Cell wall mediated regulation of plant cell morphogenesis : pectin esterification and cellulose crystallinity

La morphogenèse cellulaire est une composante fondamentale du développement d’un organisme. Toute cellule végétale est entourée de parois régulant sa morphogenèse. Cette matrice extra-cellulaire est principalement composée de polysaccharides. Afin de montrer le lien entre la forme et la fonction d’une cellule il est primordial de comprendre la façon dont ces polysaccharides sont modifiés durant le développement et l’expansion cellulaire. Chez les plantes, la mécanique de l'expansion cellulaire est principalement régulée par la cellulose, le biopolymère le plus abondant sur Terre. Comme les microfibrilles de cellulose présentent une forte résistance à la traction le long de leur axe d’orientation principal, elles réguleraient le processus d'expansion en conférant des propriétés mécaniques aux composants pariétaux qui contrôlent l’ampleur et la directivité de la croissance expansive au niveau subcellulaire. Les homogalacturonanes, type de pectine le plus abondant des parois cellulaires primaires, sont des biopolymères également susceptibles d’agir sur l’expansion cellulaire. La distribution spatiale et le degré d’estérification des pectines homogalacturonanes affectent les propriétés mécaniques de la paroi et par conséquent le pattern d’expansion. J'ai utilisé une approche génétique combinée à des stratégies novatrices de biochimie, de biomécanique et d’imagerie, afin de comprendre comment la dynamique spatio-temporelle de la cellulose et des homogalacturonanes régule l'expansion et la morphogenèse cellulaires. Pour ce faire, je me suis basé sur l’étude de deux types de cellules épidermiques de formes différentes: celles du cotylédon et de l'hypocotyle d'Arabidopsis thaliana. J’ai prouvé que la formation des ondulations des cellules fondamentales du cotylédon nécessite des modifications spatiales et temporelles des microfibrilles de cellulose et des pectines déméthylestérifiées. Ces modifications régulent la rigidité mécanique de la paroi péricline à deux moments distincts : lors de l’initiation de la formation du lobe et lors de son expansion ultérieure. L’initiation de la formation du lobe requiert une augmentation de la rigidité de la paroi péricline au niveau des potentielles saillies de l’ondulation, et ce par une accumulation locale de pectines déméthylestérifiées. L’expansion ultérieure est quant à elle contrôlée par le degré de cristallinité de la cellulose et par l’alignement perpendiculaire des microfibrilles tangentiellement aux saillies de l’ondulation de la paroi péricline. Durant l'élongation et l'expansion anisotrope des cellules épidermiques de l’hypocotyle, la cellulose et les pectines homogalacturonanes jouent des rôles distincts lors de chaque phase d'élongation. Durant la première phase de développement, une réduction du taux de pectines déméthylestérifiées diminue la rigidité de la paroi et accélère l’élongation des cellules. Lors de la seconde phase du développement, une réduction de la cristallinité de la cellulose diminue la vitesse d’élongation de l’hypocotyle. À partir de l’étude des deux systèmes cellulaires, nous pouvons conclure que, contrairement à l’hypothèse acceptée de longue date, la cellulose ne serait pas un élément essentiel au déclenchement d’évènements morphogénétiques mais qu’elle jouerait plutôt un rôle au sein de mécanismes de rétroaction accentuant le processus de morphogenèse. De plus, la morphogenèse induite par des contraintes joue un rôle clé lors des étapes initiales et serait dépendante du degré d’estérification des pectines. Mes expériences permettent de corréler les données de mécanique cellulaire expérimentale à la biologie cellulaire fonctionnelle et à la génétique. Cellular morphogenesis is a fundamental underpinning of development. All cells in the plant kingdom are surrounded by walls that govern shape formation. This extracellular matrix is composed mainly of polysaccharides. How these polysaccharides are modified during cellular development to regulate cell expansion, and thus cell shape, must be understood to link form with function. In plants, the mechanical aspect of cell expansion is known to be mainly influenced by cellulose, the most abundant biopolymer on Earth. Because cellulose microfibrils exhibit a strong tensile strength along their long axis, they may be used to control the expansion process by conferring mechanical properties to the cell wall material that determine the directionality and the magnitude of expansive growth at subcellular level. Another wall polymer that may influence cell expansion is homogalacturonan pectin, the most abundant type of pectin in the primary wall. The spatial distribution and esterification status of homogalacturonan pectin may affect the mechanical aspects of the wall and, therefore, the expansion pattern. I used a genetic approach combined with novel biochemical, biomechanical and imaging strategies to study the impact of the spatio-temporal dynamics of cellulose and homogalacturonan pectin during cell expansion and shape formation. I investigated cell shape formation in two differently shaped types of epidermal cells: those of the cotyledon and of the hypocotyl of Arabidopsis thaliana. I show that undulation formation in pavement cells of the cotyledon requires spatial and temporal changes of cellulose microfibrils and demethyl-esterified pectin. These changes regulate the mechanical stiffness of the periclinal wall at two different stages: lobe initiation and subsequent expansion. Lobe initiation involves an increase in the stiffness of the periclinal wall at the prospective neck region of the undulation through a local accumulation of demethyl-esterified pectin. The subsequent expansion is controlled by the degree of cellulose crystallinity and the perpendicular alignment of the microfibrils at the tangent of the neck side of the undulation at the periclinal wall. During the elongation process and the anisotropic expansion of the epidermal hypocotyl cells, cellulose and homogalacturonan pectin make distinct contributions in each developmental phase of the elongation. During the first developmental phase, reduction in the proportion of demethyl-esterified pectin decreases the wall stiffness and accelerates the elongation. A reduction in the cellulose crystallinity decreases the elongation of the hypocotyl at the second developmental phase. It may be concluded from the two cell systems that cellulose, contrary to a long-established hypothesis, may not be essential for the initiation of morphogenetic events and their function may be reassigned to the feedback-mediated augmentation of cell shaping processes. Moreover, stress-induced shape formation plays a key role during the initiating steps and it is likely to be dominated by the degree of pectin esterification. My data link experimental cell mechanics to functional cell biology and genetics.

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