Chaque fois qu’une cellule souche se divise, une cellule fille reste une cellule souche tandis que l’autre démarre son propre parcours de développement. Mais les deux cellules filles ont besoin de matériaux cellulaires spécifiques et différents pour accomplir leur destinée. Les cellules souches animales utilisent le cytosquelette – un réseau transitoire de tubules structuraux – pour tirer physiquement les matériaux corrects de la cellule mère dans chaque cellule fille pendant la scission. Les plantes ont également des cellules souches qui doivent distribuer différents matériaux à chacune de leurs filles, mais des études antérieures semblent avoir exclu un cytosquelette « de type animal » pour accomplir cette tâche. Et les plantes utilisées à la place restaient insaisissables – jusqu’à présent.
Dans une nouvelle étude publiée le 6 juillet dans Science, des chercheurs de l’Université de Stanford ont découvert que les cellules végétales utilisent également le cytosquelette. Mais il y a un rebondissement. Au lieu de tirer sur le cytosquelette, comme les cellules souches animales, les cellules végétales qu’ils ont étudiées l’ont en fait repoussé.
« Au lieu d’utiliser le cytosquelette pour dire : ‘Divisez comme ça !’ les plantes ont dit, ‘NE divisez PAS de cette façon!’ » a déclaré Andrew Muroyama, ancien boursier postdoctoral à Stanford, actuellement professeur adjoint à l’Université de Californie à San Diego et auteur principal de l’article.
Cette nouvelle découverte pourrait aider les chercheurs à concevoir des plantes plus adaptables aux environnements changeants – une tâche essentielle alors que le monde continue de faire face au changement climatique.
Comprendre comment les cellules souches se divisent chez les animaux a été important pour comprendre diverses maladies humaines et a eu un impact sur les médecines translationnelles. J’ai un espoir similaire que l’amélioration de notre compréhension de la façon dont les cellules souches se divisent dans les plantes pourrait éclairer les applications d’ingénierie à l’avenir. »
Andrew Muroyama, ancien postdoctorant à Stanford
Blocage de la construction du mur en menaçant de catastrophe
Des chercheurs du laboratoire de Dominique Bergmann, titulaire de la chaire Shirley R. et Leonard W. Ely, Jr. à la faculté de biologie des sciences humaines et des sciences, ont commencé ce travail en étudiant les complexes de polarité – de petits amas de protéines qui sont critiques dans chaque cellule pour construire des feuilles de taille et de forme appropriées. Les complexes de polarité aident les cellules souches foliaires en division à s’orienter. « Les cellules souches utilisent ces protéines de polarité pour décider où se diviser », a déclaré Muroyama. « Nous savions que ces protéines étaient impliquées dans la division, mais nous ne savions pas comment elles contrôlaient le processus au niveau moléculaire. »
Pour étudier le fonctionnement de ces protéines, l’équipe a développé des lignées de cellules végétales qui exprimaient des versions fluorescentes du complexe de polarité et des protéines du cytosquelette, puis a passé des centaines d’heures dans une pièce sombre, à suivre les mouvements des protéines incandescentes pendant que les cellules se développaient, se divisaient et se répétaient.
Ils ont rapidement observé que certaines cellules ne se divisaient pas selon la « règle de la paroi la plus courte », qui régit normalement la division des cellules végétales. Alors que les cellules végétales sont censées construire les murs les plus petits – et donc les plus énergétiquement conservateurs – possibles pour diviser les cellules, dans certains cas, le complexe de polarité était situé là où ce mur devrait être construit. D’une manière ou d’une autre, cela a bloqué la construction. Grâce à une série d’expériences rigoureuses, les chercheurs ont conclu que le complexe de polarité repoussait les microtubules qui autrement permettraient la construction du mur.
« Le complexe de polarité était comme, ‘Si l’un de vous microtubules essaie d’empiéter sur ma région, je vais vous forcer à partir. Je vais littéralement provoquer une catastrophe – c’est le terme technique pour perturber complètement les microtubules – donc vous pouvez’ pas envahir cette zone », a déclaré Bergmann.
Gestion pour un climat changeant
Le laboratoire de Bergmann s’intéresse à la résilience – comment les plantes font face à des environnements changeants. Les plantes survivent en changeant leurs feuilles ou leurs modèles de branches, ou la vitesse à laquelle elles respirent ou stockent les sucres.
« Cette recherche pourrait conduire à des applications où le comportement des cellules souches pourrait être réglé, par exemple, pour modifier l’architecture des plantes ou pour aider les plantes à s’adapter à un climat changeant », a déclaré Muroyama.
Les décisions sur la façon de répondre aux signaux de l’environnement sont dirigées par les cellules souches. Dans ce processus, Bergmann compare le complexe de polarité à un gestionnaire de construction, donnant les directions qui garantissent que la cellule souche se divise correctement.
« Ce responsable de la construction reçoit des signaux de l’environnement, décide quoi faire et dit à la cellule : ‘Oui, vous devriez diviser.’ Mais ensuite, il dit aussi: « Maintenant, vous avez divisé. Partez chercher fortune », a déclaré Bergmann.
Maintenant que les chercheurs savent comment fonctionne ce gestionnaire, ils peuvent déterminer son rôle dans les processus en amont et en aval – et trouver des moyens d’exploiter sa puissance.
« Nous devons encore comprendre exactement comment fonctionne le complexe de polarité », a déclaré Bergmann. « Comment obtenez-vous toutes ces plantes qui fabriquent des cellules spécialisées vraiment cool – des cellules qui créent des formes intéressantes, des cellules qui fabriquent des produits chimiques intéressants, des cellules qui répondent à certains stimuli ? Et pouvons-nous concevoir que cela se produise ? »
