Cellular basis of flower and leaf primordium initiation in Arabidopsis thaliana : how to make an organ in three dimensions

Abstract

Le développement d’un organisme multicellulaire requière la coordination de la croissance, détermination tissulaire et différenciation cellulaire. Cependant, alors que les bases de la génétique de la morphogenèse ont été rigoureusement étudiées, le processus permettant la conversion de l’activité génétique en des structures biologiques complexes est bien moins compris. Chez Arabidopsis thaliana, les feuilles et fleurs initiés à partir du Méristème Apical Primaire (MAP) ont une expression génétique casi similaire. Toutefois, leur forme est considérablement différente dès les premières étapes de leur développement. Une compréhension de ce paradoxe requière avant tout de précisément quantifier la croissance dans toutes les dimensions de ces organes. Dans cet article, je présente une méthode de quantification spatio-temporelle complète de la croissance et de la prolifération des feuilles et des fleurs chez A. thaliana. En analysant des séries d’images confocales, j’en ai conclu que la différence morphologique observée entre feuilles et fleurs émerge principalement d’une asymétrie de la distribution de la croissance entre leurs côtés abaxial et adaxial, tôt dans leur développement. Je montre que le tissue contribuant principalement au développement des primordia est la couche 2 (L2) chez les feuilles et la couche 3 (L3) chez les fleurs. Mes résultats préliminaires démontrent que les premiers signes de l’initiation d’organes est un changement de distribution de la croissance, et non de la prolifération. Dans le futur, en appliquant, par exemple, cette méthodologie à l’étude de gènes de développement, il sera possible de finalement réconcilier la morphogenèse et la génétique de l’initiation des plantes.

The development of a multicellular organism requires the proper coordination of growth, pattern determination and cell differentiation. Still, while the genetic basis of morphogenesis has been extensively studied, the process converting gene activity into intricate biological shapes is less understood. In Arabidopsis thaliana, flowers and leaves, both initiated from the shoot apical meristem (SAM), have a very similar genetic expression profile. Yet, their shape differs considerably from early developmental stages. A full comprehension of this paradox requires an accurate quantification of cellular growth in those organs. In this paper, I am presenting a methodology for the complete spatio-temporal quantitative analysis of growth and proliferation of initiating leaves and flowers in wild type Arabidopsis thaliana. By analyzing time series of leaf and flower confocal images, I conclude that the morphological differences observed between flowers and leaves mainly arises from asymmetrical distributions of growth between their adaxial and abaxial sides during their initiation. I show that the tissue that mainly contributes to the development of early primordium is the layer 2 (L2) in leaves, and the layer 3 (L3) in flowers. My preliminary results also demonstrate that the first signs of organ initiation are a change in growth distribution, not cell proliferation. In the future, by applying this methodology, for example, to study morphogen reporter lines, it could finally bridge the gap between the morphogenesis and the genetics of plant initiation.