La nature dans un modèle mathématique

Christian Hardtke. Felix Imhof © UNIL

En biologie, c’est un champ de recherche émergent appelé «Computational Morphodynamics». Une racine ainsi modélisée révèle ses intimes secrets de fabrication. Explications avec le professeur Christian Hardtke.

L’étude dirigée par le professeur Christian Hardtke (Faculté de biologie et de médecine / Département de biologie moléculaire végétale) est publiée dans la revue Current Biology». Comme tout organisme vivant, une racine de plante possède des cellules souches, des cellules en cours de différentiation et des cellules différenciées. A partir des images 3D obtenues grâce à la microscopie confocale, les chercheurs ont pu créer un modèle dans lequel chaque cellule d’une racine est définie mathématiquement. Ce modèle perfectible de racine artificielle permet de répondre à des questions restées dans l’ombre malgré les expériences réalisées jusqu’ici sur les racines naturelles.

L’un de ces mystères concerne la distribution dans les cellules de la racine d’une hormone - l’auxine - essentielle au processus de développement de la plante. On sait que l’auxine est très fortement concentrée au niveau des cellules souches, pour leur permettre précisément de conserver leurs caractéristiques de cellules productrices de nouveaux tissus. Cette hormone agit par ailleurs sur l’expression de nombreux gènes. Or ces gènes pourtant fortement contrôlés par l’auxine n’ont pas tous besoin d’une grande concentration de cette molécule. Un mécanisme naturel leur permet donc de fonctionner même dans les cellules différenciées peu fournies en auxine. Pourquoi cette faible corrélation entre l’expression d’un gène dépendant fortement de l’auxine et la concentration de cette molécule dans la cellule ?

La racine artificielle livre ses secrets
Des expériences proposées par les lacunes du modèle créé à l’UNIL ont engendré l’amélioration graduelle de ce dernier, et ont permis de révéler ce mystérieux mécanisme naturel.

Dans certains tissus, l’action de l’auxine est double. Elle influence d’une part l’expression de certains gènes. D’autre part, cette hormone joue un rôle dans le processus de l’endocytose, lequel est responsable du transport d’une protéine, nommée BRX, au sein de la cellule. Collée à la membrane des cellules peu différenciées se trouvant à la pointe de la racine, cette protéine ne peut pas agir dans le noyau de ces cellules. Durant le processus de différenciation des cellules, c’est la concentration décroissante de l’auxine et une augmentation du processus de l’endocytose qui permet à la protéine BRX de migrer de plus en plus dans le noyau. En pénétrant dans le noyau, cette protéine va amplifier l’expression de certains gènes dépendant de l’auxine.

Processus essentiel à la croissance de la racine
Donc, la relation inverse entre la concentration de l’auxine et le taux de la protéine dans le noyau permet à cette hormone de maintenir son influence sur l’expression de ces gènes, qui pourront dès lors fonctionner dans un contexte cellulaire faiblement dosé en auxine. Ce processus est essentiel pour la croissance de la pointe de la racine juvénile, ce qui a une forte influence sur la croissance du système racinaire adulte.