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La thigmomorphogénèse est définie par deux grandes réponses physiologiques : l’augmentation de la croissance radiale, et la diminution de la croissance longitudinale. Ces réponses ont été mises en évidence chez de nombreuses espèces, mais ne sont pas systématiques, et varient en fonction du modèle étudié. Notre travail a consisté à caractériser les réponses de thigmomorphogénèse liées à la croissance longitudinale chez le peuplier en comparant trois espèces différentes, et à chercher des marqueurs moléculaires liés à la diminution de croissance longitudinale au niveau de l’apex suite au transfert d’information entre la zone sollicitée et l’apex. Dans la littérature, deux types de stress mécaniques, les stress lésants et les non lésants, sont à l’origine d’un arrêt de croissance longitudinale. De ce fait, le transfert d’information, les cinétiques de réponse et les mécanismes mis en jeu peuvent être complètement différents. C’est pourquoi nous avons choisi également de comparer les réponses à la brûlure qui nous ont servi de témoin positif par rapport aux réponses à une flexion.
I/ Mise en évidence d’une réponse de croissance longitudinale suite à une flexion chez trois espèces de peuplier
Grâce aux études de croissance journalière, mesurée manuellement, une diminution significative de la croissance longitudinale a été détectée dès le jour de l’application de la brûlure chez P.trichocarpa, passant d’une vitesse de croissance d’environ 0.9 cm.jour-1
en condition témoin, à 0.5 cm.jour-1 après la brûlure, soit une réduction d’environ 45%. Cet impact rapide d’un stress lésant sur la croissance à distance correspond bien aux résultats qu’avait démontrés Tixier et al (2014) sur un autre génotype de peuplier, l’hybride Populus tremula x P.alba. Dans le cas d’une flexion, une diminution de croissance longitudinale n’est pas visible le jour même, mais est visible deux jours après la flexion pour Populus trichocarpa et P. deltoïdes, et trois jours après la flexion pour P. nigra. Le retour à une vitesse de croissance comparable au témoin se fait le lendemain pour P. deltoïdes et P. nigra mais pas pour P. trichocarpa. Ces plants de P. trichocarpa avaient un diamètre de tige beaucoup plus faible par rapport aux deux autres espèces, et malgré le faible rayon du tube utilisé lors de la flexion, on peut faire l’hypothèse qu’ils ont dû ressentir plus fortement la sollicitation, et n’ont pas repris leur croissance aussi rapidement. Ces résultats suggèrent qu’une seule flexion est suffisante pour diminuer la croissance longitudinale chez trois espèces de peuplier. Chez
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P. tremula x alba, Tixier et al (2014) n’avaient pas pu mettre en évidence de diminution significative de la croissance longitudinale, même si une tendance à la diminution (P=0.053 avec un test HSD de Tuckey) existe peut-être le jour suivant la flexion. Dans cette expérience précédente, les flexions avaient été effectuées pendant la période diurne et non pendant la nuit. Cette sollicitation n’a donc pas été faite pendant la phase de croissance très active. Toutefois, comme suggéré par Pruyn et al (2000), il pourrait exister une variabilité intra et interspécifique de la réponse de croissance longitudinale chez le peuplier. Dans nos résultats, la cinétique de réponse semble être espèce spécifique, car on peut observer des variations entre espèces, avec une réponse plus tardive pour P.nigra par rapport aux autres espèces. Cette différence pourrait venir d’une espèce plus ou moins sensible à ce genre de sollicitation, avec une perception plus rapide du stimulus, et donc une réponse plus précoce. De manière intéressante, par rapport à une sollicitation lésante comme la brûlure, la flexion entraine une réponse à distance beaucoup plus tardivement. Différentes hypothèses pourraient être émises pour expliquer ces différences : des mécanismes différents, et donc plus longs à mettre en place ou une résistance à cette sollicitation.
L’avantage des mesures manuelles de croissance est qu’elles peuvent être réalisées sur un grand nombre de plantes. Cependant, le fait de manipuler quotidiennement les plantes pour mesurer leur croissance pourrait biaiser les résultats, c’est-à-dire entrainer une perte de croissance, due à un artéfact lié à la manipulation. Pour vérifier de manière plus précise ces résultats, sans avoir à toucher les plantes, une approche par analyse d’images a été réalisée. Outre l’avantage de minimiser les perturbations mécaniques inhérentes à la mesure, elle offre une échelle de mesure plus fine que le mètre dérouleur. En plus de cela, cette méthode permet de caractériser la croissance « en continu » du peuplier et de la modéliser. Comme chez Arabidopsis thaliana et Helianthus annuus (Stolarz 2009), la croissance du peuplier est rythmique, et est caractérisée par une phase de croissance active nocturne, et une phase de croissance ralentie diurne. Afin de pouvoir comparer les résultats physiologiques et moléculaires, les stress ont toujours été appliqués à la même heure, soit 4h après le début de la nuit pour les flexions, c’est-à-dire pendant la phase la plus active de croissance, et 1h après le début du jour pour les brûlures. Cela permettant de limiter toutes les variations potentiellement liée au rythme physiologique circadien de la plante.
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Les mesures par analyses d’image ont donc été testées sur deux espèces (P. trichocarpa et P. deltoïdes) ayant subi une sollicitation mécanique de type flexion, du fait de leur réponse plus rapide par rapport à P. nigra. Pour les deux espèces on retrouve une baisse de la croissance longitudinale journalière deux jours après la flexion comparable à celle mise en évidence par les mesures manuelles de croissance. Cette diminution de croissance est en corrélation avec une diminution des mouvements de circumnutation. Stolarz (2009), a proposé que l’inhibition de ces mouvements de circumnutation était impliquée dans l’inhibition de la croissance longitudinale. Toutefois, ces résultats nécessitent une confirmation par des répétitions biologiques.
Notre étude physiologique a pu montrer que la flexion diminuait, et de manière significative, la croissance longitudinale du peuplier. Comme l’a montré Pruyn (2000), nous avons pu voir qu’il y avait bien une variabilité interspécifique entre les 3 espèces que nous avions choisies. Certaines espèces pourraient avoir une résistance, d’autre une sensibilité plus forte à ce type de sollicitation. Ces résultats indiquent que tous les peupliers ne répondent pas de la même manière (perte d’élongation cellulaire, résistance), et en caractérisant la réponse de tous les génotypes de peuplier, des études d’hybridation de différentes espèces pourraient être mise en œuvre afin de comprendre ces différents mécanismes. Ensuite cette réponse semble être beaucoup plus lente que celle induite par une brûlure ce qui pourrait indiquer des mécanismes de signalisation à longue distance différents.
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II/ Des gènes impliqués dans le cycle cellulaire
L’étude de l’expression des gènes de peuplier Pt-JAZ 5, Pt-AIL1, Pt-AIL3, Pt-CYCD1.4, Pt-CYCD6.1, Pt-ACS6, Pt-IAA1, et Pt-GID1 dans l’apex après une sollicitation mécanique (lésante ou non), avait pour but de trouver des gènes marqueurs du transfert d’information, ainsi que des gènes ayant un impact sur le cycle cellulaire, et donc sur la croissance liée à l’activité méristématique.
L’expression des gènes, dit « mécanosensibles » comme Pt-JAZ5 et Pt-ACS6 impliqués respectivement dans la signalisation des jasmonates et la biosynthèse de l’éthylène, est induite, dès 30 minutes après brûlure d’une feuille chez P. trichocarpa. D’après Martin et al. (2009), ces gènes sont également positivement régulés localement au niveau du tissu fléchi de la tige. Chez P. tremula x P.alba, ces gènes sont induits dans l’apex de la plante dès 30 minutes après une brûlure (Tixier et al. 2014). Ces résultats, statistiquement significatifs pour P. trichocarpa, doivent être validés par des répétitions biologiques pour P.deltoïdes, mais une tendance similaire se dessine sur les 2 plantes testées. Ces résultats soutiennent l’implication des jasmonates et de l’éthylène dans cette réponse à distance suite à une brûlure, ce qui est en accord avec la signalisation à distance suite à blessure décrite chez A.thaliana (Zhang et Turner 2008).
Pour les gènes de la famille des Aintegumenta-like et des cyclines D intervenant dans le cycle cellulaire, les isoformes Pt-AIL1, et Pt-CYCD1.4 présentent une diminution significative de l’expression chez P. trichocarpa par rapport à son témoin dès 30 min après la brûlure. Pour Pt-AIL3 et Pt-GID1, une diminution est observable, mais celle-ci n’est pas significative. Lors du retour à une croissance longitudinale comparable au témoin, c'est-à-dire 48h après la brûlure, il y a un retour à une expression de base de ces deux gènes. Ces résultats suggèrent qu’il existe une corrélation entre la sous expression du gène Pt-AIL1 qui va induire une sous expression du gène Pt-CYCD1.4, induisant à son tour un ralentissement de la division cellulaire.
Dans le cas de P.deltoïdes, l’expression de ces gènes semble suivre celle de P.trichocarpa, même si on peut observer en plus une diminution de l’expression de Pt-CYCD6.1. Pour P.nigra, une diminution de l’expression n’est observable que pour Pt-AIL3 et
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Pt-CYCD1.4. Même si des répétions biologiques sont nécessaires pour ces deux dernières espèces, les résultats préliminaires convergent pour révéler une diminution de la division cellulaire dans l’apex des plantes brûlées.
L’ensemble de ces gènes ne présentent aucune variation d’expression 30 minutes après une sollicitation mécanique de type flexion. D’après nos résultats de croissance, la sollicitation de type flexion déclenche un ralentissement de croissance plus tardif que la brûlure. Des temps plus tardifs, c'est-à-dire au moment où l’on observe une diminution de la croissance longitudinale (56h), ont donc été testés chez P.trichocarpa. Dans ces conditions, on observe une augmentation significative de l’expression de Pt-JAZ5 par rapport au témoin et au temps 30 minutes. Ces résultats suggèrent que la réponse à une flexion utilise en partie des voies de signalisation communes (jasmonates) avec la réponse à la brûlure, mais avec des cinétiques différentes. En revanche, aucune variation d’expression des gènes impliqués dans le cycle cellulaire n’est détectée. On peut donc se demander si la diminution de croissance longitudinale observée en réponse à une flexion ne serait pas plutôt due à une inhibition de l’élongation cellulaire.
III/ Conclusion et perspectives
Nos résultats ont mis en évidence que dans les deux cas de contraintes, lésante (brûlure) ou non (flexion), une réponse de croissance (baisse de croissance longitudinale) était visible chez les trois espèces de peupliers étudiés. C’est résultats sont en accord avec les données de la littérature. En revanche, notre travail a permis d’identifier des cinétiques de réponse différentes entre les deux stress. Notre travail a mis en évidence pour la première fois, une corrélation entre le profil d’expression des gènes intervenant dans le cycle cellulaire et la réponse de croissance longitudinale. Ces résultats suggèrent que l’activité méristématique est dérégulée suite à cette sollicitation lésante. Une approche fonctionnelle est nécessaire pour confirmer ces résultats. Il serait intéressant par exemple de tester l’impact de la brûlure sur des peupliers transgéniques surexprimant Pt-AIL1. Dans le cas de la réponse à la flexion, il semble que la signalisation par les jasmonates existe, mais de manière décalée par rapport à celle mise en place en réponse à la brûlure. Il faudrait donc étudier de plus près le vecteur d’information qui est peut-être différent entre les deux réponses et qui pourrait peut-être expliquer la différence de cinétique.
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En revanche il semble que l’origine de l’inhibition de croissance longitudinale soit différente de celle identifiée dans le cas de la brûlure. Il serait donc intéressant de pousser les recherches de biologie moléculaire dans le méristème caulinaire et dans les tissus des entrenœuds qui n’ont pas terminé leur croissance en se focalisant sur des gènes impliqués dans la régulation de l’élongation cellulaire, en ciblant une cinétique tardive pouvant expliquer l’inhibition de croissance longitudinale observée deux jour s après la flexion.
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