A l’heure où le changement climatique se fait sentir, où la population mondiale ne cesse d’augmenter et où la majorité des terres arables sont exploitées, l’agriculture va devoir se tourner de plus en plus vers des terres plus arides et moins propices à la culture. Pour cette raison, la recherche scientifique s’oriente actuellement vers une compréhension plus approfondie de la façon dont la plante s’isole de son environnement pour se protéger de la sécheresse, des substances toxiques et des pathogènes.
Depuis le début du 19ème siècle, de nombreuses recherches ont été effectuées sur la cuticule, une structure lipidique qui recouvre l'épiderme des parties aériennes de la plante. Par ses propriétés hydrophobes, elle limite la diffusion d'eau évitant ainsi à la plante des pertes d’eau par la transpiration, et elle la protège des attaques microbiennes. Parce que le rôle des racines est de puiser l’eau dans le sol, l’absence d’une cuticule couvrant la racine n’a jamais été remise en question.
Nos recherches ont conduit à la découverte d’une cuticule présente sur la coiffe, le bout de la racine. Sous forme d’une cuticule embryonnaire dès le plus jeune stade de développement de l’embryon, elle protège la racine qui sort de son environnement protecteur qu’est la graine, un moment critique pour sa survie dans de nouvelles conditions environnementales jusqu’à ce que d’autres structures soient établies. Elle est aussi présente sur les racines latérales depuis leur formation dans la racine principale et durant leur émergence. Des malformations de racines latérales émergentes lors de l’absence de cuticule mettent également en évidence les propriétés lubrifiantes essentielles de la cuticule.
La découverte d’une cuticule sur la coiffe de la racine contredit les théories fondamentales de la biologie végétale qui affirment que la cuticule est exclusivement spécifique aux parties aériennes de la plante. De plus, elle ajoute un nouvel élément dans la compréhension de l’anatomie, du développement, de la physiologie racinaire et plus particulièrement de la manière dont la plante réagit de façon contrôlée avec son environnement.
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During land colonization, plants have developed extracellular semi-permeable diffusion barriers to isolate themselves from the environment. Mainly made of polyesters, they prevent the loss of water and nutrients, and protect the plant against biotic and abiotic stresses. In the shoot, the cuticle is a cell wall structure covering the surface of epidermal cells of various organs. In the root, the so far identified diffusion barriers are cell wall modifications of the endodermis forming the Casparian strip and the suberin lamellæ, and cell wall modifications of the phellem forming suberin lamellae at the periderm. In addition, the presence of diffuse suberin in epidermal cells has also been hypothesised. The main constituents of the cuticle and suberin lamellae are respectively cutin and suberin, both aliphatic polyesters.
In this thesis, we discovered that the outer root cap cell layer of young primary roots and lateral roots of Arabidopsis thaliana forms also a cuticle-like structure. This root cap cuticle (RCC) is lost together with the first root cap cell layer when the replacement cycles of the outer root cap cells begin at 5 days after germination. Evidence for the presence of a RCC was strengthened by its removal by cutinases, staining with lipid dyes, as well modifications in structure and properties in mutants of several root cap expressed cutin biosynthesis genes. The cutin of the root tip of 2-day-old seedlings is rich in C18:2 dicarboxylic acid, which is the main monomer of the Arabidopsis leaf cuticle, but contains also numerous atypical components, including polyunsaturated fatty acids. The RCC of young primary and emerging lateral roots delays the diffusion of molecules into the root tip and protects the root meristem. In consequence, the RCC helps seedlings to establish under different stress conditions. Moreover, the RCC could facilitate the lateral root emergence process by reducing organ adhesion since RCC mutants show organ deformations and delay in lateral root emergence.
In parallel, we have investigated suberin formation in the endodermis in order to find new genes involved in its formation. Up to now, polyester biosynthetic genes have been classified into cutin- and suberin-specific genes. However, we have identified GPAT4 and GPAT8, two cutin biosynthetic genes, as being involved in suberin formation in the roots. By showing that a same gene can be involved in suberin and in cutin formation, we are breaking down the theory of two independent pathways and going further in the proposal of Fich and its collaboraters suggesting that suberin and cutin are only one polymer which can be deposited in the inner or the outer side of the cell wall.
We have also shown that GPAT2 and GPAT3, two non-characterized genes, are present at the surface of the roots and may contribute together to the formation of an uncharacterized type of polyester impregnating the cell wall. Preliminary results suggest that they also have a role in the interaction with microbes.
To summarize, we discovered a new cuticle deposition at root cap cell, we showed that cutin and suberin pathway are sharing common genes and we identified two genes that could be involved in the formation of an uncharacterized polyester at the surface of the roots. Those discoveries increase the global understanding of root anatomy, development and physiology.
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Au cours de l’évolution d’un milieu aquatique à un milieu terrestre, les plantes ont développé des barrières de diffusion extracellulaires semi-perméables pour s’isoler de leur environnement. Composées principalement de polyesters, celles-ci empêchent les pertes d’eau et de nutriments, et protègent la plante contre des stress biotiques et abiotiques. Dans les parties aériennes de la plante, la cuticule, structure de la paroi cellulaire, couvre la surface des cellules épidermiques de différents organes. Dans les racines, les barrières de diffusion, identifiées jusqu’à présent, sont des modifications de la paroi cellulaire de l’endoderme pour former le cadre de Caspary et des lamelles de subérine, et de la paroi du périderme formant des lamelles de subérine du phellem. De plus, une hypothèse de la présence de subérine diffuse dans les cellules de l’épiderme a aussi été avancée. Les principaux constituants de la cuticule et des lamelles de subérine sont respectivement la cutine et la subérine, tous deux des polyesters aliphatiques.
Durant ma thèse, j’ai découvert que la couche cellulaire externe de la coiffe des jeunes racines primaires et des racines latérales de Arabidopsis thaliana forme aussi une structure de type cuticule. Cette cuticule de la coiffe de la racine (RCC) est perdue en même temps que la première couche cellulaire de la coiffe, quand les cycles de remplacement des cellules commencent à 6 jours après germination. La preuve de la présence de cette RCC est renforcée par son ablation par l’application de cutinases et par sa coloration avec des colorants spécifiques aux lipides. De plus, des modifications de sa structure et de ses propriétés ont été observées dans des mutants de plusieurs gènes impliqués dans la voie métabolique de la formation de la cuticule et montrant une expression génique à la coiffe. La cutine de la pointe racinaire de plantules âgées de 2 jours est riche en acide dicarboxylique C18:2, qui est le principal monomère de la cuticule de la feuille d’Arabidopsis, mais contient aussi plusieurs composants inhabituels, incluant des acides gras polyinsaturés. La RCC des jeunes racines primaires et latérales retarde la diffusion de molécules toxiques dans la pointe de la racine et protège le méristème racinaire. En conséquence, la RCC aide les plantules à s’établir sous différentes conditions de stress. De plus, la RCC facilite le processus d’émergence des racines latérales par la réduction de l’adhésion des organes entre eux, vu que les mutants de la cuticule présentent des déformations des organes et un retard dans l’émergence des racines.
En parallèle, nous avons investigué la formation de la subérine dans l’endoderme racinaire afin de trouver de nouveaux gènes impliqués dans sa formation. Jusqu’à présent, les gènes impliqués dans la voie métabolique de formation des polyesters ont été classifiés en deux catégories : les gènes spécifiques pour la cutine et ceux spécifiques pour la subérine. Cependant, nous avons identifié GPAT4 et GPAT8, deux gènes impliqués dans la formation de la cutine dans les parties aériennes de la plante, comme étant aussi impliqués dans la formation de la subérine dans la racine. En montrant qu’un même gène peut être impliqué dans la formation de la cutine et de la subérine, nous remettons en question la théorie suggérant la présence de deux voies métaboliques indépendantes et nous approfondissons la théorie de Fich et ses collaborateurs suggérant que la subérine et la cutine sont un seul et unique polymère qui peut être déposé à l’intérieur ou à la surface de la paroi cellulaire.
Nous avons aussi montré que GPAT2 et GPAT3, deux gènes encore non caractérisés, sont présents à la surface de la racine et peuvent contribuer ensemble à la formation d’un type de polyester encore inconnu imprégnant la paroi cellulaire. Les résultats préliminaires suggèrent qu’ils pourraient jouer un rôle dans l’interaction avec les microbes.
En résumé, nous avons découvert une nouvelle cuticule couvrant les cellules de la coiffe, nous avons montré que la cutine et la subérine pourrait être avoir besoin de gènes identiques pour leur formation et nous avons identifié deux gènes qui pourraient être impliqués dans la formation d’un polyester encore non caractérisé à la surface de la racine. Ces découvertes élargissent la connaissance générale de l’anatomie, du développement et de la physiologie racinaires.