Contribution of mechanical stress to cell division plane orientation at the shoot apical meristem of Arabidopsis thaliana

par Marion Louveaux

Thèse de doctorat en Sciences de la Vie

Sous la direction de Olivier Hamant.

Le président du jury était Stéphane Vincent.

Le jury était composé de Olivier Hamant, Stéphane Vincent, David Bouchez, Dorota Kwiatkowska, Christophe Godin, Patrick Lemaire.

Les rapporteurs étaient David Bouchez, Dorota Kwiatkowska.

  • Titre traduit

    Rôle des contraintes mécaniques dans l'orientation du plan de division des cellules du méristème apical caulinaire d'Arabidopsis thaliana


  • Résumé

    La morphogenèse des plantes repose sur deux mécanismes cellulaires : la division et l'élongation. Par ailleurs, la croissance est source de contraintes mécaniques qui affectent les cellules et guident la morphogenèse. Si les contraintes mécaniques influencent l'orientation du plan de division dans les cellules animales, rien n'est prouvé pour les cellules végétales. À l'heure actuelle, la forme de la cellule est proposée comme le facteur principal gouvernant l'orientation du plan dans les divisions symétriques : les cellules se divisent selon un des plans les plus courts. Cette règle géométrique a été validée dans des tissus à croissance ou courbure isotropes, mais les mécanismes moléculaires sous-jacents demeurent inconnus. Dans cette thèse, un pipeline a été mis au point pour analyser les divisions cellulaires dans les différents domaines du méristème apical caulinaire d'Arabidopsis thaliana et questionner l'application de la règle géométrique dans ce tissu. La zone frontière du méristème présente une proportion anormalement basse de plans de division très courts. Des simulations de tissus en croissance, dans lesquelles une règle de division mécanique a été implémentée, ont montrées le même biais sur les orientation des plans, comparé à la règle géométrique. Des ablations laser de quelques cellules de l'épiderme ont également été effectuées afin de perturber localement le patron de contraintes mécaniques. Les résultats montrent que l'orientation du plan des divisions postérieures à cette perturbation suit le nouveau patron de contraintes. Enfin, une nouvelle méthode quantitative, basée sur l'utilisation d'un micro-indenteur, a été mise au point pour quantifier la réponse du cytosquelette, et en particulier des microtubules, aux contraintes mécaniques. Le protocole de compression a été testé et validé sur les mutants katanin et spiral2, dans lesquels la réponse aux contraintes est respectivement faible ou amplifiée.


  • Résumé

    Morphogenesis during primary plant growth is driven by cell division and elongation. In turn, growth generates mechanical stress, which impacts cellular events and channels morphogenesis. Mechanical stress impacts the orientation of division plane in single animal cells; this remains to be fully demonstrated in plants. Currently, cell geometry is proposed to be the main factor determining plane orientation in symmetric divisions: cell divide along one the shortest paths. This geometrical rule was tested on tissues with rather isotropic shapes or growth and the corresponding molecular mechanism remains unknown, although it could involve tension within the cytoskeleton. To address these shortcomings, we developed a pipeline to analyze cell divisions in the different domains of the shoot apical meristem of Arabidopsis thaliana. We computed the probability of each possible planes according to cell geometry and compared the output to observed orientations. A quarter of the cells did not follow the geometrical rule. Boundary domain was enriched in long planes aligned with supracellular maximal tension lines. Computer simulations of a growing tissue following a division rule that relies on tension gave the most realistic outputs. Mechanical perturbations of local stress pattern, by laser ablations, further confirmed the importance of mechanical stress in cell division. To explore the role of microtubules in this process, we developed a microindenter-based protocol to quantify the cytoskeletal response to mechanical stress. This protocol was tested and validated in the katanin and spiral2 mutants, in which the response to stress is delayed or promoted respectively.



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