 2007

97 Localisation par immunofluorescence du transporteur d auxine AtPIN1 dans le protophloème racinaire Protophloème Zone basale des Méristème Apical de la Racine Localisation des protéine AtPIN1 dans la partie basale des cellules

98 Mutants avec schéma axial défectueux GNOM

99 Le mutant gnom Mutant EMBRYO DEFECTIVE 30/GNOM Structure en sphère différenciées mais désorientées Perte de polarité basale-apicale Le zygote gnom ne se divise pas normalement

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101 Protéine GNOM Facteur d échange à Guanine (ARF - GEF) ARF-GEF : régulent le trafic des vésicules EMB 30/ GNOM Régule la déposition polaire de AtPIN1 (Exflux auxine)

102 Filaments d actine et microfibrilles Noyau Golgi Protéine convoyeur

103 La localisation de AtPIN1 se concentre progressivement dans les zones cotylédonnaires et les zones du cambium chez le phénotype sauvage (A et C)

104 Localisation de AtPIN1 et polarité cellulaire A, B: Type sauvage C, D: Mutant emb30/gnom A et C: Stade dermatogène B et D: Stade globulaire précoce Le transporteur d exflux d auxine AtPIN1 Normalement partie basale de la mb emb30/gn Pas de localisation basale de AtPIN1 Perte de polarité

105 La polarisation du flux d auxine induit la polarisation axiale de l embryon Spécification du MAR

106 Rôle du centre quiescent dans le MAR

107 du CQ Aussi des souches Capacité de prolifération illimitées Auto-maintenance et autorenouvellement MAR Initiales structurelles (C.O.) et initiales fonct elles

108 Initiales fonct elles qui se % activement autour du CQ (souches) Initiales struct elles % peu actives du CQ % souvent pour remplacer initiale fonct elle Comment la balance initiales struct elles / initiale fonct elle est t elle maintenue?

109 Maïs, Arabidopsis Ablation du CQ et coiffe Un nouveau MAR se reforme après le dèv ent d un nouveau CQ Inhibition du transport polaire d auxine Pas de néoformation du CQ et pas de MAR Transport polaire d auxine Rôle central dans spécification de la niche De nb eux facteurs de transcriptions sont nécessaires spécifiques du CQ

110 Gènes PLETHORA (PLT) PLT : Facteurs de transcription inductibles à l auxine PLT1 : Dès stade 8 PLT2 : Stade embryon globulaire PLT 1 et 2 : Action redondante PLT : Spécification du CQ et activité initiales

111 Doubles mutants plt1plt2 : pas de CQ et pas de MAR Expression des gènes PLT : CQ et souches

112 Système à boucle de reflux Accumulation d auxine (seuil?) Id Id Transcription de PLT Protéines PLT Accumulation dans CQ CQ Maintient identité des initiales

113 Une combinaison de gènes PLT inductibles à l auxine (et d'autres gènes) codent pour la spécification du CQ et des souches

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115 III - Développement de la graine

116 Passage de l ovule à la graine Téguments de l ovule Téguments de la graine Zygote Embryon Zygote accessoire Albumen (endosperme) Gynécée Fruit Ovaire Péricarpe

117 Développement de la graine Albumen (endosperme) Peut être un tissue de réserve Albumen Peut régresser Nucelle et téguments Testa Testa Enveloppe de la graine Testa mortes (cutine et lignines)

118 Différenciation des téguments Téguments % péricline et différenciation Épaississement et sclérification des Accumulation de cutines et lignines, subérines Barrière imperméable à l eau et O 2

119 Lignines et cutines Lignines : paroi II aire, haute résistance traction/pression Mélange de polymère amorphe de 3 composés phénoliques : alcool p-coumarylique, coniférylique et sinapylique Cutines : polyesters complexes d acides gras (acides cutiniques) Subérines : molécules complexes à base d acides gras

120 Graine mature de Lepidium sativum

121 Graines albuminées Albumen (endosperme) se développe au détriment du nucelle Tissu de réserve Tomate (Lycopersicon esculentum), tabac (Nicotiana tabacum), Poaceae (blé, maïs). Endosperme + testa Dormance

122 Graines exalbuminées Embryon se développe au détriment de l albumen Tissu de réserve Cotylédons Fabaceae, Brassicaceae, Asteraceae

123 Graines à périsperme Pas (Orchidaceae) ou peu de dévt de l albumen Tissu de réserve Nucelle persistant qui devient tissu de réserve (périsperme) Orchidaceae, Piperaceae, Caryophyllaceae

124 Réserves : Glucides Grains d amidons dans amyloplastes (graines amylacées: Blé, seigle, orge 70% amidon) Deux formes d amidons : amylose et amylopectine (70 à 90 %) Mananes (polymère de manose), xyloglucanes Grains Paroi hypertrophiée (albumen) Allium Cotylédons Lupin

125 Phytelephas macrocarpa : palmier à noix d ivoire Endosperme pierreux : polycondensats d homoglucanes

126 Grains d amidons dans amyloplaste

127 Réserves : Protéines Le + souvent forme insoluble: Corps protéique (organite) ou grain d aleurone Graines protéagineuses (lupin 40 %) Corps protéique Cotylédons (Fabaceae) Corps protéique Albumen (céréales) = couche à aleurones Grains d aleurones Vacuole ou vésicule terminales du RE