Morphogenèse et développement : intégration niveaux moléculaire-cellulaire- tissulaire-organe allers-retours modèles - expérimentation Jan Traas Reproduction.

Page 1 Morphogenèse et développement : intégration niveaux moléculaire-cellulaire- tissulaire-organe allers-retours modèles - expérimentation Jan Traas Reproduction et Dévelopmement des Plantes (UMR RDP), Lyon Bruno Moulia: Physique et physiologie Intégratives de l'Arbre Forestier ou Fruitier (UMR PIAF) Clermont Ferrand Page 2 A priori stéreotypé (« programme génétique ») Mais aussi dépendant de lenvironnement Le développement des plantes Page 3 Ex: floral organ mutants in Arabidopsis Ex: flowering mutants in Antirrhinum and Arabidopsis Approche « Bottom-up »: la génétique et la physiologie ont permis lidentification de réseaux de régulation Page 4 0h 16h F. Moneger and coll. ??? Nous ne connaissons pas le lien entre les réseaux de régulation et la forme/morphogenèse Page 5 CYTOSKELETON CELL WALL REGULATORYNETWORKS ORGAN SHAPE TURGORPRESSURE Internal programme External influence Des réseaux de régulation à la morphogenèse Les réseaux de régulation sont à la base dobjets dynamiques avec une structure géométrique et physique hétérogène. Page 6 Top-Down approach: From morphogenesis to relevant gene networks La Morphogenèse peut être modélisée au niveau macroscopique en tenant compte de ces hétérogénicités biophysiques Méristème apical avec distribution hétérogène de stress, dû à une croissance hétérogène, pression turgor,... Plante entière sous influence du vent Mais....soit on na pas de bases pour construire un modèle ou au contraire plusieurs modèles explicatifs sont possibles parce quil manque des données à léchelle inférieure (ex.phyllotaxie) un défi pour les «écophysiologistes» et «génomistes» : faire le lien entre les états et paramètres phénotypiques locaux et le phénotype global, en ciblant les processus pertinents Page 7 Un problème multi-échelle et multidisciplinaire: réseaux moléculaires Cellules Tissus/organesForme (géometrie) Physique (contraintes) Biochimie Nous avons besoin: - dapproches multidisciplinaires biophysique/biomécanique informatique, écophysiologie, génétique moléculaire, biologie cellulaire Mots «clés»: - approches quantitatives descriptives - modélisation From molecular networks to plant shape and back Page 8 Quantifier la croissance au niveau cellulaire chez les plantes sauvages et mutantes Exprimer lactivité des gènes en termes de morphogenèse cellulaire dans des domaines dexpression spécifiques la génétique de la géometrie (Coen, 2004) Associer lactivité de molécules spécifiques à la morphogenèse Quelques exemples de projets en cours: Page 9 Physiologie cellulaire, interactions chimiques Représentation des cellules Interactions physiques, croissance Modélisation: représenter des tissus avec une résolution cellulaire en 3D Croissance en modifiant L o Un premier essai: Modèle physique, interactions representées par des ressorts Modéliser le comportement global à partir de paramètres locaux (k,l...) Quelques exemples de projets en cours: rigidité taille réelletaille à vide coll Godin, Stoma, Barbier de Reuille Page 10 Coutand et al. 2000, Coutand and Moulia 2000 J Exp Bot forte réponse de croissance mais aucune relation quantitative avec la force ou la contrainte appliquée La croissance et les réponses moléculaires peuvent dépendre de létat mécanique des tissus: mécanoperception peu de choses connues sur les processus (moléculaires) candidats: approche top-down Quelques exemples de projets en cours: Page 11 Modèle mécanoperceptif ecophysiologique Lois dactions à paramètres locaux Iteration sur des expérimentation à sollicitations et structures variables identification de la variable perçue et des tissus compétents / test du modèle intégratif perception de la déformation / a et S0 paramètres constitutifs de mécanoperception Modèle mécanique intégratif de linteraction plante environnement Modèle biologique intégratif hypothétique de perception-réponse Structure perceptrice Signal intégré candidat S Hypothèses à testerHypothèses à tester Moulia and Coutand 2000 Sollicitation Structure de soutien Moulia and Fournier 1997 Champs détats mécanique interne Page 12 la réponse étudiée peut être changée Réponse moléculaire précoce et locale (Facteur de Transcription ZincFingerProt 2) loi daction de lexpression du facteur de transcription mécanosensible ZFP2 en fonction des déformations perçues [ZFP2 ]=f(S), S=.rd dr) Q_PCR validation moléculaire du modèle intégratif de perception des déformations validation moléculaire du modèle intégratif de perception des déformations En cours, projet innovant EA Coutand, Fournier-Leblanc et al. Relation linéaire [ZFP2]=a(S-S 0 ) (gamme des « petites déformations » ) Recherche du r é sau de g è nes aval de ZFP2 associ é s à la variation lente des param è tres constitutifs de la r é ponse de croissance, du fait de l histoire m é canique, et couplage avec le modèle bio-mécanique de perception => modèle dynamique Page 13 § Liens entre (éco)physiologie, expression des gènes, structure, et morphogénèse Quest ce quon a gagné ? § Explicitation / Intégration des aspects physiques et biologiques Conditions dexistence physiques variables globales comme lénergie mécanique (ou taux de production dentropie) § Discrimination / quantification / identification des variables internes candidates Champs de variables perçus peuvent être comparés avec profils dexpression de gènes avals (parfois !) Suppato et al, PNAS 2006 Attention si en croissance: spécification eulérienne vs lagrangienne (tissu flow Silk 1984, 2006) Page 14 Causes et effets: Séparation de 3 types de paramètres (potentiellement) causaux Fond génétique, mémoire de lenvironnement et de linteraction génotype*milieu Quest ce quon a gagné ? Paramètres structuraux (taille, forme, disposition des tissus) si intégration temporelle : conditions initiales conditions aux limites= environnement actuel (t) Paramètres constitutifs (propriétés mécaniques tissus, paramètres de la mécanoperception locale) Peuvent être directement reliés à des données cellulaires ([ARN] …) Réseau de gènes Et combinaison (dynamique dinteraction) pour produire une forme phénotypique 1+2+3 phénotype intégré Page 15 Perspectives et besoins Nous devons développer des approches multidisciplinaires intégrées. Laboratoires multidisciplinaires? Laboratoires sans murs? Nous avons besoin de modèles 3D, dynamiques à lechelle cellule/organes et à léchelle organe/plante entière. Ces modèles seront centraux dans lélaboration dapproches de type biologie des systèmes Faire le lien entre les réseaux moléculaires, la forme et les propriétés physiques des objets biologiques reste un défi majeur en biologie Même si la mécanique et la signalisation chimique sont centraux dans la morphogenèse on pourrait par exemple étendre les démarches précédentes aux effets de la lumière et de la température => «multifonctional Virtual Plant models»