Physiologie du Développement des Angiospermes

Croissance – Développement – Régulation

Signalisation : Molécules Effectrices et Signalisation

Introduction

Les plantes sont soumises à différents signaux : - Facteurs physiques : telle que la lumière, la gravité et la température.

Grâce à des pigments photosynthétiques les plantes peuvent mesurer la longueur d’onde du jour et savent les saisons. La croissance s’adapte et les plantes se développent. On parle de photorécepteurs, ils sont incolores et propres aux plantes. La gravité établie l’axe de croissance, la polarité de la plante. On définit deux extrémités : le méristème apical caulinaire et le méristème apical racinaire. La plante réagit aux variations de température.

- facteurs biotiques : symbiose, défense

- Sol : eau, sels minéraux, oxygène, parasites.

- Facteurs Chimiques : les signaux sont envoyés aux différentes cellules. Les molécules hydrophobes traversent la membrane, ont reconnues par un récepteur et il y a activation. Perception : molécules et son récepteur Transduction du signal : mise en place de molécules effectrices et induction de gènes différents. Des ligands nécessitent des récepteurs à la surface de la membrane. Le mécanisme est le même pour les molécules hydrophiles.

Un récepteur membranaire sans ligand est inactif. Une fois lié à son ligand il change de

conformation : reconnaissance de GTP, activation d’une enzyme et transduction. Les récepteurs ont une partie interne qui est une enzyme. Sans liaison, l’enzyme est inactive,

autrement, l’enzyme est activée, il y a autophosphorylation par une kinase et transduction. Le récepteur peut être un canal ionique. Avec son ligand il s’ouvre et permet le passage de molécules.

Canaux Ca+

Les phytohormones sont des substances sensées être naturelles. - Elles servent de messagers chimiques pour influencer un processus de croissance ou de

développement. - Elles facilitent la communication cellulaire. - Ce sont des molécules de petites tailles. - Leur action est efficace à faibles concentrations et à distance. - Elles sont transportées par transport actif ou passif. - Ces phytohormones sont les auxines, les gibbérellines, les citokinines, l’éthylène, l’acide

abscissique.

a. L’auxine Effets de l’auxine :

- Du grec « pousser », elle favorise l’allongement des cellules. - Elle inhibe la croissance des bourgeons - Elle favorise la rhizogénèse - Elle favorise la ramification des racines - Elle stimule la différenciation et la division cellulaire - Elle inhibe la sénescence - Elle stimule la parthénocarpie (développement des fruits sans fécondation) - Elle stimule la polarité des tissus

Il y a biosynthèse des tissus jeunes, des limbes. Le transport se fait de l’apex vers la base dans les coléoptiles et suivant un gradient de concentration En ce qui concerne la polarité des tissus, si on coupe un morceau de tige, on a les pôles apical et basal. Dans une atmosphère humide la partie basale développe des racines et la partie apicale développe des branches et des feuilles. Si on change le sens du morceau, la partie basale donnera des racines et la partie apicale donnera des pousses. Il y a un maintient de la polarité : les racines iront vers le bas (géotropisme positif) et les ramifications iront vers le haut (géotropisme négatif). Structure de l’auxine : Toutes les molécules présentées dans le poly ressemblent à l’acide indole acétique (AIA) : chaîne latérale et site aromatique.

Les plantes peuvent dégrader les molécules qu’elles produisent mais pas les molécules de synthèse.

Le coléoptile protège les feuilles qu’il contient. A l’obscurité il s’allonge, à la surface il s’ouvre dans la partie apicale et permet aux vraies feuilles de sortir.

Quand on coupe la partie apicale, il n’y a plus de réaction à la lumière. De même, si on coupe l’apex, il n’y a plus de réaction (Darwin).

Si on introduit un morceau de mica du côté obscur il n’y a pas de réponse contrairement au côté illuminé.

Avec de la gélatine, il y a diffusion des petites molécules.

On peut donc dire qu’il existe une substance synthétisée grâce à la lumière qui permet la croissance et

le développement L’auxine provient du tryptophane, seule la chaîne latérale est modifiée par décarboxylation, désamination et oxydation.

L’élongation des tissus dépend de la concentration en auxine mais, à des concentrations trop élevées l’auxine peut être inhibitrice pour certains tissus.

L’allongement des cellules se fait dans un sens défini. L’auxine permet l’allongement dans le sens de la longueur et la paroi délimite cet allongement donc, il faut agir sur la paroi pour créer un relâchement des molécules à des endroits précis.

Le relâchement se fait par acidification et l’ATPase permet de maintenir le pH de la paroi. L’expansine casse les liaisons hydrogènes des polysaccharides. L’allongement se fait par gonflement car l’eau rentre pour permettre l’équilibre en potassium et, il faut ensuite refaire la paroi. Rôle de l’auxine dans la réponse gravitropique :

Il existe des tensions entre pôles apical et basal que peut détecter la cellule. Les statholites changent de place et modifient les tensions. C’est une réaction à la gravité.

Dans une racine verticale la concentration en auxine est identique alors que dans une racine

horizontale la concentration en auxine est plus élevée dans la partie inférieure. La racine se courbe. b. Les cytokinines

Elles dirigent la division cellulaire et dérivent de l’adénine.

Effets des cytokinines :

- stimulation de la division cellulaire - inhibition de la sénescence - favorisation des bourgeons latéraux (dominance apicale) - stimulation de la morphogenèse (formation des tiges) - inhibition de la dormance des semences - favorisation de la synthèse de protéines, ADN, ARN - stimulation de la synthèse d’enzymes - favorisation du développement des fleurs - favorisation de la croissance de racines

Il y a biosynthèse du méristème racinaire et graines en germination, transport apolaire dans le xylème (ascendant)

La découverte du fonctionnement s’est fait grâce à une bactérie, Agrobacterium tumefaciens, qui a un plasmide T (Tumor inducing). Elle peut introduire dans les tissus une partie TDNA de son plasmide qui s’insert dans les génomes des plantes et exprimant des gènes :

- pour la synthèse d’auxine et des cytokinines le système hormonal est autonome - pour la synthèse d’opine : produits azotés et nutriments des bactéries.

Cytokinines

Auxines

c. Les gibbérellines Ce sont des acides diterpéniques isolés chez un champignon. Ces phytohormones sont largement répandues dans les plantes supérieures. Effets des gibbérellines :

- allongement des tiges (multiplication et allongement dans les entre-nœuds) - différenciation du cambium - induction de la germination (froid ou lumière) - mobilisation des réserves pour la germination - différenciation sexuelle chez les plantes monoïques - formation et croissance des fruits - rupture de dormance des bourgeons

Le transport se fait par le phloème et le xylème.

Elles sont actives à faibles doses (10-10M à 10-14M), dans les plantes la concentration est plus élevée que dans les graines immatures (environ 50µg/g de poids frais). Toutes les gibbérellines ont la même structure : noyau en kaurène et sont classées en deux familles : les C19 et les C20 et, la synthèse des gibbérellines dérive de la voie des terpènes (molécules fabriquées par les plantes)

La molécule de base des terpènes c’est l’isopentenyldiphosphate (IPP), molécule à 5C qui s’isomérise avec elle-même. Ces mono terpènes sont volatiles et provoquent l’odeur des fleurs. Si on a des grosses molécules de terpènes on aura du caoutchouc, du latex. La voie des terpènes a lieu dans les chloroplastes Voie spécifique des Gibbérellines :

1. Récupération du précurseur dans les chloroplastes puis migration vers les méristèmes. Les méristèmes sont de petits massifs de cellules de l’apex responsables de la formation de nouvelles cellules donnant les nouveaux organes de la plante. On sait inhiber cette transformation grâce à Ano1618 qui inhibe les terpènes en kaurène.

2. Migration vers le Réticulum Endoplasmique du noyau en kaurène où il sera transformé grâce à une enzyme, la CytochromeP450 mono oxygénase, en première Gibbérelline formée par la plante, la GA12. Celle-ci remigre ensuite dans le cytoplasme.

3. La GA12 se transforme en Gibbérelline différente, après sa migration, selon la plante et l’organe. Pour que l’activité biologique des Gibbérellines soit fonctionnelle il faut une bonne structure.

Transport des Gibbérellines : Une fois synthétisées dans les feuilles, les Gibbérellines seront transportées dans toute la plante vers le bas grâce au phloème. Le phloème est la sève élaborée tandis que le xylème est la sève brute

A l’état libre, les Gibbérellines sont actives, elles peuvent êtres stockées en se liant avec du glucose et deviennent ainsi inactives. Mode d’action des Gibbérellines : Elles activent une enzyme dans la paroi, la xyloglucan endrotransglycolase, qui permet l’arrivée d’une autre protéine dans la paroi, l’expansine, permettant la déstabilisation des liaisons hydrogènes dans la paroi. Les parois sont détruites puis reconstruites. Activités physiologiques : Les Gibbérellines sont responsables du grandissement cellulaire et de la division cellulaire. Elles agissent aussi sur l’induction florale liée à la Température. On peut mimer l’effet de la température par les gibbérellines pour déterminer le sexe de la plante, former des fruits, et induire la germination des semences. Cytokinines et Gibbérellines modifient la forme des fruits. La gibbérelline ralentit la semence, augmente la pression de sucres en stimulant la croissance entre-nœuds. Des inhibiteurs sont utilisés pour diminuer la taille des plantes tel que pour les chrysanthèmes à ras de terre. Mécanisme d’action des Gibbérellines : Prenons pour exemple la mobilisation des réserves chez les grains d’orges.

X

ylèm

e, sè

ve b

rute

Phloème, sève élaborée

Cellules à aleurone

Amidon Embryon

Endosperme

Péricarpe

La capacité germinative est active quand toutes les conditions sont réunies : présence d’eau, d’oxygène…. Les réserves se trouvent dans l’endosperme : cellules remplies d’amidon, cellules à aleurone.

Les corps protéiques peuvent donner des acides aminés permettant à la graine de faire sa propre synthèse de protéines.

Pendant la germination, l’embryon va libérer des gibbérellines qui vont diffuser vers les cellules à aleurone où elles vont stimuler la transcription d’un grand nombre de gènes, dont le gène codant pour l’ARNm α amylase, donnant la protéine α amylase. Cette protéine va diffuser vers les cellules contenant l’amidon et provoquer leur hydrolyse

La GA2 est la gibbérelline la plus active. Entre le signal et la réponse on a une voie de signalisation ou voie de transduction.

Au niveau de la membrane plasmique il existe des protéines qui sont des récepteurs. La molécule signal arrive sur le récepteur, il y a association de l’enzyme avec son substrat et, le ligand sera transmis dans la cellule grâce à des seconds messagers qui sont des petites molécules comme le calcium, l’IP3 ou le CGMP.

L’accumulation des seconds messages va permettre de transmettre le message. On parle de réponse biologique.

Chez les plantes il existe souvent une augmentation de calcium et, pour être second messager il faut que le taux de calcium cellulaire soit faible.

Lors d’une augmentation de calcium, la Ca Binding Protein (dont la calmoduline) perçoit l’augmentation

et forme un complexe calmoduline/calcium qui va activer une protéine kinase, ce qui va ainsi de chaîne en chaîne.

ADN ARNm α amylase α amylase

Corps protéiques

Cellules à aleurone

Embryon GA Cellule à aleurone

ARNm

α amylase

Amidon Glucose

d. L’acide Abscissique Découverte : Mise en évidence d’une substance qui entraîne une dormance. Contrairement aux autres hormones, c’est une hormone de détresse, synthétisée quand la plante est soumise à la sécheresse, un parasite…pour protéger la plante. Propriétés : Une plante saine a peu d’acide abscissique : 1 à 5 nmole alors qu’une plante en détresse en a 3 µmole. Biosynthèse : L’acide abscissique appartient à la famille des terpènes. Il ne peut y avoir q’un acide abscissique mais il peut avoir la forme cis ou trans. Du fait du carbone asymétrique en 1’ on aura la forme –R ou +S.

C’est la forme cis + qui est active car la double liaison dans le cycle en position HO ou COOH et la chaîne insaturée sont importantes dans l’activité de la cellule.

Pour détecter l’acide abscissique on utilise l’immunodétection ou l’HPLC.

La voie de biosynthèse est longue. Elle a lieu dans toutes les cellules contenant de la chlorophylle ou des amyloplastes et est plus élevée dans les racines et a lieu en période de stress hydrique (par exemple).

Le signal de stress est perçu par les racines donc il y a envoi du signal ABA par le xylème et

transmission de l’information au niveau des feuilles ce qui entraîne la fermeture des stomates. L’ABA de synthèse ne permet pas le contrôle de la fermeture des stomates, il faut rajouter de l’ABA

exogène pour restaurer le phénotype sauvage.

Avec acide abscissique les stomates se ferment

Effets physiologiques : - dormance des graines et des bourgeons. - Fabrication de l’embryon, maturation - Acquisition de la tolérance à la dessiccation - Anti hormones par rapport à l’auxine, les gibbérellines et les cytokinines - Allongement des racines pour trouver de l’eau - Raccourcissement des feuilles.

Voies de signalisation : Le récepteur de l’ABA est de type tyrosine kinase. Il est constitué de deux protéines avec une partie extracellulaire qui reconnaît le ligand, une partie transmembranaire et une partie intracellulaire avec une histidine kinase. Lors de la fixation il existe une autophosphorylation entre les histidines kinase. Le phosphate est transféré à un aspartate puis, de part en part il y a transmission de l’information.

Récepteurs à l’ABA

La phosphorylation consécutive des protéines se déclenche quand l’ABA se fixe sur son récepteur. Il y a activation des protéines G activant la phospholipase C qui va hydrolyser les phospholipides membranaires pour donner l’IP3 et DAG.

L’IP3 est considéré comme un second messager et, sur les membranes des vacuoles il existe des récepteurs à l’IP3 ce qui va permettre l’activation des canaux calciques. On va avoir une sortie de calcium de la vacuole et une augmentation de la concentration de calcium dans le cytoplasme.

L’augmentation de la concentration en calcium va provoquer l’arrêt des pompes ATPases. Si elles

ne fonctionnent plus, il n’y a pas de sortie de protons donc les charges positives s’accumulent dans la cellule ce qui entraîne une dépolarisation à -70mV.

On va en plus avoir une sortie de potassium et inhibition du canal potassique entrant. Ces canaux sont régulés par l’état de polarisation de la membrane. S’il y a sortie massive de potassium il y a une sortie d’eau donc fermeture des stomates.

Lorsqu’il n’y a plus de perception du stress, il n’y a pas d’ABA donc pas d’augmentation de calcium,

les pompes ATPases se remettent en route, on a hyperpolarisation de la membrane, une entrée de potassium donc entrée d’eau et turgescence.

e. L’éthylène

A l’inverse des molécules étudiées précédemment l’éthylène est un gaz. Les arbres qui poussent à côté d’une lampe à éthylène perdent leur feuille plus vite. Une triple réponse est caractéristique de l’éthylène :

- raccourcissement et modification de la croissance des parties aériennes - épaississement de la tige - modification du crochet terminal

Les pommes à maturité dégagent beaucoup d’éthylène. La quantité produite dépend de l’organe et de l’âge du végétal. La teneur de base est de 1µL/L et, dans une pomme à maturité, la teneur est de 2500µL/L. L’éthylène est produit à maturation en phase de sénescence, en cas de stress, d’attaques de parasites et peut diffuser dans la plante. Biosynthèse de l’éthylène :

Le cycle de biosynthèse de l’éthylène est le cycle de Yang. La première étape correspond à la conversion de la méthionine (précurseur de l’éthylène) en S-adénosylméthionine (SAM) par Incorporation d'ATP. La SAM ainsi formée est ensuite transformée en acide 1-aminocyclopropane-1carboxylique (ACC). Les enzymes intervenant dans la chaîne de biosynthèse de l'éthylène chez les plantes sont : l'ACC synthétase et l'ACC oxydase et, la méthionine sera régénérée par différentes réactions qui ont lieu après le cycle de Yang.

Effets physiologiques : L’éthylène permet la levée des dormances des graines et des bourgeons ainsi que le mûrissement des fruits. Le nitrate d’argent et le thiosulfate permettent l’inhibition de l’action de l’éthylène et l’élhephon peut favoriser le mûrissement et la floraison car il y a un apport d’éthylène.

Régulation de l’éthylène : On a déterminé un élément cis en amont du gène sur le promoteur ERE et un élément trans

EREBP qui dépendent de l’éthylène. Il existe d’autres molécules régulatrices telles que

- les Brassinostéroïdes qui peuvent agir sur la pompe ATPase et la réorientation des micro fibrilles.

- L’acide tasmonique qui, en réponse à des attaques dues à des microorganismes provoque l’activation d’ACC.

- L’acide salicylique dérivant de la phénylalanine qui inhibe la production d’éthylène.

f. Les photorécepteurs Il existe les phytochromes (lumière rouge) et les cryptochromes (lumière bleue). Les phytochromes sont formés d’une protéine et d’un chromophore et existent sous deux formes : une forme synthétisée inactive Pr et une forme synthétisée active Pfr dans le rouge lointain.