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Laplupartdesétudesmenéessurlacroissanceradialeetsurl’effetdesollicitations

mécaniques rapportent une augmentation du diamètre des tiges suite à un stress

mécanique.

Ainsi,sionreprendlesétudescitéesdanslapremièrepartie,Jacobs(1954)notequeles

pins(Pinusradiata)laisséslibresauventmontrentunecroissanceendiamètreaccruepar

rapportauxplantstuteurés(Jacobs,1954).Delamêmefaçon,desplantstuteurésdepins

(Pinuscontorta)présententunecroissanceradialediminuée(Mengetal.,2006).Ilenestde

mêmeavecdesplantsdemerisiersplacésentubex(etdoncàl’abriduvent)etcette

croissance radiale est significativement augmentée lorsque les plants sont fléchis à

l’intérieurdutubexoulaisséslibreauvent(Coutandetal.,2008).

Enlaboratoire,TelewskietJaffe(1986)rapportentégalementuneaugmentationdela

croissanceradialeͲetceciendirectiondelacontraintemécaniqueimposée–chezlesapin

(TelewskiandJaffe,1986).Chezl’ormed’Amérique,lesplantstémoinsontundiamètreplus

petitquelesplantssoumisaustressmécanique(flexionquotidiennependant3semaines)

(TelewskiandPruyn,1998).Desplantsdenoyersubissantuneflexionbidirectionnelle

quotidiennependantunesemainemontrentuneexpansionradialetroisfoisplusimportante

quelestémoins,expansiontellementimportantequel’onpeutobserverunépaississement

àlabasedelazonefléchie(Figure7a)(LeblancͲFournieretal.,2008).Chezlepeuplier,une

flexionquotidienneappliquéependantdeuxmois,entraîneuneaugmentationsignificative

dudiamètredelatigechezlesdeuxhybridesdePopulustrichocarpaxdeltoidescomparés

(Pruynetal.,2000).Enmesurantencontinulacroissanceendiamètrechezunhybride

Populustremulaxalba,Coutandetsescollaborateurs(2009)ontmontréqu’uneflexion

uniqueentraîneunarrêtdecroissancede4h,puisuneaugmentationdelacroissance

cambialependant11jourssuivantuneflexiondelatigedepeuplier,avecunecroissance

maximale au 3ème jour environ. Cette augmentation de diamètre serait due à une

augmentationdel’activitécambiale(Martin,2009).

Cependant,certainsrésultatsviennentnuancercestendancesgénérales.Biddingtonet

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(Brassicaoleracea),lalaitue(Lactucasativa)etlecéleri(Apiumgraveolens).Ilsontalors

montréquesichezlalaitueonobservebienuneaugmentationdudiamètredel’hypocotyle

enréponseaubrossage,lechouͲfleurprésenteluiunediminutiondediamètre(Biddington

andDearman,1985).Parcontre,en1996,GoodmanetEnnosn’ontobservéaucuneffetdu

stressmécanique(flexionsquotidiennes)surlediamètredestigesdemaïs(unorganesans

cambium)oudetournesol.

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Lesystèmeracinairepeutluiaussiêtreimpactéparlesstressmécaniques.Cesréponses

sontvariéesselonl’espèceetlesconditionsdel’étude.Ainsi,onobserveuneréductiondela

longueurdesracines,deleurnombreetdeleurmassesèchechezlalaitue,lecélerietle

chouͲfleursuiteaubrossage(BiddingtonandDearman,1985),alorsqu’unstressmécanique

ne semble pas affecter le système racinaire de certaines espèces comme Cucurbita

melopepo,letournesol,lepois(Pisumsativum)oulatomate(Biddington,1986;Gartner,

1994).

Beaucoupd’étudesrapportentuneaugmentationduvolumeracinaire,quiaugmenterait

l’ancragedelaplantedanslesol.GoodmanetEnnos(1996)ontainsidémontréquedes

plantsdemaïsetdetournesolprésententdesracinesplusrigidesetplusgrossessuiteàune

flexiondelatige.Letournesolmontreuneaugmentationsignificativedelamassesèchede

laracineprincipaleetdesracineslatérales,maispasdesfinesracines,alorsquelemaïs

présenteuneaugmentationimportantedelamassesèchedesracineslatéralesetdesfines

racines,refletdestratégiesd’enracinementdifférentes(GoodmanandEnnos,1996).Ilaété

observéquel’initiationderacineslatérales,etdonclaramificationdelaracineprincipale

conduisantàl’augmentationduvolumeracinaire,peutêtreinduitemécaniquementparune

simpleflexiondelaracinechezArabidopsisthaliana(Ditengouetal.,2008;Monshausenand

Gilroy,2009).

Chezlesligneux,uneétudemenéesurlemélèze(Larixdecidua)etl’épicéadeSitka

(Piceasitchensis)montreuneaugmentationdunombrederacineschezdesarbressoumisau

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duvent,cequipourraitfavoriserd’autantpluslarésistanceàceluiͲci(Stokesetal.,1995).En

2008,Coutandetsescollaborateurs(2008)ontmontré,surlemerisier,quedesplants

protégésdeseffetsduventpardestubex,ontunefractionracinairesignificativement

réduiteparrapportàdesplantsprotégésduventmaisstimulésmécaniquement.Une

stimulation mécanique réalisée à l’intérieur d’un tubex augmente significativement

l’allocationdebiomasseendirectiondesracines,maisne permettoutdemêmepas

d’atteindrelerapportracine/tigedesarbreslaisséslibresauvent.En2009,uneétude

comparativesurlechêne(Quercusrobur)etlerobinier(Robiniapseudoacacia)montrelà

encoreuneaugmentationdusystèmeracinaireenréponseàunestimulationmécaniquede

lapartieaérienne.Eneffet,leschênesayantsubiuneflexionunidirectionnelleinvestissent

plusdansleursracinesdepremierordreetdanslesracinesprofondesdesecondordreetles

robiniers allouent relativement plus à la biomasse des racines fines et des racines

horizontalesdesurface(Reubensetal.,2009).

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D’autres modifications impliquant des processus physiologiques importants pour la

plantepeuventêtreobservéesenréponseàunstressmécanique.OnretrouveparmicellesͲ

ciuneréductiondelatailledespétiolesoudelasurfacefoliaire,desmodificationsdela

teneurenchlorophylleouenhormones,delarésistanceàd’autresstressbiotiquesou

abiotiques,dudélaidefloraison,delasénescence,del’ouverturedesstomates(Biddington,

1986;Chehabetal.,2009).Desplantsd’Arabidopsisthalianastressésmécaniquement

présententparexempleunretarddefloraison(Figure6;(Braam,2005)).Chezcertaines

espèces,lesmodificationsthigmomorphogénétiquesconduisentàunerigidificationdes

tissus,cequiréduitlescontraintesliéesauvent.D’autresespècesproduisentdestissusplus

flexibles:ceciestunestratégied’évitementdeseffetsmécaniquesduvent(Chehabetal.,

2009).

De plus,les effets de sollicitations mécaniques étudiésse limitent souvent à une

composante.Parexemplel’effetduventestsouventétudiévial’applicationd’uneflexion

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l’effetduventneselimitepasàcetteseuleflexion.Ilfautparexempletenircomptede

l’effetdupassagedel’airquimodifielemicroclimatetpeutinfluencerlafermeturedes

stomates.SmithetEnnos(2003)onttentédedissocierleseffetsdel’airetdelaflexionen

soumettantdesplantsdetournesolàlaflexionounon(tuteurs)etaupassaged’uncourant

d’airounon(SmithandEnnos,2003).Ilsontainsimisenévidencequelaflexionetleflux

d’airontdeseffetsopposéssurplusieursaspectsdudéveloppement.Ainsilepassagedel’air

augmentelahauteuretlaconductivitédelatigeetdiminuesarigiditéalorsquelaflexion

réduitlahauteuretlaconductivitéetaugmentelarigidité.Ilfautajouteràcelaquelevent

nepeutpasêtresimplementassociéàuneflexionuniqueetunidirectionnellemaisplutôtà

dessériesdeflexionsmultidirectionnelles.Uneétudeaainsicomparél’effetdeflexions

unidirectionnellesetdeflexionsdedirectionsvariableschezlerobinieretlechêne(Reubens

etal.,2009).Ilenressortqueleseffetsdeflexionsunidirectionnellessontplusmarquésque

ceuxdeflexionsdedirectionsvariables.

Chezlepeuplier,laréponsedecroissanceàdessollicitationsmécaniquesrépétées

(flexions)estdifférentedecelleàunesollicitationunique.Ainsi,lacroissanceendiamètre

delatigeestinférieureaprèstroisflexionsquotidiennesàcelleobservéeaprèsuneflexion

unique,suggérantuneacclimatationdesplantesauxsollicitationsmécaniquessuccessives

(Martinetal.,2010).Cependantdanscesdeuxétudes,lesfréquencesdeflexionappliquées

(29flexionspendant1htoutesles24hou1flexionpar24h)nesontpascomparablesaux

fréquencesobservéesdanslanatureaucoursd’épisodesventeuxquisontdel’ordrede1à5

Hertzsoit60à300flexionsparminute(Rodriguezetal.,2008).

Deplus,ilfautnoterqu’enconditionnaturelle,latorsiondelatiges’ajouteàlaflexion

mais,ànotreconnaissance,aucuneétuden’aétudiécephénomènedetorsion.

Enconclusion,laréponseaustressmécaniquepeutvarier,voireêtreopposéeen

fonction:

Ͳdutypedestressappliquéetdesonintensitéainsiquedesesmodalitésderépétition

éventuelle(histoiremécaniquedelaplante),

Ͳdel’espèce:parexemplelechêneetlerobinierprésententcertainesréponsescommunes

maisdiffèrentpourbeaucoupd’autres(Reubensetal.,2009), Ͳdugénotype(Pruynetal.,2000),

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Ͳdustadededéveloppementoudel’âgedestissus:lestissuslesplusjeunesoulesstades

de développement les plus précoces semblent plus sensibles au stress mécanique

(Biddington,1986;Fluchetal.,2008).

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DA _t ÑxÜvxÑà|ÉÇ wâ á|zÇtÄ Å°vtÇ|Öâx

Silaréponsedesplantesauxsollicitationsmécaniquespeutêtretrèsvariableenfonction

deleurnature,danslaplupartdescasl’expérimentateurnecontrôlepasprécisémentla

sollicitationappliquée.Eneffetflexion/frottement/brossagesontdifficilementquantifiables

etleurintensitépeutdoncvarierenfonctiondel’expérimentateuretdelaformeoudela

tailledelaplante.Cecipeutamenerdesréponsesvariablesetdesétudesdifficilement

comparablesoureproductibles.Déjàen1980,Jaffeetsescollaborateurs(1980)avaient

tentédemettreaupointuneméthodeleurpermettantdecontrôlerprécisémentlaforcede

flexionappliquéeàdestigesdeharicot(Phaseolusvulgaris).Ilsconcluaientainsipourla

premièrefoisàunerelationentrela«quantité»dustimulusappliquéetlaréponsedela

plante.Ilparaîtdoncimportantdepouvoirquantifieretcontrôlerprécisémentlasollicitation

appliquée. Toutefois, leurapproche ne permettaitpas d’analyser la distribution de la

sollicitationauseindelaplante.Orcettedistribution(etdonclestimuluseffectivement

appliquéauxdifférentescellulesdelaplante)dépendnonseulementdelaforceexterne

appliquée,maisdelatailleetdelaformedelaplante(diamètredelatigeparexemple)et

desonanatomie(répartitiondestissusrigidesd’unepart,descellulescompétentespourla

mécanoperceptiond’autrepart).Pourprendreencomptecela,ilfautêtrecapablededéfinir

lavariablephysiquemécanoperçueparlaplante.

Figure8:Décompositiondesvariables

mécaniquesmodifiéesaucoursd’une

flexion.L’effetmécaniqueduventpeut

êtrecomparéàuneflexiondueàune

force F(a). Auniveaud’une tranche

d’épaisseurinfinitésimaledutronc,le

moment de flexion engendre des

déformations longitudinales (ɸLL=ȴL/L)

et des contraintes normales (flèches

rougesetbleues)surlasectiondela

poutre(b). a

F

ȴL L ȴL Zoneen compression 'L<0 Zoneen tension 'L>0 Ligneneutre ȴL ȴL b

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a. Lavariablephysiquemécanoperçue

Aucoursd’uneexpositionauvent,latigeestsollicitéeprincipalementenflexion.C’est

donclaflexionplanequiestutiliséeenlaboratoirepourmimerl’effetmécaniqueduvent.A

l’échelledelaplante,onpeut,enpremièreapproximation,assimilerlatigeàunepoutre

encastréeàuneextrémitéetsoumiseàuneforceponctuelleFàl’autre(Figure8a).Sionse

placemaintenant à uneéchelle plus fineetque l’on considèrequecettepoutreest

constituéed’unempilementdetranchesd’épaisseurinfinitésimale,lemomentdeflexion(le

produitdelaforceparlebrasdelevier)induitparlaforceappliquéeàchaquetranche

entraînedesmodificationsdesvariablesmécaniqueslocales.Ondistinguedeuxtypesde

variables:

Ͳlesdéformationslongitudinales:lemomentdeflexionentraîneunerotationdela

section par rapport à l’axe de la tige, et ainsi des déformations dans la direction

longitudinaledelatige.Ladéformation,notéeHestunnombreadimensionnelquidéfinit

l’allongementrelatif'Ld’unélémentdelongueurL:HLL='L

/L.Lazonesituéeducôtéinterne

delacourburevoitsalongueurdiminuer('L<0)alorsquelazoneopposées’allonge('L>0)

(Figure8b).

Ͳlescontraintes:àcesdéformationslongitudinalessontassociéesdesforcessurfaciques,les

contraintes,notéesV.Danslecadredelamécaniquedespetitesperturbations,cellesͲcisont

proportionnellesauxdéformationsetsontd’autantplusimportantesquelematériauest

rigide:VLL=ELHLL.LecoefficientEestappelémoduled’Young(oumoduled’élasticité)et

rendcomptedelarigiditéintrinsèquedumatériau.Plusunmatériauestrigide,plusles

contraintesassociéespourledéformersontimportantes.Danslazoneoùɸestnégatif,on

ditquelematériauestencompression,alorsqu’ilestentensionlorsqueɸestpositif(Figure

8b).

Coutand et Moulia (2000) ont émis l’hypothèse que chaque cellule percevait sa

déformationlocaleHLLet,plusprécisément,quesaperceptionétaitproportionnelleàsa

déformationetàsonvolume.Pourlesréponsesàlonguedistancedelazonesollicitée

(croissanceprimaire),lesignalsecondairetransportéversleszonesdecroissancesemble

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al.,onpress).C’estainsil’intégraledesdéformationslongitudinalessurl’ensembledela

zone fléchie Ͳ appelée somme des déformations longitudinales ou plus précisément

«sommedesperceptionsdesdéformationslongitudinales»(Mouliaetal.,onpress)Ͳsubie

parlatigequiexpliquelemieuxladuréedelaréponsedecroissanceprimairechezlatomate

(CoutandandMoulia,2000).Cesrésultatsontpermisledéveloppementdupremiermodèle

mécanobiologiquequantitatifdeperceptionauniveaudelaplante,appeléle«SumͲof– StrainͲSensingmodel»(S3modeloumodèleS3m).Cemodèledeperceptionaégalementété

testé sur les réponses thigmomorphogénétiques de la croissance secondaire chez le

peuplier.Onobserve,auseind’unezonefléchie,unecorrélationpositiveentrelasomme

desdéformationslongitudinalessurlasectiondelatigeetlaréponseencroissanceradiale:

pluslasommedesdéformationsestimportante,plusl’augmentationdecroissanceradiale

estimportante(Coutandetal.,2009).LemodèleS3maainsipuêtreétenduauxdeux

réponsesthigmomorphogénétiquesdestiges:croissancelongitudinaleetcroissanceradiale

(Mouliaetal.,onpress).Enfinl’hypothèsedeperceptionlocaledumodèleS3m(=perception

proportionnelleàladéformationsubieparchaquecellule)apuêtreévaluéeparl’analyse

quantitativedel’expressiondugènemécanosensiblePtaZFP2utilisécommemarqueurdela

mécanoperception(gènederéponseprécoceàlaflexion,induit5minutesaprèslaflexion,

etdontlasurͲexpressionestlocaliséedansleszonesdéformées,cf.§FLesprotéinesàdeux

doigtsdezincdetypeC2H2,5PtaZFP2).Dansuneétudecombinantflexioncontrôlée,

analysebiomécaniquedeladistributiondesdéformationsauseindelatigefléchie,modèle

S3metanalyseqPCRdel’expressiondePtaZFP2,ilaétémontréquel’expressionrelative

(Qr)dugènemarqueurvariaitlinéairementavecladéformationmoyennedel’échantillonde

tigeanalysé(sasommedesdéformationsparunitédevolume),conformémentaumodèle

S3m(Coutandetal.,2009;Mouliaetal.,onpress).Ditautrement,lacascadedetransduction

allantjusqu’àlasurͲexpressiondePtaZFP2répondquantitativementproportionnellementà

ladéformationetauvolumedelacelluleconsidérée.

LemodèleS3mpermetainsidecombinerleseffetsdelasollicitationexterneappliquée

etdelastructurebiomécaniquedelatige(ladistributionmécaniquedesdéformationsest

hétérogènedanslatigeenfonctiondesataille)àceuxdelastructureperceptive(nombreet

Figure9:ConnectionstransmembranairesentrelamatriceextraͲcellulaire(ECM)etlecytosquelette

chezlesanimaux.Lesintégrines(ɲ5/ɴ1,ɲ6/ɴ1)sontcomposéesderécepteurspourlesprotéinesECM

commeicilafibronectine(rose)etleslaminines(vert).Leurdomaineextracellulaireselieàdessites

spécifiquesdesprotéinesECM(souventdesmotifsRGD).Leurdomainecytoplasmiqueselieàdes

protéinesducytosquelettesousͲmembranairecommeicilataline*(jaune)oul’ɲͲactinine(violet)et

viacellesͲciàd’autresprotéinescommelavinculine**(marron)ouauxmicrofilamentsd’actine(gris)

(d’aprèsHynes,1999).

*Taline:protéinecytoplasmiquequisertd’intermédiairedeliaisonentrelesintégrinesetlesfilaments

d’actine.

**Vinculine:protéined’attachementdesfilamentsintermédiairesàlaceintured’adhérence.Comme

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mécaniquesappliquésàdifférenteséchellesetniveauxd’organisation:(i)déformation localeauniveaucellulaireinplantaet(ii)sommedesdéformationscontrôlantlaréponse thigmomorphogénétiquedeszonesdecroissance(perceptionsystémique)(Mouliaetal.,on press).

Resteicitoutefois(aumoins)unequestion:commentlacelluleestͲellecapablede percevoirunevariablemécaniquecommeladéformationetdelatransformerenunsignal chimiqueouélectriqueinterne?Cesdernièresannées,uncertainnombred’étudess’est intéresséàlacompréhensiondelaperceptiondusignalmécaniqueparlacelluleetdesa transduction.

b. Lecontinuumcytosquelettemembraneplasmiqueparoi:CPMCW

Chezlesanimaux,laperceptionetlatransductiondusignalmécaniqueimpliquentun couplagephysiqueentrelecytosqueletteetlamembranecellulairegrâceàdesprotéines appelées intégrines. Ces dernières font le lien entre des protéines de la matrice extracellulairecontenantunmotifRGD(ArgͲGlyͲAsp)etl’actineducytosquelettedansle cytoplasme(Hynes,1999;HynesandZhao,2000;Baluskaetal.,2003)(Figure9).Ainsiune déformationdumilieuextérieursetraduitparunedéformationducytosqueletteperçueà l’intérieurdelacellule:lesstimuliexternessonttransformésenstimuliinternes.

Chezlesplantes,lesétudesactuellessuggèrentl’existenced’uncontinuumCPMCW (pour CytosqueletonͲPlasma MembraneͲCell Wall): des protéines assureraient un lien physiqueentrelamatriceoulaparoicellulaire,lamembraneplasmiqueetlecytosquelette (Jaffeetal.,2002).Parmicesprotéines,lesfibresd’Hechtianassurentlaliaisonentrelaparoi cellulaireetlamembraneplasmiqueetsont facilementmises enévidence lors dela plasmolysedelacellule.Cependantlanatureexactedecesprotéinesfaitencoredébat.De lamêmefaçonquechezlesanimaux,cesprotéinesqualifiéesd’«integrinͲlike»parJaffe, reconnaissentunmotifRGDchezlesprotéinesextracellulaires.Ainsi,uneétuderéaliséesur culturecellulaired’if(Taxuscuspidata)montrequedespeptidessynthétiquescontenantla séquenceRGDajoutésaumilieudeculturesontcapablesd’inhiberlaréponseàunstress mécaniquedetypecisaillement(Gaoetal.,2007).L’interventiondepeptideRGDdansla

Figure11:Fonctionnementgénéraldela

transduction du stress mécanique. Un

canal de transduction est relié, via des

protéines extracellulaires et

cytoplasmiques,aucytosqueletteetàune

structure extracellulaire à laquelle une

forceestappliquée.Lecanalrépondalorsà

la tension appliquée au système, qui

augmente par des déplacements nets

entre les structures intraͲ et extraͲ

cellulaires (d’après Gillepsie et Walker,

2001).

Figure 10 : Représentation schématique des différentes protéines de liaison potentielles entre le

cytosquelette,lamembraneplasmiqueetlaparoidescellulesvégétales.Ceschémareprésentelajonction

entredeuxcellulesderacineavecunplasmodesmetraverséparunélémentderéticulumendoplasmique.

Lesprotéinesdeliaisonputativesentrelecytosqueletteet laparoicomprennent:desWAKs(Wall

AssociatedKinases,1),desAGPs(ArabinoGalactanProteins,2),descalloseͲsynthases(3),desmyosinesde

classeVIIIspécifiquesdesplantes(4),deskinasesrécepteursͲlike(5),desformines(6),descelluloseͲ

synthases(7)etdesphospholipasesD(8).Cesélémentsdeliaisonpotentielssontsupposésinteragir

directement, ou via d’autres molécules, soit avecdesfilaments d’actine(traitsverts), soit avec des

microtubules(traitsnoirs).Lespectines(rondsrouges)situéesdanslaparoipeuventinteragirdirectement

avecdesWAKs,d’autreskinasesrécepteursͲlikeetdesAGPs.DesmyosinesdeclasseVIII(rondsnoirs)

s’accumulentdanslesplasmodesmesetserviraientd’adaptateursentrelesfilamentsd’actineetlescalloseͲ

synthases(d’aprèsBaluskaetal.,2003).

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réponse au stress mécanique a également été montrée chez le chrysanthème (Dendranthemamorifolium)(Zhouetal.,2006).Toutefois,bienquedesanticorpsdirigés contredesintégrinessemblentreconnaîtredesprotéineschezArabidopsisthalianaet l’algued’eaudouceCharasp.etquelesplantessemblentutiliserdesprotéinescontenantle motifRGDpourcetteinteractionparoiͲmembraneplasmique,aucuneintégrineouprotéine detypeintégrinen’aencoreétéclairementidentifiéechezlesplantesàcejour.Deplus,nile génome d’Arabidopsis thaliana ni celui du riz (Oryza sativa) ne contiennent de réels homologuesauxintégrines(Baluskaetal.,2003;MonshausenandGilroy,2009).

Baluska et ses collaborateurs (2003) remettent donc en cause l’existence de ces protéines«integrinͲlike».Ilsémettentl’hypothèsequel’organisationdifférentedessites d’adhésionchezlesplantespourraitêtreexpliquéeparlanatureuniquedelaparoicellulaire des plantes.De ce fait, d’autres molécules doiventêtreimpliquées dans l’interaction dynamiqueentrelecytosqueletteetlaparoicellulaire.Lesauteursavancentainsiunmodèle aveclescandidatsprobablespourcetteliaison:lesWAKs(wallͲassociatedkinases),lesAGPs (arabinogalactanproteins),lespectines,lescelluloseͲsynthases,lesformines,lesmyosines declasseVIIIspécifiquesauxplantes,lesphospholipasesDetlescalloseͲsynthases(Baluska

etal.,2003)(Figure10).

c. Lescanauxmécanosensibles

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