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The Plant Cell, February 2011 © 2011
The American Society of Plant Biologists
First published November 2009
Revised February 2011
How to build an organism
Start with a
single cell
(usually a zygote
resulting from
the fertilization
of an egg by a
sperm)
How to build an organism
Cell division
Let that cell
divide several
times
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The American Society of Plant Biologists
First published November 2009
Revised February 2011
How to build an organism
Introduce
variation – make
the cells unequal
This can be a
very localized
change
Or a gradual,
gradient-like
change
How to build an organism
Let the different
cells behave
differently
They can
divide more
or they can
grow more
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Identité cellulaire: origine parentale ou de voisinage? Blanc, cellule indifférenciée; gris, cellule différenciée; ellipse,
information de spécification.
A, information parental.
B, information de position
C, utilisation successive d’information parentale et de position. Qu’est ce que le développement ?
de la division et de l’élongation
croissance: augmentation de taille, résulte
cellulaire
différenciation: obtention de caractéres morphologiques et fonctionnels
nouveaux
morphogenèse: acquisition de la forme globale >modifications locales du
taux de division et de la taille des cellules
plan d’organisation: les cellules, organes ou tissus doivent être mis en
place en un endoit précis, propre à chaque espéce
Ces concepts ne sont pas limités aux organismes multicellulaires. La
différenciation s’applique aux bacteries, cellules géantes, syncitia
etc…Comment générer de la variation avec le même génome au
départ? www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.109.tt1109
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Durant le cours, nous intéresserons surtout aux
Embryophytes,(plantes vertes, plantes terrestres….)
Plants and animals both start out as
a single cell
Zygote
Embryonic
development
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Zygote
Embryonic
development
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The same principles underlie early
development in animals and plants
zygote
Cell division
Patterning and
organogenesis
Differentiation
and growth
zygote
Animals are small but fully formed at
the end of embryogenesis
TH
W
O
GR
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Plants continually make new organs
as they grow – leaves, roots, flowers
IS
d
an NES
TH E
W OG
O
N
GR GA
OR
TH
W
O
GR
Post-embryonic organ formation occurs
through the action of meristems
Shoot
apical
meristem
Embryonic development of Arabidopsis
Root apical meristem
Capron, A., Chatfield, S., Provart, N., and Berleth, T. (November 12, 2009) Embryogenesis: Pattern Formation from a Single Cell. In The Arabidopsis Book, CR.
Somerville and E.M. Meyerowitz, eds (Rockville, MD: American Society of Plant Biologists), doi/10/1199/tab0129.
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The shoot apical
meristem makes the
stem, leaves, flowers
fruit and seeds
The root apical
meristem makes
the primary and
lateral roots
le développement des plantes est sensible au conditions
environnementales (plasticité)
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Développement des embryophytes et biologie cellulaire la multicellularité chez les plantes et les animaux à une origine(s) indépendante(s)
Caractéristiques cellulaires
particulières
–  Paroi cellulaire pecto-cellulosique
•  appareil cytokinétique
particulier (PPB,
phragmoplaste)
•  séparation incomplète des
cellules, symplasme
(plasmodesmes)
•  pas de migration cellulaire
Cytosquelette
Paroi
Plasmodesmes
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Cytosquelette
réseau de fibres protéiques dans le cytoplasme des cellules eucaryotes
(origine: FtsZ protéine de la scission bactérienne ancêtre des tubulines)
maintenance de la forme de la cellule
squelette + moteur (forme, support, mouvement)
3 types de fibres: filaments d’actine, microtubules, filaments
assemblage/desassemblage et glissement de l’actine et microtubules -> mouvement
cellulaire + mouvement des oganelles
transport des vésicules d’endocytose, phagocytose, pinocytose, virus
division des cellules
section d’une racine
colorant
des parois
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optique nomarski
AC anti microtubules
+fluorescence
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fonctions du cytosquelette
Filaments intermédiaires
Pas certains chez les plantes
Pas de gènes similaires aux lamines nucleaires
animales chez Arabidopsis
il existe néanmoins une classe de protéines à
longs «coiled coils »
(superhélices) www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.109.tt1109
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Actine et tubuline
polymérisent: actine-> microfilaments, tubuline->microtubules
non-covalent: -> structures dynamiques (force ionique, température)
in vitro (diffraction)
chaines polaires
fixent NTPs
Génomique du cytosquelette
Arabidopsis genome (150 Mb)
150 protéines liant l’actine
200 protéines associées aux microtubules 10-40 protéines similiares aux filaments intermédiaires.
plusieurs classes (myosines, kinesines, eEF1 etc) > 70 genes
-> redondance, difficulté d’assigner une fonction a un gène/
protéine particulier
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Mouvements
cytoplasmiques
1/adaptation à
l’intensité
lumineuse
cellule de Mougeotia
un seul chloroplaste
filaments d’actine
Mouvements cytoplasmiques
2/ secrétion
croissance du tube pollinique
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Etablissement de la polarité dans l’embryon de fucus
fécondation et développement externe
polarité dépendante de la lumiére
établissement d’un courant calcique
assemblage polarisé des filaments d’actine et dépot des vésicules au futur
rhizoide- processus similaire à autres cellules subissant « tip growth » :
tube pollinique La polarisation est bloquée par cytochalasin B (inhibiteur de la polymérisation de l’actine) mais pas par
cycloheximide (inhibiteur de la synthèse protéique) => pas nécessité de synth. protéique, redistribution de
l’actine existante
Expansion cellulaire Primordia foliaires
Expansion
Méristème
racinaire
Prolifération
50 µm
20 µm
Méristème apical
caulinaire
Croissance de la paroi pectocellulosique
Caractéristique de la différenciation des cellules végétales
Optimisation de l’interaction avec le milieu (photosynthèse,
nutrition minérale)
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Comment la croissance de la paroi est elle coordonnée avec celle de la cellule?
Expansion cellulaire
microtubules sous la membrane plasmique, orientation transverse lors de
l’expansion les MT sont parallèles aux fibres de cellulose de la paroi, puis se
réorientent. Il faut donc un mécanisme de signalisation
mtubules
paroi
traitement à la staurosporine
inhibiteur des protéines kinases
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Cytosquelette et Division cellulaire
fuseau mitotique: microtubules (MT)
pas de centrosome chez les plantes, mais foci multiples de MT
Définition du plan de division
La bande de preprophase
une structure unique aux
plantes qui définit la
position de la future
paroi
actine
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tubuline
Apparaît chez les plantes terrestres
(les embryophytes, des mousses aux
plantes à fleurs)
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Cytokinése: formation du phragmoplaste
racine de blé
albumen
zone de recouvrement des MT
dense en vésicules et protéines
non accessible au
anticorps
Double anneau de filaments de cytosquelette qui croît de façon
centrifuge vers le cortex cellulaire, tandis qu'un transport vésiculaire
intense vers la zone médiane permet la formation de la nouvelle
paroi par fusion des vésicules (plaque cellulaire).
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le mécanisme de division est différent entre les
végétaux et les animaux.
depot de vesicules
formant la nouvelle paroi
algues et champignons, construction du mur centripéte
plantes terrestres: construction centrifuge
les vésicules sont transportées par les microtubules pour la formation de la nouvelle
paroi
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rôle des
microtubules et de
l’actine dans la formation du
phragmoplaste
Tubuline
fluorescente
actine marquée avec
de la phalloïdine fluorescente
Etude de la dynamique du cytosquelette
nécessite marquage non-destructif « in vivo »
conjugaison de fluorochromes (fluoresceine, rhodamine) et injection
fusion avec protéine fluorescente verte (jaune, rouge) GFP
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Résumé
la division d’une cellule végétale nécessite la mise en place d’une
nouvelle paroi, sa position est déterminée par la formation de la
bande de préprophase, du phragmoplaste et de la plaque cellulaire
Drogues interagissant avec le cytosquelette
colchicine, calcium, froid: dépolymérisent les utubules
vinblastine précipite la tubuline
taxol fige le réseau de microtubules
cytochalasin B empéche polymérisation actine
cafféine inhibe la formation de la plaque cellulaire
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les plasmodesmes permettent la continuité du cytoplasme
Ils apparaissent chez les embryophytes
Apoplaste et symplaste, Plasmodesmes: ponts cytoplasmiques
Structure des plasmodesmes
l’actine et la myosine font partie des composants des plasmodesmes
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mouvement de cellule a cellule: le probléme….
Une, ou des protéines, codées par le génome viral, sont nécessaires au mouvement
Ex: la protéine de mouvement (MP) du virus de la mosaïque du tabac
(TMV), virus à ARN, réplication cytoplasmique
réplicase/hélicase
MP
capside
1987: des plantes transgéniques exprimant la protéine MP permettent le mouvement d’un virus mutant pour cette même protéine
1989: la MP augmente la taille d’exclusion des plasmodesmes
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Fusion CMV-MP/GFP
Localisée aux plasmodesmes
Colocalisation de la protéine de mouvement du virus de la mosaïque du
tabac et du réseau de microtubules
La replication virale et le mouvement (soit du virion, soit de l’ARN viral)
sont associés au cytosquelette
.
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Le mouvement de cellule a cellule des macromolécules
(ARN, protéines) fait partie du fonctionnement des
végétaux, les virus l’exploitent fusion protein
Immunolocalization
« in situ » hybridization
promoter GFP
Lucas, Science, 1995
Exemple: mouvement intercellulaire par les plasmodesmes de facteurs de
transcription et de leur ARN pour le maintien de l’identité cellulaire dans
les méristèmes Acetabularia acetabulum: modéle de biologie cellulaire
rôle du noyau et de l’information stockée dans le cytoplasme
dans le développement, Hammerling 1932-1934
morphogénes = mRNA
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