Projet ANR-10-JCJC-1207 – IPNODEV : Interactions entre plastes et noyau au cours du développement
Programme : JCJC : Sciences de la vie, de la santé et des écosystèmes :  Biologie cellulaire, développement (JCJC SVSE 2)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Madame Cécile RAYNAUD (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR SUD)
Partenaires : Institut de Biologie des Plantes
Montant : 280000.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Interactions chloroplastes/noyau et développement.Ce projet vise à étudier sous différents angles les mécanismes cellulaires qui permettent au noyau de gouverner la multiplication des chloroplastes et réciproquement, aux chloroplastes d'influencer la prolifération et la différentiation cellulaires.
Comment noyau et chloroplastes influencent-ils mutuellement leur activité au cours du développment ?Comme les cellules animales, les cellules végétales sont divisées en plusieurs compartiments qui fonctionnent de manière coordonnée. L'objectif de ce projet est d'étudier les interactions entre le noyau, site de stockage du matériel génétique, et les chloroplastes, organites propres aux cellules végétales qui assurent la photosynthèse, au cours du développement. En effet, les chloroplastes possèdent leur propre matériel génétique, et se multiplient par fission binaire dans les cellules (ils ne sont pas synthétisés de novo), il est donc important que leur activité de prolifération soit coordonnée avec celle des cellules. Par ailleurs, ils sont le siège de la photosynthèse, et de la biosynthèse de nombreuses molécules indispensables à la survie des cellules ou impliquées dans la signalisation. Leur activité peut donc avoir des conséquences sur la prolifération ou la différentiation cellulaires.
Approches et méthodes utilisées.Ce projet repose sur des approches de microscopie et d'imagerie cellulaire, de génétique et de biologie moléculaire. La combinaison de ces techniques donne accès à l'expression des gènes, à la localisation et au fonctionnement des protéines qu'ils codent ainsi qu'à leur rôle via l'analyse du phénotype de mutants déficients pour ces protéines.
Résumé de la soumission : Une des spécificités des cellules végétales réside dans le fait qu’elles possèdent des plastes. La photosynthèse, l’assimilation de l’azote, la biosynthèse des bases purine et pyrimidine, mais aussi de certains acides aminés, de certains acides gras etc… sont des activités métaboliques essentielles au développement de la plante, localisées dans les plastes. Un des challenges actuels en physiologie cellulaire végétale est de comprendre comment l’activité du noyau et des plastes sont coordonnés et intégrés pour permettre à la plante de pousser et se développer. Cette coordination a principalement été étudiée dans le contexte de la régulation de gènes impliqués dans la photosynthèse. Par contre, peu chose est connue quant à l’intégration de la prolifération et de la différenciation des plastes dans la régulation du développement de la plante.Des données obtenues au laboratoire ont révélé qu’une protéine impliquée dans l’initiation de la phase S du cycle cellulaire (AtCDT1a) pourrait coordonner, via sa capacité à lier ARC6, la division des plastes et la division cellulaire chez Arabidopsis. La division des plastes pourrait donc être couplée à la réplication de l’ADN nucléaire. La première partie du projet permettra de préciser les mécanismes qui coordonnent le cycle cellulaire et la division des plastes.Des résultats récemment obtenus au laboratoire ont concentré notre attention sur les protéines TEL de liaison à l’ARN, impliquées dans la régulation de la croissance de la plante par la modulation de la différenciation et/ou l’activité des plastes. Etant donnés que les chloroplastes sont le site de l’assimilation du carbone et que les sucres sont bien connus pour réguler l’expression des gènes du cycle cellulaire, cette modulation pourrait être assurée par les sucres. La deuxième partie du projet cherchera à préciser les voies de signalisation reliant les protéines TEL au contrôle de la prolifération/différenciation cellulaire en fonction de l’activité des chloroplastes. Cependant, des données suggèrent que les signaux issus des chloroplastes pourraient agir de façon autonome par rapport à la cellule, soulevant la possibilité que d’autres voies de signalisation que celles passant par les sucres soient impliquées (Tan et al. 2008). La troisième partie de ce projet sera dédiée à la recherche plus vaste de partenaires aux protéines AtCDT1a et AtTEL, pour identifier de nouveaux mécanismes d’interaction noyau/plastes au cours du développement de la plante.
Résultats : L'étude plus approfondie de la protéine AtCDT1a impliquée dans la régulation du cycle cellulaire et de la division des plastes nous a permis de mettre en évidence son rôle crucial au cours du développement des gamétophytes et dans le maintien de l'intégrité du génome nucléaire. Les résultats obtenus nous conduisent à postuler qu'elle pourrait aussi être importante pour la stabilité ou l'expression du génome chloroplastique, mais cette hypothèse reste à être vérifiée.
En parallèle, plusieurs aspects du projets nous ont permis de mettre en évidence l'importance de l'activité des chloroplastes pour la croissance des plantes, aussi bien dans le mutant crl, déficient pour une protéine chloroplastique que dans les mutants tel, déficients pour des protéines de liaison aux ARN. La recherche de partenaires des protéines TEL a en outre mis en évidence leur interaction avec deux méthyl-transferases, ce qui ouvre des pistes de recherche vers de nouveaux méchanismes de régulation de l'expression des gènes dans les cellules végétales.
Perspectives : De nombreuses perspectives restent ouvertes sur tous les aspects développés jusqu'ici. Ce projet ouvre des pistes de recherche sur les mécanismes qui assurent le maintien et la transmission des génomes nucléaires et chloroplastiques au fil des générations. Il ouvre également des perspectives concernant les voies de signalisation qui modulent l'activité de prolifération et de croissance des cellules selon l'activité des chloroplastes, et donc la quantité de sucre disponible pour les cellules.
Publications et brevets : Le travail conduit jusqu'ici nous a permis de rédiger un article de revue (Charon C., Bruggeman Q., Thareau V. and Henry Y. (2012) Gene duplication within the Green Lineage: the case of TEL genes. J. Exp. Bot. doi:10.1093/jxb/ers181), et un chapitre d'ouvrage (Chloroplast Division Jodi Maple and Cécile Raynaud. A paraître dans Chloroplast Biology, dans la série  «Advances in Plant Biology«) à partir des données bibliographiques relatives aux thèmes abordés dans ce projet. Nous avons également publié récemment un premier article de recherche concernant la fonction de la protéine AtCDT1a (Domenichini S, Benhamed M, De Jaeger G, Van De Slijke E, Blanchet S, Bourge M, De Veylder L, Bergounioux C, Raynaud C. Evidence for a Role of Arabidopsis CDT1 Proteins in Gametophyte Development and Maintenance of Genome Integrity. Plant Cell 2012 Jul;24(7):2779-91). La caractérisation approfondie de cette protéine a été entreprise parce que nous avions pu montrer au préalable que sa perte affectait aussi bien la division cellulaire que la division des chloroplastes. Les résultats obtenus ont révélé son rôle dans le maintien de l'intégrité du génome nucléaire au fil des générations, et l'enjeu est désormais de déterminer si elle remplit également cette fonction dans les chloroplastes.