L’auxine permet aux cellules de lire l’espace et le temps

Résultats scientifiques Biologie végétale

L’auxine, "hormone végétale", fournit aux cellules une information positionnelle permettant les changements d’identité cellulaire régulant la dynamique de la morphogenèse chez les plantes. Pour comprendre la nature de cette information, des scientifiques ont quantifiés simultanément les concentrations de l’auxine et la transcription des gènes induits par elle. Ils montrent que les cellules peuvent lire la concentration de l’auxine non seulement dans l’espace mais également dans le temps. Ce travail est publié dans la revue eLife.

Les plantes, comme les animaux et les autres organismes multicellulaires, contrôlent la mise en place de leur architecture en créant des motifs spatiaux de cellules d’identités différentes. Ces motifs sont en général établis par des signaux moléculaires dont les niveaux varient au sein d’un tissu. Les niveaux de ces signaux fournissent ainsi une information positionnelle, permettant aux cellules de déterminer leur localisation dans le tissu et d’initier une réponse morphogénétique adéquate.

L’auxine, une hormone végétale, est un de ces signaux et contrôle notamment quand et où la plante produit de nouvelles feuilles et fleurs. Les feuilles et les fleurs sont formées l’une après l’autre à l’extrémité des tiges en croissance par un petit groupe de cellules appelé méristème apical caulinaire. Dans le temps, la production rythmique de ces organes aériens produit l’organisation géométrique en spirale caractéristique de nombreuses espèces de plantes (aussi appelé phyllotaxie spiralée).

Les travaux menés depuis un quinzaine d’années ont mené à proposer que l’auxine s’accumule à des positions particulières dans le méristème apical caulinaire, déclenchant ainsi l’activation des gènes permettant la formation d’un nouvel organe. Cependant la façon précise dont cela se passait à l’échelle cellulaire restait à établir du fait de l’absence d’outil permettant une quantification suffisamment précise du processus.

Dans ce travail, les scientifiques ont développé de nouvelles approches de microscopie sur tissus vivants et d’analyse computationnelle qui ont permis de quantifier la distribution de l’auxine et de ses réponses, à haute résolution dans le méristème apical caulinaire de l’arabette des dames, Arabidopsis thaliana.

Une analyse sur plusieurs dizaines de plantes a montré l’existence d’un motif spatial d’auxine quasi-identique d’un méristème à l’autre, avec 3 à 4 sites d’accumulation de l’auxine sans signe de développement d’un organe. Un suivi sur des périodes de plusieurs heures a ensuite permis de révéler que la localisation des sites d’accumulation d’auxine n’est pas associée à des groupes de cellules fixées mais montre plutôt un mouvement centrifuge, s’éloignant du centre du méristème plus vite que par le simple effet de la croissance du tissu. Cette observation indique que les cellules ont des niveaux d’auxine qui peuvent changer rapidement. Des manipulations expérimentales de la concentration d’auxine ont alors permis de démontrer que les cellules nécessitent une exposition prolongée à des concentrations élevées d’auxine pour pouvoir induire les gènes contrôlant l’initiation des organes. Ce mécanisme agit comme une mémoire qui pourrait permettre de différencier les multiples sites d’accumulation de l’auxine, l’information donnée par l’auxine étant intégré dans le temps pour permettre l’initiation des organes un par un.

Ce travail montre donc pour la première fois que la distribution spatiale mais aussi temporelle de l’auxine est utilisée pour le contrôle de la morphogenèse de la tige, fournissant un nouvel éclairage pour comprendre comment l’auxine contrôle la dynamique de la production des feuilles et des fleurs et la construction de la partie aérienne des plantes. Ces outils pourrait être utilisés pour analyser plus en profondeur le rôle de l’auxine dans d’autres tissus de la plante et également pour mieux comprendre comment les plantes régulent les réponses aux autres hormones végétales et le développement des plantes en réponse à leur environnement.

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© Carlos Galvan-Ampudia, Guillaume Cerrutti, Christophe Godin & Teva Vernoux

Figure : Cartes de l’auxine et de ses réponse dans le méristème. Suivi d’un méristème sur 3 pas de temps séparés de 5h. Sur chaque image : la gauche de l’image montre l’image de microscopie originelle et la droite une représentation quantitative de la distribution de fluorescence. Jaune-Noir : concentration de l’auxine (de faible à élevée) ; bleu : activation des gènes en réponse à l’auxine. Les cellules souches sont visualisées en magenta, montrant l’activation des gènes par l’auxine en limite de la niche de cellules souches.

 

L’auxine permet aux cellules de lire l’espace et le temps

Reconstitution de la dynamique moyenne de la distribution de l’auxine dans le méristème apical caulinaire. Le chiffre p=n en haut est un stade développemental du méristème indiquant l’avancée dans le temps du tissu. Les variations de concentration d’auxine sont visualisées par la gamme de couleur du jaune au noir (jaune = concentration d’auxine faible ; noir = concentration d’auxine élevée).

© Carlos Galvan-Ampudia, Guillaume Cerrutti, Christophe Godin & Teva Vernoux

Audiodescription

En savoir plus
Temporal integration of auxin information for the regulation of patterning.

Galvan-Ampudia CS, Cerutti G, Legrand J, Brunoud G, Martin-Arevalillo R, Azais R, Bayle V, Moussu S, Wenzl C, Jaillais Y, Lohmann JU, Godin C, Vernoux T.
Elife. 2020 May 7;9. pii: e55832. doi: 10.7554/eLife.55832.

Contact

Teva Vernoux
Chercheur CNRS au laboratoire Reproduction et développement des plantes (RDP)
Christophe Godin
Chercheur Inria au laboratoire Reproduction et développement des plantes (RDP)

Laboratoire

Laboratoire Reproduction et développement des plantes (CNRS / Université Claude Bernard / ENS de Lyon / INRAE)

ENS de Lyon
46 Allée d’Italie
69007 Lyon