Les scientifiques révèlent que les nouvelles parois cellulaires végétales peuvent avoir des propriétés mécaniques très différentes de celles des parois cellulaires parentales environnantes, permettant aux cellules de modifier leur forme locale et d’influencer la croissance des organes végétaux.
C’est la première fois que les scientifiques associent la mécanique à « l’âge » de la paroi cellulaire et cela n’a été rendu possible que grâce à une nouvelle méthode qui match les mêmes cellules au fil du temps et à travers des cycles de division successifs.
Les chercheurs de Cambridge ont pu observer la development de nouveaux murs puis mesurer leurs propriétés mécaniques. Ce travail pionnier a montré que les nouvelles parois cellulaires de certaines plantes sont 1,5 fois in addition rigides que les parois cellulaires parentales environnantes – une découverte inattendue et surprenante.
La taille et la forme des organes végétaux comme les feuilles et les fleurs sont le résultat d’interactions complexes entre la génétique, la signalisation, la rétroaction mécanique et les signaux environnementaux. Même si nous avons fait beaucoup de progrès dans la compréhension de ces processus, il n’est pas toujours facile de relier ce qui se passe à l’échelle cellulaire avec ce qui se passe à l’échelle des organes.
Les recherches entreprises sur deux espèces végétales éloignées au Sainsbury Laboratory Cambridge College (SLCU) fournissent de nouvelles preuves suggérant que la division cellulaire au niveau area a un rôle actif à jouer dans le contrôle de la taille des organes. Le projet interdisciplinaire était une collaboration entre trois équipes de recherche du SLCU (Groupe Robinson, Groupe Schornack et Groupe Jönsson) et l’équipe des installations de microscopie du SLCU, réunissant une expertise en biomécanique expérimentale, en génétique, en imagerie et en modélisation informatique.
En combinant l’imagerie avancée par microscopie vivante de cellules individuelles, des méthodes avancées de caractérisation des matériaux et une modélisation mathématique, le groupe de recherche de Sarah Robinson a révélé que le processus de division cellulaire modifie localement les propriétés mécaniques du tissu en croissance, ce qui a potentiellement un effects sur la forme et la taille finales du tissu. organe végétal. Les résultats ont été publiés cette semaine (6 octobre 2023) dans Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Comparées aux cellules animales, les cellules végétales sont entourées d’une boîte rigide : la paroi cellulaire. La division cellulaire implique l’ajout de nouvelles parois cellulaires, qui modifient le worry mécanique de la cellule, sa géométrie et les propriétés mécaniques des tissus environnants.
Les scientifiques ont pu sonder les propriétés mécaniques de chaque paroi cellulaire dans la couche cellulaire externe d’un organe végétal, mais ils ne savaient pas quel âge avait chaque paroi et ne pouvaient que deviner si elle venait de se diviser. Première auteure de l’article, ancienne chercheuse du groupe Robinson et maintenant chercheuse au Politecnico di Milano, Alessandra Bonfanti a suivi les cellules au fil du temps et a pu voir de nouvelles parois se previous et a donc pu relier la mécanique à « l’âge » de la paroi cellulaire.
Le Dr Bonfanti a développé un protocole qui blend l’imagerie temporelle avec des mesures de microscopie à power atomique (AFM) pour cartographier systématiquement l’âge, la croissance et les propriétés mécaniques (rigidité) des parois cellulaires individuelles et pour suivre les mêmes parois cellulaires à travers des cycles successifs de division.
« Nous savons depuis un specified temps que la paroi cellulaire est un matériau hautement dynamique. Un nouveau matériau est ajouté lors de la division cellulaire, tandis que les propriétés mécaniques de la paroi cellulaire sont modulées pendant la croissance pour permettre aux parois de subir des changements significatifs de forme et de taille sans se briser », a déclaré le Dr. dit Bonfanti. « Pourtant, la façon dont les propriétés mécaniques des nouvelles parois cellulaires changent de manière transitoire dans l’espace et dans le temps était encore inconnue jusqu’à ce que nous développions un nouveau protocole qui nous permettait de mesurer les propriétés mécaniques des parois cellulaires au fil du temps. »
« Nous avons utilisé ce protocole pour étudier la manière dont la rigidité des parois cellulaires nouvellement formées varie entre 24 et 48 heures jusqu’à leur stade de maturité, et comment cela affecte la forme des cellules locales », a déclaré le Dr Bonfanti. « Pour ce faire, nous avons utilisé deux systèmes : les gemmae de l’hépatique Marchantia polymorpha et la première vraie feuille d’Arabidopsis thaliana. »
Les cellules des jeunes tissus des deux espèces végétales étudiées initialement ont une géométrie carrée similaire, ce qui en fait de bons modèles à comparer.
« Nous avons d’abord caractérisé le modèle de croissance et de division cellulaire chez M. polymorpha gemmae, ce qui n’était pas encore clair dans la littérature », a déclaré le Dr Bonfanti. « Ensuite, avec les mesures optomécaniques, en utilisant l’imagerie temporelle combinée aux mesures AFM, nous avons démontré que la division cellulaire chez M. polymorpha gemmae entraîne la génération d’une nouvelle paroi temporaire as well as rigide et à croissance additionally lente. En revanche, ce phénomène transitoire est absent dans A. thaliana component. »
En fait, les nouvelles parois cellulaires de M. polymorpha sont devenues 1,5 fois furthermore rigides que les parois cellulaires parentales.
« Nous avons montré qu’il existe des différences significatives dans la rigidité des parois des nouvelles cellules par rapport aux parois parentales et que ces différences contribuent à la géométrie et à la croissance des cellules », a déclaré le chef du groupe, le Dr Robinson. « Cela suggère que la division cellulaire et ses propriétés mécaniques variables modifient le taux d’expansion des tissus et pourraient avoir un impact sur la taille finale de l’organe. »
Le Dr Robinson a expliqué l’importance de cette découverte : « Nous savions déjà que les parois cellulaires se relâchent et deviennent additionally molles lorsque les cellules se développent, car or truck les parois doivent s’étirer pour que les cellules puissent se développer au fur et à mesure de leur croissance. Mais nous ne savions pas ce qui se passerait lorsqu’une cellule se divise et quelles propriétés aurait la nouvelle paroi cellulaire résultante. Seraient-elles identiques ou différentes des parois des tissus environnants et quel effect cela aurait sur la croissance cellulaire ?
« Le fait que les nouvelles parois cellulaires soient beaucoup moreover rigides entraîne une restriction de la croissance des organes, car or truck cela entrave la croissance et impact la forme des cellules qui les composent.
« Les cellules de M. polymorpha modifient également leur géométrie et développent in addition rapidement un angle de jonction de 120° pour former des géométries cellulaires as well as proches des formes hexagonales, considérées comme les formes les as well as efficaces en termes de development d’un matériau pour couvrir une zone. La modélisation informatique réalisé dans ce projet par Euan Smithers et Ross Carter a fourni la preuve que la présence d’un nouveau mur rigide accélère la formation de ces angles de 120°.
« Il est vital de savoir que la nouvelle paroi cellulaire peut être différente de la paroi parentale et cela nous pose de nouvelles queries à explorer : est-ce toujours le cas, dans quelles ailments et pourquoi est-ce le cas ? »
