Despite the harmonious growth of the root tip, developing tissues do not differentiate simultaneously. The protophloem, the terminal conductive tissue in the root meristem, may have a crucial role in root meristem maintenance because it is the first tissue to acquire its final functionality. During its differentiation, protophloem sieve elements (PPSE) undergo remarkable modifications occurring in a very short window of space and time.
Mutants with impaired protophloem differentiation such as brevis radix (brx) and octopus (ops) show not fully differentiated PPSEs, so called gap cells, within a fully differentiated protophloem strand. This interrupts phloem continuity and seems to impair phloem unloading in the root apical meristem. Secondary systemic phenotypes are associated with these local defects, including reduced meristem size and short root, enhanced root branching and deficiencies in hormone and growth factor signaling. This phenotype is called the Disturbed Protophloem Syndrome (DPS).
This project is about the unraveling of a new mechanism in PPSE cell fate determination and shows that a proper PPSE differentiation requires a strong accumulation of auxin in PPSE in comparison to neighboring cells and is mediated by BRX. In brx background, the DPS can be partially rescued by increasing the activity of the auxin signaling pathway specifically in the protophloem. Protophloem development requires a feedback-regulated mechanism tuned by two antagonistic actors of auxin efflux, BRX and PROTEIN KINASE ASSOCIATED WITH BRX (PAX). Although, BRX and PAX have opposite functions in the control of auxin efflux, but a loss of BRX or PAX function both lead to the DPS. A deep and precise phenotyping of gap cell occurrence revealed a non-stochastic pattern. A computational approach modelled PPSE development and confirmed that the gap cell pattern occurs according to a biological rule and pointed out that the protophloem differentiation failures originates from an auxin-dependent bi-stability coming from competition among neighboring cells. Those results established a new role of auxin uptake regulation via AUXIN TRANSPORT PROTEIN 1 (AUX1) during PPSE differentiation. The fine-tuned contribution of auxin influx, auxin efflux and local biosynthesis ensures a proper auxin content within the cell and therefore maintains auxin homeostasis which is required for a well- controlled differentiation.
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Malgré la croissance harmonieuse de la pointe de la racine, les tissus en développement ne se différencient pas simultanément. Le protophloème, le tissu conducteur terminal du méristème racinaire, est le premier tissu à acquérir sa fonctionnalité et a donc un rôle crucial dans le maintien du méristème racinaire. Au cours de leur différenciation, les éléments des cellules criblées du protophloème (CCPP) subissent des modifications uniques se produisant dans une très courte fenêtre d'espace et de temps.
Des mutants, dont la différenciation des protophloèmes est altérée, tels que brevis radix (brx) et octopus (ops), présentent des CCPP indifférenciées, appelées « gap cells », contenues dans un protophloème entièrement différencié. Cela interrompt la continuité du phloème et compromet donc la livraison de la sève dans le méristème apical racinaire. Des phénotypes systémiques secondaires sont associés à ces défauts locaux, notamment une taille de méristème et de racine réduite, une densité de racines secondaires plus élevée et des carences en hormones de signalisation et facteurs de croissance. Ce phénotype est appelé syndrome de protophloème perturbé (SPP).
Le projet traite de la découverte d'un nouveau mécanisme de détermination du sort des CCPP et montre que la différentiation des CCPP nécessite une forte accumulation d'auxine dans le protophloème par rapport aux cellules voisines et est médiée par BRX. Dans le contexte brx, le SPP peut être partiellement soigné en augmentant l'activité de la voie de signalisation de l'auxine spécifiquement dans le protophloème. Le développement d'un protophloème nécessite un mécanisme régulé par rétroaction et réglé par deux acteurs antagonistes de l'efflux d'auxine, BRX et PROTEIN KINASE ASSOCIATED WITH BRX (PAX). Étonnamment, BRX et PAX ont des fonctions opposées dans le contrôle de l'efflux d'auxine mais une perte de fonction dans BRX ou PAX mène au SPP. Un phénotypage précis des cellules « gap cells » a révélé un schéma non stochastique de leur apparition. Une approche computationnelle a modélisé le développement des CCPP et a confirmé que le modèle d’apparition des cellules « gap cells » se produit en fonction d'une règle biologique et a souligné que les échecs de différenciation proviennent d'une bi-stabilité dépendante de l'auxine due à une compétition entre les cellules. Ces résultats mettent en évidence un nouveau rôle de régulation de l’influx d'auxine via AUXIN TRANSPORT PROTEIN 1 (AUX1) lors de la différenciation des CCPP. La contribution optimisée de l'influx d'auxine, l'efflux d'auxine et de la biosynthèse locale garantit un niveau d'auxine approprié dans la cellule et maintient donc l'homéostasie de l'auxine qui est nécessaire pour une différenciation bien contrôlée.