Comment les forces physiques façonnent les plantes de l’intérieur pour générer leurs formes 3D complexes

Les plantes ne se contentent pas de grandir, ils se construisent. Des arbres imposants aux fleurs délicates, les formes complexes des plantes sont sculptées avec une précision remarquable. Maintenant, une étude des biologistes et des biophysiciens de l’Université de Montréal révèle comment les plantes construisent leurs organes en trois dimensions.

Les anthères – les organes reproducteurs masculins des fleurs – sont des structures cruciales responsables de la production et de la libération du pollen et jouent un rôle clé dans la fertilisation, un processus nécessaire à la production de fruits et de graines, selon les scientifiques, dans leur article, publié la semaine dernière en Plantes naturelles.

C’est la première fois que les scientifiques réussissent les propriétés physiques à l’inverse des cellules situées profondément dans un organe végétal basé sur des données expérimentales.

Ces organes tiennent plus que de rencontrer les yeux.

Dirigées par deux professeurs agrégés à Udem, Daniel Kierzkowski et Anne-Lise Routier-Kierzkowska, les chercheurs ont suivi la croissance de chaque cellule de l’anthère sur plusieurs jours, révélant comment l’anthère a commencé à partir d’un simple groupe de cellules souches et s’est transformée en une structure 3D complexe.

En combinant la biologie moléculaire et la biophysique, les scientifiques ont abordé une question fondamentale: comment les cellules peuvent-elles communiquer à travers l’organe pour coordonner leur croissance et produire des formes complexes?

Forces mécaniques au travail

Les plantes sont construites de minuscules cellules entourées de parois cellulaires raides, qui sont organisées en couches tissulaires. L’épiderme, la couche la plus externe, est facile à observer avec les microscopes et est supposé jouer un rôle clé dans le contrôle activement de la croissance et du développement.

Dans leur étude, les scientifiques de l’UDEM remettent en question ce point de vue en démontrant que les cellules intérieures façonnent activement la forme de l’anthère complexe. En utilisant des méthodes d’imagerie avancées, ils ont quantifié la croissance cellulaire dans toutes les couches de tissu de l’ensemble de l’organe complexe en 3D.

C’est un exploit remarquable: jamais auparavant aucun système de plante et d’animal n’a été cartographié de cette façon en 3D.

Les scientifiques ont découvert que les cellules du tissu interne se développent beaucoup plus rapidement que l’épiderme, façonnant ainsi le jeune organe de l’intérieur.

“Traditionnellement, la recherche sur le développement des plantes s’est concentrée sur l’épiderme comme le tissu clé dictant la croissance des organes”, a déclaré Kierzkowski, biologiste moléculaire du Département des sciences biologiques d’Udem.

Mais nos données montrent que l’expansion localisée et plus rapide des cellules intérieures entraîne la croissance des anthères en poussant activement vers l’extérieur, en étirant l’épiderme qui les entoure. “

“La force mécanique imposée par les tissus interne change les modèles de croissance de l’épiderme et modifie sa forme cellulaire”, a ajouté Routier-Kierzkowska, un biophysicien qui détient une chaise de recherche du Canada en biophysique végétale pour l’agriculture durable et la résilience climatique.

“Il s’agit d’un exemple de coordination cellulaire entre les couches tissulaires, via les forces physiques.”

«Encourage un réexamen»

Ce travail souligne l’importance des tissus internes pendant la morphogenèse – un aspect souvent négligé en raison des défis techniques de la quantification de la croissance et des propriétés mécaniques en dessous de l’épiderme, selon les scientifiques.

“Notre travail encourage un réexamen d’autres organes végétaux et systèmes animaux, où les tissus internes pourraient jouer un rôle similaire”, a déclaré Kierzkowski.

Au-delà d’expliquer comment l’anthère obtient sa forme, ce travail peut avoir un impact significatif sur la biologie du développement, ajouté routier-Kierzkowska.

“Nous avons montré que l’anatomie – comment les cellules sont façonnées et disposées – est un facteur clé pour déterminer la capacité de croissance dans chaque couche tissulaire de l’organe”, a-t-elle déclaré. “Ces différentes capacités de croissance conduisent à des interactions mécaniques qui, à leur tour, façonnent l’organe entier, ainsi que des cellules individuelles dans les tissus.”

Pour l’avenir, l’équipe prévoit d’étudier comment les plantes créent des mouvements complexes, tels que le mouvement de virevolter des vignes, ou le forage des racines dans le sol – les interactions mécaniques via entre les tissus.

“Notre travail pourrait inspirer la conception de matériaux intelligents et de robots mous”, a déclaré Routier-Kierzkowska. “Les possibilités sont excellentes. Les plantes continueront de nous étonner à bien des égards.”