Understanding plasmodesmata membrane organization and the control of cell-to-cell connectivity in plants

Étude de l'organisation membranaire des plasmodesmes et de la régulation de la communication intercellulaire chez les plantes

• Auteur / Autrice : William Nicolas
• Direction : Emmanuelle Bayer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et physiopathologie
• Date : Soutenance le 09/12/2016
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biogénèse membranaire, UMR 5200 (Villenave-d'Ornon, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Moreau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Lévy, Lysiane Brocard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Chris R. Hawes, Yvon Jaillais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules -- Interaction

Plasmodesmes

Mots clés libres

Plasmodesmes

Taille d'Exclusion Limite

Site de Contact Membranaire

Connectivité

Symplaste

Plasmodesmata

Membrane Contact Sites

Size Exclusion Limit

Connectivity

Symplasm

Résumé

La communication intercellulaire est essentielle pour le développement et la survie d'organismes multicellulaires. Dans le règne végétale, une des voies privilégiée pour la communication intercellulaire est la voie symplastique qui implique des canaux aux dimensions nanométriques connectant les cellules entre elles, leur permettant d'échanger directement photo-assimilats, miARN, protéines, oligoéléments etc. Observés pour la première fois en 1880 par le botaniste autrichien Eduard Tangl (Tangl 1880; Kohler & Carr 2006), ils ont longtemps été considérés comme de simples trous perméables permettant la diffusion de matériel cellulaire (Lee & Lu 2011; Oparka & Roberts 2001). Etant donné leurs taille nanoscopique, ce n'est que dans les années 1960, avec la démocratisation de la Microscopie Électronique en Transmission (MET) qui permet d'atteindre , que les premiers modèles ultrastructuraux sont établis (Lopez-Saez 1965; Robards 1970). Ils font état d'un canal d'environ 30 à 40 nm de diamètre avec un élément central cylindrique traversant le pore, appelé le desmotubule, connecté au Réticulum Endoplasmique des deux cellules (Figure 1 of our review Tilsner et al. 2016). Dans les années 1980 notre compréhension des plasmodesmes a quelque peu évolué et nous savons maintenant que ces structures ne sont pas de simples trous mais des structures membranaires très spécialisées et régulées (Lucas & Lee 2004; Faulkner & Maule 2011; Furuta et al. 2012). Le modèle ultrastructural actuel découle de la congrégation d'études ultrastructurale, physiologiques et pharmacologiques plus ou moins anciennes dépeignant une structure morphologiquement très souple et changeant de conformation au cours du développement. Les plasmodesmes peuvent réguler leur ouverture/fermeture par la constriction de leurs extrémités grâce à l'accumulation entre la membrane plasmique et la paroi végétale d'un polymère de sucre, la callose qui va pousser la membrane plasmique contre le desmotubule et en obstruer les entrées. Cette modulation permettrait majoritairement de réguler les flux intercellulaires qui impliquent les plasmodesmes. Cependant nos connaissances sur les remaniements membranaires prenant place durant le développement des plasmodesmes et sur la régulation de leur perméabilité sont encore imparfaites.La microscopie électronique en transmission, malgré l'ancienneté de la technique, est l'une des plus résolutive, largement utilisée en biologie. Avec l'amélioration des techniques de préservation d'échantillons, notamment les cryo- méthodes, elle permet d'atteindre à l'heure actuelle des résolutions inférieures à 5 nm en condition contrastée et inclus en résine et peut descendre en dessous du nanomètre pour la cryo-microscopie. Ce potentiel permet aisément l'étude des sous-compartiments cellulaires de l'ordre du µm tel que mitochondries, chloroplastes, noyaux etc. (Frey et al. 2002) mais permet également l'étude ultrastructurale précise de structures de l'ordre de la dizaine de nm (Beck et al. 2007; Al-Amoudi et al. 2007).En revanche, dans son utilisation classique, la microscopie électronique ne permet pas d'accéder à la troisième dimension de l'espace, rendant difficile l'interprétation de structure à l'architecture quelque peu compliquée. En effet, les images produites ne sont que des projections en deux dimensions d'objets en trois dimensions. Cela a mené au développement de la tomographie électronique en transmission (Crowther et al. 1970), méthode basée sur un concept mathématiques formulé par Johann Radon au XIXe siècle. Ce n'est que dans les années 2000 que la tomographie électronique a pris un essor significatif grâce au couplage avec des méthodes d'automatisation informatiques.

Plasmodesmata were first observed by Austrian botanist Eduard Tangl in 1880. He devoted himself to studying the anatomy and cytology of plants and his greatest discovery, of course, was the observation and first characterization of plasmodesmata (Tangl 1880, 1884 and 1885). Despite not having access to their ultrastructure, he observed thin striations (see front page engraving) between cotyledon cells of Strychnos nuxvomica and in the endosperm of seeds and described them as being conductive ducts. Already at the time, he was evoking the idea that these strands "unite them [the cells] to an entity of higher order", in other words formulating the first definition of a symplastic domain. lt is only in 1901 that Strasburger finally names these canals "plasmodesmata". His discovery led to a radical change in our conception of the plant entity and brought in new concepts such as the symplasm (Munch 1930) and transmembrane fluxes between cells, which are now being tackled with great interest by numerous research teams around the globe.Because of their size, plasmodesmata ultrastructure was not accessible until the advent of electron microscopy and they were long thought to be simple holes connecting plant cells one-another with no specific regulation. lt is only with the advent of electron microscopy and chemical fixation that botanists started to gain interest in this structure again. And even with these methods allowing the observation of structures down to several nanometers in size, there are still debates on the nature of the canal, its constituents and physiology (Lopez-Saez J. 1965, Robards A. 1970, Ding et al. 1992, Tilney et al. 1991, Overall and Gunning 1982, Schulz et al. 1995).Nowadays, with the advent of modern cryopreservation and three-dimensional electron tomography methods, great improvements are to be done in the understanding of the ultrastructure and physiology of these mysterious canals. More particularly by understanding the link between the membranous rearrangements taking place in these pores and the molecular transit regulation.My work has led us to view plasmodesmata as specialised Membrane Contact Sites (MCS). Hence, by analogy with MCS found in mammals, yeast and plants, this work embraces an original angle on the speculation of the composition and role of the desmotubule-plasma-membrane tethering complex. The work produced during my thesis allowed me to contribute to the publication of one review and two articles, which will constitute the introduction and two main sub-sections of the results chapter, respectively. The introductory review has been published in 2016 in Annual Review of Plant Biology. The first one is still under reviewing at Nature Plant and the other has been published in The Plant Cell journal in April 2015.