2.1. La formation du système vasculaire primaire
Avant de parler du bois, un tissu vasculaire secondaire, il est nécessaire d’évoquer les mécanismes de formation des tissus vasculaires primaires intervenant dans toutes les plantes supérieures, y compris les arbres. Les tissus vasculaires sont composés de deux unités basiques : le xylème et le phloème. Le xylème transporte, à travers la sève brute, l’eau, les minéraux et des hormones tels que les cytokinines et l’acide abscissique. Il stocke l’eau et les nutriments et permet le soutien mécanique du poids de la plante. Le phloème conduit la sève élaborée pour la distribution des produits de la photosynthèse tel que le saccharose. Il permet la translocation des protéines et ARNm impliqués dans la croissance et le développement de la plante (Ye, 2002). Chez Arabidopsis, la formation des tissus vasculaires primaires commence durant l’embryogenèse le long de l’axe hypocotyle/racine, avec la différenciation en fibres des cellules méristématiques primaires du procambium vasculaire. Après la germination lors de la croissance primaire des tiges et des racines, les cellules du procambium se différencient pour former à la fois le phloème primaire et le xylème primaire, le tout confiné dans des paquets ou faisceaux vasculaires. Le xylème primaire est constitué des éléments de trachéide conduisant la sève brute, de fibres du xylème, et de cellules du parenchyme du xylème. Chez les angiospermes, les trachéides sont appelés éléments de vaisseaux et sont perforés à chaque extrémité pour former une colonne creuse continuelle appelée vaisseau. Le phloème est composé d’éléments criblés conduisant la sève élaborée, de cellules compagnes du parenchyme, et de fibres. Les éléments criblés chez les plantes à fleurs sont des tubes criblés qui sont connectés à travers des plaques criblées pour former une colonne continue (Ye, 2002).
Il y a une grande plasticité d’organisation des tissus vasculaires au sein d’un paquet vasculaire, et l’organisation vasculaire la plus commune est un placement parallèle du xylème vers l’intérieur et du phloème vers l’extérieur (Ye, 2002 ; Nieminen et al., 2004). On parle alors de paquet vasculaire collatéral (Fig. 8A). Mais nous pouvons rencontrer d’autres organisations, comme par exemple chez les Solanaceae où le xylème est placé en parallèle avec un phloème externe et un phloème interne formant un paquet vasculaire bicollatéral (Ye, 2002).
Figure 8. Représentation schématique des différentes organisations de tissus vasculaires en coupe transversale (Ye, 2002)
(A) Organisation des tissus vasculaires dans les paquets vasculaires primaires. Le procambium (c) est localisé entre le xylème et le phloème. Le paquet vasculaire collatéral a un xylème (x) et un phloème (p) placés en parallèle. Le paquet vasculaire bicollatéral a un xylème placé entre du phloème externe et interne. Dans le paquet vasculaire amphivasal le xylème entoure le phloème, alors que dans le paquet vasculaire amphicribral le phloème entoure le xylème. (B) Organisation des paquets vasculaires dans la tige. La protostèle a un xylème localisé au centre et un phloème entourant le xylème. Dans la siphonostèle, les paquets vasculaires sont organisés en cercle (eustèle) ou dispersés partout dans la masse tissulaire (atactostèle). Le xylème est toujours placé vers le centre et le phloème vers la périphérie. (C) Organisation des organes vasculaires en croissance secondaire. Le cambium vasculaire (cv) forme un cercle, avec de part et d’autre du xylème secondaire (xs) vers l’intérieur et du phloème secondaire (ps) vers l’extérieur. (D) Paquets vasculaires collatéraux dans la feuille. Le xylème est localisé vers la face adaxiale de la feuille et le phloème est localisé vers la face abaxiale.
De la même façon, les plantes ont élaboré diverses organisations pour le placement des paquets vasculaires au sein de la tige ou de la racine (Fig. 8B). Chez beaucoup de dicotylédones, le xylème forme une masse solide entourée de phloème au centre de la racine primaire ou protostèle. Les paquets vasculaires peuvent à l’inverse être arrangés individuellement avec deux modèles majeurs dans la tige alors appelée siphonostèle. Dans le premier modèle (eustèle), les paquets vasculaires individuels sont organisés en cercle dans la tige ou la racine. C’est le cas de beaucoup de dicotylédones notamment pour les tissus primaires de peuplier, et les racines de monocotylédones. Dans l’autre modèle (atactostèle),
p x c p x c p p x c x p c Paquet collatéral Paquet bicollatéral Paquet amphivasal Paquet amphicribral x p x p ps xs x p Protostèle Siphonostèle (eustèle) Siphonostèle (atactostèle) Tissus vasculaires secondaires Feuille face adaxiale face abaxiale A B C cv D
les paquets vasculaires sont éparpillés d’un bout à l’autre des tissus, comme cela est observé dans les tiges de monocotylédones (Ye, 2002). Dans les feuilles, les paquets vasculaires sont appelé veines, avec généralement chez les dicotylédones une veine principale au milieu et un réseau de veines mineures appelées nervures. Les paquets vasculaires des feuilles sont collatéraux avec un phloème à la face abaxiale et un xylème à la face adaxiale de la feuille (Fig. 8D). Dans les jeunes tiges de peupliers (Populus tremula × P. alba) âgés d’un mois, la zone de croissance primaire se situe directement sous l’apex où la tige s’allonge et est encore verte (Prassinos et al., 2005). De plus, la zone de transition entre les croissances primaire et secondaire se situe entre les quatrième et sixième nœuds, et la zone de croissance secondaire est localisée vers la base de la tige où la formation de bois est bien visible. Au niveau de la zone de transition quand la tige devient mature, le procambium donne le cambium fasciculaire et du cambium interfasciculaire commence à se développer entre les paquets vasculaires pour finalement former un cylindre continu appelé cambium vasculaire (Fig. 8C) (Ye, 2002 ; Nieminen et al., 2004). La plante annuelle Arabidopsis est capable de produire dans certaines conditions du xylème secondaire à la base des inflorescences, et est aussi utilisée comme modèle dans l’étude de la formation du bois.
2.2. La formation du bois ou xylogenèse chez le peuplier
Le bois ou xylème secondaire est un tissu hétérogène et complexe, si bien qu’au sein d’une même plante, il existe différentes sortes de bois : le bois juvénile, le bois mature, le bois de printemps, le bois d’été, le bois de cœur, et le bois de réaction appelé bois de tension chez les angiospermes (Mellerowicz et al., 2001 ; Plomion et al., 2001). Chez les arbres, le bois a différentes fonctions : le soutien mécanique permettant aux arbres de se développer durant plusieurs années, le transport de la sève brute des racines aux feuilles sur de longues distances, et enfin le stockage d’éléments nutritionnels notamment pendant l’hiver. Les conifères possèdent deux types de cellules : les cellules radiales assurant le transport de sève entre le phloème et le xylème, et les trachéides connectées entre elles par des ponctuations aréolées et assurant à la fois le rôle de transport de la sève brute et le rôle de soutien mécanique (Plomion et al., 2001). Contrairement aux conifères, le bois des feuillus est hétérogène avec quatre types cellulaires principaux : les fibres pour le soutien mécanique, les vaisseaux pour la conduction de la sève, les cellules axiales parenchymateuses et les cellules de parenchyme des rayons pour l’accumulation des réserves et le transport radial de l’eau et
des nutriments vers le centre de la tige ou du tronc. Au niveau des racines l’anatomie du bois ou xylème secondaire est similaire à celle des tiges ou du tronc (Chaffey et al., 2002). Le bois est un tissu secondaire issu de l’activité d’un méristème secondaire appelé cambium vasculaire permettant la croissance en largeur du tronc ou des tiges. Ce cambium secondaire situé entre le phloème et le xylème forme un cercle continu au sein du tronc ou des tiges (Fig. 8C). La formation du bois ou xylogenèse est un processus complexe faisant l’objet de nombreuses études et qui peut être résumé très succinctement par les quatre processus physiologiques suivants : division cellulaire à partir de cellules méristématiques du cambium, expansion cellulaire, dépôt et lignification de la paroi secondaire, et mort cellulaire programmée (Fig. 9). Au cours de leur différenciation, les cellules du bois se renforcent par l’épaississement et l’imperméabilisation de leurs parois cellulaires.
2.2.1. La zone cambiale, une région méristématique de division et d’expansion cellulaire
Le cambium, ou assise génératrice libéro-ligneuse, est une zone méristématique secondaire initiant la xylogenèse et qui assure la pérennité des arbres (Lachaud et al., 1999). Cette assise cylindrique constituée de cellules méristématiques organisées en files radiales génère en effet, par divisions périclines le phloème secondaire ou liber côté extérieur et le xylème secondaire ou bois côté intérieur de la tige (Fig. 9 et 10). Contrairement aux autres méristèmes, le cambium est un tissu complexe constitué de deux types cellulaires distincts morphologiquement, à parois fines et très vacuolisées, appelés initiales fusiformes et initiales radiales (Mellerowicz et al., 2001 ; Chaffey et al., 2002). L’identité de ces cellules cambiales est déterminée par des signaux positionnels plutôt que par la lignée cellulaire, puisque l’interconversion entre les initiales fusiformes et les initiales radiales est un phénomène commun (Larson, 1994). La zone cambiale chez P. tremula × P. tremuloides est constitué d’environ 7-10 cellules fusiformes durant la phase de croissance active (Chaffey et al., 2002). Les initiales fusiformes sont allongées de façon axiale, et les initiales radiales isodiamétriques sont plus rares et regroupées en îlots lenticulaires. Les cellules de la zone cambiale ont une paroi primaire fine appelée lamelle moyenne, composée de microfibrilles de cellulose arrangées au hasard durant la période active.
Figure 9. Les différentes étapes de la formation du bois chez le peuplier
(A) Représentation schématique de la différenciation du xylème chez le peuplier d’après (Israelsson et al., 2005). (B) Coupe transversale de tige de peuplier colorée à la safranine bleu-astra et observée en microscopie optique (Photo réalisée par Laurans F., INRA Orléans). La cellulose est colorée en bleu, tandis que la lignine est colorée en rouge.
Les cellules de la zone cambiale (ZC) donnent naissance aux cellules du phloème (Ph) coté externe de la tige. Le phloème produit par la suite du phloème non fonctionnel ou cortex (Ph NF). Coté interne, elles donnent naissance aux cellules du xylème qui se différencient (XD) pour donner au final le xylème mature (XM) lignifié. Le xylème est composé de trois types cellulaires principaux : les fibres (Fb), les vaisseaux (Vs), et les rayons (Ry).
Les divisions périclines des initiales fusiformes cambiales sont très particulières puisque ces cellules se divisent par leur bord longitudinal. La cloison de paroi primaire devant être formée pour chaque division péricline d’une initiale fusiforme est la plus grande possible au sein de la cellule, alors que pour d’autres types cellulaires cette cloison de paroi primaire générant deux cellules filles est habituellement la plus petite possible (Mellerowicz et al., 2001). La biosynthèse de la plaque cellulaire, de la lamelle moyenne, de la membrane plasmique et de la paroi primaire est donc quantitativement plus importante que pour d’autres cellules. De plus le phragmoplaste, une matrice riche en polysaccharides déposée entre les cellules filles durant la division cellulaire et générant ensuite la plaque cellulaire, doit traverser la grande vacuole centrale pour atteindre les deux extrémités de la cellule. Par
ZC Ph Ry Fb Vs XM XD XM XD ZC Ph Ph NF Formation de la paroi secondaire et lignification Différenciation et élongation cellulaire Vx Fb A B Ph NF
ailleurs, des divisions anticlinales, où la nouvelle paroi cellulaire formée est placée radialement, interviennent aussi au niveau de ces cellules cambiales pour maintenir ou accroître la circonférence du cambium au cours de la croissance (Mellerowicz et al., 2001). Les divisions anticlinales jouent un rôle important dans la régulation de la longueur des initiales fusiformes, et indirectement dans la longueur des fibres de xylème (Larson, 1994). Lors de la division anticlinale, les cellules filles sont plus courtes que leur cellule mère, de par l’orientation oblique de la nouvelle paroi radiale formée. La longueur de ces initiales fusiformes augmente ensuite graduellement par de la croissance intrusive à leurs extrémités, jusqu’à la prochaine division anticlinale. Cette activité cambiale varie au cours des saisons et notamment connaît une période de dormance pendant l’hiver. Le cambium reste actif pendant des dizaines d’années, et il est admis qu’il est contrôlé par des circuits internes pouvant être analogues à ceux des méristèmes apicaux (Groover, 2005 ; Groover et al., 2006).
Chez le peuplier, quatre principales formes cellulaires sont générées coté xylème à partir de ces deux types de cellules cambiales (Mellerowicz et al., 2001 ; Chaffey et al., 2002). Coté xylème, les initiales fusiformes donnent naissance aux éléments de vaisseaux conduisant la sève brute, aux fibres libriformes assurant le soutien mécanique de l’arbre (Fig. 9 et 10) et enfin aux cellules axiales parenchymateuses. Les éléments de vaisseaux sont soit individuels, soit regroupés avec au moins deux cellules adjacentes en file radiale, ou en
Ry Vx Fb Fu Tc Pa Ra
Figure 10. La différenciation des initiales cambiales en cellules du phloème et du xylème dans du bois « normal » de peuplier (Populus tremula × P. alba)
Coupe longitudinale radiale de la zone cambiale colorée au bleu de méthylène azur2 (Photos Laurans F.). Les initiales fusiformes (Fu) se différencient pour produire vers le xylème les éléments de vaisseaux (Vx) et les fibres (Fb), et vers le phloème les tubes criblés (Tc) et les cellules parenchymateuse du phloème (Pa). Les initiales radiales (Ra) d’aspect cubique donnent naissance aux cellules des rayons (Ry) en forme de brique. Nous pouvons remarquer que la croissance cellulaire est très précoce pendant la différenciation du xylème et du phloème, et les éléments de vaisseaux ont une croissance radiale plus marquée que les fibres du xylème.
paquet de plusieurs éléments de vaisseaux. Coté phloème, les initiales fusiformes engendrent les tubes criblés ou fibres de phloème. Les initiales radiales d’aspect cubique produisent les cellules de rayon du xylème et du phloème qui prennent une forme de brique (Fig. 10). Ces cellules sont plus tard distinguées en cellules de contacts et cellules parenchymateuses des rayons. Cette distinction est basée respectivement sur leurs associations ou non avec les éléments des vaisseaux. Ainsi, les initiales radiales sont à l’origine des rayons qui permettent la communication entre le xylème et le phloème. La production de cellules du xylème déplace le cambium de manière centrifuge vers l’extérieur. L’établissement de la destinée cellulaire et la manière dont ces cellules se différencient restent encore un mystère du processus de xylogenèse (Mellerowicz et al., 2001).
2.2.2. L’expansion cellulaire et l’élaboration de la paroi cellulaire primaire
Après avoir perdu leur capacité de division, les cellules mères du xylème vont connaître une phase d’expansion cellulaire (Fig. 10). Toutes les cellules dans la zone d’élongation jouxtant le cambium subissent un élargissement. Chaque type cellulaire subit des modifications qui lui sont propres, et différentes selon l’étendue, la polarité et le type d’élargissement (Mellerowicz et al., 2001). Le diamètre des vaisseaux augmente considérablement et leur longueur axiale/longitudinale varie très peu, alors que les fibres ont une expansion longitudinale très marquée et sont légèrement plus larges que les initiales fusiformes. Les fibres atteignent une longueur d’environ 0,4 à 0,6 mm chez le peuplier et leur longueur augmente avec l’âge de l’arbre (Larson, 1994 ; Jourez et al., 2001). Les vaisseaux ont une longueur finale moyenne de 0,38 mm. Les cellules axiales parenchymateuses formées tardivement dans la saison sont plus larges mais plus courtes que les initiales fusiformes (Chaffey et al., 2002). Concernant les cellules des rayons, elles s’allongent selon l’axe radial du xylème et prennent une forme de brique. Bien que les fibres présentent une croissance cellulaire anisotropique, la nature exacte du type d’expansion cellulaire n’est pas tranchée. Beaucoup de chercheurs pensent que la croissance des fibres est intrusive aux extrémités de la cellule et nécessite la biosynthèse locale de paroi cellulaire (Wenham & Cusick, 1975 ; Mellerowicz et al., 2001). Cette croissance serait alors similaire à celle localisée aux extrémités du tube pollinique ou des poils racinaires. D’autres, parce que les cellules en développement cessent de s’allonger quand la paroi secondaire commence à être déposée, penchent plutôt pour une croissance diffuse similaire aux cellules non vasculaires (Ye, 2002).
Toutefois, sans exclure l’existence d’une croissance diffuse au niveau des parois latérales, il y a un large consensus au sein de la communauté scientifique supportant l’existence d’une croissance intrusive aux deux extrémités des fibres et des éléments de vaisseaux. Au cours de la croissance secondaire du cambium et de la formation des éléments de vaisseaux et des fibres du xylème secondaire, ces deux types de croissance diffuse et intrusive semblent donc se produire simultanément. Les modifications de taille des cellules de xylème (fibres, vaisseaux et rayons) sont concomitantes et liées à un dépôt de paroi primaire. La croissance des cellules se termine dès que la paroi secondaire commence à se former.
La paroi cellulaire primaire est un constituant essentiel aux plantes, mais aussi à d’autres organismes procaryotes et eucaryotes tels que les bactéries, levures, et champignons. La paroi cellulaire détermine notamment la morphologie des cellules de plantes, peut être considérée comme un exosquelette et permet le maintien de la pression de turgescence des cellules. Son rôle principal est mécanique, mais elle peut avoir d’autres fonctions comme par exemple la signalisation cellulaire, ou la protection des cellules contre les attaques de pathogènes (Cosgrove, 1997). La paroi primaire est mise en place dans les tissus vasculaires secondaires avant le dépôt de la paroi secondaire (Mellerowicz et al., 2001). Sa formation débute au niveau des initiales fusiformes et radiales de la zone cambiale et se poursuit lors de l’expansion cellulaire. Tout d’abord, la lamelle moyenne (0,5 à 1,5 µm) se forme à partir du phragmoplaste. Elle est en majorité constituée de pectines et assure à la fois l’adhésion et la séparation entre les cellules. Après mise en place de la lamelle moyenne tout de suite après la division cellulaire, la paroi primaire est déposée. D’épaisseur faible (0,1 µm) et très hydratée (composée aux deux tiers d’eau), la paroi primaire a des propriétés élastiques qui permettent l’expansion cellulaire. La paroi primaire des cellules végétales est constituée en moyenne de 30 % de celluloses, 30 % d’hémicelluloses, 35 % de pectines et de 1 à 5 % de protéines pariétales (Cosgrove, 1997). La teneur et la nature des constituants de la paroi primaire varie en fonction du type cellulaire et des espèces. Pour information, la composition de la paroi primaire dans le xylème de peuplier est indiquée dans le tableau 3 (Mellerowicz et al., 2001). La cellulose est déposée de manière aléatoire et les différentes couches de microfibrilles de celluloses sont orientées au hasard dans la paroi primaire. Les microfibrilles de celluloses enchevêtrées dans la matrice d’hémicelluloses et de pectines forme un maillage lâche (Kohorn, 2000). Alors que la cellulose est synthétisée au niveau de la membrane plasmique au niveau des complexes de cellulose synthases, les hémicelluloses et pectines sont sécrétées dans l’espace extracellulaire par un système de vésicules de sécrétion. Les pectines forment
une matrice gélifiante qui s’intercale entre les microfibrilles de cellulose et les hémicelluloses (Kohorn, 2000). Plus tard, les polymères de lignines sont incorporés dans la paroi primaire.
Tableau 3. Composition biochimique des parois cellulaires primaire et secondaire de xylème de peuplier (Mellerowicz et al., 2001)
Stades de développement du xylème Composants (% de poids sec) Formation de la paroi primaire Pectines (47 %)
Cellulose (22 %)
Xylanes (11 %) Xyloglucanes (6 %) Glucomannanes (1 %) Protéines (10 %) Bois mature : (paroi secondaire, primaire et lamelle moyenne) Cellulose (43-48 %)
Xylanes (18-28 %)
Glucomannanes (5 %)
Pectines et xyloglucanes (3 %)
Lignines (19-21 %)
Figure 11. Représentation schématique de la paroi secondaire lignifiée. (Boudet et al., 2003)
Les polymères de lignine sont déposés dans la paroi secondaire entre la matrice d’hémicelluloses et de microfibrilles de cellulose. La lignine forme ainsi un « mastic » colmatant les polysaccharides.
2.2.3. La formation de la paroi secondaire
Ayant atteint leur taille définitive, chaque type cellulaire va former une paroi secondaire composée majoritairement de celluloses, d’hémicelluloses, de pectines, de protéines et d’une quantité importante de lignines. La présence de lignines est facilement détectable dans les cellules de bois après coloration des coupes histologiques à la safranine bleu-astra colorant la lignine en rouge et la cellulose en bleu (Fig. 9). La composition approximative de ces polymères dans la paroi secondaire est de 45 % de cellulose, 25 % d’hémicellulose et 20 % de lignine (Timell, 1969). La paroi secondaire est une structure
formée d’une matrice de lignines et d’hémicellulose renforcée par des câbles de microfibrilles de cellulose (Fig. 11) (Boudet et al., 2003). Elle est déposée à l’intérieur de la paroi primaire, et contrairement à cette dernière la paroi secondaire est plus résistante mécaniquement. La composition biochimique de la paroi secondaire est nettement différente de celle de la paroi