Comment les plantes acquièrent-elles leur forme ?

Publié par Michel le 13/12/2008 à 00:00
Source: CNRS
Illustration: © DR
Une équipe composée de chercheurs français, américains et suédois, pilotée par des chercheurs lyonnais de l'INRA, en collaboration avec l'ENS de Lyon, le CNRS et l'Université Claude Bernard Lyon I, vient de mettre en lumière un mécanisme fondamental de la morphogénèse (1) des plantes. Au terme d'un travail interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) combinant expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences répétées la validité d'une hypothèse et à obtenir des données quantitatives permettant de l'affiner. Elle est pratiquée par...) et modèles informatiques, ils ont montré que les forces physiques générées par des tissus en croissance déterminent l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de...) du cytosquelette (2) des cellules. Celui-ci, à son tour, contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) la forme des cellules et détermine en grande partie celle de la plante (Les plantes (Plantae Haeckel, 1866) sont des êtres pluricellulaires à la base de la chaîne alimentaire. Elles forment l'une des subdivisions (ou règne) des Eucaryotes. Elles sont,...). Ces travaux sont publiés dans Science le 12 décembre 2008.


Modélisation des contraintes mécaniques dans l'épiderme du méristème
après ablation d'une cellule

L'un des grands thèmes de la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des...) du développement est de comprendre comment les réseaux de régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.) sont liés à la forme des êtres multicellulaires. Les gènes contrôlent indirectement la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle,...) des tissus en affectant les propriétés chimiques et mécaniques des cellules individuelles. Mais réciproquement, les propriétés des tissus peuvent affecter l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) des gènes. L'enjeu est donc de déchiffrer le dialogue (Le dialogue est une communication entre deux ou plusieurs personnes ou groupes de personnes. Il doit y avoir au minimum un émetteur et un récepteur. Une donnée émise, c'est le message. Un code,...) entre gènes et formes. L'équipe pilotée par les chercheurs de l'INRA vient de réaliser une percée dans ce domaine grâce à l'étude du méristème (3) d'Arabidopsis, une plante à fleurs très utilisée en biologie végétale.

Les différentes vitesses de croissance des cellules dans le méristème créent collectivement des champs de forces dans les tissus. Ces champs sont issus des pressions mécaniques qu'exercent les cellules les unes sur les autres. Grâce à des modèles informatiques validés par de nombreux dispositifs expérimentaux, les chercheurs ont montré que les microtubules, constituants principaux du cytosquelette, s'orientent de façon parallèle aux directions des forces. Les cellules réagissent ainsi au stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à des contraintes...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou...). Or, il est admis que les microtubules contrôlent le dépôt orienté des fibrilles de cellulose dans la paroi cellulaire, donnant ainsi aux cellules à la fois leur rigidité et un axe de croissance préférentiel. Ainsi, via l'organisation (Une organisation est) des microtubules dans chaque cellule individuelle, les tissus peuvent changer de forme, se plier et adopter des formes caractéristiques dans le méristème d'Arabidopsis. Réciproquement, les formes en croissance génèrent les contraintes mécaniques qui contrôlent l'organisation des microtubules.


D'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) plus général, ces travaux s'inscrivent dans un changement de paradigme en cours dans la biologie du développement: les chercheurs ne considèrent plus le développement embryonnaire comme un processus sous le contrôle strict de la génétique, mais plutôt comme un processus à plusieurs niveaux qui interagissent entre eux. Ainsi, l'équipe a démontré que la morphogénèse du méristème est un phénomène émergent issu du comportement individuel des cellules cherchant à résister au stress mécanique. Cependant, ce mécanisme n'est pas le seul à l'œuvre lors de la morphogénèse des plantes. Il fonctionne en parallèle aux chaînes de réactions induites par l'auxine, une hormone (Une hormone est un messager chimique véhiculé par le système circulatoire qui agit à distance de son site de production par fixation sur des récepteurs spécifiques.) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) dans la formation des organes des plantes. Comprendre comment ces deux mécanismes se coordonnent pour former des structures et des tissus parfaitement différenciés est un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de recherches désormais ouvert aux chercheurs.

Ces résultats sont le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire...) d'une étroite collaboration entre biologistes, physiciens et spécialistes de la modélisation informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le...). L'irruption récente des modèles dynamiques dans le champ de la biologie végétale permet désormais l'étude des phénomènes complexes qui ont lieu durant la morphogénèse. Les tissus végétaux virtuels réalisés pour mener à bien cette recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) pourraient, à terme, permettre de rendre plus réalistes les modèles de plante dont se servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) notamment les agronomes.


Notes:

(1) Développement des formes d'un organisme au cours du développement.

(2) Ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) de polymères protéiques qui confèrent à une cellule ses propriétés mécaniques. On les classe en trois catégories: filaments intermédiaires, filaments d'actine et microtubules.

(3) Le méristème est la zone à partir de laquelle la plante croît. Constitué de cellules souches capables de se diviser, il est à l'origine de tous les organes de la plante (fleurs, feuilles, fruits...).


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