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Comportement particulier d'une population mitochondriale au niveau de l'apex caulinaire de l'Epinard
AUDERSET, Guy Leon, GREPPIN, Hubert
Abstract
In spinach (Spinacia oleracea) certain mitochondria of the sporogenic promeristem would appear to show lysosomal involvement. This occasional involvement occurs when the photoperiodic conditions do not favor flowering. The mitochondrial morphological changes indicate increase in the production of membrane. The acid phosphatase activity normally found in the neighbourhood of the dictyosomes is present.
AUDERSET, Guy Leon, GREPPIN, Hubert. Comportement particulier d'une population mitochondriale au niveau de l'apex caulinaire de l'Epinard. Planta , 1974, vol. 116, no. 1, p.
73-84
DOI : 10.1007/BF00390205
Available at:
http://archive-ouverte.unige.ch/unige:118714
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Planta (Berl.) 116, 73--84 (1974) 9 by Springer-Verlag 1974
Comportement particulier d'une population mitochondriale au niveau de l'apex caulinaire
de l'Epinard
G. A u d e r s e t et H . G r e p p i n
Laboratoire de Physiologic v6g6tale, Universit6 de Gen~ve, 3, Place de l'Universit6, Ctt-1211 Gen~ve 4, Switzerland
Regu le 3 aofit / 12 novembre 1973
B e h a v i o r of a M i t o c h o n d r i a l P o p u l a t i o n in t h e S h o o t A p e x of S p i n a c h Summary. In spinach (Spinacia o!eracea) certain mitochondria of the sporogenic promeristem would appear to show lysosomal involvement. This occasional in- volvement occurs when the photoperiodie conditions do not favor flowering. The mitoehondrial morphological changes indicate increase in the production of mem- brane. The acid phosphatase activity normally found in the neighbourhood of the dictyosomes is present.
I n t r o d u c t i o n
L % t u d c u l t r a s t r u c t u r a l e des diff6rents t e r r i t o i r e s de l ' a p e x c a u l i n a i r e des A n g i o s p e r m e s a 6t6 e s s e n t i e l l e m e n t f~ite selon des crit~res c y t o - logiques ou c y t o p h y s i o l o g i q u e s c o n c e r n a n t les a c i d e s nucl6iques; des c o m p t a g e s de r i b o s o m e s (Nougar~de et B r o n c h a r t , 1965) ou des a u t o - r a d i o g r a p h i e s en m i c r o s c o p i c 61ectronique ( B r o n c h a r t et al., 1970) o n t p e r m i s de diff6rencier la zone phyllog~ne lat6rale de la zone centrale, r e l a t i v e m e n t i n a c t i v e (m6rist~me d ' a t t e n t e ) p e n d a n t la croissance v6g6- t a t i v e de la p l a n t e . L o t s de l ' i n d u c t i o n florale, on c o n s t a t e l ' e n t r 6 e en a c t i v i t 6 d u m 6 r i s t b m e c e n t r a l et la f o r m a t i o n d u m6rist~me r e p r o d u e t e u r qui en d6rive ( B u v a t , 1955).
A u eours de l ' 6 t u d e s y s t 6 m a t i q u e de l ' 6 v o l u t i o n i n f r a s t r u c t u r a l e d u m6rist6me c a u l i n a i r e de Spinacia oleracea nous a v o n s p u m e t t r e en 6vidcnce le e o m p o r t e m e n t p a r t i c u l i e r d ' u n e p o p u l a t i o n de m i t o c h o n d r i e s . C e t t e 6 v o l u t i o n est ~ m e t t r e en r a p p o r t avee l ' 6 t a t p h y s i o l o g i q u e impos6
l ' a p e x .
Mat6riel et m~thodes
Des 6pinards, Spinacia oleracea, var. Nobel, sont maintenus en jours courts de 8 h pendant 5 s 7 semaines, de mani~re s induire, au niveau de l'apex, l'6tat interm6diaire d6crit par Buvat (1955) et Nougar~de (1965). La temp6rature est de 25 ~ C et l'intensit6 de la lumigre blanche de 5000 lux (tubes Sylvania, type Day- light). L'induction florale est provoqu6e par transfert de ces plantes en jour continu.
74 G. Auderset et H. Greppin Microscopie dlectronique
Les apex sent fix6s ~ la glutarald~hyde, puis post-osmi6s; l'inclusion est faite dens l'Epon (Luft, 1961). L'6tude ultrastrueturale est pratiqu~e sur des plans sagittaux de l'apex eaulinaire, plans d~termin~s en microscopie optique sur des coupes semi-fines.
Les preparations, eonstrast6es au citrate de Plomb, sent observ~es au moyen du microscope 61ectronique Hitachi t t 7.
Tests cytochimiques
Apr6s fixation ~ la glutarald6hyde, los apex sent d6coup6s en trenches de 40 tzm d'6paisseur au moyen d'un sectionneur de tissu Sorvall TC-2, selon la m6thode de Smith et Farquhar (1965). Les coupes sent lav6es dens le tampon citrate de p H 4,8 de mani6re ~ 61iminer les phosphates, puis raises ~ incuber dans le milieu de Gomori (1952), variante de Miller et Palade (1964), avec, comme sub- strat, soit le fl-glye6rophosphate, soit le Q-nitroph6nyl-phosphate. Les temps d'incubation sent ramen6s ~ des dur6es minimales, de l'ordre de 20 min. Les t6moins sent incub6s soit en l'absence de substrat, soit dens la solution de Gomori en pr6sence d'un inhibiteur (NaF 10 -a M). Des tests identiques sent men6s parall61e- ment sur des apex de racines, de mani6re ~ pouvoir comparer les r6sultats avec les donn6es de la litt6rature, laquelle porte essentiellement sur co type d'apex (Dau- welder et al., 1969). Les fragments sent ensuite postosmi6s, d6shydrat6s et inclus dans l'Epon. Les clich6s proviennent parfois de pr6parations non constrast6es, de mani6re ~ mettre uniquement en 6videnee les sites de r6action de la phosphatase acide.
L'6paisseur des pi6ces incub6es est modeste, assurant ainsi une p6n6tration homog6ne du substrat et du r6actif; la m6thode utilis6e (Smith et Farquhar, 1965) 6rite d'6ventuelles alt6rations ultrastructurales dues s la cong61ation. Les temps d'incubation s chaud ont 6t6 r6duits empiriquement ~ une dur6e minimale, de mani6re ~ 6viter les ph6nom6nes de diffusion de la phosphatase acide hers de ses sites d'act~ion: le marquage de la chromatine nucl6aire, consid6r6 comme un art6fact, est ainsi 6vit6.
Les dictyosomes nous ont servi de erit6re de marquage: nous obtenons une localisation pr6cise, visible, selon le plan de coupe, au niveau de eiternes, v6sicules ou parties tubulaires p6riph6riques de ces organelles. Le mat6riel de r6f6rence, m6rist6me de racine, montre un marquage aussi pr6cis que eelui retrouv6 dans la litt6rature (Dauwalder et al., 1969).
Les tissus t6moins incub6s dans le milieu complet, en pr6sence de fluorure de sodium, ou incub6s dens un milieu priv6 de substrat, ne montrent jamais de pr6- cipit6s r6v61ateurs d'une activit6 phosphatasique acide. Tout au plus rencontre-t-on un contraste renforc6, au niveau de certaines structures en particulier les globules intramitochondriaux; ce fair peut s'expliquer par l'incubation en pr6sence du nitrate de Pb contenu dens le milieu de Gomori.
Observations
Etude ultrastructurale gdndrale
E n c o n d i t i o n p h o t o p 6 r i o d i q u e d 4 f a v o r a b l e & la f l o r a i s o n , j o u r c o u r t de 8 h, l ' a p e x 6 v o l u e , a p r 6 s les t r o i s s e m a i n e s q u i s u i v e n t le s e m i s , v e r s l ' 6 t a t d i t ( ( i n t e r m 6 d i a i r e ~ p a r l ' E c o l e f r a n g a i s e ( N o u g a r 6 d e , 1965) ; c e t
Comportement par~iculier d'une population mitochondriale 75 6tat est caract6ris6 par un fonctionnement phyllog6ne de la zone lat6rale de l'apex et par une d6diff6renciation partielle de la zone eentrale jusque 1s n e t t e m e n t diff6renci6e; ce ph6nom6ne a pour r6sultat une disparition de la zonation v6g6tative de l'apex.
C'est pr6cis6ment h c e stade, au niveau du m6rist~me d ' a t t e n t e (zone centrale), que se manifestent les premiers indices d'une 6volution particuli6re de cergaines migoehondries. Cette 6volution, abougissang des mitochondries g6antes, paraig s'effectuer selon deux voies: eergaines organelles s'allongent par (&tirement~) (forme en haltbre) puis, ehaque extr6mit6 semblant d6erire un mouvemeng plus ou moins circulaire, la mitoehondrie englobe une r6gion cytoplasmique importante (fig. 1, fig. 3). D'autres organelles paraissent 6tre le si~ge d'une croissanee loealis6e s un p61e pr6cis et seule eette r6gion de croissanee enveloppe une r6gion cytoplasmique (fig. 2, fig. 4). Si certains elich6s nous per- m e t t e n t d'envisager l'une on l'autre de ces 6volutions, un bon hombre d'entre eux n'autorise pas la d6termination de l'une ou l'autre origine.
Les stades les plus primordiaux: haltbres ou croissanee unipolaire, sont visibles entre la 3~me eg la 46me semaine qui suit le semis. Les r6gions de croissanee membranaire song earact6ris6es par une absence de ergtes, une structure lamellaire trbs marqu6e m o n t r a n t sept r6gions pr6cises (fig. 1). Le stroma pr6sente presque toujours, ~ ee niveau de croissanee suppos6e, des globules osmiophiles en hombre variable, g6n6ralement important. Certains clich6s, telles ]es fig. 1 5~ 3 laissent supposer un rassemblement de tels globules aux endroits pr6cis de d6veloppement membranaire.
A mesure que s'installe l'6tat interm6diaire de l'apex, les observations de telles structures se font plus fr6quenges. La faille e n e s t g6n6ralemeng i m p o r t a n t e (de l'ordre de 2 s 5 Ezm). L'ingerpr6tation tridimensionelle de ces prolif6rations de plus en plus volumineuses, est extr~,memeng real ais6e en raison de la faible @aissenr des coupes ultrafines.
Les points eommuns de ees structures song les suivants :
1 ~ elles englobent des r6gions cytoplasmiques importantes, eontenant parfois des organelles (r6tieuluIn endoplasmique, plastes; vacuoles, (fig. 5 et 6).
2 ~ les diff6rentes structures propres ~ la prolif6ration sont toujours bien marqu6es
3 ~ les grandes inclusions, ainsi d61imit6es, pr6sentent souvent des images de d6g6n6reseence (fig. 7, 10).
Une telle 6volution n'affecte que 3 ~ 5% des mitoehondries, par cellule et pratiquement toute la zone cengroapieale est concern6e, en jours courts prolong6s. Ces figures song tougefois plus rares au niveau de la tuniea. Si l'6tat interm6diaire est maingenu pendant plus de 6 semaines,
76 G. Anderset eL H. Greppin
Figs. 1--4
Comportement particulier d'une population mitochondriale 77
Fig. 5 et 6. S6questration d'organelles par les mitochondries particuli6res. Zone centrale du m6rist6me caulinaire. Coloration au citrate de plomb
Fig. 5. S6questration de cytoplasme et d'un plaste. • 32000 Fig. 6. S6questration de cytoplasme. •
Fig. 7. Membranes r6siduelles dans un espace d61imit6 par une mitochondrie particuli6re. • 32000
Fig. 1 ~ 4. Croissance mitochondriale. Coloration au citrate de plomb. Zone centrale du m~rist~me caulinaire. Locallsation precise des globules osmiophiles stromatiques
(GO). 2r noyau, C M corps mitochondrial Fig. 1 et 3. Croissance membranaire bipolaire Fig. 2 et 4. Croissance membranaire paraissant unipolaire
• fig. 1 (6chelle 0,5 lzm, valable pour t o u s l e s clich4s) • Fig. 2 s 4
78 G. Auderset et H. Greppin
Figs. 8--12
Comportement particulier d'une population mitochondriale 79 on rencontre 6galement de telles mitochondries au n i v e a u des aisselles des derniers primordia form6s.
Apr~s le transfert en jour continu, la fr6quence de ces structures a u g m e n t e dans la zone centrale, en particulier au niveau du corpus, (deuxi6me et troisibme assises cellulaires surtout). C'est entre le deuxi6me et le quatribme jour apr6s le transfert que ce ph6nom6ne est le plus i m p o r t a n t .
Ensuite, alors que s'6tablit le m6rist6me r e p r o d u c t e u r d'origine centrale, ces structures se manifestent de plus en plus r a r e m e n t s mesure que s'6tablit la nouvelle p o p u l a t i o n cellulaire. On les retrouve toutefoiS ,en n o m b r e i m p o r t a n t , au niveau des premi6res 6bauches des bourgeons
floraux.
Nous n ' a v o n s jamais enregistr6 de telles structures au niveau de l ' a n n e a u initial, des p r i m o r d i u m s foliaires, du m6rist6me m6dullaire ou de la moelle. Elles paraissent done 6ire l ' a p a n a g e des zones ((florales~) pr6somptives, prom6rist6me repr6sent6 p a r ]a zone centrale, ainsi que des aisselles des diff6rents primordiums.
Des apex de 6 semaines en jours courts (6tat interm6diaire bien 6tabli) m o n t r e n t de telles structures d o n t le contenu pr6sente des analogies avec ]es observations enregistr6es au n i v e a u du c o m p a r t i m e n t lysosomial: vacuoles antolytiques. I1 nous a p a r u int6ressant de proc6der s des tests cytochimiques, afin de d6tecter la pr6sence 6ventuelle d ' u n e activit6 phosphatasique acide au n i v e a u de relies structures.
Etude ultrastructurale cytochimique
1. Activitd phosphatasique acide gdndrale au niveau de la zone sub.
quiescente du mdri6"t~me radiculaire (Activitg tdmoin). Elle est extr~me- m e n t pr6cise et conforme, par exemple, a u x t r a v a u x de D a u w a l d e r et al.
(1969) (fig. 8, 9). L a fig. 8 suggbre une ((livraison~) de charge phosphatasi- que acide de la p6riph6rie du dictyosome ~ la vacuole voisine.
Fig. 8 et 9. Activit6 phosphatasique acide t6moin, m6rist~me radiculaire. Test de Gomori, coloration au citrate de plomb. D dictyosome, V vacuole Fig. 8. La coupe est tengentielle au dictyosome D dont un secteur p6riph6rique est positif au test cytochimique. La vacuole voisine est 4galement positive. X48000 :Fig. 9. Dictyosome positif au test de Gomori. Noter la localisation extr6mement
pr6cisc de l'activit6 phosphatasique acidc (-->). X 48000
Fig. 10 ~ 12. Activit6 phosphatasique acide au niveau des mitochondries particu- libres. M6ristbme caulinaire. Coloration au citrate de plomb
:Fig. i0, forme &g6e, aprbs s6ques~ration, activit6 faible (-->). X 48000 :Fig. 11 ct 12, formes jeunes activit6 nette
6 Planta (Berl.), Vol. 116
80 G. Auderset et H. Greppin
Figs. 13--16
Comportement particulier d'une population mitochondriale 81 2. Activitd au niveau des mitochondries particuligres 1. U n e aetivit6 phosphatasique acide positive est enregistr6e au niveau de telles mitochondries; elle est g6n6rMement faible, mais toujours 6vidente. Elle p a r a l t dans les stades de croissance de ces mitochondries, et se localise s u r t o u t dans les espaces s6parant les m e m b r a n e s internes des m e m b r a n e s externes (fig. 10 ~ fig. 13).
Quelques elich6s sugggrent un passage direct de la charge enzymati- que des dictyosomes ~ la mitochondrie voisine (fig. 14 et fig. 16).
Discussion
Sur le plan morphologique, l'6volution de certaines mitoehondries implique une croissance i m p o r t a n t e de leur syst~me membranaire.
B a r n a r d et Afzelius (1972), passant en revue les donn6es acqnises sur les globules osmiophiles i n t r a m i t o c h o n d r i a u x , estiment qu'il s'agit d ' u n e forme de stockage des phospholipides destines s gtre incorpor6s dans la m e m b r a n e interne. Nous avons, pour notre part, observ6 u n h o m b r e 61ev6 de tels globules, locMis6s dans des r6gions m e m b r a n a i r e s manifeste- m e n t en croissance. L a croissance simultan6e de la m e m b r a n e externe peut s'expliquer p a r l'incorporation directe, ~ son niveau, des pr6curseurs membranaires d'origine dictyosomale, ou, 6ventuellement r6ticulaire (Morr6 et al., 1971 a).
Des r a p p o r t s s t r u c t u r a u x sont souvent remarqu6s entre dictyosomes et mitoehondries particuli~res. Ces mitochondries d6limitent, en fin de prolif6ration, des territoires cytoplasmiques off l'on p e u t s o u v e n t con- s~ater des ph6nom~nes de d6g6n6rescenee (cytolyse) qui ne sont pas sans rappeler les vacuoles de digestion observ6es an niveau du c o m p a r t i m e n t lysosomial. I1 est i m p o r t a n t de noter que p e n d a n t l'6tat interm6diaire, ces structures apparaissent au niveau de la zone centrale bloqu6e dans son 6volution p a r les jours courts. Des structures ]amellaires semblables sont d6crites p a r T h o r n t o n (1968) et Coulomb (1969). Ces auteurs, eependant, n'6tablissent pas de relation morphologique avee des corps mitoehondriaux.
1 Une 6rude plus g6n~rale de l'activit~ phosphatasique acide fera l'objet d'une autre publication (Auderset et Greppin, 1974).
Ce travail a b6n6fici6 de l'aide du Fonds national suisse de la recherche scientifi- que (3.557.71).
Fig. 13. Mitochondrie particuli~re au niveau d'un primordium floral. Coupe non color6e. Noter la localisation du produit de r~action visible surtout au niveau des
espaces membranaires. • 48000
Fig. 14 ~ 16. Illustration d'une possibilit6 de transfcrt de charge phosphatasique acide de dictyosomes aux mitochondries particuli~res. Zone centrale du m6rist~me
caulinaire. CoIoration au citrate de plomb
Les Fig. 14 et 15 concernent la m~me mitochondrie, sur deux plans voisins. La charge enzymatique provient du dictyosome voisin (-+). • 48000 6*
82 G. Auderset et H. Greppin
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@ Corps mitochondrlal
@ Cr~te mitochondr~ale
@ Stroma
@ Dictyosome Membrane externe (~ Espace intermembranaire
~) Membrane interne Membrane interne
~) Fspace intermembranaire Membrane externe
~) Elaboration enzymatique
~) Prise en charge Activite phosphatasique acide d[luee
~) Globule osmiophile
Fig. 17. Sch6ma illustrant la possibilit6 de transfert de charge enzymatique d'un dietyosome ~un r6cepteur oceasionnel que repr6sente une mitochondrie particu- li6re. Les communications figurges ici au point 12 sont d6montr6es, en particulier
par Braeker et Grove (1971)
Ces observations ne sont pas sans rappeler celles de Zs-Nagy (1968) paraissant d6montrer une filiation mitochondries-eytosomes dans les cellules nerveuses d'Anodonte.
Si l'on aceepte l'hypoth6se d'une participation mitoehondriale s l'Squipement lysosomial, hypoth~se justifiSe rant par la morphologie que par les tests eytoehimiques que nous produisons, il y a lieu alors d'expli- quer la prise et la charge phosphatasique aeide par ees r6cepteurs occasionnels que repr6sente une telle population mitoehondriale.
Des clieh6s fournis par notre mat6riel paraissent indiquer un transfert direct d'une pattie de l'6quipement enzymatique des dietyosomes dans les mitoehondries, positives au test de Gomori, situ6es ~ leur proximit6.
Une telle interpr6tation de ees images est acceptable en regard des travaux de lVIorr6 et al. (1971b) ainsi que Braeker et Grove (1971): ees auteurs d6montrent l'existenee de relations direetes des eompartiments r6ticulaires ou golgiens avee les espaces intermembranaires des mitoehon- dries. La nettet6 de leur d6monstration est dhe b~ la qualit6 du mat6riel
Comportemen$ par~icuHer d'une population mitoehondriale 83 a u q u e l ils s ' a d r e s s e n t : les h y p h e s de Pithyum et d'Aspergillus s o n t i n s t a n t a n 6 m e n t fix6s, ce qui n ' e s t m a l h e u r e u s e m e n t p a s le eas a v e c u n m a t 6 r i e l r e l a t i v e m e n t v o l u m i n e u x tel que l ' a p e x caulinaire. N o u s p e n s o n s p o u v o i r i l l u s t r e r la prise de c h a r g e p h o s p h a t a s i q u e a c i d e p a r les m i t o -
chondries p a r t i c u l i 6 r e s a u m o y e n de la fig. 17.
Chez ] ' E p i n a r d , ces m i t o c h o n d r i e s partieuli~res d i s p a r a i s s e n t a p r b s / ' i n d u c t i o n florMe, lors de la d6diff~renciation de la zone centrale.
Conclusion
N o u s a v o n s p u m e t t r e en 5vidence, lors d ' u n t r a v a i l de r o u t i n e a u n i v e a u de l ' a p e x caulinaire de Spinacia olarecea, var. Nobel, une p a r t i - c i p a t i o n oeeasionnelle de s t r u c t u r e s m e m b r a n a i r e s d ' o r i g i n e m i t o c h o n - d r i a l e s des ph6nom6nes de s S q u e s t r a t i o n cellulaire de n a t u r e l y s o s o m i a l e . U n e 6rude e y t o c h i m i q u e p e r m e t d ' u n e p a r t de d6ceter, a n n i v e a u d e telles s t r u c t u r e s , une a e t i v i t 6 p h o s p h a t a s i q u e a c i d e dilu6e, et d ' a u t r e p a r t d ' e x p l i q n e r l ' a e q u i s i t i o n de c e t t e charge e n z y m a t i q n e . C e t t e 6volu- t i o n se r e t r o u v e s y s t 6 m a t i q u e m e n t d a n s une r6gion pr6cise, en r a p p o r t a v e e les p h 6 n o m 6 n e s de diff6reneiation florale.
Des t r a v a u x u l t 6 r i e u r s v o n t t e n t e r de pr6eiser la n a t u r e de l'6quipe- m e n t e n z y m a t i q u e de ces lysosomes oeeasionnels.
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