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Chap 1 : Les Auxines

UE : RÉGU PHYSIO PLANTES

UE RÉGULATEUR DE LA PHYSIOLOGIE DES PLANTES !

CHAPITRE 1 : Les auxines "

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Pour un bon développement de la plante, une bonne édification : ! - croissance (division cellulaire, augmentation taille de la cellule)! - différenciation ! - réponse information génétique ! - expression des gènes ! - exogènes : lumière, température et pesanteur! - endogènes : hormones végétales, phytohormones! Les hormones sont des substance organiques naturelles en grec hormein = «$mettre en mouvement$». ! Chez les végétaux : ! - substances organiques naturelles ! - pas produites dans les tissus spécifiques ! - véhiculées ou non dans la plante (peu agir sur le lieu de synthèse) ! - plusieurs effets ! ! Chez les animaux ! - substances organiques naturelles ! - sécrétées par des glandes endocrines ! - véhiculées par le sang ! - agissent à faible dose sur les cellules cibles! La notion d’auxine découverte par Charles DARWIN et son fils en 1880. Expérience sur la réponse des plantes à la lumière : le phototropisme. ! Le PHOTOTROPISME correspond au mouvement que la plante vers la lumière, les cellules vont grandir plus d’un coté que de l’autre. On dit qu’il existe une zone réagissant avec les stimulus lumineux, traduit par une courbure.! Le stimulus lumineux agit à distance au niveau de l’apex de la plante. La lumière a donc un effet sur la répartition de l’auxine, entrainant une migration depuis la face sombre vers la face éclairée. !

Boysen-Jensen et Paal confirme les résultats de Darwin. Il découvre que le signal induisant une courbure est capable de traverser un bloc d’agar mais pas une lamelle de mica. ! Fritz WENT découvre que lorsque l’on découpe une apex que l’on place sur un bloc d’agar, une substance si accumule. Le faite par la suite de replacer le bloc contenant la substance sur l’apex, entraine une courbure du coté opposé à celui-ci. ! Il l’a nomme : AUXINE venant du grec auxin = grandir. ! ! Indole-3-acetic acid

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Chap 1 : Les Auxines

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Il existe plusieurs forment d’auxines (IAA) naturelles : ! - indole-3-acetic acid ! - indole-3-butyric acid ! - phenylacetic acid! L’auxine est une phytohormone de la plante. ! Des substances de synthèse on le même effet : ! - l’acide 2,4- dichlorophénoxyacétique (2,4D) - l’acide indole-3 butyrique - l’acide 1-naphthalène acétique (ANA) DÉFINITION : Les auxines stimulent l’élongation cellulaire, la différentiation des parenchymes en tissus conducteurs, la formation de racine, la fructification. Mais aussi un rôle dans la capacité de la plante à se tourner vers la lumière (= phototropisme) et vers le sol (gravitropisme). L'auxine peut être dosée à différents niveaux de la plante. Il s'agit d'une petite molécule acide, soluble dans la phase aqueuse de la plante (partie hydrophile). Elle est dérivée de l'acide aminé tryptophane. MÉTHODES DE DOSAGE : test de WENT sur l’avoine ! " La croissance sous l’effet d’auxine entraine une courbure sur le coté opposé du bloc d’agar. L’enregistrement de l’angle de courbure (alpha) nous renseigne sur la concentration de l’extrait après étalonnage avec des solutions d’AIA de titres connus. ! Une autre méthode, spectrochimique (HPLC) ou (GC-MS) permet de mesurer sur des petits échantillons par quantification des formes libres et conjuguées et par analyses quantitatives, rapides, sensibles et précises.! BIOSYNTHÈSE DE L’AUXINE ! Le taux d’AIA dans des ovules de carottes non fécondés est très bas, il sera x80 au stade globulaire, germination des graines. ! On d it q ue l ’a ux in e es t tr yp to ph an e dépendantes. ! " Réaction de transamination, maintient du groupement amine par un acide aminé interagissant avec un acide nitrile. ! La tryptophane est transaminé (étape de désamination), obtention d’une IPA qui est oxydé en auxine (IAA). Une étape de passage par l’aldéhyde pour passer de COOH à l’alcool. !

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Rappel : !

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TRANSAMINATION

OXYDATION L3S5

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- IPA : indole 3 pyruvis acid (caractéristique chez plusieurs plantes) ! - IAN : indole-3-acétonitrile (caractéristique chez Brassicaeae, Poacea, Musacea) ! - IAM : indole-3-acetamide (caractéristique chez certains micro-organismes)! La voie tryptophane dépendante permet aussi de maintenir un taux le plus faibles d’auxine libre. ! LES FORMES CONJUGUÉES DE L’AUXINE !

- forme ester conjuguée à des sucres impliquant des «$UDP glucose transferase$» ! - forme conjuguée des acides aminés «$IAA amine acid conjugale synthetase$»! - forme conjuguée des protéines !

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LIEU DE SYNTHÈSE DES AUXINES ! " " La synthèse des auxines à lieu au niveau de l’apex de la tige. Ce sont les méristèmes apicaux et les jeunes feuilles du bourgeon terminale qui reçoivent les précurseurs synthétisés dans le feuilles plus âgées. ! Il existe également des méristèmes intercalaires à l’origine de la monter à graine. Ce sont des résidus de méristème apical responsable de la montaison. ! Le méristème primaire correspond au grandissent de la plante. ! Le méristème secondaire correspond au grossissement, l’élargissement de la plante. ! Bilan : L’auxine est produite dans certaines parties du végétal, notamment dans les extrémités des tiges (apex). ! Là, s'effectuent des divisions cellulaires nombreuses et rapides (méristèmes). Cette molécule se trouve aussi dans les feuilles.!

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MIGRATION DE L’AUXINE DANS LA PLANTE ! - Un transport dit basipète, de l’apex vers à la base à lieu chez les végétaux (apex) ! - Un transport dit acropète de la base vers l’apex (racine) ! L'auxine est transportée dans le végétal. Elle agit à distance, parfois loin du lieu où elle a été synthétisée. Elle peut circuler du sommet de la tige jusqu'aux racines.! Le transport de l’auxine implique deux cellules : ! - les cellules du phloème ! - les cellules parenchymateuses du phloème, entour les faisceaux conducteurs : TRANSPORT POLARISÉ TRANSPORT POLARISÉ CHEZ L’AUXINE !

Selon le sens du coléoptile découpé dans l’apex la teneur en auxine aux extrémités changent. !

- sens B/A avec bloc d’agar : la teneur en auxine comparable dans les deux blocs ! - sens A/B la teneur en auxine extrêmement faible dans le bloc supérieur. Ce sens est à l’inverse du sens d’origine, ce qui entraine un changement de la polarité interne et unidirectionnel.!

TRANSPORTEURS DE L’AUXINE ! Les transporteurs de l’auxine est réalisé par différents transporteurs : ! - Transporteurs d’influx ! L’entrée de l’auxine dans la cellule est possible grâce à une protéine AUX1 et trois protéines LAX (LIKE Aux).!

- Transporteurs d’influx !

La famille de protéine PIN, 8 chez l’arabiodopsis ! Seul PIN 5, 6 et 8 sont de type homéostasie auxinique = ce sont des sous groupes de transporteurs impliqués dans le transport de l’auxine entre le RE (compartiment de la machinerie qui gère la conjugaison/dé-conjugaison de l’AIA) et le cytosol). ! PIN 1 correspondant au transport basipète de la tige et acropète dans la racine) !

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- Protéines MDR/PGPs (multiple Drug Resistance / PhosphoGlycoProteins) ! Famille de transporteur régulant l’accumulation de l’auxine dans le RE. Régule la disponibilité de l’auxine pour une réponse nucléaire. !

- Transporteurs PILS !

7 protéines chez Arabidopsis PILS1 à 7!

Bilan : La plante transporte l’auxine sous l’effet de la polarité. Des transporteurs participent au transport, on dénombre 4 groupes principaux de protéines transporteuses. Elles permettent l’entrer et la sortie de l’auxine dans la cellule, mais aussi entre le RE et le cytosol. C’est ce qui permet le maintient et la régulation de la disponibilité en concentration de auxine dans la cellule. ! EXEMPLE DU TRANSPORT POLARISÉ DE L’AUXINE CHEZ L’ARABIDOPSIS ! L’auxine arrive dans la tige, descend dans les racines pour se rendre dans le système méristématique racinaire : restitution latérale s’effectue vers le haut. ! !

A l’échelle de l’organe, une étude comparative sur ces fragments capable de s’allonger. L’expérience place 3 types d’explants dans l’obscurité soumis à différentes AIA : regard sur l’effet de la croissance. ! Latitude, la plasticité, l’élasticité du coléoptile tout comme l’angle de déformation sont des informations notable. ! ! A l’échelle de la cellule, la théorie de l’acidification explique la croissance. L’augmentation de la p la s t i ci t é c el l ul ai re s ’a cc om p agne d ’une augmentation de l’acidité du milieu extérieur. ! L’acidité est régulée par des pompes ) protons H+/ ATPase plasmalemmique. ! Le rapport avec l’auxine : ! Dans les parois, l’auxine migre et est reçu par un récepteur d’auxine le ABP1. Ces récepteurs active les pompes à protons, laissant sortir les H+ par la paroi. On rappellera que la paroi est composée de polymère et de pectines.! Rappel : l’entrée proton / auxine, c’est un transport intracellulaire du type symport (actif secondaire). !

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L’auxine AIA- est associée à un proton H+ donnant AIAH permettant de passer la membrane plasmique. ! Les H+ ressorte par des pompes à protons, ce mécanisme permet de maintenir le gradient de concentration. !

! Localisation des transporteurs d’efflux dans l’apex racinaire

LES PROPRIÉTÉS PHYSIOLOGIQUE DE L’AUXINE!

- L’élongation :

L'auxine est la principale hormone agissant sur l'augmentation de la taille des cellules. ! Dépendant de la concentrations intracellulaires d'auxine et de la nature des organes, s'exerce sur des cellules jeunes en cours d'élongation, au moment où la paroi est extensible.! L’élongation cellulaire : processus complexe qui fait intervenir ! - une absorption d’eau! - l'extension de la paroi sous l'effet de la turgescence! - l'incorporation de nouveaux composés entre les mailles de fibrilles de cellulose ainsi distendues.!

L’auxine intervient à deux niveaux sur l’élongation cellulaire : !

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- dans relâchement de la paroi => Le transport symport de l’auxine stimule une sortie de proton

H+ au niveau de la membrane. Une acidification du milieu de pH 6,5 à 4,5 entraine une rupture des liaisons acidolabiles (hydrogène), des liaisons non covalentes (extensives),des hémicelluloses et composés pectiques de la cellulose. Déplacement du calcium qui soudait les chaines uroniques des composés pectidiques entraine un relâchement des cohésions pectique. ! -> relâchement pariétal ! Une entrée d’ions K+ provoque une sortie des H+ par co-transport mais aussi une entrée d’eau (=une augmentation de la turgescence cellulaire). Une pression de turgescence favorable au grandissement cellulaire. !

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- dans l’activité génique par la régulation de l’ARNm codant pour les protéines nécessaires à l’élongation => modification de l’expression des gènes. !

BILAN : L’auxine est la principale hormone agissant sur l’augmentation de la taille des cellules. Cet effet, dépendant des concentrations intracellulaire d’auxine et de la nature des organes, s’exerce sur des cellules jeunes en cours d’élongation, au moment où la paroi est extensible. !

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On notera également une plasticité du coléoptile (exemple : l’avoine). ! ! LA VOIE ABP-DÉPENDANTE : les Auxin Binding Proteins! Ce sont des récepteurs plasmalemmiques, mise en évidence sur des protoplastes de tabac. ! C’est en faite une réponse des protoplasmes de mésophylle à l’auxine par :! - une hyperpolarisation de la membrane! - une augmentation de l’activité H+-ATPase membranaire !

Selon le type de plante, le nombre de gènes est variable. ! Auxine, ABP1 et réponse plasmalémmique : ! - 5 gènes chez le maïs ! - 1 gènes ces les arabidopsis! - 2 gènes chez le tabac! - 6 gènes chez le fraisier ! Les récepteurs ABP1 localisé sur la paroi ou ABP s l oc a li sé da ns l e re ti c ul um endioplasmique reçoivent l’AIA entrainant l’envoie d’un signal par ces protéines membranaires, et ainsi répondre à l’apport de l’auxine.! La fixation de AIA entraine : ! -changement de conformation de la protéine ! -l’extrémité C terminale est libérée ! -propagation du signal auxinique !

LE SYSTÈME TIR1 ou AFB (Auxin signaling F-Box protein) : une réponse nucléaire ! Ce sont des sous unités du complexe SCF localisé dans le noyau. ! Ces protéines sont des régulateurs négatif de la voie de signalisation SCF impliquée dans l’expression de certains gènes en réponse à une hormone clé des les plantes, l’auxine. ! En l’absence de cette protéine et de sa fonction régulatrice des problèmes de développement son constatés. ! TIR1 => rôle important dans la voie de dégradation des protéines par ubiquitination, la fixation de l’auxine. ! Rappel l’ubiquitination est un facteur de transcription (AUX/IAA).! SCF est un complexe composé de plusieurs protéines qui réalise la polyubiquitination de protéines destinées à la dégradation. !

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Récepteur extracellulaire ABP1

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SIGNALISATION AUXIN ! activation transcriptionelle des gènes précoces

Récepteur nucléaire TIR1 ! (proteasome)

protéines nucléaire à vie courte

répression de la régulation ou activation de gènes tardifs

réponse physiologique ! Au bilan c’est 276 gènes indicibles par l’AIA avec : ! - 1 0 0 g è n e s p ot e nt i el l em en t i m p l i q u é d a ns l’organisation de la paroi (81% = XTH, glucanase, PG, PE, expansines, extensines, chitinases)! - un réponse dans les 3 heures (early genes) ! - une réponse au delà de 3 heures (late genes) ! Il existe 3 famille de gènes dit précoces permettant : ! - l’expression rapide (3/4 minutes) en réponse à l’auxine ! - l’expression indépendante d’un système protéique ! " " " = primary auxin-responsive genes! GÈNES SAURs («$ Small Auxin Up-regulated RNAs$ ») possède une fonction précise dans la transduction du signal auxine mais reste à déterminer. ! C’est un petit gène (transcrits < 500 pb), son expression dans l’épiderme et le cortex est induite dans les 5 minutes qui suivent l’application de l’AIA. ! • turnover rapide des mRNAs et des protéines! • fixation de la calmoduline (rôle dans la régulation port traditionnelle des protéines SAURs)! GÈNES GHE(s) («"Gretchen Hagen"») codent pour les enzymes de conjugaison de l’auxine. Gène ayant un rôle dans l’homéostasie auxinique.!

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GÈNES Aux/IAA c’est l’auxine/Indole-3-acetic acid inductive genes (29 gènes chez Arabidopsis thaliana). Gènes rapidement induits par l’auxine, les protéines Aux/IAA sont localisées dans le noyau et turnover très rapide en réponse à l’auxine (stables en présence d’une faible quantité d’auxine sinon instables).!

Mécanisme : La présence d’auxine entraine sa fixation sur un le TIR 1 du complexe SCF création d’une interaction AUX/IAA-TIR. Une dégradation par voie ubiquitine donnant des protéasomes permet la formation d’homodimères ARF-ARF (auxine réponse factors). La régulation de l’auxine permet la modulation + ou - de l’expression de ces gènes.

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mini : RÉCAPITLATIF

L’auxine AIA est représenter en vert sur le schéma. On retient qu’elle est très présente dans le noyau des cellules. Avec l’association à des gènes précoces et tardifs une réponse physiologique est induite par le génome. Cette réponse est un signal d’élongation. AIA rentre dans la cellule par le mécanisme de symport avec des pompes à proton, expliquant la variation du pH mais aussi de la turgescence cellulaire. !

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LES TROPISMES ! Le phénomène de gravitropisme de la racine et de l’hypocotile est observable complément après 24 heures de stimulus. Le jeune plant à la capacité de dévier son orientation à 90° suite à un stimulus. !

L’HYPOTHÈSE DES STATOLITHES-GAINES D’AMIDON ! Dans la tige une couche de cellule entre la stèle et le cortex : l’endodermoïde. C’est un lieu de perception de la gravité dans la partie aérienne. Les cellules possèdent des graines d’amidon. !

Dans les racines on trouve des cellules de la coulemelle de la coiffe. Ce sont des statocytes contenant des statolithes (graines d’amidon). Lorsque les amyloplastes ou statolithes se sédimentes, on perçoit le phénomène de gravité (g) !

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Bilan : la tige c’est la cavité aérienne, les racines c’est la gravité le tout est possible par la présence de cellules endodermoïdes et statolithes respectivement. Les graines d’amidon sont aussi présente dans les deux types de cellules. ! Les statolithes sont des senseurs gravimétriques, par sédimentation empêtrés dans le cytosquelette d’actine. Une interaction avec transporteurs PIN3 et les éléments du cytosquelette. ! La réponse au stimulus induit dans l’apex : ! • un flux d’auxine asymétrique ! • une croissance différentielle ! • courbure gravitropique ! LES PHOTOTROPINES : ! Ce sont des photorécepteur végétal intervenant dans les phénomènes de c ro i s s a nc e e t d e d é v el op p e m e n t , d’ouverture somatique et de mouvement chloroplastique ainsi que de la mobilisation du stocke de calcium.! Représentation du spectre d’action de la courbure phototrophique, une lumière bleue de 390-500 nm et les UVA de 320-390nm. ! La structure des phototropines contient des récepteurs kinases «$ propres$ » aux plantes mais aussi ce que l’on appelle une light activated, FMN-binding receptor kinases$». ! - extrémité N terminale : 2 domaine LOV, chaque domaine LOV fixe une molécule de FMN. Les FMN sont les ravin mononucléotide c’est à dire les chromophores. ! - extrémité C terminale : 1 domaine serine/thréonine kinase. !

! Petit rappel : La photomorphogenèse est l’ensemble des phénomènes induits par la lumière, ces phénomènes modifient la forme et la couleur des plantes. Elle utilise de faibles quantités d’énergie par rapport à la photosynthèse, la lumière y jouant un rôle de signal plutôt que de source d’énergie. " Les phototropines sont à l’origine de l’orientation de la plante vers la lumière, de l’adaptation à la quantité de lumière reçue, en induisant le mouvements des chloroplastes dans la cellule. Mécanisme des chloroplastes d’étalement pour capter une faible lumière ou d’empilement pour éviter la lumière en excès. C’est aussi à l’origine de l’ouverture des stomates. ! La phototropine est une molécule qui se plie lorsqu’elle est soumise à la lumière bleue (390nm).! -> C’EST LE MÉCANISME PERMETTANT À LA PLANTE DE S’ORIENTER VERS LA SOURCE DE LUMIÈRE : LE PHOTOTROPISME.

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Voie MAX - MODULALTION DE L’EXPRESSION DE PIN1 DANS LA TIGE : ! AIA est produit par l’apex, il agit à distance sur le développement des bourgeons axillaires en régulant la synthèse d’un signal par la voie MAX. La régulation de ce signa est transporté au niveau des bourgeons axillaires et inhibe dire...