How mechanical signals contribute to plant development : the role of the cell cortex in mechano-transduction

par Leïa Colin

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

Sous la direction de Olivier Hamant.

Soutenue le 30-11-2021

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) .

Le président du jury était Thierry Gaude.

Le jury était composé de Olivier Hamant, Thierry Gaude, Niko Geldner, Sabine Müller, Samantha Vernhettes.

Les rapporteurs étaient Niko Geldner, Sabine Müller.


  • Résumé

    Au-delà de leur nature biochimique, les organismes vivants sont aussi des objets physiques, subissant des contraintes mécaniques. Les plantes subissent des stress mécaniques internes, résultant du conflit entre leur pression de turgescence interne élevée (pouvant atteindre 1 MPa) et leur paroi cellulaire rigide capable d’y résister. Pendant ma thèse, je me suis intéressée aux rôles de ces signaux mécaniques internes lors du développement des plantes. A travers différents projets, j'ai étudié la contribution du cortex cellulaire dans la mécano-transduction. Avec mes collaborateurs, j'ai adapté une approche cellule unique pour étudier la contribution relative de la géométrie cellulaire et de la tension corticale sur le comportement des microtubules corticaux (CMT). Nous avons observé que les CMTs s'alignent sur l'axe long de la cellule lorsque les protoplastes sont confinés mais non pressurisés et avec la direction de tension maximale prédite (axe transversal) lorsque les protoplastes sont confinés et pressurisés. Cela suggère que les signaux mécaniques peuvent contrebalancer les contraintes géométriques. Cette réponse semble dynamique puisqu’en l'absence de nouvelle stimulation mécanique, les CMTs s'alignent sur l'axe long de la cellule : les CMTs répondent aux changements de tension plutôt qu'à la pressurisation uniquement. En parallèle, j'ai également contribué au développement d'un nouvel outil génétique éliminant spécifiquement le phosphoinositide PI(4,5)P2 de la membrane plasmique, et révélant ainsi un rôle potentiel du PI(4,5)P2 lors de l’organogénèse dans le méristème apical. Par ailleurs, les CMTs sont également impliqués dans le processus de synthèse de la cellulose, un composant majeur des parois cellulaires. Les plantes sur-exprimant la phospholipase PLAIIIß présentent une teneur en cellulose diminuée et une résistance mécanique réduite des tissus aériens. J'ai étudié comment l’altération de la composition de la membrane plasmique pouvait affecter la machinerie de synthèse de la cellulose, ouvrant la voie à l'analyse du rôle de la composition de la membrane plasmique dans la réponse des CMTs aux contraintes mécaniques, à la synthèse de la cellulose et au développement.

  • Titre traduit

    Comment les signaux mécaniques contribuent-ils au développement de la plante : le rôle du cortex cellulaire dans la mécano-transduction


  • Résumé

    Beyond their biochemical nature, living organisms can also be considered as physical objects, experiencing mechanical constraints. Plants experience growth-derived stress, resulting from the conflict between their high internal turgor pressure (which can reach 1MPa) and the stiff cell wall surrounded plant cells. In my PhD, I focused on the role of these internal mechanical signals during plant development. More specifically, I investigated the contribution of the cell cortex in mechano-transduction. Together with my collaborators, I adapted a single cell approach to investigate the relative contribution of cell geometry and cortical tension on cortical microtubule (CMT) behavior. We found that CMTs align with the cell long axis when protoplasts are confined but not pressurized and with predicted maximal tension direction (transverse axis) when they are confined and pressurized. This suggests that mechanical signals can override geometrical cues. I also found that this response is dynamic: in absence of new mechanical stimulation, MTs align with the cell long axis, indicating that CMTs respond to tension changes rather than pressurization only. In parallel, I also contributed to the development of new genetic tool specifically removing PI(4,5)P2 from the plasma membrane. This highlighted a potential role of PI(4,5)P2 during organ initiation at the shoot apical meristem. Whether PI(4,5)P2 also affects the MT response to stress remains to be explored. CMTs are involved in cellulose synthesis through the guidance of cellulose synthase complexes at the plasma membrane, and thus ensuring anisotropic cell growth. Interestingly, plant overexpressing the phospholipase PLAIIIß display reduced cellulose content and reduced mechanical strength of aerial tissues. I investigated how plasma membrane composition could affect the cellulose synthesis machinery, opening the path to the analysis of the role of plasma membrane composition in CMT response to stress, cellulose synthesis, and development.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 01-06-2022


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