Cambium vasculaire. Image de la bibliothèque d'images bioscientifiques du Berkshire Community College.

La croissance primaire résulte de la division cellulaire à l'extrémité des tiges et des racines, provoquant leur allongement. La zone de division cellulaire primaire est appelée méristème apical. Trois types de méristèmes primaires se développent à partir du méristème apical : le protoderme, le méristème fondamental et le procambium. Le procambium donne naissance aux tissus vasculaires (xylème et phloème primaires) et au cambium.

La croissance secondaire se caractérise par une augmentation de l'épaisseur de la plante. Elle est causée par la division cellulaire dans le cambium. Au fur et à mesure que les cellules du cambium se divisent, elles se différencient en phloème secondaire vers l'extérieur ou en xylème secondaire vers l'intérieur de la tige ou de la racine.

Des études indiquent un facteur de transcription important, MONOPTEROS (MP), dans le rôle du développement du cambium. Curieusement, il y a deux rôles contradictoires pour MP :

  • Promoteur : lors de la transition de la croissance primaire à la croissance secondaire, MP active l'expression de PXY. Ensuite, PXY interagit avec TDIF, formant un complexe (TDIF-PXY) qui favorise les divisions initiales des cellules cambiales.
  • Répresseur : Lorsque la croissance secondaire est établie, MP réprime la division des cellules cambiales.

Kristine Bagdassarian, doctorante (Université de Durham), sous la direction du Dr Natasha Savage (Université de Liverpool), ont émis l'hypothèse que le rôle apparemment contradictoire de MP pourrait être intégré dans le même réseau comme une boucle de rétroaction négative. Avec d'autres collègues de Durham, l'équipe présente ses travaux dans la revue in silico Les plantes.

"Bien que les preuves de la fonction MP aient été apportées à différents stades de la vie des plantes, il nous semblait peu probable que le réseau sous-jacent soit si différent, car l'organisation des tissus à ces stades est si similaire. Par conséquent, nous avons testé ce qui se passerait si les deux fonctions attribuées à MP étaient présentes dans une boucle de rétroaction négative », explique Savage.

Trois boîtes contiennent des diagrammes d'interactions entre PXY et MP dans la croissance secondaire d'Arabidopsis. Les deux boîtes supérieures contiennent également des images de coupes transversales de racines pour mettre en évidence la morphologie des tissus dans lesquels ces interactions se produisent. La case inférieure contient l'hypothèse, qui intègre les deux interactions dans une boucle de rétroaction négative. L'encadré supérieur est un diagramme de la transition de la croissance primaire à la croissance secondaire. MP au sommet d'une boucle de rétroaction favorise les divisions cellulaires cambiales. MP active l'expression de PXY et PXY favorise les divisions cellulaires cambiales initiales lors de l'interaction avec TDIF. La boîte du milieu est un diagramme du tissu vasculaire établi. MP agit comme un répresseur de la division cellulaire du cambium dans le tissu vasculaire établi. Lorsque la croissance secondaire est établie, MP réprime la division cellulaire cambiale et est réprimée par TDIF-PXY. La boîte inférieure montre la boucle de rétroaction négative MP hypothétique. TDIF-PXY favorise la division des cellules cambiales via la prévention de l'activation des MP.
Diagrammes montrant les interactions entre PXY et MP dans la croissance secondaire d'Arabidopsis et la morphologie des tissus dans lesquels ces interactions se produisent.

Les auteurs ont développé un modèle mathématique pour vérifier leur hypothèse de rétroaction négative MP. Le modèle contenait des composants qui ont un impact sur la structuration des tissus vasculaires : les hormones régulatrices clés pour la croissance et le développement des plantes (cytokinine et auxine), les protéines responsables du transport de l'auxine, MP, PXY et TDIF.

Le modèle a été exécuté avec et sans la boucle de rétroaction négative proposée en place. Les concentrations simulées d'auxine et de cytokinine ont été comparées aux concentrations observées dans le xylème, le cambium et le phloème. Ils s'attendaient à ce que la cytokinine soit la plus élevée dans le phloème et la plus faible dans le xylème, et que l'auxine soit la plus élevée dans le cambium.

Un schéma montrant les concentrations relatives de cytokinine et d'auxine observées dans le phloème, le cambium et le xylème. La cytokinine est la plus élevée dans le phloème et la plus faible dans le xylème, et l'auxine est la plus élevée dans le cambium.
Schéma montrant un maximum d'auxine (Aux) du côté xylème du cambium et la concentration de cytokinine (CK) la plus élevée dans le phloème.

Ils ont découvert que l'inclusion de la boucle de rétroaction négative dans le modèle augmentait la capacité du modèle à reproduire la quantité relative la plus élevée d'auxine dans le cambium. Les concentrations relatives de cytokinine dans les trois tissus n'ont pas été affectées par l'inclusion ou l'exclusion de la boucle de rétroaction négative.

Les auteurs ont ensuite étudié le rôle de la boucle de rétroaction négative du MP en relation avec la stabilité innée du MP. Pour ce faire, ils ont modifié le taux de dégradation du MP, qui est un processus par lequel la protéine MP est décomposée, ce qui entraîne une concentration réduite de MP. Ils ont constaté qu'à mesure que la dégradation du MP est réduite et que la stabilité du MP augmente, la boucle de rétroaction négative devient de plus en plus importante pour que le tissu modélisé atteigne la quantité relative la plus élevée d'auxine dans le cambium.

Ces résultats confortent l’idée selon laquelle la boucle de rétroaction négative MP augmente la capacité du système à se modéliser correctement.

Les auteurs concluent que « la division cellulaire dans le cambium entraîne la formation du bois. Le bois est un biomatériau polyvalent et un puits de carbone. En comprenant ces interactions, nous pourrons peut-être développer de nouvelles stratégies pour manipuler la formation du bois afin d'augmenter la productivité forestière et la capture du carbone.

LIRE L'ARTICLE:

Kristine S Bagdassarian, J Peter Etchells, Natasha S Savage, Un modèle mathématique intègre les interactions divergentes PXY et MP dans le développement du cambium, in silico Plantes, 2023 ; diad003, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad003

Disponibilité des données

Toutes les solutions numériques présentées dans la section des résultats, et tous les codes utilisés pour résoudre et analyser les solutions numériques, sont disponibles gratuitement sur GitHub à https://github.com/KristineBagdassarian/