IJPB-Facteurs de transcription et architecture

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Mots-clés :Arabidopsis thaliana - Morphogenèse - Méristème apical caulinaire - Primordium - Feuilles - Domaine frontière - miARN, facteurs de transcription à homédomaine, méristème.

Ecole(s) doctorale(s) de rattachement : Sciences du végétal (ParisXI Orsay)

Contacts :

Institut Jean-Pierre Bourgin, UMR1318 INRA-AgroParisTech
Bâtiment 2
INRA Centre de Versailles-Grignon
Route de St-Cyr (RD10)
78026 Versailles Cedex France

tél : +33 (0)1 30 83 30 00 - fax : +33 (0)1 30 83 33 19

	Responsable Patrick Laufs Directeur de Recherches INRA
	Halima Morin Assitante-Ingénieur INRA
	Millan Cortizo Post-doc Période : du 01/02/11 au 31/01/13
	Anciens membres de l'équipe

	Co-responsable Véronique Pautot Directrice de Recherches INRA
	Alice Hasson Etudiante en Thèse
	Bernard Adroher Technicien

Résumé :

Les facteurs de transcription à homéodomaine de la famille "three amino acid extension" (TALE) chez Arabidopsis thaliana jouent un rôle crucial dans le fonctionnement des méristèmes. Ces petits groupes de cellules qui déterminent le développement des plantes ont deux fonctions essentielles: le maintien d'une population de cellules souches et la production des organes. Chez Arabidopsis, la famille TALE comporte 21 membres répartis en 2 familles: la famille KNAT "KNOTTED-like d'Arabidopsis thaliana" (8 membres) et la famille BELL "Bel1-like" (13 membres) qui forment des hétérodimères pour réguler le développement des plantes. Notre activité concerne l'étude de ces facteurs et leur contribution dans le développement

L'architecture des plantes est déterminée essentiellement par les processus morphogénétiques qui ont lieu dans les méristèmes (petits groupes de cellules en prolifération, siège de l'initiation des primordia d'organes) ou au cours des phases précoces de développement des organes comme les feuilles. Notre groupe s’intéresse à ces processus de morphogenèse, à leurs bases cellulaires et leurs régulations. Plus particulièrement, nous étudions le rôle des domaines frontières : il s’agit de petits domaines cellulaires séparant différentes unités comme dans l’apex où ils séparent les primordia des organes. Ces domaines frontières sont définis fonctionnellement par les facteurs de transcription de type NAM/CUC. Ainsi nous analysons la mise en place, la régulation et la fonction de ces domaines frontières au cours du développement végétal.

Résultats marquants :

Les gènes à homéoboîtes TALE et l'activité du méristème:

SHOOT MERISTEMLESS (STM) est le membre fondateur de la famille KNAT. Il est requis pour l'initiation et le maintien du méristème, BREVIPEDICELLUS (BP ou KNAT1) contribue au maintien du méristème en redondance avec STM, et contrôle l'architecture de l'inflorescence avec PENNYWISE, un membre de la famille BELL. Nous étudions le rôle des deux autres membres KNAT2 et KNAT6. En utilisant une lignée inductible surexprimant KNAT2, nous avons mis en évidence un lien entre les gènes KNAT et la voie carpelle ainsi qu'un lien entre les cytokinines et KNAT2. L'étude des mutants nous a permis de montrer que KNAT6 contribue au maintien du méristème et à la séparation des organes en redondance avec STM. KNAT2 n'a pas ce rôle. Plus récemment, nous avons montré que BP et PNY limitaient l'expression de KNAT6 et KNAT2 pour permettre le d'veloppement correct de l'inflorescence. Nous examinons actuellement leur rôle au cours d'autres phases du développement d'Arabidopsis.

Dynamique du fonctionnement du méristème:

MiARNs, domaines frontières et architecture d'Arabidopsis
Chez Arabidopsis, le domaine frontière qui sépare les primordia d'organes entre eux et du méristème est déterminé par l'action redondante des gènes CUC1, 2 et 3. En outre, les gènes de CUC participent à la formation des méristèmes pendant le développement normal de la plante et au cours de la culture in vitro. Deux des trois gènes CUC (CUC1 et CUC2) sont régulés par un microARN, miR164. Les miRNAs sont de petits ARNs qui régulent de façon post-trancriptionnelle l’expression de gènes cibles. Nous avons réalisé une analyse fonctionnelle de la régulation par miR164, illustrant ainsi l'importance des miARNs au cours du développement des plantes et révélant aussi de nouvelles fonctions pour les gènes CUC.
- Ainsi, un des rôle de miR164 est de limiter l’expansion du domaine frontière autour des primordia (Laufs et al., 2004).
- Les plantes transgéniques exprimant une version miR164-résistante du gène CUC2 présentent une modification spectaculaire de la phyllotaxie. De façon surprenante, la phyllotaxie mesurée directement au niveau du méristème de ces lignées est normale. Ces résultats indiquent que la phyllotaxie doit non seulement être mise en place correctement au niveau des méristèmes mais doit également être maintenue durant la croissance et la différenciation de la tige (Peaucelle et al., 2007).
- Nous avons également montré que le couple miR164/CUC intervient également lors de l’acquisition de la morphologie foliaire. La surexpresssion de miR164 mène à la formation de feuilles avec des bords lisses alors qu’au contraire, l'inactivation du gène MIR164A conduit à la formation de feuilles présentant une dentelure exagérée. Un phénotype similaire d’exacerbation des dents est observé chez des plantes exprimant une version miR164-resistante de CUC2. L’ensemble de ces observations conduit à un modèle selon lequel le niveau final de l'activité CUC2 déterminé partiellement par miR164 définit l’intensité de la répression de la croissance au niveau des sinus entre les dents des feuilles, définissant ainsi l'intensité de la dentelure foliaire (Nikovics et al., 2006).
- De plus, nous avons montré en collaboration avec l'équipe de K. Theres, dans le cadre d’un projet trilatéral, GENOSOME, que la balance miR164/CUC contôle la ramification chez Arabidopsis (Raman et al., 2008).
L'ensemble de ces observations fait du couple miR164/CUC un élement central de l'architecture de la partie aérienne des plantes puisqu'il influence la position des organes, leur forme et le niveau de ramification.

Gènes frontières et formes des feuilles
Alors qu'Arabidopsis présente des feuilles simples, de nombreuses espèces présentent des feuilles composées, découpées en folioles. Nous avons isolé les gènes NAM/CUC3 de 5 espèces représentatives des Eudicots, l’ancolie (Renonculacée), la tomate/pomme de terre (Solanée), la cardamine (Brassicacée ou crucifère) et le pois (Fabacée) et montrés qu'ils étaient tous exprimés en relation avec la découpe en folioles ou la formation de lobes ou dents à la marge foliaire. La réduction de l'activité de ces gènes chez ces espèces conduit non seulement à une réduction des découpes se traduisant par des fusions entre folioles et une disparition des lobes mais aussi à une réduction du nombre de folioles. Ainsi, nous avons pu proposer un modèle général de la morphogenèse foliaire où tous les niveaux d'incision impliquent la fonction des gènes NAM/CUC3 et où ces derniers participent à la formation des folioles via la mise en place d'une boucle d'autoactivation avec des facteurs spécifiques aux différentes espèces (Blein et al., 2008). Ces observations conduisent également à proposer un rôle actif des domaines frontières au cours de la morphogenèse, ne les réduisant pas à de simples limites passives entre unités en croissance

Développement de nouveaux outils

Afin de marquer spécifiquement un domaine ou d'y induire l'expression de gènes à étudier, nous avons développé des lignées transgéniques permettant une expression éthanol-inductible de la GFP dans différents sous-domaines du méristème (Deveaux et al., 2003). Le système d’induction d’expression éthanol-dépendant a déjà été utilisé pour disséquer les fonctions d’UFO ou le rôle de miR164 (Laufs et al., 2003, 2004). Ce système d'expression inductible de gène rapporteurs sous le contrôle de promoteurs spécifiques, couplé à un système de suivi de méristème vivants par microscopie confocale nous a permis de suivre in vivo la différenciation cellulaire au sein du méristème (Grandjean et al., 2004).

Notre groupe est également impliqué dans un projet ANR Génoplante Régénéome visant à developper la micro-dissection laser.

Publications représentatives :

Ragni, L., Belles-Boix, E., Gunl, M., and Pautot, V. (2008). Interaction of KNAT6 and KNAT2 with BREVIPEDICELLUS and PENNYWISE in Arabidopsis Inflorescences. Plant Cell 20, 888-900. (PubMed)

Ragni, L., Truernit, E., Pautot, V. (2007). KNOXing on the BELL: TALE Homeobox Genes and Meristem Activity. IJPDP1: 42-48

Belles-Boix, E., Hamant, O., Witiak, S. M., Morin, H., Traas, J. and Pautot, V. (2006). KNAT6: An Arabidopsis Homeobox Gene Involved in Meristem Activity and Organ Separation. Plant Cell. (PubMed)

Hamant, O., Nogue, F., Belles-Boix, E., Jublot, D., Grandjean, O., Traas, J. and Pautot, V. (2002). The KNAT2 homeodomain protein interacts with ethylene and cytokinin signaling. Plant Physiol 130, 657-665. (PubMed)

Pautot V, Dockx J, Hamant O, Kronenberger J, Grandjean O, Jublot D, Traas J (2001) KNAT2, evidence for a link between knotted-like genes and carpel development. Plant Cell 13,1719-34. (PubMed)

Blein, T., Pulido, A., Vialette-Guiraud, A., Nikovics, K., Morin, H., Hay, A., Johansen, I.E., Tsiantis, M., and Laufs, P. (2008). A conserved molecular framework for compound leaf development. Science 322, 1835-1839 (PubMed /-/ "News" in Nature)

Raman, S., Greb, T., Peaucelle, A., Blein, T., Laufs, P., and Theres, K. (2008). Interplay of miR164, CUP-SHAPED COTYLEDON genes and LATERAL SUPPRESSOR controls axillary meristem formation in Arabidopsis thaliana. Plant J 55, 65-76 (PubMed)

Peaucelle A, Morin H, Traas J, Laufs P. (2007) Plants expressing a miR164-resistant CUC2 gene reveal the importance of post-meristematic maintenance of phyllotaxy in Arabidopsis. Development, 134, 1045-1050 (PubMed)

Nikovics K, Blein T, Peaucelle A, Ishida T, Morin H, Aida M, and Laufs P. (2006) The balance between the MIR164A and CUC2 genes controls leaf margin serration in Arabidopsis Plant Cell, 18, 2929-45 (PubMed)

Carraro, N., Peaucelle, A., Laufs, P. and Traas, J. (2006). Cell differentiation and organ initiation at the shoot apical meristem. Plant Mol Biol 60, 811-26 (PubMed)

Laufs, P., Peaucelle, A., Morin, H., and Traas, J. (2004). MicroRNA regulation of the CUC genes is required for boundary size regulation control in Arabidopsis meristems. Development 131, 4311-22 (PubMed)

Grandjean, O., Vernoux, T., Laufs, P., Mizukami, Y., Morin H. and Traas J. (2004) Cell division, cell growth and differentiation at the shoot apical meristem in Arabidopsis: an in vivo study. Plant Cell 16, 74-87 (PubMed)

Deveaux, Y., Peaucelle, A., Roberts, G., Coen, E., Simon, R., Traas, J., Murray, J., Doonan, J., and Laufs P. (2003) The ethanol switch: a tool for tissue-specific gene induction during plant development. Plant J. 36, 918-930 (PubMed)

Pour en savoir plus:

Autres publications

Le système éthanol inductible et les lignées promoteurs