Interaction between turgor pressure and plasmodesmata permeability

par Valeria Hernàndez Hernàndez

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Arezki Boudaoud.

Soutenue le 17-12-2019

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale de Biologie Moléculaire Intégrative et Cellulaire (Lyon) , en partenariat avec École normale supérieure de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Reproduction et Développement des Plantes (1993-....) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Interactions entre la turgescence et la perméabilité des plasmodesmes au cours du développement des plantes


  • Résumé

    Les cellules végétales sont entourées par une paroi cellulaire rigide, ce qui qui exclut des processus essentiels au développement animal, comme la migration cellulaire et le réarrangement des tissus. Au lieu de cela, le développement des plantes repose sur la division et l'expansion cellulaires. Le paradigme actuel suppose que l’expansion cellulaire dépend des propriétés biomécaniques de la paroi cellulaire et de la génération de la pression de turgescence. Les plasmodesmes sont des canaux membranaires qui relient des cellules voisines et permettent la libre circulation des molécules plus petites que leur diamètre (définissant leur perméabilité). Il est établi que la perméabilité des plasmodesmes change au cours du développement de la plante et que ces modifications peuvent affecter le mouvement des sucres. Pour cette raison, la perméabilité des plasmodesmes semble être un bon candidat pour la régulation de la pression de turgescence lors de l'expansion cellulaire, cependant, son rôle reste largement inexploré. Ainsi, des études antérieures suggèrent que les plasmodesmes peuvent répondre aux changements de pression de turgescence. Dans ce travail, nous avons avancé l'hypothèse selon laquelle la pression de turgescence et la perméabilité des plasmodesmes pourraient s’influence au cours du développement de la plante. Nous avons abordé ce problème en mettant tout d'abord en avant un réseau d'interactions entre différents facteurs cellulaires et moléculaires susceptibles de médier ces rétroactions entre la turgescence et les plasmodesmes. Deuxièmement, nous avons généré un modèle informatique pour explorer une direction de ces interactions: le rôle de la perméabilité des plasmodesmes sur la régulation de la pression de turgescence. Notre modèle utilise les équations de Lockhart décrivant l’expansion cellulaire irréversible, auxquelles sont ajoutées les flux d'eau et de solutés à travers les plasmodesmes. Nous avons utilisé la fibre de coton comme système d’étude car il s’agit d’une cellule unique qui ne se divise pas et qui augmente généralement en longueur. De plus, des études expérimentales antérieures dans ce système ont montré une corrélation entre la fermeture de plasmodesmes et des valeurs maximales de la pression de turgescence. Les résultats de notre modèle suggèrent que la perméabilité des plasmodesmes est en effet un facteur clé dans la régulation de la turgescence et de la croissance de la fibre du coton. De plus, nous suggérons que des changements dynamiques de la perméabilité des plasmodesmes soient nécessaires pour récupérer les comportements de pression de turgescence qui ont été rapportés expérimentalement.


  • Résumé

    Plant cells are surrounded by the rigid cell wall that precludes developmental processes that are central in animal development, like cell migration and tissue rearrangement. Instead, plant development relies on cell division and expansion. The current paradigm assumes that cell expansion depends on the biomechanical properties of the cell wall and on the generation of turgor pressure. Plasmodesmata are membrane-lined channels that connect neighboring cells and allow free movement of molecules that are smaller than their diameter (i.e., permeability). It is known that plasmodesmal permeability changes during plant development and that these modifications can affect movement of sugars. Because of this, plasmodesmal permeability seems to be a good candidate for the regulation of turgor pressure during cell expansion, however, its contribution remains largely unexplored. In turn, previous studies suggest that plasmodesmata may respond to changes in turgor pressure. In this work we put forward the hypothesis that turgor pressure and plasmodesmal permeability may affect each other during plant development. We addressed this problem by, first, putting forward a network of interactions between different cellular and molecular factors that might mediate these feedbacks between turgor and plasmodesmata. Second, we generated a computational model to explore one direction of these interactions: the role of plasmodesmal permeability on turgor pressure regulation. Our model uses Lockhart's equations for irreversible cell expansion with addition of plasmodesmal-dependent fluxes of water and solutes. We used cotton fiber as a study system because it is a single cell without division that mostly increases in length. Furthermore, previous experimental studies in this system have correlated closure of plasmodesmata with peak values of turgor pressure. The results of our model suggest that plasmodesmal permeability is, indeed, a key factor in regulating turgor and cotton fiber growth. Moreover, we suggest that dynamical changes of plasmodesmal permeability are needed in order to recover turgor pressure behaviors that have been experimentally reported. Finally, we explored with our collaborators the potential contribution of plasmodesmal permeability in the evolution of complex multicellular plants using the "Dynamical Patterning Modules" (DPMs) framework. These ideas can be useful in understanding how plant body plans originated.


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