In vascular plants, the best-known feature of a differentiated endodermal cell is the "Casparian Strip" (CS). This structure refers to a highly localized cell wall impregnation in the transversal and anticlinal walls of the cell, which surrounds the cell like a belt/ring and is tightly coordinated with respect to neighboring cells. Analogous to tight junctions in animal epithelia, CS in plants act as a diffusion barrier that controls the movement of water and ions from soil into the stele. Since its first description by Robert Caspary in 1865 there have been many attempts to identify the chemical nature of the cell wall deposition in CS. Suberin, lignin, or both have been claimed to be the important components of CS in a series of different species. However, the exact chemical composition of CS has remained enigmatic. This controversy was due to the confusion and lack of knowledge regarding the precise measurement of three developmental stages of the endodermis. The CS represent only the primary stage of endodermal differentiation, which is followed by the deposition of suberin lamellae all around the cellular surface of endodermal cells (secondary developmental stage). Therefore, chemical analysis of whole roots, or even of isolated endodermal tissues, will always find both of the polymers present.
It was crucial to clarify this point because this will guide our efforts to understand which cell wall biosynthetic component becomes localized in order to form the CS. The main aim of my work was to find out the major components of (early) CS, as well as their spatial and temporal development, physiological roles and relationship to barrier formation. Employing the knowledge and tools that have been accumulated over the last few years in the model plant Arabidopsis thaliana, various histological and chemical assays were used in this study.
A particular feature of my work was to completely degrade, or inhibit formation of lignin and suberin biopolymers by biochemical, classical genetic and molecular approaches and to investigate its effect on CS formation and the establishment of a functional diffusion barrier. Strikingly, interference with monolignol biosynthesis abrogates CS formation and delays the formation of function diffusion barrier. In contrast, transgenic plants devoid of any detectable suberin still develop a functional CS. The combination of all these assays clearly demonstrates that the early CS polymer is made from monolignol (lignin monomers) and is composed of lignin. By contrast, suberin is formed much later as a secondary wall during development of endodermis. These early CS are functionally sufficient to block extracellular diffusion and suberin does not play important role in the establishment of early endodermal diffusion barrier. Moreover, suberin biosynthetic machinery is not present at the time of CS formation. Our study finally concludes the long-standing debate about the chemical nature of CS and opens the door to a new approach in lignin research, specifically for the identification of the components of the CS biosynthetic pathway that mediates the localized deposition of cell walls.
I also made some efforts to understand the patterning and differentiation of endodermal passage cells in young roots. In the literature, passage cells are defined as a non- suberized xylem pole associated endodermal cells. Since these cells only contain the CS but not the suberin lamellae, it has been assumed that these cells may offer a continued low-resistance pathway for water and minerals into the stele. Thus far, no genes have been found to be expressed specifically in passage cells.
In order to understand the patterning, differentiation, and physiological role of passage it would be crucial to identify some genes that are exclusively expressed in these cells. In order to identify such genes, I first generated fluorescent marker lines of stele-expressed transporters that have been reported to be expressed in the passage cells. My aim was to first highlight the passage cells in a non-specific way. In order to find passage cell specific genes I then adapted a two-component system based on previously published methods for gene expression profiling of individual cell types. This approach will allow us to target only the passage cells and then to study gene expression specifically in this cell type. Taken together, this preparatory work will provide an entry point to understand the formation and role of endodermal passage cells.
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Chez les plantes vasculaires, la caractéristique la plus commune des cellules différentiées de l'endoderme est la présence de cadres de Caspary. Cette structure correspond à une imprégnation localisée des parties transversales et anticlinales de la paroi cellulaire. Cela donne naissance, autour de la cellule, à un anneau/cadre qui est coordonné par rapport aux cellules voisines. De manière analogue aux jonctions serrées des épithéliums chez les animaux, les cadres de Caspary agissent chez les plantes comme barrière de diffusion, contrôlant le mouvement de l'eau et des ions à travers la racine entre le sol et la stèle. Depuis leur première description par Robert Caspary en 1865, beaucoup de tentatives ont eu pour but de définir la nature chimique de ces cadres de Caspary. Après l'étude de différentes espèces végétales, à la fois la subérine, la lignine ou les deux ont été revendiquées comme étant des composants importants de ces cadres. Malgré tout, leur nature chimique exacte est restée longtemps énigmatique. Cette controverse provient de la confusion et du manque de connaissance concernant la détermination précise des trois stades de développement de l'endoderme. Les cadres de Caspary représentent uniquement le stade primaire de différentiation de l'endoderme. Celui-ci est suivi par le second stade de différentiation, la déposition de lamelles de subérine tout autour de la cellule endodermal. De ce fait, l'analyse chimique de racines entières ou de cellules d'endoderme isolées ne permet pas de séparer les stades de différentiation primaire et secondaire et aboutit donc à la présence des deux polymères.
Il est également crucial de clarifier ce point dans le but de connaître quelle machinerie cellulaire localisée à la paroi cellulaire permet l'élaboration des cadres de Caspary. En utilisant les connaissances et les outils accumulés récemment grâce à la plante modèle Arabidopsis thaliana, divers techniques histologiques et chimiques ont été utilisées dans cette étude. Un point particulier de mon travail a été de dégrader ou d'inhiber complètement la formation de lignine ou de subérine en utilisant des approches de génétique classique ou moléculaire. Le but étant d'observer l'effet de l'absence d'un de ces deux polymères sur la formation des cadres de Caspary et l'établissement d'une barrière de diffusion fonctionnelle. De manière frappante, le fait d'interférer avec la voie de biosynthèse de monolignol (monomères de lignine) abolit la formation des cadres de Caspary et retarde l'élaboration d'une barrière de diffusion fonctionnelle. Par contre, des
plantes transgéniques dépourvues d'une quantité détectable de subérine sont quant à elles toujours capables de développer des cadres de Caspary fonctionnels. Mises en commun, ces expériences démontrent que le polymère formant les cadres de Caspary dans la partie jeune de la racine est fait de monolignol, et que de ce fait il s'agit de lignine. La subérine, quant à elle, est formée bien plus tard durant le développement de l'endoderme, de plus il s'agit d'une modification de la paroi secondaire.
Ces cadres de Caspary précoces faits de lignine suffisent donc à bloquer la diffusion extracellulaire, contrairement à la subérine. De plus, la machinerie de biosynthèse de la subérine n'est pas encore présente au moment de la formation des cadres de Caspary. Notre étude permet donc de mettre un terme au long débat concernant la nature chimique des cadres de Caspary. De plus, elle ouvre la porte à de nouvelles approches dans la recherche sur la lignine, plus particulièrement pour identifier des composants permettant la déposition localisée de ce polymère dans la paroi cellulaire.
J'ai aussi fais des efforts pour mettre en évidence la formation ainsi que le rôle des cellules de passage dans les jeunes racines. Dans la littérature, les cellules de passage sont définies comme de la cellule endodermal faisant face aux pôles xylèmes et dont la paroi n'est pas subérisée. Du fait que ces cellules contiennent uniquement des cadres de Caspary et pas de lamelle de subérine, il a été supposé qu'elles ne devraient offrir que peu de résistance au passage de l'eau et des nutriments entre le sol et la stèle.
Le rôle de ces cellules de passage est toujours loin d'être clair, de plus aucun gène s'exprimant spécifiquement dans ces cellules n'a été découvert à ce jour. De manière à identifier de tels gènes, j'ai tout d'abord généré des marqueurs fluorescents pour des transporteurs exprimés dans la stèle mais dont l'expression avait également été signalée dans l'endoderme, uniquement dans les cellules de passage. J'ai ensuite développé un système à deux composants basé sur des méthodes déjà publiées, visant principalement à étudier le profil d'expression génique dans un type cellulaire donné. En recoupant les gènes exprimés spécifiquement dans l'endoderme à ceux exprimés dans la stèle et les cellules de passage, il nous sera possible d'identifier le transriptome spécifique de ces cellules. Pris dans leur ensemble, ces résultats devraient donner un bon point d'entrée dans la définition et la compréhension des cellules de passage.