Dynamics and regulation of cellulose synthesis machinery

• Auteur / Autrice : Elizabeth Crowell
• Direction : Martine Gonneau, Samantha Vernhettes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences biologiques. Biologie cellulaire
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arabidopsis thaliana

Synthèse (chimie)

Cellulose

Cellules végétales -- Croissance

Résumé

La croissance et l'architecture des plantes reposent sur l'expansion cellulaire anisotrope. Le relâchement pariétal, modulé par l’orientation des microfibrilles de cellulose déposées autour de chaque cellule végétale, permet de contrôler l’expansion cellulaire. La cellulose est synthétisée par des complexes cellulose synthases (CSCs) au niveau de la membrane plasmique. Le mouvement des CSCs, et en conséquence le dépôt ordonné de la cellulose, est guidé par les microtubules corticaux par un mécanisme encore inconnu. La présence de la protéine membranaire KORRIGAN1 (KOR1), une endo--1,4-glucanase, est aussi nécessaire pour la synthèse de la cellulose. Par des approches combinées de biologie cellulaire et de biochimie, nous avons montré que trois isoformes différentes de cellulose synthase sont nécessaires pour constituer un CSC fonctionnel de paroi primaire. Nos différents résultats suggèrent que les CMTs non seulement guident les trajectoires des CSCs dans la membrane plasmique mais aussi régulent l’insertion et l’internalisation des CSCs. Nous avons également montré que les microtubules corticaux contrôlent la réorientation globale des trajectoires des CSCs et que la paroi de la face interne de l’épiderme contrôle l'expansion cellulaire de l'hypocotyle chez Arabidopsis. Ces données suggèrent que les CSCs interagissent directement avec les CMTs ou via un facteur associé aux CMTs. Par des approches similaires, nous avons également montré que la protéine KOR1 est associée aux CESAs impliquées dans la mise en place de la paroi primaire. En conclusion, nous avons mis en évidence de nouvelles interactions entre les CESAs et le cytosquelette d'une part, et les CESAs et KOR1 d'autre part, qui permettent de proposer un nouveau modèle pour la machinerie de biosynthèse de la cellulose et sa régulation.

Plant development and architecture result from anisotropic cell expansion. Cell wall yielding controls cell shape and expansion, and is modulated in part by the oriented deposition of cellulose microfibrils around the cell. Cellulose is synthesized by motile cellulose synthase complexes (CSCs) in the plasma membrane, whose movement is directed by cortical microtubules through an unknown mechanism. In higher plants, the KORRIGAN1 (KOR1) membrane-bound endo--1,4-glucanase is also required for cellulose synthesis. Using cell biology and biochemical approaches, we have demonstrated that three different CESA isoforms are required for primary cell wall cellulose synthesis. We find that CSC delivery to the plasma membrane is regulated by pauses of the Golgi apparatus along cortical microtubules. Our results illustrate that cortical microtubules not only guide the trajectories of CSCs in the plasma membrane, but also regulate their secretion and internalization. We have also shown that cortical microtubules mediate global reorientation of CSC trajectories during growth, and provide evidence that the cell wall on the inner epidermal face drives anisotropic cell expansion of the hypocotyl in Arabidopsis. Together, our data support the hypothesis that CSCs physically interact with cortical microtubules or a microtubule-associated factor, yielding insight into the mechanism by which cortical microtubules may direct CSC trajectories. We have also conducted parallel studies of the dynamics and localization of the KOR1 endo--1,4-glucanase, and find that it associates with the CSC through specific interactions with primary CESAs. In conclusion, our research has shed light on the complex interactions between CESA isoforms, KOR1, and the cytoskeleton, offering a more comprehensive model for the regulation of cellulose synthesis and deposition.