Une nouvelle étude utilise la modélisation informatique pour déterminer comment et pourquoi la qualité du coton se développe.

La fibre de coton est la culture non alimentaire la plus produite au monde selon la FAO. Sa production contribue de manière significative aux économies de nombreux pays en développement et aux moyens de subsistance de millions de petits exploitants ruraux dans le monde.

Graine et fibre associée d’un cotonnier sauvage (à gauche) et domestique (à droite). Image tirée de Gross et Strasbourg (2010).

Les variétés de coton modernes sont issues de processus de domestication et d’amélioration qui remontent à des milliers d’années. Le principal changement au cours de cette période a été que les fibres de coton sont devenues plus longues, plus fines et plus résistantes.

Les efforts modernes visant à concevoir le coton pour améliorer encore la qualité de la fibre sont entravés par une connaissance insuffisante des mécanismes sous-jacents contrôlant les caractéristiques de la fibre.

Dr. Daniel Szymanski, professeur de botanique et de phytopathologie à l’Université Purdue et Dr. Joe Turner de l’Université du Nebraska a développé des simulations réalistes qui leur ont permis d’analyser les composants cellulaires qui contrôlent le diamètre et la longueur des fibres de coton.

Chaque fibre de coton est une cellule individuelle allongée qui se développe à la surface du tégument en développement. Cela les rend faciles à purifier et à imager à l’aide de techniques de microscopie avancées, ce qui en fait un modèle monocellulaire puissant pour mieux comprendre la croissance et le développement des plantes, l’assemblage de la paroi cellulaire et la morphogenèse cellulaire.

Schéma de cellule de fibre de coton.

L’anatomie des fibres détermine la qualité du produit final. Le Dr Szymanski explique que « le diamètre de la fibre contribue à sa finesse en termes de nombre de fils plus élevé et d’un toucher doux et soyeux. Au début du développement cellulaire, la fibre se rétrécit rapidement et le diamètre résultant semble se maintenir à mesure que la fibre s’allonge. Nous avons donc concentré nos efforts sur les mécanismes d’effilement de la paroi cellulaire car l’étendue et la durée de l’effilement déterminent son diamètre. »

La microscopie de cellules vivantes a été utilisée pour déterminer le calendrier de développement précis et l’étendue de la réduction des fibres mesurée en jours après l’anthèse. Cela comprenait des mesures des taux d’expansion cellulaire locaux et du rayon de courbure de la pointe de la fibre (une approximation du diamètre de la fibre) au cours du développement précoce de la fibre.

Leur enquête s’est concentrée sur les structures du cytosquelette car elles permettent aux cellules de générer et de maintenir des formes cellulaires hautement polarisées (asymétriques). Les cytosquelettes peuvent être constitués de filaments d’actine ou de microtubules; les deux coopèrent pour favoriser l’effilement de la fibre de coton. Pour analyser les réseaux d’actine dans les cellules effilées, ils ont utilisé une combinaison d’imagerie de cellules vivantes et de suivi des particules. Grâce à la localisation des voies d’actine dans la cellule, les auteurs ont déterminé comment la cellule distribue la livraison de matières premières à travers la surface cellulaire en expansion.

Une fibre en développement est marquée avec des particules fluorescentes.  Les particules permettent de mesurer le mouvement.  Pendant une demi-journée, les particules à la pointe ne se sont pas écartées mais l'axe s'est éloigné de la base indiquant un allongement.
Image en fond clair à fort grossissement d’une fibre en développement à 1,5 et 2 jours après l’anthèse (DPA) marquée avec des particules fluorescentes. Les particules traçables numérotées et leurs positions aux intervalles d’acquisition d’image sont indiquées par des points centrés dans des cercles ouverts.

Fait intéressant, ils ont découvert que le cytosquelette des microtubules, qui modèle les orientations des microfibrilles de cellulose dans la paroi cellulaire en croissance, comprend une zone de déplétion des microtubules apicaux et des microtubules transversaux hautement organisés.

Le cytoplasme appauvri en microtubules près de l'apex montre une orientation à 90 degrés à partir de la pointe
La zone de déplétion apicale des microtubules (MDZ) des fibres de coton.

Les auteurs ont créé un modèle d’éléments finis de la croissance des fibres de coton pour déterminer quelles propriétés matérielles dans la paroi sont nécessaires pour permettre l’effilement des fibres et l’allongement des fibres sans gonflement des cellules. Ces simulations ont révélé une exigence stricte de fibres transversales pour limiter le gonflement radial et une zone isotrope de fibres orientées au hasard dans l’apex pour que le diamètre cellulaire à l’apex devienne progressivement restreint pendant la croissance. Le modèle a également fourni un moyen fiable de prédire l’amplitude et la direction des forces de traction dans le mur. Ces simulations indiquent que l’amplitude et l’orientation de la force se répercutent sur le système de microtubules pour permettre à la cellule d’intégrer la forme cellulaire avec la structuration de la paroi cellulaire dépendante des microtubules. Au cœur de la création du modèle se trouvaient les données expérimentales multi-échelles décrites ci-dessus.

Selon Szymanski, « la combinaison de la simulation de modèles d’éléments finis et de la biologie cellulaire moderne fournit une base de connaissances pour permettre l’ingénierie des fibres. Le principal défi consiste maintenant à identifier les gènes et les modules qui sous-tendent les caractéristiques importantes des fibres comme le diamètre, la torsion et la longueur ».

LIRE L’ARTICLE:

M Yanagisawa, S Keynia, S Belteton, JA Turner, DB Szymanski, Un mécanisme cellulaire conservé pour le contrôle du diamètre et de la longueur des fibres de coton, in silico Plants, 2022 ;, diac004, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac004

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