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Public release date: 29-Apr-2013

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Une micropuce prouve qu'un resserrement provoque la libération précoce des cellules spermatiques

Ce communiqué est disponible en anglais.

MONTRÉAL, le 29 avril 2013 – Selon une équipe de biologistes et d'ingénieurs spécialistes des microsystèmes de l'Université de Montréal et de l'Université Concordia, il est possible de déclencher la libération des cellules spermatiques en resserrant l'emprise sur l'organe de déchargement. L'équipe de nanobiotechnologie de l'Université Concordia a mis au point une micropuce qui a permis aux biologistes de l'Université de Montréal d'observer la réaction de tubes polliniques engagés dans une course à obstacles. Les tubes polliniques, qui assurent le déplacement des gamètes mâles vers les gamètes femelles chez les plantes, ont été placés en amont d'une série d'ouvertures élastiques étroites. Tandis qu'une ouverture trop étroite ou trop petite arrêtait la croissance des tubes polliniques, des ouvertures légèrement plus grandes permettaient le passage des tubes avec succès. Curieusement, juste après avoir traversé des ouvertures d'une dimension proportionnelle à leur largeur, les tubes polliniques éclataient et libéraient leurs gamètes mâles.

La micropuce a été conçue pour mimer les barrières mécaniques érigées par les tissus femelles de la fleur auxquelles se heurte le tube pollinique lors de sa croissance vers la cellule œuf. Contrairement à son homologue humain, un organisme unicellulaire microscopique s'occupe du déplacement des gamètes mâles chez les plantes. Il s'agit d'une protubérance cylindrique formée par le gamétophyte mâle, ou grain de pollen. « Tout comme les cellules humaines allongées, tels les neurones, les tubes polliniques sont des cellules dont l'extrémité envahit d'autres tissus. Dans le cas qui nous intéresse, il s'agit des organes femelles de la fleur. Contrairement aux cellules humaines ou animales, le pouvoir invasif des cellules végétales reste largement incompris. Notre objectif était donc de remédier à ce manque de connaissances en utilisant les tubes polliniques dont le mode de vie invasif est l'élément fondamental de la reproduction sexuée des plantes à fleur », a déclaré la coauteure principale Anja Geitmann, de l'Université de Montréal. « Puisque les cellules végétales sont encapsulées dans une enveloppe cellulaire rigide, leur croissance et leur pouvoir invasif diffèrent de ceux des cellules animales », a expliqué le coauteur principal Muthukumaran Packirisamy, de l'Université Concordia. « Du point de vue mécanique, le processus d'élongation du tube pollinique ressemble à celui d'un cathéter à ballon utilisé pour l'angioplastie, c'est-à-dire que les forces produites reposent sur le principe de l'hydrosquelette (liquide sous pression). Nous avons conçu des microcanaux dans lesquels les tubes polliniques devaient pénétrer de force pour continuer leur processus d'élongation. »

Il était impératif d'avoir recours à la technologie des microsystèmes dans le cadre de cette expérience en raison de la taille minuscule des tubes polliniques et, par conséquent, de la très petite force qu'ils exercent lors de la pénétration. Le tube pollinique doit non seulement user de son pouvoir invasif pour vaincre la résistance mécanique des tissus environnants, mais il doit aussi protéger son contenu, c'est-à-dire les gamètes mâles, lesquels sont au nombre exact de deux par tube. Le tube pollinique doit demeurer tubulaire pendant qu'il traverse le pistil, puisque toute déformation ou tout écrasement empêcherait le passage des gamètes mâles, tout comme s'arrêterait l'écoulement dans un boyau d'arrosage s'il était tordu. Un tube pollinique typique peut atteindre plusieurs centimètres de longueur, mais son diamètre est toujours de 5 à 20 micromètres. À titre de comparaison, le diamètre d'un cheveu humain est d'environ 100 micromètres. « Pour s'adapter aux dimensions de cette cellule, nous avons conçu une micropuce avec des canaux et des obstacles microscopiques qui sont plus étroits que les tubes polliniques. Nous avons appliqué des techniques de lithographie directe et molle à haute résolution pour produire cette course à obstacles d'échelle micrométrique. Pour mesurer la pression exercée par les tubes polliniques, nous devions employer des matériaux qui n'étaient ni trop durs, ni trop mous. Nous avons donc opté pour un matériau polymère élastique. Notre choix s'est avéré judicieux puisque les tubes ont été en mesure de déformer le matériau à certains niveaux d'étroitesse. Les modèles mécaniques nous ont permis de calculer les forces exercées par ces cellules. La technologie de laboratoire sur puce nous permet d'évaluer le comportement cellulaire de façon beaucoup plus détaillée qu'une boîte de Petri classique », a souligné Muthukumaran Packirisamy.

La reproduction sexuée des plantes est à bien des égards analogue à la biologie humaine. « Pour atteindre l'ovule et le gamète femelle, le tube pollinique doit pénétrer une série de tissus femelles dans la fleur réceptive, a expliqué Anja Geitmann. Les organes mâle et femelle communiquent ensemble continuellement pendant le processus. L'organe femelle facilite le processus en lubrifiant la trajectoire, mais l'organe mâle exerce une force importante pour vaincre toute résistance résiduelle. » Le tube pollinique doit pénétrer dans un canal central du pistil qui relie le stigmate qui reçoit et retient le pollen à l'ovaire qui abrite les ovules. Au moment d'atteindre l'ovaire, le tube pollinique affleure la surface interne du placenta et repère l'ouverture dans l'ovule. Il y pénètre et libère son contenu lorsqu'il entre en contact avec la cellule œuf, laquelle est fertilisée par l'une des deux cellules spermatiques livrées par le tube pollinique. L'autre cellule spermatique fertilise une autre cellule du gamétophyte femelle pour engendrer un tissu qui nourrit l'embryon durant sa croissance.

Le déclenchement de la libération des gamètes mâles au moment opportun a longtemps été mal compris. Le succès de la fertilisation et de la grenaison repose sur le contrôle du timing de ce processus, puisque les gamètes mâles ne sont pas mobiles et qu'ils doivent par conséquent être acheminés avec précision vers la cible. Une libération précoce (avant que le tube pollinique n'atteigne l'ovule) empêche les gamètes mâles d'atteindre le gamète femelle. Sans libération, aucune fertilisation ne peut avoir lieu non plus. « Nos résultats montrent qu'un resserrement du tube déclenche la libération des gamètes mâles. Nous pouvons donc conclure que les cellules végétales détectent les stimulus mécaniques et qu'elles y réagissent , a déclaré Anja Geitmann. Toutefois, les particularités des réponses cellulaires observées suggèrent que d'autres facteurs sont susceptibles d'influer sur le processus, notamment des signaux protéiques. » Les chercheurs croient que ces particularités et les mécanismes qui régissent le diamètre du tube pollinique et le comportement de croissance justifient des recherches plus poussées. « Nous ignorons toujours les causes exactes qui poussent le tube pollinique à libérer des gamètes mâles in vivo, mais nous croyons qu'il est possible qu'un mécanisme mécanique de déclenchement soit intégré au processus de signalisation », a fait remarquer Muthukumaran Packirisamy.

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À propos de cette étude

Amir Sanati Nezhad, Mahsa Naghavi, Muthukumaran Packirisamy, Rama Bhat et Anja Geitmann ont publié l'article intitulé Quantification of cellular penetrative forces using Lab-on-a-Chip technology and finite element modeling dans la publication Proceedings of the National Academy of Sciences le 29 avril 2013. Cette étude a été financée par le Fonds de recherche du Québec – Nature et Technologies. Le professeur et coauteur de l'étude Rama Bhat de l'Université Concordia a offert ses compétences en matière de modèles mécaniques.



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