Morphogenèse et développement :

intégration niveaux moléculaire-cellulaire-tissulaire-organe

allers-retours modèles - expérimentation

Jan Traas Reproduction et Dévelopmement des Plantes (UMR RDP), Lyon

Bruno Moulia: Physique et physiologie Intégratives de l'Arbre Forestier ou Fruitier (UMR PIAF) Clermont Ferrand

A priori stéreotypé (« programme génétique »)

Mais aussi dépendant de l’environnement

Le développement des plantes

Ex: floral organ mutants in Arabidopsis

Ex: flowering mutants in Antirrhinum and Arabidopsis

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Approche « Bottom-up »: la génétique et la physiologie ont permis l’identification de réseaux de régulation

0h

16h

F. Moneger and coll.

???

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Nous ne connaissons pas le lien entre les réseaux de régulation et la forme/morphogenèse

CYTOSKELETONCYTOSKELETON

CELL WALLCELL WALL

REGULATORY REGULATORY NETWORKSNETWORKS

ORGAN SHAPEORGAN SHAPE

TURGORTURGORPRESSUREPRESSURE

Internal programmeExternal influence

Des réseaux de régulation à la morphogenèse

Les réseaux de régulation sont à la base d’objets dynamiques avec une structure géométrique et physique hétérogène.

• Top-Down approach: From morphogenesis to relevant gene networks

La Morphogenèse peut être modélisée au niveau macroscopique en tenant compte de ces hétérogénicités biophysiques

Méristème apical avec distribution hétérogène de stress, Méristème apical avec distribution hétérogène de stress, dû à une croissance hétérogène, pression turgor, ... dû à une croissance hétérogène, pression turgor, ...

Plante entière sous influence du ventPlante entière sous influence du vent

Mais....soit on n’a pas de bases pour construire un modèle ou au contraire plusieurs modèles explicatifs sont possibles parce qu’il manque des données à l’échelle inférieure (ex.phyllotaxie)

un défi pour les «écophysiologistes» et «génomistes» : faire le lien entre les états et paramètres phénotypiques locaux et le phénotype global, en ciblant les processus pertinents

Un problème multi-échelle et multidisciplinaire:

réseaux moléculaires

Cellules

Tissus/organes Forme (géometrie)

Physique (contraintes)

Biochimie

Nous avons besoin:- d’approches multidisciplinaires

biophysique/biomécaniqueinformatique, écophysiologie, génétique moléculaire, biologie

cellulaire

Mots «clés»:- approches quantitatives descriptives - modélisation

From molecular networks to plant shape and back

Quantifier la croissance au niveau cellulaire chez les plantes sauvages et mutantes

Exprimer l’activité des gènes en termes de morphogenèse cellulaire dans des domaines d’expression spécifiques

la génétique de la géometrie (Coen, 2004)

Associer l’activité de molécules spécifiques à la morphogenèse

Quelques exemples de projets en cours:

Physiologie cellulaire, interactions chimiques

Représentation des cellules

Interactions physiques, croissance

Modélisation: représenter des tissus avec une résolution cellulaire en 3D

Croissance en modifiant Lo

Un premier essai: Modèle physique, interactions representées par des ressorts

Modéliser le comportement global à partir de paramètres locaux (k,l...)

Quelques exemples de projets en cours:

rigidité taille réelle taille à vide

coll Godin, Stoma, Barbier de Reuille

Coutand et al. 2000 , Coutand and Moulia 2000 J Exp Bot

forte réponse de croissance mais aucune relation quantitative avec la force ou la contrainte appliquée

La croissance et les réponses moléculaires peuvent dépendre de l’état mécanique des tissus: mécanoperception

peu de choses connues sur les processus (moléculaires) candidats:

approche top-down

Quelques exemples de projets en cours:

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Modèle mécanoperceptif

ecophysiologique

Lois d’actions à paramètres

locaux

• Iteration sur des expérimentation à sollicitations et structures variables identification de la variable perçue et des tissus compétents / test du modèle intégratif

•perception de la déformation / a et S0 paramètres constitutifs de mécanoperception

Modèle mécanique intégratif de l’interaction plante environnement

Modèle biologique intégratif hypothétique de perception-réponse

Structure perceptrice

Signal intégré candidat S

•Hypothèses à testerHypothèses à tester

Moulia and Coutand 2000

Sollicitation

Structure de soutien

Moulia and Fournier 1997

Champs d’états mécanique interne

• la réponse étudiée peut être changée

• Réponse moléculaire précoce et locale (Facteur de Transcription ZincFingerProt 2)

loi d’action de l’expression du facteur de transcription

mécanosensible ZFP2 en fonction des déformations perçues

[ZFP2 ]=f(S), S=.rddr)

R2 = 0.6684

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00

Somme des déformations

Facteur d'induction

Q_PCRQ_PCR

validation moléculaire du modèle intégratif de perception des déformationsvalidation moléculaire du modèle intégratif de perception des déformations

En cours, projet innovant EA Coutand, Fournier-Leblanc et al.

Relation linéaire [ZFP2]=a(S-S0) (gamme des « petites déformations » )

Recherche du résau de gènes aval de ZFP2 associés à la variation lente des paramètres constitutifs de la réponse de croissance, du fait de l’histoire mécanique,

• et couplage avec le modèle bio-mécanique de perception => modèle dynamique

Liens entre (éco)physiologie, expression des gènes, structure, et morphogénèse

Qu’est ce qu’on a gagné ?

Explicitation / Intégration des aspects physiques et biologiques Conditions d’existence physiques

variables globales comme l’énergie mécanique (ou taux de production d’entropie)

Discrimination / quantification / identification des variables internes candidates

Champs de variables perçus peuvent être comparés avec profils d’expression de gènes “avals” (parfois !)

Suppato et al, PNAS 2006Attention si en croissance: spécification eulérienne vs lagrangienne (tissu flow Silk 1984, 2006)

Causes et effets: Séparation de 3 types de paramètres (potentiellement) causaux

Fond génétique, “mémoire” de l’environnement et de l’interaction génotype*milieu

Qu’est ce qu’on a gagné ?

Paramètres structuraux (taille, forme, disposition des tissus)

si intégration temporelle : conditions initiales

conditions aux limites= environnement actuel (t)

Paramètres constitutifs (propriétés mécaniques tissus, paramètres de la mécanoperception locale)

Peuvent être directement reliés

à des données cellulaires

([ARN] …)

Réseau de gènes

Et combinaison (dynamique d’interaction) pour produire une forme phénotypique

1+2+3 phénotype intégré

• Perspectives et besoins

• Nous devons développer des approches multidisciplinaires intégrées. Laboratoires multidisciplinaires? Laboratoires sans murs?

• Nous avons besoin de modèles 3D, dynamiques à l’echelle cellule/organes et à l’échelle organe/plante entière. Ces modèles seront centraux dans l’élaboration d’approches de type biologie des systèmes

• Faire le lien entre les réseaux moléculaires, la forme et les propriétés physiques des objets biologiques reste un défi majeur en biologie

• Même si la mécanique et la signalisation chimique sont centraux dans la morphogenèse on pourrait par exemple étendre les démarches précédentes aux effets de la lumière et de la température => «multifonctional Virtual Plant models»