Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Paroi cellulaire végétale – Imagerie“

Les arbres atteignent des hauteurs et des durées de vie considérables grâce aux propriétés remarquables de leur bois. En effet, le bois remplit trois fonctions principales : (i) la conduction de la sève brute de la racine au houppier, (ii) le soutien mécanique de la masse toujours en augmentation de l'arbre en croissance et (iii) le stockage de réserves temporaires, capitales pour la pérennité de l'arbre. Chez les angiospermes, les vaisseaux, les fibres et les rayons parenchymateux sont, respectivement, affiliés à ces fonctions. Chacune de ces cellules possède son propre schéma de développement. Par ailleurs, la composition et la structure des parois de ces cellules varient considérablement en fonction des stades de développement et des conditions environnementales. Cette complexité représente donc un frein à l’étude des mécanismes moléculaires de la formation du bois. Cette difficulté peut être contournée par le développement d’approches à l’échelle cellulaire.La thèse présentée ici vise à une caractérisation du développement des fibres, plus particulièrement de leurs parois secondaires, par le déploiement d’outils de caractérisation à l’échelle cellulaire et d’une analyse intégrative à cette échelle. Le développement d’une méthode de caractérisation des parois à l’échelle cellulaire, l’imagerie hyperspectrale en ATR-FTIR, a permis une analyse fine des différences entre types cellulaires au sein d’un arbre et entre types de bois pour un même type cellulaire. L’étude de données transcriptomiques obtenues par RNA-Seq de fibres et rayons micro disséqués a, elle, permis d’identifier des différences transcriptionnelles entre ces deux types cellulaires. La combinaison de ces deux résultats a permis d’identifier des acteurs semblant majeurs dans le développement des fibres de bois. Ce travail de thèse ouvre donc des perspectives de recherche permettant de mieux comprendre les mécanismes moléculaires associés à la formation des fibres de bois
Trees are able to grow high et survive many years thanks to their wood properties. Wood delivers three major functions in trees : (i) water conduction, (ii) mechanical support et (iii) nutrient storage. In Angiosperm trees, vessels, fibers et parenchyma rays are respectively assigned to these functions, each of them following their own development scheme. Cell wall composition et structure varies greatly depending on cell type, developmental stage et environmental conditions. This complexity therefore represents a hindrance to study the molecular mechanisms of wood formation. However, this can be circumvented by the development of cell-specific approaches.This work aims at characterizing fiber development, focusing on their secondary cell wall, developing cell-specific methods et integrative analysis at the cell level. Development of ATR-FTIR hyperspectral imaging enabled to finely characterize differences in cell wall composition between cell types in a tree et within cell types in different types of wood. Transcriptomics data obtained by RNA-Seq of microdissected fibers et rays gave rise to major differences in the transcriptome of these two cell types. Combining both kind of result led to the identification of key players in fibers development. Hence, this work opens up new research hypothesis, which could lead to a better understanding of the molecular mechanisms underlying wood fiber development, including from a dynamic perspective

La lignine est un polymère polyphénolique de la paroi cellulaire qui intervient dans de nombreux aspects de la croissance et du développement des plantes supérieures. En tant que composant majeur de la biomasse lignocellulosique, elle présente également un intérêt économique. Bien que la biosynthèse du polymère de la lignine soit relativement bien comprise, nous avons besoin d'en savoir plus sur la façon dont les changements (quantité/structure) des autres polymères de la paroi cellulaire (par exemple, la cellulose, les hémicelluloses, les pectines) affectent la production de lignine. Afin de fournir plus d'informations sur cette question, nous avons mis en œuvre une approche en deux phases basée sur l'utilisation de l'imagerie biologique. La première phase a consisté à développer/améliorer différentes techniques d'imagerie complémentaires à haute résolution. Nous avons tout d'abord développé une nouvelle approche ratiométrique quantitative (REPRISAL) basée sur la segmentation paramétrique/intelligence artificielle d'images de microscopie confocale obtenues par la chimie bio-orthogonale des rapporteurs chimiques de la lignine (click chemistry). Cette méthodologie nous a permis de cartographier précisément la capacité de lignification des différentes couches de la paroi cellulaire (coin cellulaire, lamelle moyenne composée et paroi cellulaire secondaire) chez les plantes Arabidopsis WT et le mutant prx64. Dans un deuxième temps, nous avons modifié l'algorithme de segmentation REPRISAL afin de pouvoir l'utiliser pour cartographier les niveaux relatifs de lignine de la paroi cellulaire déterminés par la technique de fluorescence ratiométrique de la safranine-O. Enfin, nous avons utilisé l'imagerie Raman pour comparer la capacité de trois méthodes analytiques multivariées différentes (non-mixage, analyse en grappes et correspondance orthogonale) à fournir des informations spatiales détaillées sur la distribution des différents polymères dans les parois cellulaires des plantes. Dans la deuxième phase, nous avons utilisé les techniques d'imagerie développées/améliorées pour analyser si les modifications des hémicelluloses de la paroi cellulaire affectent la lignification chez le mutant irx9 d'Arabidopsis. Nos résultats ont démontré que les changements dans la distribution des hémicelluloses de la paroi cellulaire modifient effectivement le processus de lignification, en particulier dans les parties les plus jeunes de la tige florale de la plante. La transcriptomique ciblée de certains gènes de la paroi cellulaire suggère que les changements observés pourraient être liés à l'induction d'une réponse de défense. Globalement, les techniques développées dans le cadre de cette thèse devraient s'avérer précieuses pour les études futures de la dynamique des parois cellulaires. Les résultats obtenus sur le mutant irx9 donnent un nouvel aperçu des relations dynamiques qui existent entre les différents polymères de la paroi cellulaire des plantes
Lignin is a polyphenolic polymer of the cell wall involved in many aspects of growth and development in higher plants. As a major component of lignocellulosic biomass, it is also of economic interest. Although the biosynthesis of the lignin polymer is relatively well understood, we need to know more about how changes (quantity/structure) to other cell wall polymers (e.g., cellulose, hemicelluloses, pectins) affect lignin production. To provide more information on this question we implemented a two-phase approach based on the use of biological imaging. The first phase involved the development/improvement of different high-resolution complementary imaging techniques. We firstly developed a novel quantitative ratiometric approach (REPRISAL) based on the parametric/artificial intelligence segmentation of confocal microscopy images obtained by lignin chemical reporter bio-orthogonal chemistry. This methodology allowed us to precisely map the lignification capacity of different cell wall layers (cell corner, compound middle lamella and secondary cell wall) in Arabidopsis WT plants and the prx64 mutant. In a second development, we modified the REPRISAL segmentation algorithim thereby enabling it to be used to map relative cell wall lignin levels determined by the ratiometric safranin-O fluorescence technique. Finally, we used Raman imaging to compare the ability of three different multivariate analytical methods (unmixing, cluster analysis and orthogonal matching) to provide detailed spatial information about the distribution of different polymers in plant cell walls. In the second phase we used the developed/improved imaging techniques to analyse whether changes to cell wall hemicelluloses affect lignification in the Arabidopsis irx9 mutant. Our results demonstrated that changes in the distribution of cell wall hemicelluloses do indeed modify the lignification process, particularly in the younger parts of the plant floral stem. Targeted transcriptomics of selected cell wall genes suggested that the observed changes could be related to the induction of a defence response. Overall, the techniques developed within the framework of this thesis should prove valuable for future studies of cell wall dynamics. The results obtained on the irx9 mutant provide a novel insight into the dynamic relationships that exist between different polymers of the plant cell wall

Dans ce travail, nous avons tenté de caractériser d’un point de vue structural et biochimique les composants de la paroi de 2 espèces de diatomées ainsi que de localiser et de caractériser le silicium intracellulaire. Les 3 morphotypes de P. Tricornutum (oval, fusiforme et triradié) ont été caractérisées d’un point de vue structural et mécanique, les mécanismes de passage d’une forme à une autre ont été étudiés. L’analyse de la surface pariétale des morphotypes de P. Tricornutum révèle la présence d’environ 1 % de silicium sous la forme de silice (SiO2) et une forme faiblement condensée. La paroi des formes triradiée et fusiforme contient environ 30 % de protéines, 25 % de polysaccharides et 45 % de lipides, la forme ovale est enrichie en lipides (55 %) et en polysaccharides (30 %) avec une concentration en protéines de 13 %. L’impact de l’alcalinisation du milieu sur l’excrétion d’exo polymères, la formation d’une structure minérale et la biodisponibilité du silicium ont été étudiés chez P. Tricornutum. Les composantes minérales et organiques du frustule ont été analysées par résonance magnétique nucléaire. La présence d’acylglycérol a été détectée dans la paroi de T. Pseudonana, des groupements carboxyliques et phosphates semblent être en contact avec le silicium à l’intérieur de la paroi. Du silicium sous une forme relativement condensée, peut être sous la forme d’un « sol » a été trouvé à l’intérieur de la cellule, ce sol de silice est probablement utilisé par la cellule comme précurseur pour la synthèse du frustule
The aim of the present work is the structural and biochemical characterization of the walls of diatoms, and the localization of their intracellular silicon. The 3 morphotypes of P. Tricornutum (oval, fusiform and triradiate) were characterized structurally and mechanically, mechanisms of transition from one form to another were studied. The analysis of the wall surface of P. Tricornutum morphotypes reveals the presence of about 1% silicon in the form of silica (SiO2) and a weakly condensed species. Triradiate and fusiform wall contains about 30% proteins, 25% polysaccharides and 45% lipids, the oval form is enriched in lipids (55 %) and polysaccharides (30 %) with 13 % of proteins. Formation of mineral structure and silicon bioavailability has been studied in culture of P. Tricornutum, in relation with medium alkalinization and exopolymer excretion. The mineral and organic components of T. Pseudonana frustule were analyzed by nuclear magnetic resonance. The presence of acylglycérol was detected in the wall of T. Pseudonana, carboxylic and phosphates groups seem to be in contact with the silicon inside the wall. A relatively condensed silicon species, probably in the form of a "sol" was found inside the cell, this “silica sol” is probably used by the cell as a precursor for the synthesis of frustule

La paroi végétale est composée de polymères complexes de nature protéique, phénolique et polysaccharidique. Ces derniers se répartissent en trois catégories, les celluloses, les hémicelluloses et les pectines. Les homogalacturonanes (HG), composant majeurs des pectines, peuvent être déméthylestérifiés par des enzymes pariétales, les pectine méthylestérases (PMEs, E. C. 3. 1. 1. 11), qui constituent, chez Arabidopsis thaliana une famille multigénique de 66 membres. Au cours de cette étude, nous avons analysé de manière quantitative et qualitative les modifications des composés polysaccharidiques pariétaux au cours du développement de la silique chez Arabidopsis. La maturation de la silique se caractérise notamment par une diminution du degré de méthylestérification des HG et une augmentation de l’activité PME, ce qui nous a conduit à quantifier par RT-qPCR l’expression des 66 gènes codant ces enzymes putatives lors de ce processus de développement. Ceci a permis de mettre en évidence cinq groupes d'expression, et d'isoler plusieurs gènes présentant un profil intéressant sur lesquels la localisation tissulaire de l’expression a été réalisée grâce à des constructions entre leur promoteur et le gène codant la β-glucuronidase. Parmi ceux–ci, le gène At5g47500 est exprimé dans le méristème apical caulinaire et coexprimé dans de nombreux tissus avec le gène At5g20740 codant un inhibiteur de PME putatif. Une approche du rôle de AT5G47500 dans le fonctionnement du méristème a été menée, permettant de montrer que cette protéine joue effectivement un rôle dans le contrôle du degré de méthylestérification des pectines de celui-ci. La modification de la structure pariétale pourrait participer à l'émergence des primordia
Plant cell wall is a complex network which consists of phenolic, proteic and polysaccharadic compounds. The latter comprises notably cellulose, hemicelluloses and pectins. Homogalacturonans, which are one of the main pectic compounds, can be demethylesterified by cell wall bases enzymes, pectin methylesterases (PMEs, EC 3. 1. 1. 11), a multigenic family of 66 members in Arabidopsis thaliana. In this study, we have quantitatively and qualitatively analysed the cell wall polysaccharides composition during silique development in Arabidopsis. The decrease in the degree of methylesterification of homogalacturonan and the increase of total PME activity during silique maturation has lead us to investigate the variation in the expression of the 66 PMEs genes, using RT-qPCR, during this developmental process. Our results showed that PME gene expression can be clustered into five groups, and allowed some gene of interest to be chosen for further analysis. For several candidates, the precise tissue localization was realised using promoter::GUS fusions. This showed that one PME gene, At5g47500, is expressed in the shoot apical meristem and is coexpressed in many tissues with the At5g20740 gene, which encodes a putative PME inhibitor. A functional genomic approach showed that the function of AT5G47500 might be related to the fine tuning of the degree of methylesterification in meristematic tissues, which could play a role in the changes in cell wall structure leading to primordia emergence

Les étapes clés de la mise en place des Arabinoxylanes (AX) et b(1-4,1-3)Glucanes (bGm), constituants majoritaires des parois de l’albumen de blé, et la distribution des différents motifs structuraux liés à ces polymères ont été étudiés. 7 stades de développement, ont été explorés (anthèse -> dessiccation) par l’immunohistochimie et les microspectrométries IR et RAMAN. Au stade précoce de formation des parois, seuls les (1-3)-ß-glucanes étaient présents, et de façon transitoire. Au stade cellularisation, les bGm et les arabinogalactanes-protéines apparaissent. Les AX sont détectés plus tardivement au début du stade de différenciation cellulaire. Ils sont plus fortement substitués qu’aux stades ultérieurs. Il y a une variation de degré de substitution des AX selon le type cellulaire. La féruloylation des AX intervient dès le début de la différenciation. La synthèse et la féruloylation des AX se font dans le Golgi. L'étape suivante est l'identification de gènes de biosynthèse
Arabinoxylan (AX) and (1-3)(1-4)-glucan are the major cell wall polysaccharides of wheat endosperm. The time course and pattern of deposition of these components in the endosperm cell walls of wheat during grain development was studied. 7 stages were retained from beginning of endosperm endosperm cellularization upto the maturation period. Immunochemical, Fourier transform-Infrared and Raman methods were used. Three stages of grain development were identified as key stages for cell wall construction. The developing walls contained (1->3)-β-glucans. (1-3)(1-4)-glucan and arabinogalactan-proteins are the main cell wall components of endosperm at the end of cellularization stage. AX appeared only at the cell differentiation stage. At this stage, AX appear more substituted than at the later stages. Feruloylation of AX increases during the grain filling stage. Moreover, a difference in the degree of AX substitution was found across the endosperm

La paroi primaire des cellules végétales est composée majoritairement de polysaccharides, notamment de microfibrilles de cellulose et d'hémicelluloses maintenues dans une matrice de pectines (Cosgrove, 2001). Parmi ces dernières, les homogalacturonanes (HG) qui sont les plus abondants peuvent être modifiés par des enzymes pariétales à l'origine de changements de structure de la paroi (Yadav et al. , 2009). Les gènes codant certaines de ces enzymes sont exprimés dans la graine d'Arabidopsis thaliana, suggérant un rôle de celles-ci dans le développement de la graine. L'étude de mutants d'insertion obtenus pour certains de ces gènes a mis en évidence un rôle de la pectine méthylestérase 58 (PME58) dans la structuration du mucilage. Le mucilage est une matrice riche en pectines produite par les cellules épidermiques du tégument de la graine et libérée lors de leur imbibition. Notre étude a montré que la PME58 est impliquée dans la déméthylestérification des HG présents dans le mucilage, dont la majorité provient probablement de la fragmentation des parois primaires des cellules épidermiques lors de l'extrusion du mucilage. L'étude des mutants pme58 par des approches analytiques et par immunodétection a montré que la PME58 est impliquée dans la régulation de la structuration et de la cohésion du mucilage, via la modulation des interactions entre les composants pectiques et cellulosiques

L'objectif de ce travail était de développer un modèle in vitro de la paroi primaire des plantes. Une approche ascendante a été choisie pour la conception rationnelle de constructions 2D et 3D faites d'une membrane lipidique, de nanocristaux de cellulose (CNC) et de xyloglucane (XG). Tout d'abord, l'interaction entre les blocs de base a été examinée à l'aide de la diffusion de la lumière, la calorimétrie de titrage isotherme, la microbalance à quartz et la microscopie électronique, révélant tout d'abord la nature électrostatique de l'interaction entre les CNC et une membrane lipidique ainsi qu'une interaction spécifique entre les CNC et XG dans un rapport stoechiométrique précis. Par la suite, les paramètres optimisés des études d'interaction ont été utilisés pour obtenir des structures 2D et 3D en déposant des couches alternées de CNC et XG sur des substrats plats (films multicouches) et des vésicules unilamellaires géantes (GUV). Une croissance linéaire des films a été révélée par les expériences de microscopie à force atomique (AFM), tandis que la réponse des vésicules décorées aux chocs osmotiques conduit à leur flambage en raison de la rigidification de la membrane lipidique. Enfin, les propriétés mécaniques des constructions ont été caractérisées en utilisant l’AFM par indentation, révélant un module d'Young de quelques centaines de kPa, similaire à celui observé pour de vraies parois cellulaires végétales
The goal of this work was to develop an in vitro model of the plant primary cell wall. A bottom up approach was chosen for the rational design of 2D and 3D constructs made of a lipid membrane, cellulose nano crystals (CNCs) and xyloglucan (XG). First, the interaction between the building blocks was probed using light scattering, isothermal titration calorimetry, quartz crystal microbalance and electron microscopy, revealing firstly the electrostatic nature of the interaction between CNCs and a lipidic membrane and secondly, specific interaction between CNCs and XG in a precise stoichiometric ratio. Then, the optimal parameters from the interaction studies were used to obtain 2D and 3D structures by depositing alternating layers of CNCs and XG on flat substrates (multilayered films) and giant unilamellar vesicles (GUVs). A linear growth of the films was revealed by atomic force microscopy (AFM) experiments while the response of decorated vesicles to osmotic shocks lead to their buckling due to the rigidification of the lipid membrane. Finally, the mechanical properties of the constructs were characterized using AFM indentation, revealing a Young's modulus of few hundred kPa, similarly to what is observed for real plant cell walls

Le bois est devenu le matériau de choix pour de nombreuses industries. La mobilité moléculaire du bois ainsi que celle de ses trois principaux polymères constitutifs, la cellulose, l'hémicellulose et la lignine, ont été étudiées. La stabilité thermique et la structure physique des matériaux ont été respectivement déterminées par Analyse Thermo Gravimétrique (ATG) et Analyse Calorimétrique Diatherme (ACD). Parallèlement, les cinétiques de relaxation macromoléculaire ont été mesurées par Spectroscopie Diélectrique Dynamique (SDD) et Courant Thermo Stimulé (CTS). La combinaison de ces deux dernières techniques a permis d'étudier la mobilité moléculaire locale et délocalisée sur une large gamme de fréquence. L'influence des liaisons hydrogène et du taux d'hydratation sur la mobilité moléculaire a été mise en évidence. L'analyse effectuée sur le bois génétiquement modifié apporte des informations sur l'évolution des interactions inter chaînes
The wood has become a popular material for several industries. The wood molecular mobility and the one of three principal constitutive polymers, cellulose, hemicellulose and lignin were studied. Thermal stability and physical structure of materials were respectively obtained by Thermo Gravimetric Analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). In parallel, macromolecular relaxation dynamics were measured by Dynamic Dielectric Spectroscopy (DDS) and Thermo Stimulated Currents (TSC). The combination of two last methods let us study the localised and delocalised molecular mobility on the extended frequency scale. The influence of the hydrogen bonds and the hydration rate on the molecular mobility was also pointed out. The analysis realised on genetically modified wood brought us the information on the inter chain interactions evolution

Les pectine méthylesterases et les invertases sont des enzymes clefs du métabolisme des glucides chez les plantes dont l'activité est modulée par des inhibiteurs appartenant à la même famille (PF04043) Dans ce travail, deux protéines de tomate appartenant à cette famille ont été identifiées et caractérisées Par RT-PCR quantitative, il a été montré que SolyPMEl est principalement exprimé dans le fruit rouge. Après expression en système hétérologue, purification et caractérisation, il s'agit du «PME binding protein» sans aucune activité mhibitnce. La purification de la protéine naturelle, par immuno-affinité, montre la formation d'un complexe avec la PME de tomate confirmant nos résultats précédents. SolyCIF a été exprimé dans Pichia postons et caractérisée d'un point de vue biochimique. SolyCIF est un inhibiteur d'invertase localise dans la paroi cellulaire et qui interagit in vitro avec l'invertase vacuolaire de tomate (TIV-1)
Pectin methylesterase and invertase are key enzymes in plant carbohydrate metabolism. Inhibitors of both enzymes constitute a structural family (INH/PMEI); nevertheless the respective target enzymes are structurally unrelated. In this thesis two new members of this family (SolyCIF & SolyPMEl) have been identified and characterised in tomato. SolyPMEl was found to be mainly expressed in red fruit. All attempts to produce active recombinant SolyPMEl protein for biochemical characterization appear to be unsuccessful. The isolation of both natural SolyPMEl and PME1 by immuno-afBnity, indicate that SolyPMEIs is in vivo engaged in the formation of a complex with endogenous PMEs. SolyCIF was expressed in two heterologous systems and functionally characterized. SolyCIF is a cell-wall proteinaceous invertase inhibitor which interacts in vitro with a vacuolar enzyme, TIV1. TIV1 is a monomer composed of several fragments that have to be tightly associated for enzymatic activity to occur