La biosynthèse de la cellulose : contribution de différentes isoformes d’AtCESA et biomécanique de mutants cellulose-déficients chez le seigle et Arabidopsis

Cellulose biosynthesis : role of selected AtCESA isoforms and biomechanics of cellulose-deficient mutants in rye and Arabidopsis

• Auteur / Autrice : Michał Juraniec
• Direction : Martine Gonneau, Jacek Żebrowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences biologiques. Sciences du végétal
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec University of Lodz
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Cellulose

Arabidopsis

Mots clés libres

Paroi

Cellulose synthase

Lignées cassantes

Microspectroscopie FT-IR

Résumé

La famille des celluloses synthases (CESA) chez Arabidopsis comprend 10 membres. Les complexes responsables de la production de cellulose dans la paroi primaire contiennent au moins trois isoformes différentes: CESA1, -3 et -6. Les mutants correspondants sont nains et cellulose-déficients. Nous avons étudié la composition et la régulation de ces complexes CESA par des approches biochimiques (Juraniec et al. , PNAS 2007). Nous avons montré, à l’aide de doubles et triples combinaisons avec cesa6prc1-1, que les isoformes CESA2 et -5, proches de CESA6 en terme de séquence, sont partiellement redondantes avec CESA6. Le phénotype nain de cesa6prc1-1 à l’obscurité est réverté à la lumière. Le gène CESA5, qui ne s’exprime qu’à la lumière, quand il était placé sous le contrôle du promoteur CESA6 était capable de complémenter le phénotype de cesa6prc1-1 à l’obscurité ce qui montre que la fonction de CESA5 est comparable à celle de CESA6. De plus, nous avons montré que CESA2 et -5 sont cibles de l’isoxabène et la compétition avec CESA6 au sein des complexes explique la résistance inférieure à l’isoxabène de cesa6ixr2-1 par rapport à cesa3ixr1-2. L’étude biomécanique a été consacrée aux mutants CESA d’Arabidopsis mais aussi à des lignées cassantes de seigle. Bien que les gènes ne soient pas identifiés, le phénotype cassant chez le seigle résulte de perturbations dans la biosynthèse et/ou le dépôt de la cellulose. Les corrélations établies entre la teneur en cellulose et les paramètres mécaniques permettent de conclure que la quantité mais aussi des modifications ultrastructurales de cellulose sont responsables de la diminution de la résistance mécanique des plantes cassantes.

The cellulose synthase (CESA) family in Arabidopsis comprises 10 members. It is commonly admitted that primary cell wall cellulose synthesis complexes contain three distinct isoforms: CESA1, -3 and -6. Corresponding mutants are cellulose-deficient and present growth defects. We used biochemical approaches to study the composition and regulation of these complexes (Juraniec et al. , PNAS 2007). CESA2 and -5, closely related to CESA6, were also shown to be involved in cell elongation. Cesa2 and -5 mutants did not demonstrate a clear phenotype but their double and triple combinations with cesa6prc1-1 showed that CESA2 and -5 are partially redundant with CESA6. Interestingly, the growth defect in cesa6prc1-1 is reverted by light. CESA5, normally expressed only in the light, driven by CESA6 promoter complemented the dark-grown phenotype of cesa6prc1-1 indicating that CESA5 overlaps CESA6 in function. We have shown that CESA2 and -5 are both targets of the herbicide isoxaben. It implies that lower isoxaben resistance of cesa6ixr2-1 versus cesa3ixr1-2 is due to the competition between CESA2, -5 and -6. The biomechanical part was devoted to the analysis of CESA mutants in Arabidopsis and also to brittle culm strains of rye (Secale cereale). Although the affected genes in rye have not been identified yet, several lines of evidence indicate that the brittle phenotype results from an aberrant cellulose synthesis and/or deposition. Correlations between cellulose content and mechanical parameters allowed us to conclude that cellulose content but also ultrastructural modifications in microfibrilar fraction are responsible for dramatically decreased mechanical strength in brittle plants.