Des forces cachées façonnent les plantes de l'intérieur

Sylvia Silveira, Daniel Kierzkowski, Anne-Lise Routier-Kierzkowska et Loann Collet

Crédit : Amélie Bauer

Les plantes ne font pas que pousser, elles bâtissent.

Qu'il s'agisse d'arbres majestueux ou de fleurs délicates, les formes complexes des plantes sont sculptées avec une précision remarquable. Une étude menée par des biologistes et des biophysiciens de l'Université de Montréal révèle comment les plantes façonnent leurs organes en trois dimensions.

Les anthères – les organes reproducteurs mâles des fleurs – sont des structures responsables de la production et de la libération du pollen qui jouent un rôle clé dans la fécondation, un processus nécessaire à la production de fruits et de graines, indiquent les scientifiques dans leur article, publié en mars dans la revue Nature Plants.

C'est la première fois qu’une équipe de recherche parvient à reconstituer les propriétés physiques de cellules situées au cœur d'un organe végétal sur la base de données expérimentales.

Ces organes sont bien plus que ce qu'on pourrait croire.

Sous la direction de deux professeurs agrégés de l'Université de Montréal, Daniel Kierzkowski et Anne-Lise Routier-Kierzkowska, l’équipe a suivi la croissance de chaque cellule de l'anthère pendant plusieurs jours, dévoilant ainsi comment l'anthère est partie d'un simple groupe de cellules souches pour se développer en une structure 3D complexe.

En combinant la biologie moléculaire et la biophysique, les scientifiques ont abordé une question fondamentale: comment les cellules peuvent-elles communiquer à travers l'organe pour coordonner leur croissance et produire des formes complexes?

Des forces mécaniques à l'œuvre

Image en 3D de l'anthère en développement, obtenue par microscopie laser confocale. La coupe virtuelle montre les cellules dans différentes couches.

Crédit : Courtoisie

Les plantes sont constituées de minuscules cellules entourées de parois cellulaires rigides, organisées en couches de tissus. L'épiderme, la couche la plus externe, est facile à observer au microscope et est censé jouer un rôle déterminant dans le contrôle actif de la croissance et du développement.

Dans leur étude, les scientifiques de l'UdeM remettent en question cette vision en démontrant que les cellules internes façonnent activement la forme complexe de l'anthère. Grâce à des méthodes d'imagerie avancées, l’équipe de recherche a quantifié la croissance cellulaire dans toutes les couches de tissus de l'organe complexe en 3D.

Il s'agit d'un exploit remarquable: jamais auparavant un système végétal ou animal n'avait été cartographié en 3D de cette manière.

Les scientifiques ont découvert que les cellules du tissu interne se développent beaucoup plus rapidement que celles de l'épiderme, façonnant ainsi le jeune organe de l'intérieur.

«Traditionnellement, la recherche sur le développement des plantes se concentre sur l'épiderme en tant que tissu clé dictant la croissance des organes, déclare Daniel Kierzkowski, biologiste moléculaire au Département de sciences biologiques de l'UdeM. Mais nos données montrent qu'une expansion localisée et plus rapide des cellules internes entraîne la croissance des anthères en poussant activement vers l'extérieur, ce qui étire l'épiderme qui les entoure.»

«La force mécanique imposée par les tissus internes modifie les schémas de croissance de l'épiderme et la forme de ses cellules, ajoute Anne-Lise Routier-Kierzkowska, biophysicienne titulaire d'une chaire de recherche du Canada sur la biophysique végétale au service de l'agriculture durable et de la résilience climatique. Il s'agit d'un exemple de coordination cellulaire entre les couches de tissus par le biais de forces physiques.»

Réexamen souhaitable

Image en 3D de l'anthère en développement, obtenue par microscopie laser confocale. La coupe virtuelle montre les cellules dans différentes couches. Les cellules colorées ont été extraites en 3D pour analyser leur croissance. Une simulation de l'anthère illustre les forces physiques agissant sur les cellules.

Crédit : Sylvia Silveria, Elvis Branchini

Ces travaux soulignent l'importance des tissus internes au cours de la morphogenèse, un aspect souvent négligé en raison des difficultés techniques liées à la quantification de la croissance et des propriétés mécaniques sous l'épiderme, affirment les scientifiques.

«Nos travaux incitent à réexaminer d'autres organes végétaux et systèmes animaux, où les tissus internes pourraient jouer un rôle similaire», dit Daniel Kierzkowski.

En plus d'expliquer comment l'anthère acquiert sa forme, cette étude pourrait avoir un effet significatif sur la biologie du développement, selon Anne-Lise Routier-Kierzkowska. «Nous avons montré que l'anatomie, c'est-à-dire la forme et la disposition des cellules, est un facteur majeur dans la détermination de la capacité de croissance de chaque couche tissulaire de l'organe, mentionne-t-elle. Ces différentes capacités de croissance entraînent des interactions mécaniques qui, à leur tour, façonnent l'organe tout entier, ainsi que les cellules individuelles au sein des tissus.»

À l'avenir, l'équipe prévoit étudier comment les plantes créent des mouvements complexes – tels que le mouvement spiralé des vignes ou le forage des racines dans le sol – par le biais d'interactions mécaniques entre les tissus.

«Notre travail pourrait inspirer la conception de matériaux intelligents et de robots souples, conclut Anne-Lise Routier-Kierzkowska. Les possibilités sont immenses. Les plantes recèlent encore bien des surprises.»