Cartographie des destins cellulaires dans les jeunes sporophytes en croissance de l'algue brune Saccharina latissima

Cell fate and blade patterning during the early growth of Saccharina latissima sporophytes

• Auteur / Autrice : Ioannis Theodorou
• Direction : Bénédicte Charrier, Hilde-Gunn Opsahl Sorteberg
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Soutenance le 10/01/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Norwegian University of Life Sciences
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biologie intégrative des modèles marins (Roscoff, Finistère ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexander McDougall
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christiaan van der Schoot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Christophe Palauqui, John H. Bothwell

Mots clés

Mots clés contrôlés

Embryologie

Phaeophyta

Reproduction végétale

Mots clés libres

Destins cellulaires

Algue brune

Saccharina latissima

Jeunes sporophytes

Cartographie

Cell fate

Tissue morphogenesis

Saccharina latissima

Brown algae

Résumé

Saccharina latissima est un organisme photosynthétique multicellulaire parenchymateux du groupe des algues brunes (Phaeophyceae). Cette algue appartient au groupe des “kelps” (Laminariales), un groupe qui a récemment acquis une grande importance économique et écologique. En particulier, nos connaissances sur Saccharina et les autres laminaires sont limitées à leurs caractéristiques physiologiques et écologiques, tandis que notre compréhension de leur développement est pour la plupart dépassée ou incomplète. En ce qui concerne leur cycle de vie, il est diplobiontique avec des générations hétéromorphes. Plus précisément, la phase du cycle de vie prédominante à la fois dans le temps et l’espace, est le sporophyte. Le stade microscopique est quant à lui représenté par deux gamétophytes dioïques. Le zygote se transforme en sporophyte en quelques mois, mais ce processus est largement inconnu. Le but de ce projet est d'élucider la morphogenèse des embryons de Saccharina latissima. Tout d'abord, nous avons identifié trois phases principales basées sur les axes de croissance de l'embryon. La phase I démarre par la polarisation du zygote et se poursuit par une séquence de divisions transversales anticlinales perpendiculaires à l'axe de croissance principal. Ensuite, des divisions longitudinales anticlinales ont lieu pendant la phase II, conduisant à la formation d'une grille monostromatique faite de cellules en forme de cuboïdes alignés en croix. Le troisième axe de croissance est introduit pendant la phase III, en même temps que l'émergence de différents types de tissus, un processus défini comme la polystromatisation. Après l'identification des différentes phases de développement embryonnaire, une étude morphométrique a été réalisée en phase II. Des paramètres quantitatifs morphométriques tels que la vitesse et l'orientation de la division cellulaire ainsi que la forme et la direction de l'expansion des cellules ont été recueillis. Ces données sont enrichies par la caractérisation du cytosquelette et de la paroi cellulaire. Pour ce faire, différentes approches de microscopie ont été utilisées. D’abord, les modèles de division et d'expansion cellulaires pendant l'embryogenèse de Saccharina ont été extraits de suivis de croissance des embryons par microscopie “time-lapse”. De plus, les techniques de marquage fluorescent ont été utilisées pour mesurer la rigidité de la paroi cellulaire pendant un choc hyperosmotique ainsi que pour explorer la structure du cytosquelette. En outre, une approche transcriptomique sur les embryons de Saccharina a eu lieu pour identifier les gènes régulateurs clés. Un modèle mécanistique a été construit pour rendre compte du patron de développement, impliquant une anisotropie mécanique de la paroi cellulaire. La structure du cytosquelette est également unique et joue potentiellement un rôle important pendant la phase II. Au cours de la phase III, la différenciation cellulaire se déplace de façon centripète tandis que la polystromatisation se déplace de façon acropète à partir de la base de l'embryon. La lame et le stipe formés sont constitués des mêmes types de cellules, mais leur distribution est différente. Par exemple, les parties polystromatiques plus anciennes présentent une grande abondance de cellules médullaires qui sont totalement absentes des parties polystromatiques plus jeunes. En revanche, ces dernières régions sont riches en cellules corticales. Enfin, notre analyse transcriptomique indique une forte répression génique entre la phase II et la phase III, en particulier des gènes impliqués dans la signalisation cellulaire liés au développement parenchymatique. Les embryons de Saccharina sont un système morphogénétique unique avec une géométrie et un alignement cellulaire particuliers. En comparaison avec la structure et la mécanique des tissus des plantes terrestres, les “kelp” ont exploité un ensemble de principes différents.

Saccharina latissima is amulticellular parenchymatic photosynthetic organism in the group of brown algae (Phaeophyceae). It belongs specifically to the group of kelps (Laminariales), a group that has recently ac-quired great economic and ecological importance.Notably, our knowledge for Saccharina and the other kelps is restricted to their physiological and ecological traits while our understanding on their development is mostly outdated or incomplete. Their life cycle is diplobiotic with heteromorphous generations. Specifi-cally, the large and conspicuous plant is the sporophyte, and the microscopic stage is represented by two dioecious gametophytes.The early development of the sporophyte is a largely unknown process.The aim of this project was to elucidate the morphogenesis of Saccharina latissima’s embryos from de-scriptive and mechanistic point of view. First, we identified three main phases based on the body axes of the embryo. Phase I follows the formation of the polarised zygote, characterised by a sequence of anticli-nal transverse divisions perpendicular to the main growth axis.Then, longitudinal anticlinal divisions take place during Phase II, leading to the formation of a monostromatic grid mad of cross-aligned cuboid cells. The third growth axis is introduced during Phase III, together with the emergence of different types of tis-sue, a process defined as polystromatisation. Then (Paper I), a morphometric study was performed in Phase II. Morphometric quantitative parameters like cell division rate and orientation as well as cell shape and direction of expansion were collected and combined with hyperosmotic treatments to test simulations derived from vertex modelling. Simulations suggest that anisotropic patterns on cell wall (CW) stiffness explain the 2D morphogenesis of the embryo. Next (Paper II), we postulated that these patterns could be underlied by a specific organisation of the cytoskeleton. Observations on actin labelling show an aniso-tropic actin filaments (AFs) organisation at the cortex below the anticlinal CWs. Specifically, the cortical AFs are parallel to the future third growth axis. In contrast, the AFs below the walls of the front and rear surfaces seem isotropic. Drug treatments did not assist to establish a functional link between the CW stiff-ness and AF patterns. However, AFs potentially restrict cell growth along a 2D plane. We postulate that this pattern of AFs organisation needs to be rearranged for allowing cell growth and division along the three spatial axes, and therefore, to allow thickening of the so far monolayer lamina. Furthermore, we focused on the cellular and molecular events leading lamina thickening (Phase II to – Phase III transition). At the molecular level (Paper IV), transcriptomic analysis during the initiation of Phase III detected a downregula-tion of most of the differentially expressed genes. In addition, GO analysis indicates a switch of gene ex-pression towards signaling and post-translational modifications. However, a direct relation between the patterns of gene expression and the addition of a third growth axis has not been established.At the cellular level (Paper III),semithin sections elucidated the patterns of 3D growth and cell differentiation. Specifical-ly, polystromatisation (thickening) and cell differentiation occurs centripetally from an external epidermal meristem and propagates acropetally from the base of the embryo. Different regions of the developing thallus present different morphometries and abundance of the different cell types. For example, the older polystroma is rich in medullary elements and poor in cortical cells, and the inverse is observed in younger polystroma.My project formulates a morphogenetic model for Saccharina’s embryos, based on simple cellular me-chanics. Anisotropic patterns explain how the embryos acquire their initial shape which is the scaffold for the late 3Dgrowth accompanied by tissue emergence and a superficial meristem.