Phytohormones Course Notes PDF

Phototropisme Gravitropisme 121 Gravitropisme Phototropisme Stimulus environnemental : Perception du stimulus : Lumière Gravité Photorecepteur Statolithes REPONSES Relocalisation des transporteurs PIN3 Distribution asymétrique de l’AIA Elongation différentielle des cellules Croissance o...

Phototropisme Gravitropisme 121 Gravitropisme Phototropisme Stimulus environnemental : Perception du stimulus : Lumière Gravité Photorecepteur Statolithes REPONSES Relocalisation des transporteurs PIN3 Distribution asymétrique de l’AIA Elongation différentielle des cellules Croissance orientée 122 5- 3 -2 : L’auxine et la dominance apicale Le contrôle de la dominance apicale modifie l’architecture des plantes 123 Bourgeon apical Dominance apicale totale: Pas d’activation des bourgeons axillaires Bourgeon axillaire Cyprès 124 Dominance totale Dominance Partielle Pas de dominance apicale 125 L’auxine est responsable de la dominance apicale dia19 L ’auxine essentielle pour la dominance apicale Evidenceest génétique wt axr1- 12 auxin-insensitive mutants auxin resistant1 (axr1) AXR1 plays an important in rapid basal proteolysis of Aux/IAA proteins. Le mutant axr1roled’Arabidopsis est insensible à l’auxine et présente une perte de dominance apicale 126 Evidence expérimentale Méristème apical intact Méristème apical coupé 127 Gradient d’auxine apico-basal Apex (source d’auxine) Elimination de l’apex Inhibition des bourgeons axillaires Les bourgeons axillaires ne sont plus inhibés Développem ent des bourgeons axillaires 128 5 – 4 Perception et signalisation de l’auxine Principe des complexes ubiquitine-ligases permettant la dégration des protéines par le protéasome 26S Ubiquitine Cible Ubiquitine = petit peptide de 76 aa qui cible les protéines qui vont ensuite être dégradées Ubiquitin by Rogerdodd 129 Complexes SCF ubiquitine-ligases: 3 composants CIBLE F-box F-box protein SKP1 • F-box Protein = Contribue à la spécificité du complexe en se liant à la cible à dégrader • SKP1 = Protéine de liaison entre FProtein et Cullin CUL1 • CUL1 = CULLIN 1 complexe protéique impliqué dans l’Ubiquitination de la cible SCF ubiquitin ligase complex (Named for SKP1, CUL1 and F-box proteins) Ubiquitin by Rogerdodd 130 Cible F-box F-box protein Cible SKP1 La F-box protéine reconnait et se lie à la protéine cible à dégrader CUL1 Dégradation par le protéasome 26S et recyclage des Ubiquitines 26S proteasome 131 L’auxine est perçue par la protéine F-Box TIR1 = récepteur intracellulaire TIR1 est une protéine F-Box, sous-unité d’un complexe SCF Ubiquitin. Il forme un co-recepteur avec les protéines Aux/IAA Aux/IAA AIA TIR1 SCFTIR1 complex Tan, X., Calderon-Villalobos, L.I.A., Sharon, M., Zheng, C., Robinson, C.V., Estelle, M. and Zheng, N. (2007). Mechanism of auxin perception by the TIR1 ubiquitin ligase. Nature. 446: 640-645. Jena Library 132 Absence d’auxine ARF = Facteurs de transcription activant spécifiquement les gènes de réponse à l’auxine Aux/IAA = Répresseurs transcriptionnels Pas de réponse à l’auxine © 2013 American Society of Plant Biologists Présence d’auxine Auxine Récepteur de l’auxine = TIR1 TIR1 Facteur ARF activé Complexe ubiquitine ligase Ubiquitinylation et dégradation des protéine Aux/IAA TRANSCRIPTION DES GENES CIBLES DE REPONSES A L’AUXINE Réponse à l’auxine © 2013 American Society of Plant Biologists 7 – Les cytokinines (CK) et la morphogenèse 135 Carte d’identité des cytokinines Famille des adénines N6substituées Isopentenyl adenine trans-zeatin dihydrozeatin CK naturelles les plus abondantes et les plus actives cis-zeatin 136 7-1 Rôles de L’auxine et des cytokinines lors de la multiplication végétative La multiplication végétative est un mode de multiplication asexuée qui crée des clones, à la différence de la reproduction sexuée qui donne de nouveaux individus possédant un nouveau patrimoine génétique. 137 Exemples de multiplication végétative naturelle: 138 Les Bulbilles http://pics.davesgarden.com/pics Bulbilles de Dioscorea bulbifera Bulbilles de kalanchoe daigremontianum 139 http://www.jardin-ofildpages.com Rhizomes, Bulbes et Tubercules Ex: Rhizome du sceau de Salomon Tubercule de Pomme de terre Bulbe de Crocus 140 Le tubercule de pomme de terre 141 Exemple du bouturage: multiplication végétative artificielle 142 La grande capacité de multiplication végétative des plantes est basée sur: ➔ Propriétés des méristèmes assurant une organogenèse permanente et une croissance indéfinie des végétaux. Les méristèmes primaires sont des tissus d’origine embryonnaire composés de cellules indifférenciées, qui gardent lêur capacité à se diviser par mitose durant toute la vie de la plante. Ce sont des réservoir de cellules souches 143 La grande capacité de multiplication végétative des plantes est basée sur: ➔ Propriétés des méristèmes assurant une organogenèse permanente et une croissance indéfinie des végétaux. ➔ Totipotence: très grande capacité de certaines cellules végétales somatiques à se différencier en différents types cellulaires en fonction de signaux hormonaux. 144 Applications en biotechnologies végétales basées sur la culture in vitro Les cultures in vitro végétales sont des cultures d'explants (= morceaux) de plantes, sur un milieu synthétique, dans des conditions stériles, dans un environnement contrôlé et dans un espace réduit. 145 La balance auxine/cytokinines oriente l’organogenèse Cal = amas de cellules indifférenciées en prolifération 146 Et en culture in vitro… CK > AUX Pousse feuillée Contrôle: Fragments de feuille AUX = CK Cal AUX > CK racines 147 Exemple: multiplication végétative de clones de rosiers tronçonnage du cal microboutures microboutures n fois avec stockage temporaire au froid bourgeon mise en culture d’un bourgeon cytokinine janvier février mars, avril, .... 41 changemen t de milieu boutures 42 boutures septembre 43 boutures 4n boutures repiquage en pots culture sous serre auxine plantations extérieures puis commercialisation culture 148 Avantage: Production d’une descendance identique au parent Multiplication de génotypes performants https://www.pepinieres-raffard.com http://www.gaujard.fr 149 Inconvénient: Limite les possibilités d’adaptation Mildiou de la pomme de terre Phylloxera de la vigne Responsable de la grande famine en Irlande du nord 150 7-2 : Autre application: la transgenèse via Agrobacterium tumefaciens Agrobacterium tumefaciens Cal naturel provoqué par la maladie de la galle du collet 151 Une partie du génome bactérien s’intègre dans le génome de la plante Plant Cell Galle du Collet Nucleus Agrobacterium tumefaciens Agrobacterium tumefaciens carries tumor-inducing (Ti) plasmids. A subset of the plasmid DNA called transfer-DNA (T-DNA) is mobilized into the plant nucleus SEM courtesy of Martha Hawes, University of Arizona; grown gall by C-M 152 Les gènes de l’ADN-T sont impliqués dans la synthèse des cytokinines et de l’auxine A. tumefaciens ADN-T Cal Ti plasmid Enzymes de synthèse de l’auxine Enzymes de synthèse des cytokinines ADN-T = ADN de transfert 153 8 – L’Ethylène et la maturation des fruits et des fleurs • Hormone Gazeuse • Production importante lors de l’abscission des feuilles, de la sénescence des fleurs, la maturation des fruits, lors de blessure et de divers stress C2H4 154 Ethylène et maturation des fruits Ex: Abricot, Avocat, Banane, Pomme, etc… Ex: Ananas, Cerise, Citron, Fraise, etc… 155 La maturation des fruits peut être induite par l’éthylène Ethylene La maturation implique: Des changements de la structure pariétale L’accumulation de pigments La production de composés aromatiques L’accumulation de sucres 156 L’éthylène est nécessaire pour la maturation des fruits Accumulation d’éthylène Tomate incapable de synthétiser l’éthylène Tomate normale 157 L’éthylène ➔ une molécule de défense Ex: Koudou et acacias C2H4 C2H4 La plante attaquée réagit en synthétisant des molécules de défenses toxiques dans les feuilles et en dégageant de l’éthylène volatile https://nhugo25.wixsite.com/tpeespeces/la-competition © 2013 American Society of Plant Biologists Perception et signalisation de l’éthylène Découverte de l’éthylène Increasing ethylene Le gaz d'éclairage distillé à partir du pétrole contient des niveaux très élevés d'éthylène En 1901, Dimitry Neljubow a identifié l’éthylène comme responsable du phénotype de plantes se développant à proximité de lampe à pétrole. Neljubov, D.N. (1901) Pflanzen. Beih. Bot. Centralbh. 10: 129–139. 159 Triple réponse à l’éthylène Lumière Obscurité = Plante étiolée 160 Air Air + C2H4 La triple réponse: • Réduction de l’élongation cellulaire • Elargissement de l’hypocotyle • Exagération de la crosse apicale Lumière Obscurité 161 La réponse à l’éthylène est très rapide A single dark-grown Arabidopsis sedling photographed every 30 minutes over seven hours. The rapid elongation that preceded ethylene addition stopped immediately, and resumed rapidly after ethylene was removed C2H4 C2H4 Molécule de défense et de réponse au stress Binder, B.M., (2004).. Plant Physiol. 136: 2913–2920. © 2013 American Society of Plant Biologists Analyses génétiques de mutants de réponse à l’éthylène Mutant etr1 insensible à l’Ethylène Air + C2H4 Triple réponse normale en présence d’éthylène ETR1 code pour le récepteur de l’Ethylène 163 Décryptage de la voie de signalisation 2 catégories mutants: ① Mutants insensibles à l’éthylène Type Sauvage AIR Type Sauvage etr1 ein2 ETHYLENE 164 ② Mutants de réponse constitutive à l’éthylène Plantule de type sauvage d’Arabidopsis AIR ETHYLENE ctr1 AIR Les mutants ctr1 se comportent comme si il y avait toujours de l’éthylène Donc la protéine CTR1 bloque la réponse en absence d’éthylène Guzman, P., and Ecker, J.R. (1990). Exploiting the triple response of Arabidopsis to identify ethylene-related mutants. Plant Cell 2: 513-523. 165 CTR1 et ETR1 interagissent directement Air Air Récepteur ETR1 En absence d’éthylène, CTR1 se fixe à ETR1 et inhibe EIN2 CTR1 EIN2 Gènes de réponse à l’éthylène = facteur de transcription OFF 166 Benavente et al;. (2004) Curr. Opin. Plant Biol. 7: 40-49. CTR1 et ETR1 interagissent directement Air Ethylene Air Récepteur ETR1 CTR1 EIN2 OFF EIN2 ON Gènes de réponse à l’éthylène Benavente, et al.. (2004) Curr. Opin. Plant Biol. 7: 40-49. REPONSE 167 9 – Synthèse & Conclusions • Peu d’hormone: des effets physiologiques variés 168 Familles Types de molécules Principaux effets physiologiques Auxine Acide Indole-3-Acétique (AIA) Stimulation de l’élongation cellulaire Maintien de la dominance apicale Cytokinines Zéatine, Isopentenyladénine (IPA) Stimule la croissance des bourgeons axillaires Gibbéréllines Acides gibbérelliques (GA) Stimule l’élongation des entrenœuds Lève la dormance des graines Acide abscissique Acide abscissique (ABA) Induit et maintien la dormance des graines Régule la fermeture des stomates Ethylène Ethylène Triple réponse à l’obscurité Stimule la maturation des fruits et des fleurs 169 https://thebiologynotes.com/phytohormones-plant-hormones/ 170 Les 5 phytohormones classiques Les nouvelles 171 • Des systèmes de réception multiples Ethylene Récepteurs Intracellulaires TIR1 Auxin Protéine transmembranaire 172 Transduction du signal Production of active hormone Transport Protein phosphorylation P H Liaison au récepteur Protein dephosphorylation Protéolyse 173 Transduction du signal Transcription de gènes de réponse Production of active hormone Transport ON FT Protein phosphorylation P H Protein dephosphorylation Proteolysis 174 Transduction du signal Transcription de gènes de réponse Production of active hormone Transport ON FT Protein phosphorylation P H Protein dephosphorylation Proteolysis Effet non-génique (ex: régulation de caneaux ioniques) 175 Cinétique d’action REPONSES PHYSIOLOGIQUES HORMONE sec min hr jr mois 176 D’après JF Morot-Gaudry et R. Prat – Ed. Dunod Perspectives: pour aller plus loin…. • Les hormones jouent un rôle essentiel dans les réponses aux stress biotiques et abiotiques • Il existe d’autres phytohormones: Acide salycilique, Acide Jasmonique, Strigolactones, Brassinostéroïdes, etc… 177 Il existe des interactions entre les différentes voies H1 Response H1 H2 H1 H2 Response Les “Crosstalk” (ou “cross-regulation”) surviennent quand 2 voies sont inter-dépendantes. Ces interactions peuvent être positives, additives, synergiques ou antagonistes. 178