Plants evolved innovative solutions to survive and disseminate during land colonization. The key to success was the development of several systems driven by the new needs in the terrestrial environment. The root architecture system functions to mechanically support the plant and anchor it in the soil, as well as to acquire water and minerals.
Concomitantly, plants evolved a long distance transport system composed of xylem, which distributes water and minerals, and phloem (proto- and meta-phloem), which transports so-called sap. Phloem sap, charged in carbohydrates and signalling molecules, is transported from the above-ground source organs to sink organs, such as the root. The protophloem functions as the final conduit into the root apical meristem (RAM), unloading the sap into the developing root apex.
The RAM exhibits specific domains in which each cell undergoes specific sequence of division and differentiation. Intersected gene networks, phytohormones and epigenetic markers allow the maintenance of this pattern and maintain the division/differentiation rate to ensure the optimal root growth.
In Arabidopsis thaliana, BREVIS RADIX (BRX) counteracts the CLAVATA3/EMBRYO SURRONDING REGION 45 – BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3) module that
inhibits protophloem development. The local hyperactivity of this module in brx loss- of-function mutants generates undifferentiated cells (so-called gaps) which interrupt protophloem differentiation and thereby transport, and lead to a pleiotropic root phenotype (i.e. a shorter primary root and a more branched root system).
Here I show the effects of a weakened variant of the CLE45 ligand, in which the crucial glycine at position six is replaced by a threonine. CLE45G6T roots are morphologically similar to brx and display a stochastic occurrence of gaps.
In order to dissect the protophloem development genetically, I screened for brx suppressors uncovering several unknown bam3 alleles. Likewise, among brx suppressors, deleterious mutations either in BIG BROTHER (BB) or in JUMONJI 14 (JMJ14) can partially rescue the impaired root growth. Both genes are expressed in the primary root, but their biological function in root development is largely unknown. Here I show that BB limits cell proliferation but not elongation. bb loss-of-function mutants exhibit enhanced meristematic cell number, but bb surprisingly has no longer root compared to wild type. Dissection of the root meristem revealed as well a considerable enhancement of cell density within the root stele. I deduce that bb radial cell proliferation might slow down the overall root growth. However, in sensitized genetic backgrounds, such as brx, the supernumerary cells counterbalance the reduced root length. My findings therefore reveal a general role for BB in limiting cell proliferation in Arabidopsis roots. Contrary to bb, jmj14 mutants display neither differences in cell number, nor in cell elongation. JMJ14, an H3K4 demethylase, might modulate gene expression and thus indirectly influence root growth in brx.
In summary, I identified several second site suppressors of the brx, which enhance our understanding of protophloem development and of root development in general.
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Les plantes ont sélectionné des solutions innovantes pour survivre et se disséminer en milieu aérien. L’un des éléments-clés de ce succès est l’acquisition d’un système racinaire servant à la fois de support mécanique, pour ancrer la plante dans le sol, et aussi d’atout physiologique, permettant à la plante de puiser l’eau et les minéraux présents dans le sol. De manière concomitante, la plante a développé un système de transport longue distance composé du xylème, conduisant la sève brute, et du phloème (composé de proto et méta-phloème), conduisant la sève élaborée. Cette dernière, chargée en photoassimilats et autres molécules signal indispensables à la croissance, est transportée depuis les organes sources photosynthétiques vers les organes puits en cours de développement tel que la racine. Ainsi, le proto-phloème assure le transport ultime de sève élaborée où elle est déchargée au niveau du Méristème Apical Racinaire (MAR) en cours de développement.
Chez Arabidopsis thaliana, BREVIS RADIX (BRX) inhibe CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3), module
qui inhibe la différentiation du proto-phloème. L'hyperactivité locale de ce module dans les mutants brx, chez lesquels BRX n’est pas fonctionnel, génère des cellules indifférenciées (appelées gaps) qui interrompent la différenciation du protophloème et produisent ainsi un phénotype pléiotropique (c'est-à-dire une racine primaire plus courte et un système racinaire plus ramifié).
Dans ce travail, je montre l’effet d’une version atténuée du peptide CLE45: le peptide CLE45G6T présentant la substitution d’une glycine par une thréonine en position six du peptide. Les plantes exprimant CLE45G6T présentent les mêmes défauts de développement que le mutant brx, à savoir une différentiation stochastique du phloème.
Un «screen» suppresseur mené sur le mutant brx a permis l’identification de nombreux acteurs impliqués dans la différentiation du proto-phloème y compris des allèles inconnus de bam3. Ainsi, big brother (bb) et jumonji 14 (jmj14) permettent de rétablir partiellement la croissance racinaire chez brx. Ces deux gènes sont exprimés dans la racine mais leurs fonctions biologiques dans la racine sont peu décrites. Chez le mutant bb le nombre de cellules méristématiques est augmentée alors que la longueur de la racine ne l’est pas comparée à la forme sauvage. La prolifération cellulaire radiale chez bb pourrait ralentir la croissance racinaire globale. Cependant, chez des mutants affectés dans le développement tel que brx, ces cellules surnuméraires pourraient contrebalancer les défauts de croissance. Mes travaux montrent que BB limite la prolifération cellulaire dans la racine d’Arabidopsis mais n’affecte pas l’élongation cellulaire. Contrairement à bb, jmj14 ne présente pas de différence dans le nombre de cellules, ni dans l’élongation cellulaire. De par son activité de H3K4 demethylase, JMJ14 pourrait moduler l’expression de certains gènes et ainsi promouvoir indirectement la croissance racinaire chez brx.
En résumé, j’ai identifié plusieurs mutations suppressives du mutant brx, nous permettant ainsi d’approfondir notre compréhension du phloème et du développement de la racine en général.