Hormones et développement végétatif PDF

Hormones et développement végétatif  I- L\'auxine 1. Visualisation de la réponse à l'auxine par la transcription d'un gène rapporteur La construction DR5 est un gène rapporteur pour visualiser la réponse à l'auxine dans des plantes transgéni...

Hormones et développement végétatif  I- L\'auxine 1. Visualisation de la réponse à l'auxine par la transcription d'un gène rapporteur La construction DR5 est un gène rapporteur pour visualiser la réponse à l'auxine dans des plantes transgéniques. DR5 est constituée de 7 répétitions d'un élément de promoteur qui répond à l'auxine, suivi de la séquence codant l'enzyme glucuronidase (GUS). En incubant un tissu avec un substrat histochimique, on détecte l'activité GUS (précipité bleu) dans les cellules qui répondent à l'auxine. 2. Biosynthèse de l\'Auxine L'AIA est produite à partir de : - tryptophane (Trp) via plusieurs voie de biosynthèse et - à partir d'une voie indépendante du Trp. La teneur en auxine est régulée par la biosynthèse, la conjugaison et la dégradation de l'auxine; les facteurs de l'environnement et développementaux influence l'expression des gènes impliquées dans ces fonctions 3. L\'auxine et le développement végétatif L\'auxine régule le développement végétatif : - Initiation des organes latéraux (feuilles) au méristème apical de la tige - Inhibe la ramification de la tige - Développement Vasculaire - Prolifération des cellules souches au méristème apical racinaire - Stimule la ramification de la racine : rhizogénèse 4. La rhizogénèse La stimulation de la rhizogénèse par l'auxine est connue depuis les an. 30 Expérience sur des racines de radis qui ont été trempées dans l'auxine et qui ont initiées des racines latérales à une fréquence proportionnelle à la concentration d'auxine. 5. La dominance apicale Le rôle de l'Auxine dans la dominance apicale est connu depuis les a. 30 Si on supprime le méristème apicale d\'une plante formation de ramification qui forment de nouvelles tiges. Lorsque l\'on remplace le méristème apicale par un bord d\'agar contenant de l\'auxine on remarque qu\'on a pas de ramification donc on restaure l\'effet inhibiteur de l\'auxine. L\'auxine de l\'auxine est indirecte. 6. L\'élongation L'auxine stimule l'élongation des organes mais les concentrations d'auxine qui stimulent l'élongation de la tige peuvent être inhibitrice dans les racines. A des doses très faible d\'auxine on stimule la croissance de la racine. Dose intermédiaire d\'auxine :inhibe la racine et stimule la tige. Dose très élevée d\'auxine (non physiologique) : inhibe la tige 7. Gènes de l\'auxine Plusieurs des effets de l'auxine sont la conséquence de changements de l'expression génique : - Gènes régulant la croissance cellulaire - Gènes impliqués en signalisation - Gènes coordonnant la réponse des autres voies hormonales  II- Cytokinines Effets des cytokinines : - Division cellulaire - Prolifération des cellules souches caulinaires - Régulation de l'action de l'auxine - Régulation de la distribution des nutriments - Régulation de la sénescence foliaire 1. Famille des cytokinines Les Cytokinines sont une famille de composés proches de l'adénine. Seule la chaîne latérale de 5 carbones diffère entre les cytokinines et l\'adénine. Ces deux molécules sont formés à partir d\'ATP. → Isopentényl transférase Cytokinines (Cks) : - Stimulent la division cellulaire dans la tige - Régulent l'action et la distribution de l'auxine - Régulent l'allocation des nutriments - Retardent la sénescence des feuilles - Contribuent aux réponses aux signaux de l'environnement et à la défense contre les pathogènes 2. Activité des cellules Les Cytokinines régulent l'activité des cellules du méristème apical caulinaire et racinaire : - Stimulent les cellules souches au méristème apical caulinaire - Stimulent la différenciation au méristème apical racinaire - Cellules souches tige: initiation et prolifération - Cellules souches racine: différenciation Formation et maintien du méristème apical de la tige exigent des cytokinines : Le mutant shootmeristemless1 (stm1) ne forme pas de méristème apical de la tige (MAT). Ce mutant peut être rétabli par l'application de CK ou par l'expression d'un gène de biosynthèse de cytokinines au méristème apical de la tige. STM est un facteur de transcription qui induit l'expression du gène IPT dans la plante sauvage. CK induit l'expression du facteur de transcription WUS, qui stimule les cellules souches du méristème apical de la tige (MAT) : La zone de recouvrement entre l'expression du récepteur de cytokinine AHK4 et le niveau élevé de cytokinines détermine la zone d'expression de WUS. 3. Cytokines et Auxine Les deux hormones stimulent la prolifération de cellules souches mais pour des organes opposés : au niveau des racines pour les cytokinines et au niveau de la tige pour l\'auxine. Dans les deux cas les cellules stimulent la différenciation des méristèmes apicaux mais également dans des zones opposées : au niveau de la tige pour les cytokinines et au niveau des racines pour l\'auxine. La cytokinine stimule la ramification de la tige alors que l\'auxine l\'inhibe . Auxine stimule la ramification de la racine alors que les cytokinines l\'inhibe. Auxine et cytokinine interagissent pour réguler le méristème racinaire : On ne peut pas avoir les deux hormones qui s\'accumulent au même endroit. Dans le méristème racinaire, les cytokinines stimulent la différenciation cellulaire, alors que l'auxine maintien le méristème racinaire en stimulant la division cellulaire des cellules souches. Cytokinine et Auxine régulent l'organogenèse en culture de tissus : Elles sont utilisés en culture in vitro. Disques de feuilles de tabac mis en culture stérile dans des milieux contenant divers niveaux d'hormones. A partir de ses disques si on veut obtenir la formation de racines on applique de l\'auxine, les cellules se diviseront et se différencieront en racine. Pour obtenir la formation de tige on mettra dans le milieu de culture des cytokinines. Si on met les deux hormones auxine + cytokinines on aura alors une division mais pas de différenciation. Le groupe de Skoog a montré que les Cytokinines stimulent la formation des tiges : On a montré que l'auxine et les Cytokinines agissent en antagonisme, et que le ratio d'hormones détermine leur effets. 4. Nutriments Cytokinines interviennent dans l'absorption de nutriments et leur allocation. Les feuilles sont une source de sucres et de métabolites primaires qui sont distribués aux organes puits, dont les fleurs, fruits, racines et jeunes feuille. Absorption racinaire des nutriments minéraux. Une teneur élevée de nitrate ou de phosphate - augmente la synthèse de cytokinines, - ce qui réduit ultimement la croissance du système racinaire. - En retour, l'abondance de cytokinines, réprime l'absorption de nutriment Cytokinines induisent l'expression des enzymes de la photosynthèse et retarde la sénescence des feuille. 5. La sénescence Les Cytokinines retardent la sénescence des feuilles : La sénescence est fortement retardée dans les feuilles, de plantes produisant plus de CK par - transgenèse d'un gène biosynthétique, ou de plantes traitées avec de la kinétine Les Cytokinines peuvent être inactivées par la conjugaison ou dégradation. 6. CKX Des variations naturelles d'expression de CKX influence la production de grain chez le riz : La variété de riz, Koshihikari (Ko), a une expression élevée de OsCKX2, moins de CK, et une production de grains plus faible en comparaison de la lignée proche sans ce locus (near-inbred line, NIL). Les plants de riz qui accumulent plus de CK produisent plus de grain par plante. La CK modifie l'architecture de l'inflorescence. III- Strigolactones Les Strigolactones sont produites dans les racines des plantes. Elles attirent les champignons symbiotiques mycorhiziens et stimulent la germination de plante parasite, comme Striga. Les plantes parasites ont appris à reconnaître les substances relâchés par les racines. 1. La tige Les Strigolactones inhibent la ramification de la tige : Un mutant qui ne produit pas de strigolactones forment un plus grand nombre de rameau. Lien avec l\'auxine dans la tige : L'Auxine transporté des tiges aux racines induit la synthèse de strigolactone, qui inhibe la croissance du bourgeon. Un mutant de riz qui ne produit pas de strigolactones : surproduction de tiges 2. Les racines Les Strigolactones stimulent la ramification des racines (synergie avec auxine) : Dans les plantes sauvages cultivées avec de l'auxine exogène, la croissance des racines latérales est stimulée par des strigolactones. Symbiose au niveau des racines : Les Strigolactones favorisent des interactions symbiotiques avantageuses : Les strigolactones favorisent l'association symbiotique avec les champignons mycorhiziens à arbuscule (MA). Cette symbiose concerne 80% des plantes terrestres. La fonction première des strigolactone est de pouvoir signaler à l\'échantillon la présence de racines. 3. Le phosphate La carence en Phosphate freine la ramification des tiges et stimule la croissance racinaire. En cas de présence phosphate la plante utilise ses ressources de la photosynthèse qui sont souvent limitantes pour produire de nouvelle tiges. En cas de carence de phosphate on stimule la croissance racinaire. La carence en Phosphate stimule la synthèse de Strigolactones : La production de strigolactones est stimulée dans les sols pauvres en phosphate. En carence en \[Phosphate \], les Strigolactones stimulent la ramification des racines et freine celle des tiges. Les SL, en association avec l'auxine, pourraient réguler l'architecture de la plante en déficit de Phosphate  Dans les sols pauvres en minéraux: - Synthèse de strigolactones augmente - Ramification caulinaire diminue - Ramification racinaire augmente - Symbiose méristème apical augmente Ces réponses améliorent la survie aux déficits nutritionnels IV -- Gibbérellines Caractéristiques : - Croissance - Levée de dormance - Stimule la croissance des fruits 1. Découvertes Les Gibbérellines ont été identifiées comme une toxine fongique qui stimule l'élongation des tiges ! La maladie Bakanae ou maladie de la "plantule folle"provoque des plantes qui croissent trop vite et ne supportent pas leur poids. Le champignon qui provoque cet maladie produit l\'acide Gibbérellique. Il a imité une hormone naturelle pour ses propres bénéfices. Plus tard, les Gibbérellines ont été identifiés comme un régulateur endogène des plantes : Les Gibbérellines stimulent l'élongation des tiges et la germination des semences. Chez certaines espèces, elles stimulent la floraison et le développement des fruits. Le traitement de certaines plantes avec un inhibiteur de synthèse d'acide gibéréllique maintien la tige courte et prévient la verse. Le développement de plusieurs fruits sans graines est stimulé par l'application d'acide gibéréllique. La manipulation des réponses aux Gibbérellines a une grande importance en agriculture : Un des progrès majeurs du 20ème siècle est le développement des variétés semi-naines de céréales : « La révolution verte » Mutant nain : - Réduction des ressources vers les tiges, plus de grains - Tige plus résistante en présence de fertilisant Ces variétés de céréales sont déficientes pour la synthèse ou pour la réponse aux gibbérellines. La révolution verte a contribué à une forte hausse de la production de céréales, à améliorer l'alimentation et à la croissance de la population humaine : Forte augmentation des cultures du blé au Mexique. L' introduction de variétés semi-naines, résistantes aux maladies, a transformé des pays importateurs en exportateurs de céréales. Le blé semi-nain a été développé au CIMMYT → le Centre International d'Amélioration du Maïs et du Blé (International Maize and Wheat Improvement Center ) 2. Structure chimique Seulement certaines AG sont biologiquement actives. Chez certains mutant nains, mutation dans la synthèse d\'un gène qui fait que l\'on ne produit pas de gibbérelline active. 3. Croissance Le gène le, étudié par Mendel dans le pois mutant, code l' AG 3−oxydase, qui produit l'acide gibéréllique active. La perte de fonction de le réduit le niveau d'acide gibbéréllique actives et provoque le nanisme. La variété semi-naine de riz produit peu d'acide gibéréllique suite à une mutation du gène de leur biosynthèse, l' Ag 20−oxydase. Les gibbérellines stimulent la croissance par l' élongation et la division cellulaire : L'acide gibéréllique induit l'expression des protéines régulatrices du cycle cellulaire, les cyclines. L'acide gibbéréllique stimule l'élongation en provoquant le relâchement de la paroi cellulaire et stabilisant l'orientation corticale des microtubules, ce qui oriente la croissance. Plus de gibbérelline c\'est plus de division cellulaire. Elles contrôlent également l\'orientation de la croissance. L'orientation circonférentiel des microtubules corticaux stimule la croissance par l'élongation unidirectionnel. L'inhibition de biosynthèse d'acide gibbéréllique perturbe l'organisation des microtubules corticaux, l'acide gibbéréllique restaure cette organisation 4. Perception Il y a des protéines qui inhibent la croissance des cellules, les gibbérellines détruisent ces protéines. Acide gibbéréllique est décrite comme "un inhibiteur d'un inhibiteur : L'Acide gibbéréllique ne stimule pas la croissance directement mais en induisant la destruction d'un inhibiteur. Analogie : Une voiture ne descend pas une pente quand le frein est appliqué. Relâcher la pédale de frein "inhibe l'inhibiteur", permettant à la gravité d'agir. L'Acide gibbéréllique inactive les protéines inhibitrices DELLA. Sans l'effet inhibiteur des protéines DELLA, la plante peut répondre aux activités stimulant la croissance. 5. Signalisation Perception et voie de signalisation des gibbérellines : Les protéines DELLA inhibent la croissance en bloquant des facteurs de transcription. L'Acide gibbéréllique induit la protéolyse des protéines DELLA. Le récepteur des gibbérelline s\'associe à la gibbérelline ce qui induit une dissociation des protéines DELLA des facteurs de transcription et une fixation au récepteurs associé au gibbérelline. Ubiquitination (signalisation) qui déclenche la protéolyse de la protéine DELLA. Elle se fait dégrader dans le protéasome. Comme la protéine DELLA est détachée la transcription des gènes peut etre réalisée. Le récepteur GID1 se fixe aux protéines DELLA en présence d'acide gibbéréllique : La fixation des protéines DELLA au récepteur initie la protéolyse des protéines DELLA. Deux domaines fonctionnel : le premier s\'appelle le domaine DELLA il est nécessaire pour la fixation au récepteur GID1. La délétion du domaine DELLA entraîne un phénotype insensible à l'acide gibbéréllique semi-nain. Dans le mutant gai, le domaine DELLA est absent. GA-INSENSITIVE1et SLENDER1 code des répresseurs "DELLA" : Le mutant à une délession du domaine DELLA. La domaine GRAS est celui qui inhibe les facteurs de transcription. Lors d\'une mutation du domaine GELLA le domaine GRAS devient indestructible on parle de gain de fonction. Perte de fonction domaine DELLA, mutation du codon GRAS → le répresseur est inactif on parle de perte de fonction. Perte du domaine répresseur de DELLA : forte réponse constitutive Répresseur DELLA indestructible : pas de réponse à l'Acide gibbéréllique. Les gènes DELLA ont eu un grand impact en agriculture : Le locus Rht1 du blé code une protéine DELLA. L'allèle du blé nain n'a pas de domaine DELLA et résiste à la protéolyse. Le gène reduced height1 du blé code un mutant DELLA. Quelle est la fonction (la cible) des protéines DELLA ? Des études sur la réponse à l'étiolation des plantules ont identifié un rôle des protéines DELLA dans le contrôle de l'action de facteur de transcription ; L'AG est requise pour l'étiolation. L'étiolation est une réponse de croissance à l'obscurité qui implique l'élongation des tiges et des feuilles réduites. Le mutant na de pois, déficient en AG, ne s'étiole pas, mais peut être restauré par de l'Acide gibéréllique exogène ; Les facteurs de transcription PIF3 et PIF4 stimulent l'élongation cellulaire : PIF3 et PIF4 active la transcription de gènes favorisant la croissance, entraînant l' élongation de l'hypocotyle à l'obscurité. Les protéines DELLA se lient à PIF3 et PIF4 et interfèrent avec leur action : Lorsque la protéine DELLA est présente elle se fixe sur les facteurs de transcription ce qui empêche la croissance. La plante a donc une taille beaucoup plus réduite. L'Acide gibéréllique induit la dégradation de DELLA, et libère PIF3 et PIF4 : Les protéines DELLAs peuvent réguler la croissance par leur interactions avec d'autres protéines. Le récepteur des gibbérellines peut être inactivé par l'action de la lumière : En présence de lumière bleu, le récepteur de la lumière bleu se fixe sur le récepteur des gibbérelline il est donc inactivé en présence de lumière. C\'est ce qui explique une réduction de la croissance en présence de la lumière. Les gènes DELLA ont eu un grand impact en agriculture : Le nitrate a peu d'effet sur la croissance du blé nain. Chez la plante sauvage nitrate stimule la croissance notamment en stimulant la synthèse de gibbérellines Ces gibbérellines vont entraîner la destruction des protéines DELLA ce qui permet la croissance. Le nitrate a peu d'effet sur l'élongation des tiges du blé nain. V- Hormones et Reproduction  1. Hormones : rôles dans le développement reproducteur Angiospermes: - transition de la phase végétative à reproductrice - développement de la fleur, - développement et maturation du fruit - développement des semences, maturation et germination → Le développement des fruits et la maturation sont régulés par des hormones La pollinisation initie : - la sénescence des pétales, - la division et expansion cellulaire de l'ovaire pour produire un fruit et - la maturation du fruit. Auxine et Acide gibéréllique stimulent la division cellulaire et la croissance du fruit : Les variétés sans graines de raisin et d'autres fruits exigent l'application exogène d'AG pour le développement du fruit. Le réceptacle des fraises répond à l' auxine. La maturation du fruit est induite par l'éthylène : L'éthylène est une hormone gazeuse qui favorise le ramollissement du fruit et le développement de saveurs et couleurs. 2. L\'éthylène 2. 1. Fonctions Les fonctions de l\'éthylène - Maturation du fruit - Sénescence des feuilles et pétales - Régule la division et l'élongation cellulaire - Détermination sexuelle de certaines plantes - Croissance de la racine - Réponse au stress Ethylène induit la réponse triple : - Elongation réduite , - Gonflement de l'hypocotyle, - Crochet apical renforcé. Réponses à l'éthylène chez Arabidopsis : - Inhibition de l'expansion cellulaire des feuilles - Inhibition de l'expansion cellulaire des feuilles - Accélération de la sénescence - Inhibition de l'élongation racinaire 2. 2. Au cours de la germination à l'obscurité, la production d'éthylène par les plantules dans un sol compact déclenche la "réponse triple" L'éthylène induit la réponse triple : - Elongation réduite - Gonflement de l'hypocotyle, - Crochet apical renforcé Cette réponse aide la plantule à pousser à travers un sol compact Éthylène stimule la sénescence des feuilles et pétales : L'éclairage au gaz, perturbait la croissance des plantes par la production d'éthylène dans les gaz de combustion. Aspidistra est résistante à l'éthylène et est devenue une plante de maison populaire. L'éthylène induit la sénescence des pétales de fleurs :  3. Acide Abscissique Caractéristiques : Caractéristiques de l\'acide abscissique : - Maturation et dormance des semences - Tolérance à la dessiccation - Réponse aux Stress - Régulation de l'ouverture stomatale Acide Abscissique s'accumule dans la semence en maturation : La maturation de la semence exige la synthèse d'ABA et l'accumulation de protéine spécifique pour acquérir une tolérance à la dessiccation. En dormance et sèche, les semences peuvent rester viable très longtemps : Ces graines de palmier dattier ont près de 2000 ans, sont viables et peuvent germer. Des semences de Lotus de 500 ans avaient conservé un pouvoir germinatif. Le tégument épais des graines peut les aider à rester viable. L'action de l'acide abscissique ( synthèse et signalisation) est nécessaire pour la dormance des semences : Une perte de la signalisation de l'Acide abscissique perturbe la dormance des semences et entraîne une germination précoce. ex. déficience d'une protéine kinase ou d'un facteur de transcription L'Acide gibéréllique est nécessaire pour la germination des semences : La germination des semences nécessite l'élimination de l'Acide abscissique et la production d'Acide gibéréllique pour stimuler la croissance et dégrader les réserves de la graine. Elle permet aussi la mobilisation des réserves présentent dans les graines.. L'AG est utilisée par les brasseurs pour stimuler la germination de l'orge : La dégradation de l'amidon dans l'endosperme est initiée par l'AG produite par la semence ou ajoutée lors du maltage 4. Hormones et stress  Hormones et Réponses aux Stress Abiotiques : La vie des plantes est très stressante\..... L'acide abscissique et l'éthylène sont des signaux internes requis pour la réponse aux stress. La biosynthèse de l'acide abscissique est strictement régulée : Le niveau d'est étroitement régulé. Les étapes critiques de la biosynthèses (cercle rouge) sont codées par plusieurs gènes strictement régulés pour assurer une réponse rapide et un contrôle précis du niveau d'Acide abscissique. La biosynthèse de l'acide abscissique est fortement induite en réponse aux stress : Le niveau d'acide abscissique augmente au cours de la sécheresse notamment par une augmentation de biosynthèse L'ABA régule l'ouverture stomatique en influençant le volume des cellules de garde : Les cellules de garde assurent l'ouverture et la fermeture des stomate pour réguler les échanges gazeux : une régulation fine permet l'entrée de CO2 pour la photosynthèse sans perte excessive d'eau. Les cellules de garde assurent l'ouverture et la fermeture des stomate pour réguler les échanges gazeux : une régulation fine permet l'entrée de CO2 pour la photosynthèse sans perte excessive d'eau. ABA déclenche une augmentation du calcium cytosolique (Ca2+), qui active les canaux anionique (A-) pour la sortie de Cl-. ABA active les canaux sortant du Cl A-channel K+in channel K+ H2O potassium hors de la cellule (K+out) et inhibe les canaux potassiques entrant (K+in). Le résultat net est une sortie massive des ions à l'extérieur de la cellule. Suite à la sortie des ions, l'eau sort (par osmose) entraînant une réduction du volume de la cellule et la fermeture du pore.