De la fleur au fruit: un jeu de tensions internes

En 5 secondes Des scientifiques de l'UdeM révèlent comment un bras de fer entre tissus à croissance rapide et à croissance lente sculpte le fruit chez une plante à fleurs.
L'Arabidopsis thaliana ou arabette des dames, est une petite plante que les biologistes utilisent comme modèle de référence depuis des décennies.

Contrairement à une cellule animale, une cellule végétale ne peut ni ramper ni se déplacer: elle est emprisonnée dans une paroi rigide, collée à ses voisines pour la vie. Une cellule née au centre d'un jeune fruit s'y trouvera encore quand ce fruit sera mûr. 

Par conséquent, lorsque deux tissus soudés l'un à l'autre sont programmés pour croître à des vitesses différentes, aucun des deux ne peut simplement s'écarter, il faut que quelque chose cède. Le tissu rapide met l'autre sous tension; le tissu lent, en retour, le freine. 

Une étude dirigée par une équipe de recherche de l'Université de Montréal montre que ce «tiraillement», loin d'être un simple inconvénient, est l'un des outils que la plante utilise pour former son fruit. 

Les travaux, menés par l'étudiante de doctorat Binghan Wang sous la direction de Daniel Kierzkowski, professeur au Département de sciences biologiques de l'UdeM et chercheur à l'Institut de recherche en biologie végétale, combinent imagerie en accéléré, microchirurgie, génétique et modélisation informatique, cette dernière technique ayant été mise au point en collaboration avec Richard Smith, du John Innes Centre (Royaume-Uni). 

Pourquoi l'arabette des dames? 

L'équipe a étudié Arabidopsis thaliana ou arabette des dames, une petite plante que les biologistes utilisent comme modèle de référence depuis des décennies: cycle de vie court, génome bien connu et entièrement séquencé et large boîte à outils génétiques permettant de créer facilement des mutants pour tester une hypothèse. Les découvertes à son sujet éclairent généralement des mécanismes partagés par beaucoup d'autres plantes, comme celles de la famille des brassicacées, dont font partie le canola, le chou, le brocoli, etc. 

Deux tissus, un même organe

L'équipe s'est intéressée au gynécée, l'organe reproducteur femelle de la fleur, la structure qui deviendra le fruit une fois fécondée et où se forment les ovules (qui deviendront les graines). 

Ce gynécée est fait de deux tissus très différents, soudés l'un à l'autre: 

  • les valves, sur les flancs de l'organe, qui croissent vite (environ quatre fois plus que le tissu voisin),
  • le replum, une étroite bande centrale à croissance lente, mais presque entièrement orientée dans une seule direction. 

Cette lenteur n'est pas un hasard: le replum est relié au méristème, un petit réservoir de cellules qui se divisent activement et qui produit les ovules. Chez les plantes, les méristèmes croissent lentement, une propriété essentielle pour une formation des organes viables.

Étirée jusqu'à prendre forme

Que se passe-t-il quand une bande lente est coincée entre deux tissus rapides? Les valves étirent le replum, le rendant plus long qu'il ne pourrait jamais le devenir seul. 

La preuve la plus nette: en retirant chirurgicalement une seule valve, l'organe se courbe systématiquement vers le replum, révélant le déséquilibre de traction. L'inverse fonctionne aussi: chez un mutant fruitfull, une plante chez qui un gène nécessaire à la croissance normale des valves a été désactivé, le replum devient court et large et la plante produit moins d'ovules. 

Or, les ovules apparaissent progressivement: à mesure que le tissu qui les porte s'allonge, de nouveaux espaces s'ouvrent pour en accueillir davantage. Étirer le replum, c'est donc faire de la place pour plus de graines. 

«Les valves ont l'air d'être la partie passive de l'histoire, mais ce sont elles le levier, affirme Daniel Kierzkowski. Si l'on veut modifier le nombre de graines qu'un fruit peut contenir, il faudrait cibler la croissance des valves tôt dans le développement.» 

Quand le tissu ne peut plus s'étirer, il se plisse 

Fait surprenant: tirer sur le replum ne le fait pas croître plus vite, mais change la direction de sa croissance. 

Chez le mutant fruitfull, où les valves cessent complètement de croître après la fertilisation, le replum continue pourtant de s'allonger, sans savoir où aller. Coincé, il se plisse, un peu comme un tissu qu'on fronce en le cousant à une pièce plus courte. En s'accumulant, ces plis écartent physiquement les deux valves inertes.  

«Ce que nous trouvons magnifique ici, c'est que la plante ne perd jamais sa continuité mécanique: il n'y a aucune rupture du tissu, souligne le professeur Kierzkowski. Quand le tissu est soumis à une forte compression, il se replie sur lui-même et il tient tout de même.»

Comment l'équipe a observé cette chorégraphie

Pour suivre la croissance cellule par cellule, les chercheurs ont utilisé la microscopie confocale en accéléré, une technique qui permet d’imager les cellules sur la surface d’un organe sans l'endommager. En répétant ces prises de vues à intervalles réguliers, l'équipe a pu mesurer précisément la vitesse et la direction de croissance de chaque cellule du gynécée. Cette observation directe a ensuite été confirmée par microchirurgie (retrait de valves), par génétique (mutant fruitfull) et par un modèle informatique développé avec Richard Smith. 

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