Développement primaire

7/23/2019 Dveloppement primaire

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Dveloppement primaire

chez les vgtauxSommaire

Introduction! 31 - De l'embryon la plante! 3

1.a - Germination! 3I.b - Lembryon a une structure simple! 4

I.c - Dveloppement post-embryonnaire chez les plantes! 52 - Les mristmes apicaux! 5

2.a - Le mristme apical caulinaire! 62.b - Le mristme apical racinaire! 6

2.c - Les mristmes axillaires! 73 - Organisation de la racine! 7

4 - Rgulation de l'identit cellulaire dans la racine!104.1 - Mise en place du cortex (A)! 12

4.2 - Ablation de linitiale corticale (B)! 124.3 - Ablation de la cellule-fille corticale (C)! 13

4.4 - Ablation de 3 cellules corticales filles (D)! 134.5 - Autre exprience contrle : Ablation de 3 cellules voisines! 13

4.6 - Conclusions! 135. Contrle gntique de l'organisation radiale! 14

Dveloppement animal et vgtal

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6 - La formation des racines latrales! 176.1 - Le systme racinaire! 17

6.2 - Le dveloppement des racines latrales! 177 - Le mristme apical caulinaire! 19

7.1 - Organisation du MAC ! 197.2 Maintien des cellules souches dans le MAC! 21


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Introduction

Le dveloppement chez les plantes: 3 tapes principales:

- Phase embryonnaire- Phase vgtative (formation de feuilles, racines...)- Phase reproductive

Croissance et formation de nouveaux organes en intgrant des caractresdveloppementaux et environnementaux

1 - De l'embryon la plante

! ! 1.a - Germination mergence de radicule

Allongement de l'axe caulinaire Conditions favorables

Contrle par des facteurs internes et externes (externes : temprature, H2O... ;internes: acide gibbrellique, l'acide abscissique)

Germination pige ou hypoge selon l'allongement de l'hypocotyle ou picotyle

Germination pige: Haricot, Phaseolusvulgaris


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On observe que l 'hypocotyle

s'allonge en formant un crochet.Cette crosse forme mnage lastructure du cotyldon et des feuillesen les tirant du sol et non en lespoussant

Germination hypoge: Pois, Pisum sativum

C'est l'picotyle qui s'allonge et lescotyldons restent dans le sol

! !! ! I.b - Lembryon a une structure simple MAR (mristme apical racinaire) Racine embryonnaire

Hypocotyle

1 ou 2 cotyldons

MAC (mristme apical caulinaire)


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! ! I.c - Dveloppement post-embryonnaire chez les plantes

Tous les autres organes sont forms post-embryonnairement partir de cellulessouches pluripotentes

Organogense et histogense continues. Le MAC est la fois organogne ethistogne. Le MAR n'est quhistogne, il ne forme pas d'autres racines par la suite

Mrse, auxse et diffrenciation cellulaire Dveloppement partir du MAR et du MAC

Tissus qui en drivent sont les tissus primaires Organisation primaire de la plante

2 - Les mristmes apicaux

MAR est responsable du dveloppement de la racine

MAC est responsable du dveloppement de la partie arienne Tissus de petites cellules indiffrencies capables de se diviser pour donner 2

cellules filles:

- 1 cellule fille va rester dans un tat initial indiffrencie- 1 cellule fille sort du mristme se diffrencie en rponse des

signaux de position

Lensemble des cellules initiales et des cellules drives vont former les cellulessouches


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Protoderme pidermeRhizoderme

Mristme apicalcaulinaireRacinaire

Mristme fondamentalTissus fondamentaux:Cortex, moelleCortex, endoderme

Procambium

Phlome primaireProcambium non diffrenciXylme primaireProcambium non diffrenciXylme primaireCylindre central:

- Pricycle- Phlome primaire- Xylme primaire

Les tissus en vert correspondent aux tissus ariens

! ! 2.a - Le mristme apical caulinaire Situ au niveau du bourgeon terminal

Forme variable: +/- convexe aplati, +/- troit

Assure la croissance en longueur de la tige feuille (tiges, feuilles, rameaux) Capable de fonctionner pendant toute la vie de la plante

Le mristme est cach derrire les primordia foliaires

! ! 2.b - Le mristme apical racinaire Situ l'extrmit de chaque racine Structure simple

Formation de files longitudinales de cellules partir des cellules du mristme

Allongement de racine par divisions transversales


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! ! 2.c - Les mristmes axillairesLes mristmes axillaires se trouvent au niveau des noeuds. Lorsqu'un primordium defeuille se dveloppe, il reste un amas de cellules mristmatique, c'est lui qui constitue lemristme axillaire. Ces cellules produisent des bourgeons axillaires qui possde leur

propre mristme apical (mme structure et fonction que le MAC

3 - Organisation de la racine

3 zones +/- continues:- Zone de diffrenciation (partie apicale)- Zone d'longation (partie centrale)- Zone de division cellulaire (partie basale)

La coiffe est situe sous la zone de division cellulaire

Expansion cellulaire dans la racine:

Rgion mristmatique, les cellules sont isodiamtriques

Zone d'longation expansion radiale et longitudinale Zone de diffrenciation poils absorbants

La racine d'Arabidopsisthaliana: un modle

Plante modle Observation aise de la racine

Organisation extrmement simple

Ressource gntique (mutants...)


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Schma d'une coupe longitudinale et transversale d'un apex de racine d'Arabidopsis thaliana

Les poils absorbants sont des excroissances des trichoblastes. Les poils se forment unecertaine distance de l'apex de la racine. Ils jouent un rle dans l'absorption de l'eau et des

sels minraux. Ils ont la capacit de puiser dans de nouvelles rgions au fur et mesureque la racine s'allonge dans le sol. Ils augmentent la surface d'absorption de la racine

Cortex: Cellules corticales (attention : dans le poly, cortex = cellules corticales

uniquement, il faut donc corriger) Cellules endodermiques = endoderme


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Le cadre de caspary constitue un cran aux substances qui proviennent du sol et quioblige un contrle cytoplasmique:

- Apoplasme : dsigne le continuum extracellulaire form par les paroispectocellulosiques et les espaces vides entre les cellules vgtales. L'eau et lessoluts peuvent y naviguer par diffusion passive non slective. Dans les racines,

la voie symplastique est rendue obligatoire, lors de la traverse de l'endoderme,pour permettre le passage de l'eau et des soluts de l'corce vers le cylindrecentral o sigent les faisceaux conducteurs de sve, les cadres de Casparrydes cellules de l'endoderme obstruant la voie apoplastique

- Symplasme: dsigne le continuum intracellulaire form par les cellules vgtalespar le biais des plasmodesmes. Les cytoplasmes de cellules ainsi relis neforment alors qu'un seul compartiment partag par toutes les cellules. La tailledes plasmodesmes rgule la taille des soluts pouvant naviguer activementdepuis une cellule vers une autre. Dans les racines, le symplasme assure le

passage de l'eau et des soluts du sol vers le cylindre central o sigent lesfaisceaux conducteurs de sve. La voie symplastique y est rendue obligatoire parla prsence des cadres de Casparry dans l'endoderme qui obstruent la voieapoplastique

Stle= cylindre central:- Pricycle- Tissus vasculaires (phlome et xylme)

Centre quiescent : Rgion qui est mitotiquement trs peu active. Chez Arabidospisthaliana, il est form de 4 cellules. Le centre quiescent est entour par les cellules initiales.Cet ensemble (centre quiescent + cellules initiales) forme les cellules souches de la racine

Centre quiescent maintien des cellules souches: WOX5 exprim dans le centre quiescent rpression de diffrenciation des cellules du mristme. Les signaux provenant du

centre quiescent -> maintien des cellules souches


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La coiffe: elle se trouve uniquement dans la partie apicale. La coiffe centrale est appelecolumelle elle joue un rle dans la perception de la pesanteur. La coiffe latrale entouretoute la racine

4 - Rgulation de l'identit cellulaire dans la racine

Comment se maintient le profil radial ?Hypothses:

La cellule, reoit-elle une information de la cellule mre ? Sa position dans la racine dtermine-t-elle son devenir ?

Technique d'ablation au laser

Liodure de propidium est capable de pntrer dans les cellules mortes, mais pas dans les

cellules vivantes. On peut alors distinguer les cellules mortes des cellules vivantes

Au bout de quelques jours, la cellule quiescente tue a t remplace, mais on ne peut

pas dire par quelle cellule.

Matriel vgtal 2 lignes transgniques exprimant gus (-glucuronidase) sous contrled'un:

Promoteur spcifique des tissus vasculaires marqueur des tissus vasculaires Promoteur spcifique de la coiffe marqueur de la coiffe

Ablation des 4 cellules quiescentes

Cellules de la stle se mettent la place (files cellulaires)


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Ces cellules n'expriment plus le marqueur du tissu vasculaire, mais expriment lemarqueur de la coiffe !

Au cours de l'embryogense, les cellules du centre quiescent et de la coiffe driventde l'hypophyse

Information pour le devenir des cellules selon l'axe apico-basal est prsente enpermanence

L'initiale corticale subit une division anticline. Une donne le statut d'initial et l'autre donneune cellule fille corticale qui subit son tour une division pricline asymtrique qui gnrevers l'intrieur une petite cellule qui se diffrentie en endoderme et vers l'extrieur unecellule qui se divise en une cellule corticale


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Cellules initiales ne sont pas prdtermines. La position dtermine l'identit. Il existedonc un signal permanent qui contribue l'organisation radiale de la racine

! ! 4.1 - Mise en place du cortex (A)Rappel : cortex reprsente cellules apicales et endodermiques.

On a linitiale corticale en contact avec le centre quiescent qui subit une division anticline.

La corticale fille va subir ensuite une division pricline asymtrique (une grande cellule encorticale, et une cellule de plus petite taille vers lintrieur de la racine).

! ! 4.2 - Ablation de linitiale corticale (B)Lorsquon procde lablation de linitiale corticale : la cellule toute derrire est linitiale

pricyclique. On constate que deux cellules du pricycle prennent la place de linitiale

corticale. Deux, cas la cellule initiale est plus grande donc il y a de la place pour deux

cellules pricycliques. Elles vont ensuite se diviser pour former cellules corticales etcellules endodermiques (au nombre de 9).


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Les cellules initiales ne sont pas prdtermines. Cest la position de la cellule qui

dtermine son identit.

Puisque les cellules initiales ne sont pas prdtermines, les cellules du mristme sont

capables de modifier leur devenir.

! ! 4.3 - Ablation de la cellule-fille corticale (C)Au bout de quelques jours, linitiale corticale se divise de faon anticline ; puis la cellule

fille subit la division pricline asymtrique. Tout se passe normalement.

Cette initiale corticale garde un contact avec les corticales filles voisines. Linformation

pourrait venir dun signal provenant des cellules corticales filles vers linitiale.

! ! 4.4 - Ablation de 3 cellules corticales filles (D)Linitiale centrale na plus de contact avec les cellules corticales filles. Linitiale se divise

toujours de faon anticline, mais la cellule fille corticale ne se divise pas de faon

asymtrique pour donner naissance aux cellules corticales et endodermiques.

On pourrait ventuellement expliquer ce rsultat par le fait que cette fois-ci, on a tu 3

cellules.

4.5 - Autre exprience contrle : Ablation de 3 cellulesvoisines

Ablation de 1 cellule fille de- Epiderme- Corticale- Pricycle

Initiale corticale centrale reste en contact avec des corticales filles Division anticline, puis pricline

! ! 4.6 - Conclusions La position dfinit le devenir cellulaire Cette information de position est dirige vers l'apex Les initiales ne gnrent pas le profil de la racine, mais maintiennent un profil mis en

place au cours de l'embryogense


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5. Contrle gntique de l'organisation radiale

Suite TD : l'utilisation de mutants pour la comprhension du dveloppement chez lesplantes# - Mutant scarecrow

# - Mutant shortroot

Mutant shoortroot : Retard de croissance de la racine chez ce mutant Une seul couche de cellule entre l'piderme et le pricycle

Quelle est l'identit de ces cellules ?Immunolocalisation avec anticorps spcifique d'un glucide de la paroi des cellules del'piderme et des cellules corticales

Les cellules de la couche mutante ont descaractristiques de cellules corticales.Pas de caractristiques d'endoderme

Analyse de l'expression de shoortroot :


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Transformation d'Arabidopsis avec un gne rapporteur (GFP ou gus) sous contrle dupromoteur shoortroot Transcrits et expression de SHR dans la stle et les initialesvasculaires

Localisation de la protine shortroot :

Transformation d'Arabidopsis avec une protine de fusion GFP-SHR sous contrle dupromoteur SHR

La protine shoortroot est prsente dans :- La stle- Du noyau et cytoplasme de cellules de l'endoderme- Noyau de cellules du centre quiescent, initiales et cellules-filles corticales

La protine migre de la stle vers les cellules des couches voisines. Elle agitindpendament de la cellules o est exprim le gne effet "paracrine"

Contrle gntique de l'organisation radiale par les gnes SCARECROW etSHORTROOT :


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Analyse de l'expression de SHR dans le mutant scr :

Le gne SHR est exprim dans le scr

Analyse de l'expression de SCR dans le mutant shr : Le gne SCR n'est pas exprim dansle mutant shr

L'activit de la protine SHR est ncessaire l'expression du gne SCR

Conclusions

Le gne SCARECROW controle la division asymtrique de la cellule fille corticale Le gne SHORTROOT est ncessaire pour la diffrentiation de l'endoderme et pour

l'activation du gne SCARECROW La protine SHORTROOT contrle l'organisation radiale de manire paracrine Sa localisation nuclaire suggre qu'elle agit directement sur la rgulation

transcriptionnelle. SHORTROOT est un facteur de transcription


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6 - La formation des racines latrales

! ! 6.1 - Le systme racinaireOn peut considrer deux types de systmes racinaires :

-# Le systme pivotant : on le trouve chez les dicotyldones. On a une racineprimaire qui senfonce directement dans le sol, et qui va tre lorigine de racines

latrales/secondaires au fur et mesure du dveloppement. Les racines latrales les plus

jeunes se trouvent au niveau de lapex de la racine. La particularit est que les systmes

racinaires descendent profondment dans le sol.

-# Le systme fascicul : chez les monocotyldones. La racine primaire est

phmre. Le systme racinaire se dveloppe partir de racines adventives formes

partir de la tige (contrairement aux racines latrales). Dans ce systme, on a galementdes racines latrales qui se forment partir des racines adventives. Cest un

dveloppement racinaire beaucoup plus superficiel (ladhrence au sol est cependant

toujours trs forte). Ces plantes protgent les sols de lrosion.

! ! 6.2 - Le dveloppement des racines latrales Les racines latrales se forment partir des cellules du pricycle

Face au ples de protoxylme ou de protophlome (selon les espces) Initiation dans les cellules du pricycle

Dans ces files de cellules pricycliques, cellules plus petites et plus nombreuses

Diffrents stades de dveloppement des racines latrales chez Arabidopsis :

I : divisions anticlines des cellules pricycliques. Elargissement radialII : Divisions priclinesIII : Division priclines de la couche la plus externe

IV : Divisions priclines de la couche la plus interneV : Divisions priclines dans la partie mdianeVI : divisions priclines dans la partie mdiane. L'organisation radiale se met en placeVII : primordium apex structur de racine secondaire


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Emergence de la racine latrale


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A quel moment le mristme devient-il fonctionnel ?

Fragments de racine d'Arabidopsis contenant des primordia diffrents stades dedveloppement placs dans un milieu de culture

On peut considrer qu'un mristme est un ensemble de cellules capable de formerun

organe Primordium de 3-5 couches de cellules poursuit son dveloppement

Mristme fonctionnel avant que la structure ne soit histologiquement reconnaissable

A quel moment ces cellules se diffrencient-elles ?

Diffrenciation se dans le primordium

Les tissus se mettent en place selon un ordre strict

L'histogense prcde la structuration du MAR

7 - Le mristme apical caulinaire

Centre d'initiation rpte d'organes durant toute la vie de la plante

Production continue de cellules qui vont former des tiges, des feuilles des mristmesaxillaires

Le MAC est la fois histogne et organogne

! ! 7.1 - Organisation du MAC

Rgions ayant des fonctions et des devenirs diffrents L'observation microscopique de coupes longitudinales de MAC des angiospermes :

plusieurs assises cellulaires (organisation clonale)

Assise externe : Tunica

Chez Arabidospis, 2 assises cellulaires L1 et L2. Divisions anticlines

Cellules de L1 se diffrentient en cellule pidermique de feuille, tige ou fleur Cellules de L2 se diffrentient en cellules sous-pidermiques

Tunica forme et maintenue par orientations anticlines des plans de division


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Massif cellulaire situ sous la tunica : Corpus

L3 : assise gnratrice du corpus chez Arabidopsis

Cellules du corpus contribuent la formation des tissus plutot internes (feuilles etfleurs ; tissus vasculaires de la tige)

Pas de plans de divisions prfrentiels (divisions priclines et anticlines)

Organisation radial du MAC

* 3 domaines ou zones dfinis selon des critres cytologiques* Zone centrale au sommet du mristme ; s'tend en profondeur sur partie de tunica etcorpus -> rservoir de cellules souches. Prognitures recrutess dans ZP et ZM* Zone priphrique o naissent les primordia: Cellules, en gnral, plus petites, moinsvacuolises ; se divisent plus rapidement que celles de ZC

* Zone mdullaire constitue la base du mristme; cellules plus grandes, organises enfiles; production des parties internes de la tige

Activit mitotique au sein du MAC

* Zone priphrique : marquage important* Zone centrale la moins active* Zone mdullaire : activit mitotique variable


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! ! 7.2 Maintien des cellules souches dans le MAC MAC hautement organis

MAC 2 fonctions distinctes :- Mise en place des organes latraux dans ZP

- Auto-maintien du MAC par l'activit de la ZC

SHOOTMERISTEMLESS (STM)

Mutant shootmeristemless : absence de mristme STM est un facteur de transcription

STM est exprim dans ZC et ZP Maintient les divisions cellulaires Accumulation d'un nombre suffisant de cellules avant initiation d'un

primordium Empche la diffrenciation cellulaire

Mutant wuschel (wus)

Mristme se met en place, mais se termine prcocement aprs dveloppement dequelques organes

Production de fleurs avec moins d'organes (une seule tamine) Mristme d'inflorescence aplati

Wuschel code un facteur de transcription

Expression d'un petit groupe de cellules en dessous de L3 = centre organisateur WUSCHEL maintient l'identit des cellules souches de la zone centrale

Mutants clavata 1,2 et 3 (clv)


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Mristme plus grand, ZC plus grande

Accumulation d'un surplus de cellules dans ZC

Plus de feuilles; tiges largies Fleurs avec carpelles surnumraires

Expression et fonction des gnes clavata 1-3

CLV1 : rcepteur transmembranaire activit kinasique. Expression de clv1 dans ZC,juste au-dessus du domaine d'expression de wus

CLV2 : rcepteur membranaire ; s'associe avec CLV1 pour former un complexe Expression de clv3 au sommet du MAC. CLV3, peptide diffusible, active le complexe

htrodimrique CLV1/CLV2 en s'y fixant (effet paracrine)

La voie CLAVATA restreint l'expansion de la zone centrale

WUS est une cible de CLV3

Mutant clv1 expression de WUS dans un domaine plus large CLAVATA exerce un contrle ngatif sur wus

Augmentation d'activit de WUS augmente le nombre de cellules souches et largit ZCdu MAC


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Transmission du signal via CLAVATA limite l'activit de wus aux cellules du centreorganisateur

Surexpressionde wus : WUSCHEL active l'expression de clavata3

Surexpressionde clv3 : inhibition de l'expression de wus

Voie de signalisation CLAVATA-WUSCHEL contrle taille de population de cellules

souches

Chez Arabidopsis, cellules souches de la ZC qui produisent la protine signal CLV3.CLV3 active le complexe rcepteur membranaire CLV1/CLV2 dans les cellulesenvironnantes effet paracrine

Transmission du signal limite l'expression de wus au centre organisateur

Wus reprsente une voie positive : active l'expression de clv3 Interaction plus ou moins entre wus et clv3 qui controlent la taille du MAC


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