Cell wall composition regulates cell shape and growth behaviour in pollen tubes

L’une des particularités fondamentales caractérisant les cellules végétales des cellules animales est la présence de la paroi cellulaire entourant le protoplaste. La paroi cellulaire joue un rôle primordial dans (1) la protection du protoplaste, (2) est impliquée dans les mécanismes de filtration et (3) est le lieu de maintes réactions biochimiques nécessaires à la régulation du métabolisme et des propriétés mécaniques de la cellule. Les propriétés locales d’élasticité, d’extensibilité, de plasticité et de dureté des composants pariétaux déterminent la géométrie et la forme des cellules lors des processus de différentiation et de morphogenèse. Le but de ma thèse est de comprendre les rôles que jouent les différents composants pariétaux dans le modelage de la géométrie et le contrôle de la croissance des cellules végétales. Pour atteindre cet objectif, le modèle cellulaire sur lequel je me suis basé est le tube pollinique ou gamétophyte mâle. Le tube pollinique est une protubérance cellulaire qui se forme à partir du grain de pollen à la suite de son contact avec le stigmate. Sa fonction est la livraison des cellules spermatiques à l’ovaire pour effectuer la double fécondation. Le tube pollinique est une cellule à croissance apicale, caractérisée par la simple composition de sa paroi et par sa vitesse de croissance qui est la plus rapide du règne végétal. Ces propriétés uniques font du tube pollinique le modèle idéal pour l’étude des effets à courts termes du stress sur la croissance et le métabolisme cellulaire ainsi que sur les propriétés mécaniques de la paroi. La paroi du tube pollinique est composée de trois composantes polysaccharidiques : pectines, cellulose et callose et d’une multitude de protéines. Pour comprendre les effets que jouent ces différents composants dans la régulation de la croissance du tube pollinique, j’ai étudié les effets de mutations, de traitements enzymatiques, de l’hyper-gravité et de la gravité omni-directionnelle sur la paroi du tube pollinique. En utilisant des méthodes de modélisation mathématiques combinées à de la biologie moléculaire et de la microscopie à fluorescence et électronique à haute résolution, j’ai montré que (1) la régulation de la chimie des pectines est primordiale pour le contrôle du taux de croissance et de la forme du tube et que (2) la cellulose détermine le diamètre du tube pollinique en partie sub-apicale. De plus, j’ai examiné le rôle d’un groupe d’enzymes digestives de pectines exprimées durant le développement du tube pollinique : les pectate lyases. J’ai montré que ces enzymes sont requises lors de l’initiation de la germination du pollen. J’ai notamment directement prouvé que les pectate lyases sont sécrétées par le tube pollinique dans le but de faciliter sa pénétration au travers du style.

Pyruvate decarboxylase provides growing pollen tubes with a competitive advantage in petunia

Rapid pollen tube growth places unique demands on energy production and biosynthetic capacity. The aim of this work is to understand how primary metabolism meets the demands of such rapid growth. Aerobically grown pollen produce ethanol in large quantities. The ethanolic fermentation pathway consists of two committed enzymes: pyruvate decarboxylase ( PDC) and alcohol dehydrogenase ( ADH). Because adh mutations do not affect male gametophyte function, the obvious question is why pollen synthesize an abundant enzyme if they could do just as well without. Using transposon tagging in Petunia hybrida, we isolated a null mutant in pollen- specific Pdc2. Growth of the mutant pollen tubes through the style is reduced, and the mutant allele shows reduced transmission through the male, when in competition with wild- type pollen. We propose that not ADH but rather PDC is the critical enzyme in a novel, pollen- specific pathway. This pathway serves to bypass pyruvate dehydrogenase enzymes and thereby maintain biosynthetic capacity and energy production under the unique conditions prevailing during pollen - pistil interaction.

Directional Guidance of Nicotiana alata Pollen Tubes in Vitro and on the Stigma1

Pollen tubes navigate the route from stigma to ovule with great accuracy, but the cues that guide them along this route are not known. We reproduced the environment on the stigma of Nicotiana alata by immersing pollen in stigma exudate or oil close to an interface with an aqueous medium. The growth of pollen in this culture system mimicked growth on stigmas: pollen grains hydrated and germinated, and pollen tubes grew toward the aqueous medium. The rate-limiting step in pollen germination was the movement of water through the surrounding exudate or oil. By elimination of other potential guidance cues, we conclude that the directional supply of water probably determined the axis of polarity of pollen tubes and resulted in growth toward the interface. We propose that a gradient of water in exudate is a guidance cue for pollen tubes on the stigma and that the composition of the exudate must be such that it is permeable enough for pollen hydration to occur but not so permeable that the supply of water becomes nondirectional. Pollen tube penetration of the stigma may be the most frequently occurring hydrotropic response of higher plants.

Hexose Transport in Growing Petunia Pollen Tubes and Characterization of a Pollen-Specific, Putative Monosaccharide Transporter1

We investigated the molecular and physiological processes of sugar uptake and metabolism during pollen tube growth and plant fertilization. In vitro germination assays showed that petunia (Petunia hybrida) pollen can germinate and grow not only in medium containing sucrose (Suc) as a carbon source, but also in medium containing the monosaccharides glucose (Glc) or fructose (Fru). Furthermore, high-performance liquid chromatography analysis demonstrated a rapid and complete conversion of Suc into equimolar amounts of Glc and Fru when pollen was cultured in a medium containing 2% Suc. This indicates the presence of wall-bound invertase activity and uptake of sugars in the form of monosaccharides by the growing pollen tube. A cDNA designated pmt1 (petunia monosaccharide transporter 1), which is highly homologous to plant monosaccharide transporters, was isolated from petunia. Pmt1 belongs to a small gene family and is expressed specifically in the male gametophyte, but not in any other vegetative or floral tissues. Pmt1 is activated after the first pollen mitosis, and high levels of mRNA accumulate in mature and germinating pollen. A model describing the transport of sugars to the style, the conversion of Suc into Glc and Fru, and the active uptake by a monosaccharide transporter into the pollen tube is presented.

Actin-Bundling Protein Isolated from Pollen Tubes of Lily : Biochemical and Immunocytochemical Characterization

A 135-kD actin-bundling protein was purified from pollen tubes of lily (Lilium longiflorum) using its affinity to F-actin. From a crude extract of the pollen tubes, this protein was coprecipitated with exogenously added F-actin and then dissociated from F-actin by treating it with high-ionic-strength solution. The protein was further purified sequentially by chromatography on a hydroxylapatite column, a gel-filtration column, and a diethylaminoethyl-cellulose ion-exchange column. In the present study, this protein is tentatively referred to as P-135-ABP (Plant 135-kD Actin-Bundling Protein). By the elution position from a gel-filtration column, we estimated the native molecular mass of purified P-135-ABP to be 260 kD, indicating that it existed in a dimeric form under physiological conditions. This protein bound to and bundled F-actin prepared from chicken breast muscle in a Ca2+-independent manner. The binding of 135-P-ABP to actin was saturated at an approximate stoichiometry of 26 actin monomers to 1 dimer of P-135-ABP. By transmission electron microscopy of thin sections, we observed cross-bridges between F-actins with a longitudinal periodicity of 31 nm. Immunofluorescence microscopy using rhodamine-phalloidin and antibodies against the 135-kD polypeptide showed that P-135-ABP was colocalized with bundles of actin filaments in lily pollen tubes, leading us to conclude that it is the factor responsible for bundling the filaments.

Expression-based and co-localization detection of arabinogalactan protein 6 and arabinogalactan protein 11 interactors in Arabidopsis pollen and pollen tubes

Arabinogalactan proteins (AGPs) are cell wall proteoglycans that have been shown to be important for pollen development. An Arabidopsis double null mutant for two pollen-specific AGPs (agp6 agp11) showed reduced pollen tube growth and compromised response to germination cues in vivo. A microarray experiment was performed on agp6 agp11 pollen tubes to search for genetic interactions in the context of pollen tube growth. A yeast two-hybrid experiment for AGP6 and AGP11 was also designed.

Rôle de la protéine ScFRK1 dans le développement du sac embryonnaire et son impact sur le guidage des tubes polliniques

Le gène Solanum chacoense Fertilization-Related Kinase 1 (ScFRK1) code pour une protéine de la famille des MAPKK kinases exprimée spécifiquement dans les ovules. Son transcrit s’accumule principalement dans la zone micropylaire du sac embryonnaire à l’anthèse et diminue rapidement après pollinisation. Ces résultats suggèrent un rôle possible avant ou pendant la fécondation. Bien qu'aucune expression ne soit détectée dans le pollen à maturité, la protéine est cependant présente dans les cellules mères de microspores. Des plantes transgéniques sous-exprimant ScFRK1 ne montrent aucun phénotype au niveau des tissus végétatifs, mais présentent de petits fruits dépourvus de graines. L’étude microscopique du gamétophyte femelle révèle que son développement ne progresse pas au-delà du stade de la mégaspore fonctionnelle et une grande proportion de sacs embryonnaires anormaux est corrélée avec une faible expression de ScFRK1. De plus, la production de pollen viable diminue en fonction de la baisse des niveaux d’expression du gène, ce qui pourrait s’expliquer par un problème au cours de la mitose I. Puisque l’intégrité du sac embryonnaire est essentielle au guidage des tubes polliniques, nous avons conçu un système de guidage semi-in vivo permettant d’évaluer la capacité des ovules du mutant ScFRK1 à les attirer. L’attraction est sévèrement affectée dans de telles conditions, ce qui confirme l'implication des cellules de la zone micropylaire comme source attractive. Notre système nous a également permis de démontrer que le guidage est très spécifique à l’espèce et que cette attraction constitue un mécanisme important favorisant la spéciation et la maintenance des barrières interspécifiques dans la reproduction sexuée des végétaux.

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.

Destinée des S-RNases dans les tubes polliniques lors des croisements compatibles et incompatibles

L’auto-incompatibilité (AI) est la capacité génétiquement déterminée d’une plante fertile de rejeter son propre pollen. Chez les Solanacées l’AI dépend des éléments d’un locus fort complexe (locus S) multigénique. L’élément du locus-S exprimé dans le pistil est une ribonucléase (S-RNase) dont le rôle est de dégrader l’ARN chez le pollen self, tandis que l’élément du locus S exprimé dans le pollen est un ensemble de protéines du type F-box, qui sont normalement impliquées dans la dégradation des protéines. Cependant, comment les S-RNases self restent actives lors des croisements incompatibles et comment les S-RNases non-self sont inactivées lors des croisements compatibles ce n’est encore pas clair. Un modèle propose que les S-RNases non-self soient dégradées lors des croisements compatibles. Un autre modèle propose que toutes les S-RNases, self et non-self, soient d'abord séquestrées à l’intérieur d’une vacuole, et elles y resteraient lors des croisements compatibles. Lors de croisements incompatibles, par contre, elles seraient relâchées dans le cytoplasme, où elles pourront exercer leur action cytotoxique. Notre étude tente de répondre à ces questions. Notamment, nous cherchons à mettre en évidence la localisation vacuolaire et/ou cytoplasmique des S-RNases et leur concentration par immunolocalisation, en utilisant un anticorps ciblant la S11-RNase de Solanum chacoense et la microcopie électronique à transmission. Nos résultats montrent que la densité de marquage observée pour les S-RNases cytoplasmiques est significativement plus haute dans les tubes incompatibles que dans ceux compatibles ce qui nous indique que pour qu’un tube pollinique soit compatible il doit contenir une faible densité de S-RNase cytoplasmique.

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.

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.

Arabidopsis Rho-Related GTPases: Differential Gene Expression in Pollen and Polar Localization in Fission Yeast1

The Rho small GTP-binding proteins are versatile, conserved molecular switches in eukaryotic signal transduction. Plants contain a unique subfamily of Rho-GTPases called Rop (Rho-related GTPases from plants). Our previous studies involving injection of antibodies indicated that the pea Rop GTPase Rop1Ps is critical for pollen tube growth. In this study we show that overexpression of an apparent Arabidopsis ortholog of Rop1Ps, Rop1At, induces isotropic cell growth in fission yeast (Schizosaccharomyces pombe) and that green fluorescence protein-tagged Rop1At displays polar localization to the site of growth in yeast. We found that Rop1At and two other Arabidopsis Rops, Rop3At and Rop5At, are all expressed in mature pollen. All three pollen Rops fall into the same subgroup as Rop1Ps and diverge from those Rops that are not expressed in mature pollen, suggesting a coupling of the structural conservation of Rop GTPases to their gene expression in pollen. However, pollen-specific transcript accumulation for Rop1At is much higher than that for Rop3At and Rop5At. Furthermore, Rop1At is specifically expressed in anthers, whereas Rop3At and Rop5At are also expressed in vegetative tissues. In transgenic plants containing the Rop1At promoter:GUS fusion gene, GUS is specifically expressed in mature pollen and pollen tubes. We propose that Rop1At may play a predominant role in the regulation of polarized cell growth in pollen, whereas its close relatives Rop3At and Rop5At may be functionally redundant to Rop1At in pollen.

An extracellular transglutaminase is required for apple pollen tube growth

An extracellular form of the calcium-dependent protein-cross-linking enzyme TGase (transglutaminase) was demonstrated to be involved in the apical growth of Malus domestica pollen tube. Apple pollen TGase and its substrates were co-localized within aggregates on the pollen tube surface, as determined by indirect immunofluorescence staining and the in situ cross-linking of fluorescently labelled substrates. TGase-specific inhibitors and an anti-TGase monoclonal antibody blocked pollen tube growth, whereas incorporation of a recombinant fluorescent mammalian TGase substrate (histidine-tagged green fluorescent protein: His6-Xpr-GFP) into the growing tube wall enhanced tube length and germination, consistent with a role of TGase as a modulator of cell wall building and strengthening. The secreted pollen TGase catalysed the cross-linking of both PAs (polyamines) into proteins (released by the pollen tube) and His6-Xpr-GFP into endogenous or exogenously added substrates. A similar distribution of TGase activity was observed in planta on pollen tubes germinating inside the style, consistent with a possible additional role for TGase in the interaction between the pollen tube and the style during fertilization.