Rôles des microtubules corticaux dans le contrôle de l'élongation cellulaire par les brassinostéroïdes chez Arabidopsis thaliana

Roles of cortical microtubules in the brassinosteroid-regulated cell elongation in Arabidopsis thaliana

• Auteur / Autrice : Charlotte Delesalle
• Direction : Grégory Vert, Satoshi Fujita
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Développement des plantes, interactions biotiques et abiotiques
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Recherche en Sciences Végétales (Toulouse ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Burlat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martine Pastuglia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Mongrand, Herman Höfte, Yvon Jaillais

Mots clés

Mots clés contrôlés

Membrane cellulaire

Microtubules

Brassinostéroïdes

Mots clés libres

Microtubules

Brassinostéroïdes

BRI1

Membrane plasmique

Elongation

Microtubules

Brassinosteroids

BRI1

Plasma membrane

Elongation

Résumé

La croissance des plantes résulte de la capacité de chaque cellule à se diviser, se différencier et s'allonger. Les microtubules (MTs) sont des acteurs clés dans ces processus. Un réseau spécifique de MT appelé microtubules corticaux (CMT) contrôlant le dépôt de cellulose dans la paroi cellulaire est présent au sein des cellules végétales. En modifiant localement la rigidité des parois, les CMTs modulent l'expansion des cellules. Ce réseau dynamique répond à de nombreux signaux externes et internes, permettant aux plantes de s'adapter à leur environnement. Parmi ces signaux, les brassinostéroïdes (BR) sont connus pour induire la réorientation des CMTs transversalement. Les BRs sont des hormones végétales essentielles à l'élongation des plantes, comme l'atteste le nanisme des mutants affectés dans la biosynthèse ou la signalisation des BRs. Leur voie de signalisation, du récepteur membranaire jusqu'aux changements transcriptionnels, est bien caractérisée. L'effet sur l'élongation est, en grande partie, lié à la régulation de l'expression de gènes codant pour des enzymes pariétales, les sous-unités formant les MTs et des protéines associées aux MTs. Par ailleurs, des études récentes ont montré que les BRs influençaient ces éléments directement par des interactions protéines-protéines à la membrane plasmique (MP). Afin d'approfondir les connaissances sur la régulation de BRI1 (BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1) à la MP, notre groupe a effectué un criblage double hybride en levure en utilisant le domaine cytoplasmique de BRI1 comme appât. Cela à permis d'identifier 3 protéines d'une famille inconnue d'Arabidopsis comme nouveaux partenaires de BRI1 qu'il a fallu caractériser. La confirmation de l'interaction avec BRI1 et la mise en évidence de leur association aux MTs ont donné leur nom de MICROTUBULE-BRASSINOSTEROID ASSOCIATED PROTEINS (MBAP). Par des approches biochimiques, génétiques et de biologie cellulaire, j'ai pu révéler leurs liens avec la signalisation des BRs et la régulation des CMTs. Les doubles et triple mutants mbap sont, en effet, hypersensibles aux BRs au niveau de l'élongation de l'hypocotyle suggérant un rôle négatif des MBAPs dans la voie. Etonnamment, cette hypersensibilité n'est pas la conséquence d'une sur-activation de la voie classique des BRs. Par ailleurs, par microscopie j'ai montré que les MBAPs stabilisent les CMTs et inhibent leur réorientation induite par les BRs. Ainsi, nous avons conclus que les MBAPs représentent un moyen direct pour les BRs de contrôler les CMTs optimisant la croissance des cellules et de la plante. Bien que les mécanismes précis derrière le processus de réorientation restent à clarifier, mes données préliminaires impliquent que la phosphorylation et d'autres partenaires, tels que BIK1 (BOTRYTIS-INDUCED KINASE 1), régulent la formation d'un complexe BRI1/MBAPs/CMTs. De plus, j'ai découvert la contribution des MBAPs à l'immunité des plantes, ce qui pourrait en faire de nouveaux acteurs à l'interface entre la croissance et la défense des plantes.

Plant growth is the result of each cell ability to divide, differentiate, and elongate. One key player in such processes is the microtubule (MT) cytoskeleton. Plant cells have evolved a specific MT array called the cortical microtubules (CMTs) that controls cellulose deposition in the cell wall (CW). By locally modifying CW strength, CMTs directly modulate directional cell elongation. This dynamic network responds to a multitude of external and internal signals, enabling plants to adapt their bodies to a specific environment. Major regulators of the CMT dynamics are the brassinosteroids (BRs), which are well-known to induce their reorientation to a transversal array. BRs are plant steroid hormones critical for plant elongation, as evidenced by the extreme dwarfism of BR biosynthesis or signal defective mutants. BR signaling pathway from the plasma membrane (PM) localized receptor to the transcriptional remodeling is well characterized. Effects on elongation have been, to a large extent, linked to changes in the expression of genes encoding CW enzymes, MT subunits, and MT-associated proteins. However, several recent studies highlighted additional ways to influence these elements through direct partner interaction near the PM upon BR perception. To understand how BRI1 (BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1) is regulated on the PM, our group conducted a yeast two-hybrid screen using BRI1 cytoplasmic domain as bait, and I identified and characterized an unknown family of 3 proteins of Arabidopsis thaliana as novel BRI1 interactor. After the screen, I confirmed the interaction with BRI1 and highlighted their association with MTs, giving them the name MICROTUBULES-BRASSINOSTEROIDS ASSOCIATED PROTEINS (MBAPs). Biochemical, genetic, and cell biological approaches revealed that MBAPs impact both BR signaling and CMT regulation. I revealed the double and triple mbap knock-out mutants presented hypersensitivity to BR regarding hypocotyl elongation, suggesting MBAPs are negative regulators of BR signaling. Notably, MBAPs control this process in a transcription-independent manner. Microscopic analysis showed that MBAPs stabilize CMTs in hypocotyl cells and inhibit BR-induced CMT reorientation. Based on these results, we conclude that MBAPs provide a direct, non-transcriptional way to control BR-induced CMT reorganization, which optimizes cell and organ growth. Although the exact mechanisms underlying the reorientation process remain to be clarified, my preliminary data implied that the phosphorylation and other partners, such as BIK1 (BOTRYTIS-INDUCED KINASE 1), regulate the formation of a BRI1/MBAPs/CMTs complex. Moreover, I uncovered additional contributions of MBAPs to plant immunity, which could make them new actors at the interface between plant growth and defense.