Researches on the germination of the pollen grain and the nutrition of the pollen tube /

Includes bibliographical references.

The pollen tube: a soft shell with a hard core

Plant cell expansion is controlled by a fine-tuned balance between intracellular turgor pressure, cell wall loosening and cell wall biosynthesis. To understand these processes, it is important to gain in-depth knowledge of cell wall mechanics. Pollen tubes are tip-growing cells that provide an ideal system to study mechanical properties at the single cell level. With the available approaches it was not easy to measure important mechanical parameters of pollen tubes, such as the elasticity of the cell wall. We used a cellular force microscope (CFM) to measure the apparent stiffness of lily pollen tubes. In combination with a mechanical model based on the finite element method (FEM), this allowed us to calculate turgor pressure and cell wall elasticity, which we found to be around 0.3 MPa and 20–90 MPa, respectively. Furthermore, and in contrast to previous reports, we showed that the difference in stiffness between the pollen tube tip and the shank can be explained solely by the geometry of the pollen tube. CFM, in combination with an FEM-based model, provides a powerful method to evaluate important mechanical parameters of single, growing cells. Our findings indicate that the cell wall of growing pollen tubes has mechanical properties similar to rubber. This suggests that a fully turgid pollen tube is a relatively stiff, yet flexible cell that can react very quickly to obstacles or attractants by adjusting the direction of growth on its way through the female transmitting tissue.

Studying the cytomechanic aspects of pollen tube growth behavior using Lab-On-Chip technology

L'élongation cellulaire de cellules cultivant bout comme hyphae fongueux, inculquez hairs, des tubes de pollen et des neurones, est limité au bout de la cellule, qui permet à ces cellules d'envahir l'encerclement substrate et atteindre une cible. Les cellules cultivant bout d'équipement sont entourées par le mur polysaccharide rigide qui régule la croissance et l'élongation de ces cellules, un mécanisme qui est radicalement différent des cellules non-walled. La compréhension du règlement du mur de cellule les propriétés mécaniques dans le contrôle de la croissance et du fonctionnement cellulaire du tube de pollen, une cellule rapidement grandissante d'équipement, est le but de ce projet. Le tube de pollen porte des spermatozoïdes du grain de pollen à l'ovule pour la fertilisation et sur sa voie du stigmate vers l'ovaire le tube de pollen envahit physiquement le stylar le tissu émettant de la fleur. Pour atteindre sa cible il doit aussi changer sa direction de croissance les temps multiples. Pour évaluer la conduite de tubes de pollen grandissants, un dans le système expérimental vitro basé sur la technologie de laboratoire-sur-fragment (LOC) et MEMS (les systèmes micro-électromécaniques) ont été conçus. En utilisant ces artifices nous avons mesuré une variété de propriétés physiques caractérisant le tube de pollen de Camélia, comme la croissance la croissance accélérée, envahissante et dilatant la force. Dans une des organisations expérimentales les tubes ont été exposés aux ouvertures en forme de fente faites de l'élastique PDMS (polydimethylsiloxane) la matière nous permettant de mesurer la force qu'un tube de pollen exerce pour dilater la croissance substrate. Cette capacité d'invasion est essentielle pour les tubes de pollen de leur permettre d'entrer dans les espaces intercellulaires étroits dans les tissus pistillar. Dans d'autres essais nous avons utilisé l'organisation microfluidic pour évaluer si les tubes de pollen peuvent s'allonger dans l'air et s'ils ont une mémoire directionnelle. Une des applications auxquelles le laboratoire s'intéresse est l'enquête de processus intracellulaires comme le mouvement d'organelles fluorescemment étiqueté ou les macromolécules pendant que les tubes de pollen grandissent dans les artifices LOC. Pour prouver que les artifices sont compatibles avec la microscopie optique à haute résolution et la microscopie de fluorescence, j'ai utilisé le colorant de styryl FM1-43 pour étiqueter le système endomembrane de tubes de pollen de cognassier du Japon de Camélia. L'observation du cône de vésicule, une agrégation d'endocytic et les vésicules exocytic dans le cytoplasme apical du bout de tube de pollen, n'a pas posé de problèmes des tubes de pollen trouvés dans le LOC. Pourtant, le colorant particulier en question a adhéré au sidewalls du LOC microfluidic le réseau, en faisant l'observation de tubes de pollen près du difficile sidewalls à cause du signal extrêmement fluorescent du mur. Cette propriété du colorant pourrait être utile de refléter la géométrie de réseau en faisant marcher dans le mode de fluorescence.

Organ-specific and Agamous-regulated expression and glycosylation of a pollen tube growth-promoting protein.

Transmitting tissue-specific (TTS) protein is a pollen tube growth-promoting and attracting glycoprotein located in the stylar transmitting tissue extracellular matrix of the pistil of tobacco. The TTS protein backbones have a deduced molecular mass of about 28 kDa, whereas the glycosylated stylar TTS proteins have apparent molecular masses ranging between 50 and 100 kDa. TTS mRNAs and proteins are ectopically produced in transgenic tobacco plants that express either a cauliflower mosaic virus (CaMV) 35S promoter-TTS2 transgene or a CaMV 35S-promoter-NAG1 (NAG1 = Nicotiana tabacum Agamous gene) transgene. However, the patterns of TTS mRNA and protein accumulation and the quality of the TTS proteins produced are different in these two types of transgenic plants. In 35S-TTS transgenic plants, TTS mRNAs and proteins accumulate constitutively in vegetative and floral tissues. However, the ectopically expressed TTS proteins in these transgenic plants accumulate as underglycosylated protein species with apparent molecular masses between 30 and 50 kDa. This indicates that the capacity to produce highly glycosylated TTS proteins is restricted to the stylar transmitting tissue. In 35S-NAG transgenic plants, NAG1 mRNAs accumulate constitutively in vegetative and floral tissues, and TTS mRNAs are induced in the sepals of these plants. Moreover, highly glycosylated TTS proteins in the 50- to 100-kDa molecular mass range accumulate in the sepals of these transgenic, 35S-NAG plants. These results show that the tobacco NAGI gene, together with other yet unidentified regulatory factors, control the expression of TTS genes and the cellular capacity to glycosylate TTS proteins, which are normally expressed very late in the pistil developmental pathway and function in the final stage of floral development. The sepals in the transgenic 35S-NAG plants also support efficient pollen germination and tube growth, similar to what normally occurs in the pistil, and this ability correlates with the accumulation of the highest levels of the 50- to 100-kDa glycosylated TTS proteins.

Regulation of the pollen-specific actin-depolymerizing factor LIADF1

Pollen tube growth is dependent on a dynamic actin cytoskeleton, suggesting that actin-regulating proteins are involved. We have examined the regulation of the lily pollen-specific actin-depolymerizing factor (ADF) LIADF1. Its actin binding and depolymerizing activity is pH sensitive, inhibited by certain phosphoinositides, but not controlled by phosphorylation. Compared with its F-actin binding properties, its low activity in depolymerization assays has been used to explain why pollen ADF decorates F-actin in pollen grains. This low activity is incompatible with a role in increasing actin dynamics necessary to promote pollen tube growth. We have identified a plant homolog of actin-interacting protein, AIP1, which enhances the depolymerization of F-actin in the presence of LIADF1 by similar to60%. Both pollen ADF and pollen AIP1 bind F-actin in pollen grains but are mainly cytoplasmic in pollen tubes. Our results suggest that together these proteins remodel actin filaments as pollen grains enter and exit dormancy.

Actin cytoskeleton regulates pollen tube growth and tropism

La fertilisation chez les plantes dépend de la livraison des cellules spermatiques contenues dans le pollen à l’ovule. Au contact du stigmate, le grain de pollen s’hydrate et forme une protubérance, le tube pollinique, chargé de livrer les noyaux spermatiques à l’ovule. Le tube pollinique est une cellule à croissance rapide, anisotrope et non autotrophe; ainsi tout au long de sa croissance à travers l’apoplaste du tissu pistillaire, le tube pollinique puise ses sources de carbohydrates et de minéraux du pistil. Ces éléments servent à la synthèse des constituants de la paroi qui seront acheminés par des vésicules de sécrétion jusqu’à l’apex du tube. Ce dernier doit aussi résister à des pressions mécaniques pour maintenir sa forme cylindrique et doit répondre à différents signaux directionnels pour pouvoir atteindre l’ovule. Mon projet de doctorat était de comprendre le rôle du cytosquelette dans la croissance anisotrope du tube pollinique et d’identifier les éléments responsables de sa croissance et de son guidage. Le cytosquelette du tube pollinique est composé des microfilaments d’actine et des microtubules. Pour assurer une bonne croissance des tubes polliniques in vitro, les carbohydrates et les éléments de croissance doivent être ajoutés au milieu à des concentrations bien spécifiques. J’ai donc optimisé les conditions de croissance du pollen d’Arabidopsis thaliana et de Camellia japonica qui ont été utilisés avec le pollen de Lilium longiflorum comme modèles pour mes expériences. J’ai développé une méthode rapide et efficace de fixation et de marquage du tube pollinique basée sur la technologie des microondes. J’ai aussi utilisé des outils pharmacologiques, mécaniques et moléculaires couplés à différentes techniques de microscopie pour comprendre le rôle du cytosquelette d’actine lors de la croissance et le tropisme du tube pollinique. J’ai trouvé que le cytosquelette d’actine et plus précisément l’anneau d’actine localisé dans la partie sub-apicale du tube est fortement impliqué dans la croissance et le maintien de l’architecture du tube à travers le contrôle de la livraison des vésicules de sécrétion. J’ai construit une chambre galvanotropique qui peut être montée sur un microscope inversé et qui sert à envoyer des signaux tropistiques bien précis à des tubes polliniques en croissance. J’ai trouvé que les filaments d’actine sont impliqués dans la capacité du tube pollinique à changer de direction. Ce comportement tropistique dépend de la concentration du calcium dans le milieu de croissance et du flux de calcium à travers des canaux calciques. Le gradient de calcium établi dans le tube pollinique affecte l’activité de certaines protéines qui se lient à l’actine et dont le rôle est la réorganisation des filaments d’actine. Parmi ces protéines, il y a celles de dépolymérisation de l’actine (ADF) dont deux spécifiquement exprimées dans le gamétophyte mâle d’Arabidopsis (ADF7 et ADF10). Par marquage avec des proteins fluorescents, j’ai trouvé que l’ADF7 et l’ADF10 ont des expressions différentielles pendant la microsporogenèse et la germination et croissance du tube pollinique et qu’elles partagent entre elles des rôles importants durant ces différents stades.

The effects of non-host plant essential oil volatiles on the behaviour of the pollen beetle Meligethes aeneus

The use of semiochemicals for manipulation of the pollen beetle Meligethes aeneus (Fabricius) (Coleoptera: Nitidulidae) is being investigated for potential incorporation into a push-pull control strategy for this pest, which damages oilseed rape, Brassica napus L. (Brassicaceae), throughout Europe. The response of M. aeneus to non-host plant volatiles was investigated in laboratory assays to establish whether they have any effect on host plant location behaviour. Two approaches were used. First a novel, moving-air bioassay using air funnels was developed to compare the response of M. aeneus to several non-host plant essential oils. The beetles avoided the host plant flowers in the presence of non-host volatiles, suggesting that M. aeneus uses olfactory cues in host location and/or acceptance. The results were expressed as 'repellency values' in order to compare the effects of the different oils tested. Lavender (Lavendula angustifolia Miller) (Lamiaceae) essential oil gave the highest repellency value. In addition, a four-arm olfactometer was used to investigate olfactory responses, as this technique eliminated the influence of host plant visual and contact cues. The attraction to host plant volatiles was reduced by the addition of non-host plant volatiles, but in addition to masking the host plant volatiles, the non-host volatiles were avoided when these were presented alone. This is encouraging for the potential use of non-host plants within a push-pull strategy to reduce the pest colonisation of crops. Further testing in more realistic semi-field and field trials is underway.

Electrophysiological and behavioural responses of the pollen beetle, Meligethes aeneus, to volatiles from a non-host plant, lavender, Lavandula angustifolia (Lamiaceae)

A semiochemical based push-pull strategy for control of oilseed rape pests is being developed at Rothamsted Research. This strategy uses insect and plant derived semiochemicals to manipulate pests and their natural enemies. An important element within this strategy is an understanding of the importance of non-host plant cues for pest insects and how such signals could be used to manipulate their behaviour. Previous studies using a range of non-host plants have shown that, for the pollen beetle Meligethes aeneus (Coleoptera: Nitidulidae), the essential oil of lavender, Lavandula angustifolia (Lamiaceae), was the most repellent. The aim of this study was to identify the active components in L. angustifolia oil, and to investigate the behaviour of M. aeneus to these chemicals, to establish the most effective use of repellent stimuli to disrupt colonisation of oilseed rape crops. Coupled gas chromatography-electroantennography (GC-EAG) and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) resulted in the identification of seven active compounds which were tested for behavioural activity using a 4-way olfactometer. Repellent responses were observed with (±)-linalool and (±)-linalyl acetate. The use of these chemicals within a push-pull pest control strategy is discussed.

Variability of physicochemical properties of an epoxy resin sealer taken from different parts of the same tube

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)