Le réseau de FT tel qu'il est connu chez la plante modèle Arabidopsis

Le dépôt de la paroi secondaire est activé lorsque la cellule a terminé son élongation, et nécessite par conséquent une coordination spatio-temporelle précise de l'expression de l'ensemble des gènes codants pour les enzymes impliquées dans la biosynthèse de ses composants. Cette activation coordonnée des gènes de biosynthèse est contrôlée par un réseau de FT hiérarchisé à plusieurs niveaux (Hussey et al., 2013) (Figure 12). Dans ce réseau, les FT NAC les plus en amont sont nécessaires et suffisants pour activer le programme de dépôt de paroi, et sont, par conséquent, considérés comme des "régulateurs maitres" (ou "Master regulators") de la formation de la paroi secondaire. En général, leur mutation inhibe le dépôt de paroi, tandis que leur surexpression ectopique entraine une induction des gènes impliqués dans la synthèse de cellulose, lignine et xylanes, entrainant un dépôt de paroi secondaire. Par conséquent, ils constituent le premier niveau de régulateurs impliqués dans le contrôle de la formation de la paroi secondaire (Hussey et al., 2013). Malgré leur position très en amont dans le réseau, il a été montré qu'ils peuvent se lier aux promoteurs de gènes cibles codant

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pour des FT en aval, ou des enzymes impliquées dans la synthèse de la paroi (Zhong et Ye, 2015; Hussey et al., 2013).

Figure 12: Réseau de régulation impliqué dans le contrôle du dépôt de paroi secondaire dans les cellules du xylème en différenciation. Adapaté de Hussey et al., 2013 et Ko et al., 2014.

Chez Arabidopsis, 10 FT (AtVND1 à AtVND7, AtSND1, AtNST1 et AtNST2) appartiennent à cette catégorie de régulateurs maitres de type NAC, et initient la formation de la paroi dans différents types cellulaires (Zhong et al., 2010a). Les FT AtVND1 à AtVND7 sont spécifiquement exprimés dans les vaisseaux et induits lors de la différenciation de cultures cellulaires d'Arabidopsis en vaisseaux (Kubo et al., 2005; Yamaguchi et al., 2008). Ces gènes sont phylogénétiquement proches et appartiennent au sous-groupe des VND (VASCULAR-RELATED NAC DOMAIN) (Ohtani et al., 2011; Zhu et al., 2012).

Immature xylem Phloem

Secondary cell wall biosynthesis Level 1

Level 2

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L'implication de ces gènes dans la régulation de la formation de la paroi secondaire spécifiquement dans les vaisseaux a été démontrée uniquement pour les gènes VASCULAR

RELATED NAC DOMAIN6 (AtVND6) et AtVND7, qui semblent avoir une fonction

redondante (Yamaguchi et al., 2008, 2010a, 2011). AtVND7 interagit avec AtVND1,

AtVND2, et AtVND3, mais la fonction de ces gènes dans la différenciation des vaisseaux,

n'est pas encore clairement définie (Yamaguchi and Demura, 2010; Hussey et al., 2013). Une étude récente a mis en évidence que tous les FT VNDs activent l'expression d'AtVND7, tandis que la réciproque n'est pas vraie. Ce qui suggère que AtVND7 pourrait être positionné à la fin d'une cascade de régulations transcriptionnelles (Endo et al., 2015).

Les gènes NAC SECONDARY WALL THICKENING PROMOTING FACTOR 1 (AtNST1),

AtNST2 et SECONDARY WALL ASSOCIATED NAC DOMAIN PROTEIN 1

(AtSND1/AtNST3), sont les trois autres régulateurs maitres de la formation de la paroi secondaire caractérisés à ce jour (Ko et al., 2007; Mitsuda et al., 2007; Mitsuda and Ohme- Takagi, 2008). Ils sont exprimés dans les fibres, les racines et les siliques, mais leur expression n'est pas détectée dans les cultures de cellules qui se différencient en vaisseaux. Un triple mutant pour ces gènes présente une perte totale de la formation de la paroi secondaire dans les fibres du xylème tandis que les vaisseaux ne sont pas affectés (Zhong et al., 2006; Mitsuda et al., 2007; Zhong et al., 2007b; Mitsuda and Ohme-Takagi, 2008; Zhong and Ye, 2014). AtNST1 et AtNST2 sont également exprimés dans les cellules de l'endothécium des anthères et le double mutant ne forme plus de paroi secondaire dans ces types cellulaires (Mitsuda et al., 2005). Ces observations conduisent à affirmer que ces trois gènes sont impliqués dans la régulation de la formation de la paroi spécifiquement dans les fibres. Cependant, l'expression de AtNST1 dans les stades précoces de la différenciation des vaisseaux et le profil du dépôt de paroi ressemblant à celle des vaisseaux dans les surexpresseurs AtNST1, ne permet pas d'exclure un rôle dans les vaisseaux également (Mitsuda et al., 2005, 2007).

Il est connu qu'une combinaison d'hormones, peptides mobiles et de FT de type bZIP de classe III, participent à déterminer le devenir des nouvelles assises cellulaires produites par le cambium (Schuetz et al., 2013; Partie 3.1). Cependant la paroi secondaire n'est pas mise en place dès les premières étapes de la différenciation. Ce qui implique l'existence de mécanismes moléculaires contrôlant l'expression spatio-temporelle des régulateurs maitres de la formation de la paroi. Récemment, les gènes ASYMMETRIC LEAVES2-LIKE19/LATERAL

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INTERACTING2 (AtVNI2), ont été identifiés comme régulateurs de l'expression des VNDs

(Soyano et al., 2008; Yamaguchi et al., 2010b). Des lignées mutées dans le gène AtWRKY12, montrent un dépôt ectopique de paroi secondaire, associé à une activation des gènes reliés à la biosynthèse des composants de la paroi et une augmentation du niveau de l'expression d'AtNST2 (Wang et al., 2010). L'hypothèse est que le FT AtWRKY12 inhiberait la formation de la paroi secondaire en régulant négativement les régulateurs maitres NST. AtMYB26 semble lui aussi réguler l'expression de AtNST1 et AtNST2 dans les anthères, contribuant au contrôle de la formation de la paroi secondaire (Yang et al., 2007).

En dépit d’une apparente spécificité cellulaire de ces régulateurs maitres, les travaux conduits ces dernières années suggèrent que l'essentiel de leurs cibles seraient communes. Les régulations induites par AtVND6/AtVND7 et AtNST2 sont largement communes à celles induites par AtSND1/AtNST1, bien qu'un certain nombre de cibles soient spécifiques à

AtVND6, AtVND7 ou AtSND1 (Hussey et al., 2013). Notamment, AtVND6/AtVND7 régulent

la différenciation des vaisseaux en induisant les gènes impliqués dans la mort cellulaire programmée, alors que ces derniers ne sont pas régulés par AtSND1/AtNST1 qui contrôlent la différenciation des fibres (Ohashi-Ito et al., 2010; Zhong et al., 2010b). De plus, le couple

AtVND6/AtVND7 est impliqué dans une boucle de rétrocontrôle positif avec les FT AtASL19

(ASYMMETRIC LEAVES2/LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN) et AtASL20 (Soyano et al., 2008). Enfin, AtVND7 interagit avec le répresseur AtVNI2, qui n'est pas détecté dans un autre type cellulaire que les vaisseaux (Yamaguchi et al., 2010b).

Ces régulateurs maitres du niveau 1 interviennent très en amont dans les voies de régulation de la formation de la paroi secondaire et régulent un ensemble de FT de niveau 2 (Figure 12) (Hussey et al., 2013) parmi lesquels AtMYB46, AtMYB83 et AtMYB103,

AtXND1 et AtSND3, ainsi que AtASL11 (Zhong et al., 2010b; Yamaguchi et al., 2011). AtMYB46 et AtMYB83 sont fonctionnellement redondants et sont les cibles de tous les

régulateurs maitres cités précédemment. Ils sont exprimés dans les fibres et vaisseaux, et sont capables d'induire la formation d’une paroi secondaire lorsqu'ils sont surexprimés (Zhong et al., 2007a; Ko et al., 2009; McCarthy et al., 2009). Ils semblent donc former un carrefour de régulation s’appliquant directement aux FT du niveau 1 : AtMYB43, AtMYB52, AtMYB54,

AtMYB58 et AtMYB63, le trio de gènes redondants AtMYB4/AtMYB7/AtMYB32, le FT AtC3H14 de type C3H-type zinc finger et le FT AtKNAT7 de type homeobox (Figure 12) (Ko

et al., 2009; McCarthy et al., 2009; Nakano et al., 2010; Zhong and Ye, 2012). AtMYB46 et

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biosynthèse de la paroi, l'organisation du cytosquelette, le transport vésiculaire et la mort cellulaire programmée (Zhong and Ye, 2012). AtMYB103, qui est phylogénétiquement proche d'AtMYB61 et AtMYB55 (Dubos et al., 2010), est une cible directe du régulateur maitre AtSND1. AtMYB103 régule la biosynthèse de la lignine, particulièrement la voie conduisant aux sous unités S (Öhman et al., 2013). AtMYB61 semble également activer l'expression de gènes structuraux de façon directe, notamment les gènes reliés à la biosynthèse de lignine (Hussey et al., 2013). La répression dominante d’AtMYB103 et AtSND3 provoque une réduction du dépôt de paroi, mais leur surexpression n'entraine pas un dépôt ectopique de paroi secondaire. Ils permettraient donc d'ajuster le dépôt de paroi, mais leur rôle n'est pas

clairement défini (Zhong et al., 2008).AtXND1 a été proposé comme régulateur négatif de la

biosynthèse de paroi secondaire et de la mort programmée, mais sa fonction précise reste à définir (Zhao et al., 2008).

Des études fonctionnelles, et notamment des analyses de ChipSEQ et de simple hybride (Hussey et al., 2013), ont pu montrer que parmi les régulateurs les plus en aval du réseaux (niveau 1), on peut trouver deux groupes de FT : des régulateurs positifs et des régulateurs négatifs du dépôt de SCW. Les principaux régulateurs positifs sont AtMYB43,

AtMYB54, AtMYB58, AtMYB63, AtMYB20, AtMYB69, AtMYB79, AtMYB85, AtC3H14, AtSND2, AtBES1. À l'inverse, AtKNAT7, AtMYB4, AtMYB7, AtMYB32, AtMYB52

semblent réprimer la formation de la paroi secondaire (Figure 12) (Hussey et al., 2013). Il a été observé que la mutation du gène AtMYB52 provoque une augmentation de la lignification dans les fibres du xylème, suggérant une fonction de répresseur de la lignification (Cassan- Wang et al., 2013). Lorsque un domaine conférant une activité de répression dominante est ajouté à AtMYB52, ainsi qu’à AtMYB54 et AtMYB69, qui sont phylogénétiquement proches (Dubos et al., 2010), le phénotype observé est une réduction de l'épaisseur de paroi, tandis que des lignées qui surexpriment ces gènes ne montrent pas de phénotype (Zhong et al., 2008). Ce qui suggère qu'ils ne sont pas suffisants pour induire le dépôt de paroi, mais pourraient intervenir en complément de l'action d'autres régulateurs du niveau 1. Les gènes AtMYB63,

AtMYB58, AtMYB46 et AtMYB83 semblent être directement régulés par les régulateurs

maitres NST1 et SND1 (Zhong and Ye, 2012). Ces FT présentent une redondance fonctionnelle et leur surexpression entraine un dépôt de lignine ectopique sans que cela affecte la biosynthèse des polysaccharides pariétaux (Mele et al., 2003; Zhou et al., 2009; Mitsuda et al., 2010). Par conséquent, ils sont considérés comme des régulateurs positifs de la

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phylogénétiquement proches, et clusterisent près du sous-groupe 3 qui contient AtMYB63 et

AtMYB58 (Dubos et al., 2010). Ils sont également des cibles directes des régulateurs maitres,

notamment AtMYB20 dont l'expression est régulée par AtSND1 (Zhong et al., 2008; Öhman et al., 2013). Ces trois FT, ainsi qu'AtMYB79 sont généralement considérés comme capables de réguler la biosynthèse de lignine (Hussey et al., 2013), bien que cette régulation n'ait pu être mise en évidence que pour AtMYB85 (Zhong et al., 2008).

Parmi les régulateurs négatifs, le trio de FT AtMYB4/7/32, sont caractérisés par la présence d'un motif répresseur de type ERF-associated amphiphilic repression (EAR), caractéristique des FT répresseurs chez les plantes (Ohta et al., 2001). Cependant, seul

AtMYB32 a été relié de façon directe à la formation de la paroi (Preston et al., 2004).

Certaines données de caractérisation fonctionnelle suggèrent que ces gènes sont reliés à la régulation du métabolisme des phénylpropanoides (Jin et al., 2000; Preston et al., 2004). Le FT AtKNAT7 est directement activé par les régulateurs maitres NAC de niveau 3 ainsi que

AtMYB46/83. Il réprime les gènes impliqués dans la biosynthèse de la cellulose, des

hémicelluloses et de la lignine (Zhong et al., 2008; Li et al., 2012).

D'autres FT tels que AtC3H14 et AtSND2 ont été associés, plus généralement, à la régulation de gènes impliqués dans la biosynthèse de plusieurs types de composants de la paroi secondaire (Hussey et al., 2013). Bien que positionné très en amont dans la voie de régulation de la différenciation du xylème, AtBES1 est le seul FT de ce réseau pour lequel une liaison aux promoteurs de gènes de CesA nécessaires à la biosynthèse de la paroi secondaire, a été démontrée (Xie et al., 2011). Par ailleurs, de nombreux FT de types bZIP, homeodomain, BEL1-like et zinc-finger ont été listés comme cibles des FT AtMYB46 et

AtMYB83, mais n'ont pas été reliés à la biosynthèse de la paroi (Zhong and Ye, 2012).

Les analyses globales de transcriptomique et d'interaction ADN-protéines, conduites ces dernières années, suggèrent que les réseaux de régulation contrôlant le dépôt de paroi sont bien plus complexes que ce qui est connu. Dans ces approches, l'utilisation de réseaux de corrélation notamment, a permis de mettre en évidence de nombreux régulateurs dont la fonction reste inconnue (Yang et al., 2011; Taylor-Teeples et al., 2015; Shi et al., 2010; Zinkgraf et al., 2017; Mizrachi et al., 2017).

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3.2.3. Conservation du réseau de régulation du dépôt de paroi chez les espèces