Les tropismes chez les plantes

Les tropismes

• Un tropisme est une croissance directionnelle en réponse à un stimulus externe. La lumière, la gravité ou le contact sont des exemples de stimuli.
• Une plante se courbant du côté opposé au stimulus présente un tropisme négatif.
• Une plante se courbant vers le stimulus présente un tropisme positif.

Le phototropisme

• En cas d'éclairement homogène, la plante pousse horizontalement.
• En cas d'éclairement unilatéral, la plante est attirée par la lumière, ce qui entraîne une croissance dans cette direction et un tropisme positif au niveau des tiges.

Expériences historiques

• Darwin et son fils ont étudié les jeunes pousses de graminées (monocotylédones), composées d'une graine et d'un coléoptile (tube sans méristème contenant la première feuille).
• Observer un coléoptile sans méristème révèle uniquement une différence d'élongation cellulaire, pas de multiplication.
• L'élongation peut provenir de la multiplication ou de l'élongation cellulaire.

Détermination de la zone de perception de la lumière

• La perception a lieu au niveau de l'apex ; en le coupant ou en le cachant, il n'y a pas de courbure.
• L'objectif était de comprendre la nature du signal entre les zones de perception et d'élongation.
• En coupant l'apex et en insérant de la gélose ou de l'agar, une courbure vers le stimulus se produit.
• L'insertion d'une plaque de mica empêche la courbure. Si l'apex est séparé du reste de la tige, bloquant toute diffusion, il n'y a pas de transmission du signal ; la gélose permet la diffusion de molécules.
• Avec une demi-plaque de mica sur le côté obscur, il n'y a pas de courbure ; la réaction se produit du côté opposé au stimulus.
• S'il y a une demi-plaque de mica sur le côté clair, une courbure se produit, indiquant que la transmission du signal se produit du côté opposé au stimulus.
• Apex coupé et agar imbibé au bout : même dans l'obscurité, une courbure est observée sans stimulus, ce qui indique qu'une molécule permet la diffusion d'un côté, entraînant une plus grande courbure de l'autre côté.

Le modèle de Cholodny-Went

• En cas de lumière homogène, l'auxine est verticale des deux côtés.
• En cas de lumière d'un côté, l'auxine se relocalise du côté opposé.
• L'auxine peut favoriser la croissance en quantité appropriée.

Perception de la lumière et caractérisation du photorécepteur PHOT1

• La plante est plus sensible aux longueurs d'onde bleues.
• Les scientifiques cherchaient à déterminer le récepteur qui perçoit la lumière, et comment il fonctionne.
• Pour évaluer le taux de phosphorylation, on coupe et on incube avec de l'ATP radioactif.
• Les bandes visibles indiquent la phosphorylation et l'incorporation de l'ATP radioactif.
• Moins de protéines sont observées à mesure que l'on s'éloigne de l'apex.
• Cette protéine pourrait être l'un des récepteurs de la lumière.
• La quantité de protéine diminue à mesure que l'on s'éloigne de l'apex.
• La tige séparée en deux montre une bande sur la portion exposée à la lumière, ce qui indique une forte présence de protéine.
• Ces expériences ont permis d'identifier un photorécepteur phosphorylé, nommé PHOT1.

Caractérisation du photorécepteur : le mutant phot 1

• Le gène pho1, et l'expression de la protéine, n'étaient plus exprimés chez le mutant pho1.
• Le WBlot indique que la protéine n'est pas présente chez le mutant, démontrant que le mutant fonctionne.
• La phosphorylation est évaluée en incubant avec de l'ATP radioactif, en effectuant un WBlot, puis en révélant par autoradiographie.
• Il n'y a pas de phosphorylation en l'absence de lumière. En présence de lumière, le type sauvage (WT) montre une phosphorylation indiquant l'activité de la protéine, ce qui n'est pas le cas chez le mutant pho1.
• Le WT montre une courbure vers la lumière, contrairement au mutant.
• L'absence d'expression de phot1 indique un manque de réponse au stimulus lumineux, suggérant que la protéine PHOT1 est impliquée dans la détection de la lumière.
• La phosphorylation change entre l'état inactif et l'état actif.

Expression du gène Phot 1 (Phototropine 1) dans le coléoptile de maïs

• L'expression est mesurée au niveau de l'ARNm.
• L'ARNm, plus difficile à manipuler en raison de sa structure simple brin instable, est extrait et rétrotranscrit en ADN par une transcriptase inverse. Les brins d'ADN simples sont resynthétisés en brins doubles, et une PCR quantitative est effectuée pour déterminer la quantité initiale d'ARNm.
• Les résultats montrent une plus grande activité de Phot1 près de l'apex, diminuant plus loin.

Mode d'action de PHOT1

• Les domaines identifiés sont LOV1, LOV2 et KINASE.
• La perte de la capacité de phosphorylation entraîne la perte du phototropisme.
• Le récepteur fonctionne avec la phosphorisation pour déclencher une cascade de signalisation.
• FMN se lie de manière covalente avec LOV2, libérant le domaine kinase et lui permettant d'être phosphorylé.

La relocalisation de l'auxine

• L'auxine n'est pas produite davantage, mais plutôt relocalisée, cessant d'être uniformément distribuée.
• L'auxine dans l'apoplasme est couplée avec un H+.
• Les transporteurs d'influx (AUX1) font entrer l'auxine dans la cellule. À l'intérieur, l'auxine se dissocie du H+ et se reliera aux transporteurs d'efflux (PIN, ABC) pour sortir.

Relocalisation de l'auxine suite à un éclairement unilatéral

• La quantité d'auxine est mesurée de chaque côté d'une lame de verre.
• Si la lame de verre va jusqu'au bout, la quantité d'auxine est la même des deux côtés (20-20).
• Si la lame ne va pas jusqu'au bout, il y a 30 d'un côté et 10 de l'autre, l'auxine étant plus concentrée du côté opposé à la lumière.
• La cascade de signalisation entraîne une relocalisation, pas une augmentation de la production d'auxine.
• La quantité d'auxine dans le coléoptile est mesurée et comparée entre l'obscurité et la lumière à différents moments.
• La relocalisation commence 20 minutes après le stimulus, principalement dans les premiers 3 mm de l'apex.

Expression des gènes de réponse à l'auxine

• L'auxine est une hormone qui active les gènes via leur promoteur.
• Construction de pDR5 – GFP (rapporteur d'auxine) transformée dans Arabidopsis :
• La fluorescence, donc le promoteur pDR5, est activée par l'auxine. Chez le type sauvage (WT), la fluorescence était plus importante du côté sombre, tandis que le mutant ne montrait pas de relocalisation de l'auxine.
• L'auxine joue un rôle dans la courbure : sans relocalisation, il n'y a pas de courbure.

Relocalisation de PIN3 au cours de l'éclairement

• PIN3 a été couplé à la GFP, créant une protéine hybride.
• À l'obscurité, PIN3 est uniformément distribué.
• La lumière unilatérale entre 4 h et 12 h augmente PIN3 du côté obscur, indiquant un plus grand nombre de récepteurs.
• La lumière des deux côtés n'entraîne pas de différence dans la localisation de PIN3.
• Les transporteurs se relocalisent également au niveau cellulaire pour faire sortir l'auxine du bon côté.
• Inhibition de la relocalisation de PIN3 empêche la relocalisation de l'auxine :
• L'ajout d'un inhibiteur BFA empêche la relocalisation de l'auxine.
• Les inhibiteurs sont impliqués dans la relocalisation de l'auxine.
• L'inhibition de la relocalisation de PIN 3 empêche la relocalisation de l'auxine.
• L'effet modéré du mutant pin3 sur le phototropisme de l'hypocotyle est noté.

Phosphorylation et inactivation de ABCB19

• ABCB19 : transporteurs membranaires impliqués dans le transport polarisé de l'auxine
• Lorsqu'on utilise uniquement le phot1 — réception, une bande est visible, ce qui signifie qu'il est capable d'assurer son autophosphorylation dans l'obscurité.
• En présence du transporteur d'efflux, il n'y a pas de phosphorylation.
• En présence de lumière, le récepteur phot 1 est phosphorylé, et comme son domaine kinase est libéré, il phosphoryle également le transporteur.
• La séquestration d'auxine à l'intérieur de la cellule se produit en raison d'une liaison entre l'activité kinase et le transporteur B19.
• Phot1 phosphoryle le transporteur B19 en présence de lumière.
• Des cellules HeLa ont été préincubées avec de l'auxine radioactive puis exposées à divers éléments.
• B19 seul : transport dans l'obscurité, légère augmentation dans la lumière.
• B19 + phot1 : forte diminution du transport d'efflux dans la lumière.
• Co-expression de B19 et phot1 dans la lumière : diminution de la quantité d'auxine qui sort de la cellule.
• L'activation de ABCB19 diminue suite à la relocalisation de l'auxine.
• En présence de B19 et Phot1 ensemble, B19 sera phosphorylé et davantage séquestrera l'auxine dans la cellule.

Conséquences de la détection de la lumière par les photorécepteurs Phot1

• L'auxine est produite dans les parties apicales de la tige, mais la courbure se produit au niveau de la zone d'élongation.
• Les photorécepteurs Phot1, lorsqu'ils détectent la lumière, libèrent le domaine kinase, lequel interagit avec le récepteur B19,entraînant l'accumulation d'auxine à l' apex de la tige dans un premier temps, puis l' arrêt de la croissance avant la courbure.
• Suite à une relocalisation sur les côtés opposés à la lumière, une plus grande élongation se produit.
• Les transporteurs PIN3 facilitent le transport de l'auxine du côté opposé.
• Les questions ouvertes comprennent : quel transporteur est impliqué dans la relocalisation ? Quel est le lien entre la phototropine et le transporteur ?
• Où a lieu la relocalisation de l'auxine ? Dans le cylindre vasculaire (PIN3), puis l'épiderme non éclairé.

Rôle de l'auxine dans la croissance cellulaire

• L'auxine induit un relâchement des parois qui sont rigides pour résister à la pression de turgescence, permettant leur assouplissement et l'élongation.
• Auxine se lie au récepteur ABP (Auxin Binding Protein), qui active les pompes à protéines membranaires, pompant les ions H+ vers l'extérieur de la cellule, ce qui provoque la rupture des liaisons entre la cellulose, l'hémicellulose et les pectines dans la paroi cellulaire.
• De plus, certaines protéases et cellulases sont activées, dégradant la paroi cellulaire pour relâcher les mailles et permettre l'extension cellulaire. Les ions H+ éliminent les ions calcium, qui se trouvent entre les pectines de la paroi.
• Simultanément, l'entrée d'eau et de potassium (H20/K+) permet à la vacuole de grandir en exerçant une pression pour étendre la taille de la cellule.
• Les plantes dépourvues d'ABP ont des problèmes de réponse au phototropisme.
• Rôle de l'auxine : synthèse de nouveaux composés pariétaux et enzymes. Essentiel pour recomposer la paroi cellulaire.
• Les récepteurs TIF et AFB interviennent dans la régulation des gènes à l'intérieur de la cellule.
• Une molécule d'auxine est captée par TIF ou AFB et ubiquitinyllée (AUX ou IAA), liée au FdT (ARF = Auxin Response Factor).
• L'auxine est livrée au protéasome pour être dégradée, libérant FdT pour activer les gènes.
• Une fois libérés, les ARF activent les gènes qui synthétisent les protéines participant à la reconstruction de la paroi. Sans auxine, ARF est inhibé.

Remarques sur le phototropisme

• Différentes intensités lumineuses, différentes réponses.
• Les fortes fluences sont détectées par PHOT1 et PHOT2, tandis que les faibles fluences sont détectées par PHOT1 uniquement.
• Les phototropines PHOT1 et PHOT2 ne sont pas les seuls photorécepteurs impliqués dans le phototropisme.
• La lumière rouge semble augmenter la réponse phototropique via les phytochromes. Le phytochrome stabilise les phototropines, comme la stabilisation à la membrane pour favoriser la perception de la lumière bleue.
• En présence de lumière bleue seule, une partie des phototropines devient cytosolique.
• Les phytochromes et cryptochromes pourraient réguler l'expression de certains gènes, plus spécifiquement l'expression du transporteur d'efflux PGP19.

Le gravitropisme

• Réaction à la gravité observée dans les racines ou les tiges.
• Le gravitropisme négatif des parties aériennes sert à rechercher la lumière et le gravitropisme positif des parties souterraines permet de rechercher l'eau et les nutriments.
• Temps de présentation : temps minimal pendant lequel le stimulus doit s'exercer pour obtenir une réponse (environ 10 secondes).

Expérience de Knight (1806)

• Rotation rapide pour former une force centrifuge.
• La plante est ainsi soumise à la force centrifuge et à la gravité.
• Après 24 heures, la racine se dirige vers la résultante de ces forces (R), et la tige se dirige dans la direction opposée.

La perception du stimulus gravitropique

• La coiffe de la racine permet la capacité de courbure ; sans elle, la courbure ne se produit pas.
• Les différentes zones de la racine comprennent : la coiffe, la zone de division, la zone d'élongation, la zone de différenciation et la zone d'organogenèse.
• La columelle contient des statocytes qui contiennent à leur tour des statolithes d'amyloplaste.
• Les amyloplastes basculent de 90° et peuvent ainsi percevoir la gravité.

Ablation des statocytes

• Les zones définies au niveau de la coiffe.
• L'ablation des parties de la coiffe.
• La courbure diminue avec l'ablation de cellules.
• Une moindre courbure est observée avec l'élimination des cellules du centre.
• Les mutants pauvres en amidon ont plus de difficulté à répondre à la gravité.
• Les amyloplastes jouent un rôle dans la perception de la gravité.
• Le déplacement dans des champs électromagnétiques entraîne une courbure de la racine.
• Les amyloplastes commencent à se détacher après 60 secondes et se déposent sur la nouvelle membrane basale après 210 secondes.
• La chute des amyloplastes prend environ 250 secondes, puis ils se réalignent sur la nouvelle membrane basale.
• La pression du protoplaste pourrait être détectée par la cellule, déclenchant les mécanismes responsables de la courbure.

Transformation de la chute des amyloplastes en un signal physiologique

• Comment la cellule perçoit-elle la chute des amyloplastes ?
• L'hypothèse des canaux sensibles à l'étirement est proposée.
• La variation de la polarisation des statocytes.
• Mesure du potentiel membranaire : une cellule en bas et une cellule qui est en haut de la racine.
• La dépolarisation du potentiel membranaire se produit dans les cellules en bas de la racine, tandis qu'une hyperpolarisation se produit dans les cellules en haut.
• Le stimulus induit une réponse électrique rapide et asymétrique, bien que toutes les cellules ne réagissent pas de la même manière.
• Le déplacement des amyloplastes induit l'ouverture de canaux ioniques, ce qui change le potentiel membranaire.
• Les canaux ioniques sont sensibles à l'étirement ; les amyloplastes atteignent la nouvelle membrane basale, ce qui ouvre le canal ionique et permet l'entrée d'ions, entraînant la dépolarisation.
• Les amyloplastes exercent une pression sur le RE et entraînent une pression, ce qui affecte également les mouvements d'ions.
• En alternative, un ligand et un récepteur sont impliqués, mais entrainent une cascade de signalisation.

Calcium : molécule de signal

• Le réticulum endoplasmique est un réservoir d'ions où le calcium s'associe à la calmoduline et effectue des voies de transduction du signal.
• Il y a une interaction de l'amyloplaste et du RE, qui produit une libération de calcium qui va interagir avec la calmoduline pour effectuer une voie de transduction du signal.
• Des chélateurs d'ions calcium et des inhibiteurs de calmoduline ont été implantés dans la racine.
• Le chélateur est une molécule qui interagit avec les ions calcium, les rendant indisponibles pour autre chose.
• La calmoduline et les ions calcium ne sont pas essentiels lors des toutes premières réponses à la gravité, mais la calmoduline et les ions calcium pourraient être une conséquence ou une étape ultérieure.
• Dans les statocytes racinaires, il n'a pas été possible de démontrer une augmentation du calcium à l'intérieur des cellules lors d'un changement de gravité, ce qui signifie que le calcium n'est pas impliqué ou qu'il n'est pas mesurable.