Cycle cellulaire le long de la racine primaire de maïs

La racine primaire de maïs a été divisée en segments consécutifs qui indiquaient les limites du chapeau de la racine, de la zone d’élongation du méristème apical et de la zone de différenciation, conformément aux résultats précédents (Alarcón et al., 2016). La distance entre le RCJ et l’apex de la racine a été estimée à 457 µm, qui ont été retirés avant de diviser la racine en plusieurs zones. La zone méristématique apicale de la racine (MZ) est située dans la partie la plus apicale de la racine, à 1,5 mm de la RCJ, et la zone de transition (TZ) se poursuit jusqu’à 3 mm. La zone d’élongation rapide (EZ), où les cellules s’allongent rapidement, a été attribuée à 3-6 mm ; et dans les régions éloignées de 6 mm, nous avons observé que le taux d’élongation des cellules commence à diminuer, indiquant la zone de fin de croissance (Verbelen et al., 2006). Les zones situées à 12-20 mm et 20-30 mm du RCJ sont des zones de différenciation (DF), où les racines latérales commencent leur développement. Des dissections similaires de racines ont été réalisées chez Arabidopsis, où la racine a été disséquée en cinq sections qui sont plus courtes que celles de la racine de maïs (Cools et al., 2010). Récemment, une expression génique différentielle le long de la racine d’Arabidopsis a été rapportée, et les gènes réprimés ou induits varient surtout dans le changement de la zone méristématique à la zone de transition ainsi que de la zone de transition à la zone d’élongation (Chaiwanon et Wang, 2015).

La limite du méristème racinaire est déterminée par la sortie du cycle cellulaire et l’équilibre entre la division cellulaire et l’élongation cellulaire (Perilli et al., 2012). Le profil de cytométrie en flux montre la progression du cycle cellulaire le long de la racine primaire, et les données montrant le nombre de cellules relatives sur les phases du cycle cellulaire indiquent l’activité cellulaire dans plusieurs zones de la racine. Par conséquent, lorsque les cellules sortent du cycle cellulaire, elles pourraient cesser leur cycle. En outre, on suppose généralement que la sortie des cellules du cycle cellulaire a lieu après la mitose, et que la décision d’entrer dans un nouveau cycle cellulaire est prise au point de transition G1-to-S en réponse aux facteurs de croissance et à diverses hormones (Gutierrez et al., 2002 ; Inzé et De Veylder, 2006 ; Polyn et al, 2015).

Dans la figure 1, nous montrons que, dans les racines de 150-160 mm cultivées à 30°C, le méristème est pratiquement limité à la MZ, la zone située à 0-1,5 mm de la RCJ où les pourcentages de cellules en phases G0/G1-, S-, et G2/M étaient approximativement de 27, 23 et 39, respectivement (tableau 1). La durée relative de G1, S, G2 et M dans le méristème d’Allium a été estimée à 26,5, 44,5, 16,5 et 12,5%, respectivement (Giménez-Martín et al., 1977), et ces pourcentages sont très similaires chez d’autres espèces. Bien que nos résultats indiquent que le méristème du maïs présente un pourcentage plus faible de cellules en phase S, les valeurs (23%) étaient suffisantes pour indiquer une progression du cycle cellulaire (Reichheld et al., 1999). Ces proportions relatives ont extraordinairement changé lorsque l’on analyse la TZ, dans cette zone. Les pourcentages étaient de 9, 10 et 68%, pour les phases G0/G1, S et G2/M, respectivement. Ce résultat suggère que les cellules ont commencé à quitter le cycle cellulaire lorsqu’elles ont atteint 1,5 mm de la JRC. De plus, les pourcentages dans la ZE suggèrent qu’à 3 mm les cellules sont sorties du cycle cellulaire (Fig. 1, Tableau 1). De plus, la diminution du pourcentage de cellules en phases G0-G1- et S a été compensée par une augmentation en G2-M (Tableau 1, Fig. 2). Ces résultats montrent clairement que les cellules arrêtent le cycle cellulaire lorsqu’elles sont en phase G2.

Il a été rapporté que la plupart des types de cellules quittent le méristème en phase G1, et dernièrement la transition G1-to-S n’est déclenchée que dans les cellules du péricycle pour initier la racine latérale (Vanneste et al., 2007). Dans le péricycle d’Arabidopsis, il a été proposé que les cellules adjacentes aux pôles du protoxilem poursuivent le cycle cellulaire sans interruption lorsqu’elles traversent les zones de transition, d’élongation et de différenciation (Dubrovsky et al., 2008). Ces cellules sont les seules qui se divisent pour initier les primordia de racines latérales. Cependant, le reste des cellules qui constituent la racine ne se divisent pas. Alors, les cellules de l’épiderme et du cortex qui constituent la majorité des tissus racinaires ne continuent pas leur cycle lorsqu’elles quittent le méristème racinaire.

Dans notre analyse, nous avons observé une augmentation remarquable des cellules en phase G2 dans TZ et EZ. Ce résultat suggère que les cellules qui quittent le méristème en phase G2 ne subissent pas de mitose, mais elles s’arrêtent à cette phase G2 et y restent. Nous supposons que les cellules qui quittent le méristème en phase G1 ou S poursuivent le cycle cellulaire jusqu’en G2, où elles s’arrêtent. Ceci est basé sur l’observation que la diminution du pourcentage de cellules en G0/G1 entre MZ et TZ (29,7%) est compensée par une augmentation en G2 (28,8%) (Tableau 1, Fig. 2). Une faible diminution du pourcentage de G2 est obtenue entre la ZE et l’extrémité basale de la ZD (20-30 mm de la JRC). Cette petite diminution, ainsi que la diminution des noyaux hyperploïdes, est compensée par l’augmentation des niveaux hypoploïdes (tableau 1).

D’autre part, il a été rapporté que la ZT dans la racine de l’apex du maïs n’est pas engagée dans des divisions mitotiques, et dans cette zone les noyaux postmitotiques sont situés dans une position centrale dans la cellule (Baluška et al., 2001). En outre, aucune figure mitotique n’a été observée le long de la zone racinaire ; l’initiation des primordia de racines latérales a été observée entre 20 et 25 mm de la RCJ (Alarcón et al., 2016). Chez Arabidopsis, la distance moyenne à la première mitose dans le péricycle est de 3194 µm et la première mitose a été observée à 2205 µm de l’extrémité de la racine (Dubrovsky et al., 2001). Dans la racine de maïs, ce n’est qu’à 20-30 mm de la JRC que certaines cellules du péricycle opposées au xylème ont montré un cytoplasme condensé, indiquant qu’elles réintègrent le cycle cellulaire (Alarcón et al., 2016). Ces différences pourraient être causées par le taux d’élongation des racines plus important chez le maïs qui pousse de 80 à 90 mm/jour, alors qu’Arabidopsis ne s’allonge que de 10 mm/jour (Dubrovsky et al., 2001).

Il a été montré à l’aide d’une analyse microscopique quantitative spécifique au tissu que certaines cellules du cortex et de l’épiderme étaient dans le premier endocycle (contenu en ADN entre 4C et 8C) au début de leur élongation. De plus, les noyaux des éléments du métaxylème dans la zone de transition ont accompli un ou deux endocycles atteignant 32C au début de leur élongation rapide (Baluška, 1987, 1990 ; Baluška et Kubica, 1984 ; Baluška et al., 1995). Récemment, l’endoréduplication a été décrite comme se produisant chez les plantes avant que les cellules ne commencent à se différencier (De Veylder et al., 2007). Cependant, nous n’avons pas observé un nombre pertinent de noyaux avec un niveau de ploïdie supérieur à 4n. De plus, si l’endoréduplication était un processus commun à l’extrémité des racines de maïs, nous nous attendrions à ce que l’hyperploïdie augmente au fur et à mesure que nous analysons des zones plus éloignées de la RCJ. Cependant, non seulement l’hyperploïdie n’a pas augmenté dans les zones d’élongation, mais elle a diminué (tableau 1).

Il a été rapporté que les cellules du péricycle restent en G1-phase jusqu’à ce qu’elles rentrent dans le cycle cellulaire (Vanneste et al., 2007). Cependant, les cellules du péricycle ne représentent qu’une petite fraction de la quantité totale de cellules qui forment les extrémités des racines ; les cellules de l’épiderme et du cortex étant les types de cellules les plus abondants dans l’apex des racines. Alors, si environ 70 % des cellules totales abandonnent le méristème en phase G2, la plupart des cellules de l’épiderme et du cortex doivent être en G2 lorsqu’elles quittent le méristème. On suppose que l’élongation des cellules de l’épiderme et du cortex contrôle la croissance longitudinale des racines (Alarcón et al., 2014b). Par conséquent, les cellules impliquées dans le processus de différenciation qui aboutit à l’élongation des racines doivent être en phase G2.