Growth and Morphogenesis: Quantifying 3D Surface Growth Patterns and Shape Changes in Developing Leaves
Creators: name: Remmler, Lauren
Publisher: name: Université d'Ottawa / University of Ottawa
Year: 2011
Subjects: Morphogenesis
Arabidopsis thaliana
Leaf development
3-dimensional
Leaf shape
Growth of leaves

description: ABSTRACT: Formation of organ shape is an intriguing yet largely unanswered question in developmental biology. Shapes arise as a result of tightly controlled spatial variation in the rates and directions of tissue expansion over the course of development; therefore, quantifying these growth patterns could provide information about the underlying mechanisms of morphogenesis. Here we present a novel technique and computational tools for quantifying growth and shape changes in developing leaves, with a few unique capabilities. This includes the ability to compute growth from three-dimensional (3D) coordinates, which makes this the first method suitable for studying leaf growth in species or mutants with non-flat leaves, as well as small leaves at early stages of development, and allows us to simultaneously capture 3D shape changes. In the following, we apply these methods to study growth and shape changes in the first rosette leaf of Arabidopsis thaliana. Results reveal clear spatiotemporal patterns in growth rates and directionality, and tissue deformation maps illustrate an intricate balance involved in maintaining a relatively flat leaf surface in wild type leaves. Semi-automated tools presented make a high throughput of data possible with this method, and algorithms for generating mean maps of growth will make it possible to perform standardized comparative analyses of growth patterns between wild type and mutants and/or between species. The methods presented in this thesis will therefore be useful for studying leaf growth and shape, to further investigate the mechanisms of morphogenesis. RÉSUMÉ: Comment un organe acquiert sa forme particulière au cours du développement est une question intéressante mais largement non résolue. La forme d’un organe résulte de la façon dont les taux et directions de croissance de ses tissues varient dans l’espace et dans le temps. Quantifier les motifs de croissance est donc nécessaire pout élucider les mécanismes sous-jacents de la morphogenèse. Nous présentons ici une nouvelle méthodologie pour quantifier la croissance et les changements de forme dans les feuilles en développement. Cette méthodologie s’appuie sur le développement de nouvelles techniques expérimentales et de programmes informatiques, et présente des avantages uniques : la croissance de la surface des feuilles et le changement de forme peuvent être analysés en trois dimensions (3D), pour une longue période et de large déformations. De plus l’analyse de multiples échantillons permet de générer une cartographie moyenne des motifs de croissance à la surface des feuilles au cours de leur développement, ainsi qu’une description quantitative de la déformation des tissus sous l’effet de leur croissance. Dans cette thèse, nous présentons les résultats de croissance et de changements de forme de la première feuille de rosette d'Arabidopsis thaliana au cours de son développement. Les cartes moyennes de croissance révèlent des motifs spatio-temporels évidents tant pour les taux que pour les directions de croissance. De plus, la description de la déformation des tissus démontre l'équilibre complexe impliqué dans le maintien d'une surface relativement plane dans les feuilles. La méthode proposée et les logiciels associés permettra d’effectuer des analyses comparative de la croissance entre feuilles de type sauvage et feuilles de mutants aux formes altérées, afin d’élucider les mécanismes de la morphogenèse foliaire.