Mécanique d'une cellule végétale isolée : contribution des éléments structuraux et comparaison avec une cellule animale

• Auteur / Autrice : Pauline Durand
• Direction : Atef Asnacios
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Paris 7
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules animales

Protoplastes

Rhéologie

Cytosquelette

Cellules végétales

Mots clés libres

Pression de turgescence

Résumé

Les cellules végétales présentent une structure mécanique particulière : elles sont enchâssées dans une paroi rigide de cellulose et sont sous pression. Lorsqu'une cellule croît, la paroi doit se déformer et, en même temps, elle doit être assez rigide pour prévenir la cellule d'exploser sous l'effet de la pression. La capacité de la paroi à se déformer sans se rompre détermine le taux de croissance et donc le changement de forme chez les plantes. Lors de cette thèse, nous avons caractérisé les propriétés mécaniques de cellules végétales isolées. En particulier, nous avons étudié les contributions respectives de la pression et de la paroi dans la réponse mécanique des cellules. Il s'est avéré que la pression est principalement responsable des propriétés mécaniques à l'échelle globale d'une cellule végétale. Nous avons ensuite comparé ce résultat au comportement mécanique d'un ballon de football sous pression. La comparaison des résultats avec un modèle mécanique simple nous révélera que les cellules adaptent leur pression interne en fonction de celle de leur environnement. Ensuite, pour déterminer la réponse mécanique des cellules végétales indépendamment de la paroi cellulosique, nous avons réalisé des mesures sur des cellules privées de leur paroi (protoplastes). De façon surprenante, le comportement mécanique des protoplastes s'est avéré similaire à celui des cellules animales, malgré les différences structurales entre ces deux types de cellules. Ce comportement mécanique commun repose sur des éléments cytosquelettiques différents ce qui révèle une possible convergence évolutive.

Plant cells display very specific mechanical features: they include an enveloping polymeric cell wall anc they are under high pressure. This pressure drives cell growth: the wall has to deform in a controlled way, while preventing the cell from bursting. Here, we used a micro-rheometer to study the mechanical behavior of single plant cells. We quantitated the viscoelastic behavior of plant cells with varying internai turgor pressure and found it to be mostly elastic-like. Up-scaling the rheometer, we studied the mechanics of a soccer bail for different internai pressures and we strikingly found the same behavior as for single plant cells. This direct comparison shows that, under physiological conditions, plant cell mechanics is pressure-dominated. A simple mechanical model provided an estimation of the turgor pressure and highlighted turgor regulation processes at single cell scale Then, in order to determine the specific mechanical properties of plant cells independently from that of the wall, we performed measurements on protoplasts (plant cells without wall). We found that protoplasts exhibit the same typical values of elastic and loss moduli as animal cells. Remarkably, microtubules primarily contributed to the rheological behavior of wall-less plant cells whereas rheology of animal cells was mainly dependent on the actin network. Thus, plant and animal cells evolved different molecular strategies to reach a comparable cytoplasmic mechanical core, suggesting that evolutionary convergence could include the internai biophysical properties of cells.