Morphogenèse et développement :

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1 Morphogenèse et développement :
intégration niveaux moléculaire-cellulaire-tissulaire-organe allers-retours modèles - expérimentation Jan Traas Reproduction et Dévelopmement des Plantes (UMR RDP), Lyon Bruno Moulia: Physique et physiologie Intégratives de l'Arbre Forestier ou Fruitier (UMR PIAF) Clermont Ferrand

2 Le développement des plantes
A priori stéreotypé (« programme génétique ») Mais aussi dépendant de l’environnement 15

3 Approche « Bottom-up »: la génétique et la physiologie ont permis l’identification de réseaux de régulation Ex: floral organ mutants in Arabidopsis Ex: flowering mutants in Antirrhinum and Arabidopsis

4 Nous ne connaissons pas le lien entre les réseaux de régulation et la forme/morphogenèse
??? 16h F. Moneger and coll.

5 Des réseaux de régulation à la morphogenèse
Internal programme External influence REGULATORY NETWORKS CYTOSKELETON CELL WALL TURGOR PRESSURE ORGAN SHAPE Les réseaux de régulation sont à la base d’objets dynamiques avec une structure géométrique et physique hétérogène.

6 From morphogenesis to relevant gene networks
Top-Down approach: From morphogenesis to relevant gene networks Méristème apical avec distribution hétérogène de stress, dû à une croissance hétérogène, pression turgor, ... Plante entière sous influence du vent La Morphogenèse peut être modélisée au niveau macroscopique en tenant compte de ces hétérogénicités biophysiques Mais....soit on n’a pas de bases pour construire un modèle ou au contraire plusieurs modèles explicatifs sont possibles parce qu’il manque des données à l’échelle inférieure (ex.phyllotaxie)  un défi pour les «écophysiologistes» et «génomistes» : faire le lien entre les états et paramètres phénotypiques locaux et le phénotype global, en ciblant les processus pertinents

7 From molecular networks to plant shape and back
Un problème multi-échelle et multidisciplinaire: réseaux moléculaires Biochimie Cellules Physique (contraintes) Tissus/organes Forme (géometrie) Nous avons besoin: - d’approches multidisciplinaires biophysique/biomécanique informatique, écophysiologie, génétique moléculaire, biologie cellulaire Mots «clés»: - approches quantitatives descriptives modélisation

8 Quelques exemples de projets en cours:
la génétique de la géometrie (Coen, 2004) Exprimer l’activité des gènes en termes de morphogenèse cellulaire dans des domaines d’expression spécifiques Quantifier la croissance au niveau cellulaire chez les plantes sauvages et mutantes Associer l’activité de molécules spécifiques à la morphogenèse

9 Quelques exemples de projets en cours:
Modélisation: représenter des tissus avec une résolution cellulaire en 3D Représentation des cellules Interactions physiques, croissance Physiologie cellulaire, interactions chimiques Un premier essai: Modèle physique, interactions representées par des ressorts rigidité taille réelle taille à vide Croissance en modifiant Lo Modéliser le comportement global à partir de paramètres locaux (k,l...) coll Godin, Stoma, Barbier de Reuille

10 Quelques exemples de projets en cours:
La croissance et les réponses moléculaires peuvent dépendre de l’état mécanique des tissus: mécanoperception Une approche biomécanique associant expérimentation et modélisations mécaniques et écophysiologiques : identification variable perçue, modèle de mécanoperception et d’intégration du signal secondaire, la loi d’action avec accomodation : phénotype mécanoperceptif intensif: nouvelles méthodes simplifiées : le test de flexion circulaire phénotypage / variabilité génétique naturelle ou mutants. Tout le phénotype ? non réponses de croissance IIRe, accommodation lente (programme de recherche équipe MECA j’y reviendrais) Coutand et al , Coutand and Moulia 2000 J Exp Bot  forte réponse de croissance mais aucune relation quantitative avec la force ou la contrainte appliquée peu de choses connues sur les processus (moléculaires) candidats:  approche top-down

11 Modèle mécanoperceptif ecophysiologique
Modèle mécanique intégratif de l’interaction plante environnement Modèle biologique intégratif hypothétique de perception-réponse Sollicitation Structure de soutien Hypothèses à tester Modèle mécanoperceptif ecophysiologique Signal intégré candidat S Champs d’états mécanique interne Lois d’actions à paramètres locaux Structure perceptrice Moulia and Fournier 1997 Moulia and Coutand 2000 Iteration sur des expérimentation à sollicitations et structures variables  identification de la variable perçue et des tissus compétents / test du modèle intégratif perception de la déformation / a et S0 paramètres constitutifs de mécanoperception

12 la réponse étudiée peut être changée
Réponse moléculaire précoce et locale (Facteur de Transcription ZincFingerProt 2) [ZFP2 ]=f(S), S=.rddr) Q_PCR loi d’action de l’expression du facteur de transcription mécanosensible ZFP2 en fonction des déformations perçues Relation linéaire [ZFP2]=a(S-S0) (gamme des « petites déformations » ) En cours, projet innovant EA Coutand, Fournier-Leblanc et al. validation moléculaire du modèle intégratif de perception des déformations Recherche du résau de gènes aval de ZFP2 associés à la variation lente des paramètres constitutifs de la réponse de croissance, du fait de l’histoire mécanique, et couplage avec le modèle bio-mécanique de perception => modèle dynamique

13 Explicitation / Intégration des aspects physiques et biologiques
Qu’est ce qu’on a gagné ? Explicitation / Intégration des aspects physiques et biologiques Conditions d’existence physiques variables globales comme l’énergie mécanique (ou taux de production d’entropie) Discrimination / quantification / identification des variables internes candidates Champs de variables perçus peuvent être comparés avec profils d’expression de gènes “avals” (parfois !) Suppato et al, PNAS 2006 Attention si en croissance: spécification eulérienne vs lagrangienne (tissu flow Silk 1984, 2006) Liens entre (éco)physiologie, expression des gènes, structure, et morphogénèse

14 Peuvent être directement reliés à des données cellulaires ([ARN] …)
Qu’est ce qu’on a gagné ? Causes et effets: Séparation de 3 types de paramètres (potentiellement) causaux Fond génétique, “mémoire” de l’environnement et de l’interaction génotype*milieu  Paramètres structuraux (taille, forme, disposition des tissus) si intégration temporelle : conditions initiales  conditions aux limites= environnement actuel (t) Peuvent être directement reliés à des données cellulaires ([ARN] …)  Réseau de gènes  Paramètres constitutifs (propriétés mécaniques tissus, paramètres de la mécanoperception locale) Et combinaison (dynamique d’interaction) pour produire une forme phénotypique phénotype intégré

15 Perspectives et besoins
Faire le lien entre les réseaux moléculaires, la forme et les propriétés physiques des objets biologiques reste un défi majeur en biologie Nous devons développer des approches multidisciplinaires intégrées. Laboratoires multidisciplinaires? Laboratoires sans murs? Nous avons besoin de modèles 3D, dynamiques à l’echelle cellule/organes et à l’échelle organe/plante entière. Ces modèles seront centraux dans l’élaboration d’approches de type biologie des systèmes Même si la mécanique et la signalisation chimique sont centraux dans la morphogenèse on pourrait par exemple étendre les démarches précédentes aux effets de la lumière et de la température => «multifonctional Virtual Plant models» viscosity, force s’opposant au déplacement proportionelle au déplacement -kx=dx2/