La disposition apparemment aléatoire des cellules dans les tissus végétaux n’est peut-être pas chaotique après tout. Une nouvelle recherche de l’Université Cornell révèle une logique cachée derrière cette diversité cellulaire, suggérant une interaction fascinante entre le hasard et la croissance qui façonne les motifs complexes des feuilles et des fleurs.
Publiée dans PLOS Biology, cette étude examine comment les cellules géantes – considérablement plus grandes que leurs voisines – contribuent aux motifs patchwork observés à la surface des feuilles. Ces cellules « géantes » résultent d’un processus appelé endoréduplication, dans lequel l’ADN se réplique de manière répétée sans division cellulaire. Auparavant, les scientifiques ne savaient pas si ces cellules géantes apparaissaient de manière aléatoire ou suivaient un schéma prévisible.
À l’aide d’imagerie haute résolution et de modèles informatiques sophistiqués, l’équipe de recherche dirigée par Frances K. Clark et Adrienne Roeder a découvert que même si la formation initiale de cellules géantes est en effet apparemment aléatoire, leur regroupement éventuel apparaît à mesure que les tissus se développent et se dilatent. Pensez-y comme à des graines dispersées : au début, elles apparaissent dispersées au hasard. Mais à mesure que les plantes grandissent et que l’espace devient limité, des motifs commencent naturellement à se former.
Ce processus d’ordonnancement n’est pas dicté par une communication directe entre les cellules, mais émerge plutôt des forces combinées de la croissance et du hasard. À mesure que de nouvelles cellules se divisent autour de ces cellules géantes initialement aléatoires, la géométrie des tissus change, transformant le caractère aléatoire en une mosaïque structurée.
Les architectes génétiques de la taille des cellules
L’étude a identifié quatre gènes clés – ACR4, ATML1, DEK1 et LGO – qui jouent le rôle d’architectes de la taille des cellules dans les tissus végétaux. L’augmentation de l’activité de LGO a conduit à la création d’un plus grand nombre de cellules géantes, tandis que le renforcement d’ATML1 ou de LGO a élargi leur surface globale. Notamment, ces gènes produisent des résultats différents selon le tissu spécifique dans lequel ils travaillent. Des cellules géantes sont apparues sur les deux surfaces des feuilles, mais uniquement sur la face inférieure des sépales (structures en forme de pétale entourant la fleur).
Pour valider davantage ce modèle, les chercheurs ont collaboré avec des scientifiques de l’Institut Max Planck de recherche en sélection végétale en Allemagne. Ensemble, ils ont créé une simulation informatique dans laquelle le sort de chaque cellule était déterminé de manière aléatoire par les niveaux fluctuants d’ATML1, imitant le système biologique sans aucune communication directe de cellule à cellule. Les modèles résultants générés dans ce modèle reflétaient de manière frappante ceux observés dans les tissus végétaux réels.
Au-delà des plantes : implications pour la conception et la biologie
Les résultats transcendent le domaine des plantes et offrent une compréhension plus large de la façon dont l’ordre peut naître de débuts apparemment aléatoires dans divers systèmes biologiques. Ce principe a des implications significatives dans des domaines tels que la biologie synthétique, où les chercheurs visent à concevoir des structures complexes en utilisant une coordination minimale. En exploitant les principes révélés dans cette étude, les scientifiques pourraient potentiellement concevoir des tissus végétaux ou même des systèmes biologiques entièrement nouveaux avec une plus grande précision et efficacité.
“Le hasard n’est pas le chaos, c’est un élément fondamental”, explique Adrienne Roeder. “Il interagit avec la dynamique de croissance pour créer des modèles complexes essentiels à la vie.” L’élégante simplicité de ce principe souligne à quel point il nous reste encore beaucoup à apprendre sur les mécanismes cachés qui régissent l’organisation de la vie elle-même.
