Les architectes de la fleur : variations sur un thème imposé

Les architectes de la fleur :variations sur un thème imposéMarianne Delarue, maître assistante, Université Paris Sud, IBPRésuméDans son essai sur les métamorphoses, le poèteallemand Goethe défendit l’idée selon laquelle lespièces florales sont des feuilles transformées. Deuxsiècles plus tard, les apports de la génétique moléculaireconfirment que le poète était visionnaire.L’étude de mutants floraux a permis d’élucider lefonctionnement d’un réseau de gènes architectes,dont l’action combinée orchestre les destinées cellulaireslors de la construction de la fleur. Les donnéesexponentielles de séquençage des génomes ontpermis de démontrer que, malgré l’extraordinairefoisonnement des formes florales, ce mécanismeest conservé chez la majorité des angiospermes. Ausein de cette diversité, la zygomorphie (ou symétriebilatérale) est considérée comme une innovationclé dont les bases moléculaires commencent égalementà être décryptées.à des mutants dont les fleurs présentent des défautsd’identité, comme des étamines remplacées par despétales et des carpelles par des sépales. Ces modifications,où un type d’organe est remplacé par un autre,sont appelées conversions homéotiques, telles quecelles affectant l’identité des membres de la drosophile.L’interprétation du phénotype de toute une sériede ces mutants, chez les plantes modèles Arabidopsisthaliana (l’arabette des dames) et Antirrhinum majus(le muflier), a permis d’identifier et de comprendre lemode d’action d’acteurs moléculaires responsables del’identité des organes floraux (Cohen & Meyerowitz ;1991).Trois catégories de mutants d’A. thaliana sont remarquables:Maintenant que des acteurs majeurs de la constructiondes fleurs ont été découverts, un des défisactuels est d’essayer d’intégrer et de modéliser leurfonctionnement pour comprendre l’évolution et lesvariations de l’architecture des fleurs.Le monde des fleurs se distingue par son extraordinairevariété d’architectures, de formes, de couleursou encore de parfums. Mais, malgré cette apparentediversité, la structure et l’organisation des fleurs sonttrès bien conservées au sein des angiospermes.Chaque fleur est constituée, de l’intérieur vers l’extérieur,des organes reproducteurs femelles puis mâlessuivis du périanthe, formé d’organes stériles. La majoritédes plantes à fleurs présente un périanthe bipartitecomprenant deux types d’organes : les pétales puis lessépales. Chaque type d’organe, inséré au même niveausur un axe, s’organise en une couronne nommée verticille.Au cours de l’organogenèse florale, le méristèmefloral met en place, de façon séquentielle, les primordiumsdes sépales (S), des pétales (P), des étamines (E)et ensuite des carpelles (C). La propriété histogène del’apex caulinaire cesse après la mise en place des primordiumsde carpelles.Le déterminisme génétique de la structure de la fleura pu être élucidé grâce aux travaux d’E. Cohen et E.Meyerowitz qui, dans les années 1990, se sont intéressésLe modèle ABCE (d’après Causier et Coll 2010)• Le mutant apetala1 (ap1) ne possède ni pétale, nisépale ; ils sont respectivement remplacés par des carpelleset des étamines (structure de type C-E-E-C).• Les mutants apetala3 (ap3) ou pistillata (pi) ne possèdentni pétale, ni étamine, et l’on observe une structureen verticille de type S-S-C-C.• Le mutant agamous (ag) présente uniquement despièces stériles : la structure est de type S-P-P-S.15

16Ainsi, dans la deuxième catégorie de mutant, il semblequ’une fonction ait disparu au niveau des deux verticillescentraux, fonction qui permet en temps normalla mise en place des pétales et des étamines. Il s’agitbien d’une conversion homéotique puisque aucunorgane n’a disparu mais seule leur identité a été modifiée.Par ailleurs, les mutants des première et troisièmecatégories sont symétriques et complémentaires, cequi a suggéré l’action de facteurs dont les fonctionssont antagonistes.Ces observations ont conduit à l’élaboration d’unmodèle impliquant l’action de 3 classes de gènes,nommées A, B et C, qui agissent de façon combinéeavec des fonctions distinctes au cours du développementfloral. Leur mode d’action est représenté sur lafigure 1. L’identité des sépales est définie par l’actiondes gènes de catégorie A, celle des pétales nécessitel’action combinée des gènes A et B, celle des étaminesdépend de l’action conjointe des gènes B et C et enfin,l’identité des carpelles dépend de l’action des gènes dela catégorie C.Grâce à des études récentes, la représentation du réseaud’interactions de ces facteurs et de leur mode d’actionséquentielle, dans le temps, lors de la construction desfleurs, commence à être ébauchée. La transition floraleimplique la transformation d’un méristème végétatifindéterminé, capable en théorie de produire une infinitéde feuilles et d’entre-nœuds, en méristème floraldéterminé où la croissance de l’axe s’achève lorsquela fleur est construite. Lors de cette transition, un despremiers événements est la synthèse du facteur AP1(produit du gène APETALA1 ou AP1) grâce à l’actiondirecte du facteur FT considéré comme un florigène,de façon à initier la construction des sépales. Demême, on sait que l’action antagoniste de AP1 et deAG (produit du gène AGAMOUS ou AG) est due à unefixation directe de la protéine AG sur le gène AP1 afinde réprimer son expression. Dès les premiers stades del’ontogenèse florale, l’expression de AP1 est donc inhibéedans le centre du méristème floral afin qu’y soientconstruits uniquement les organes reproducteurs de lafleur (Posé et coll. ; 2012).Les approches de génétique moléculaire ont ainsipermis d’élaborer un modèle simple et élégant afind’expliquer comment l’action combinée de quelquesgènes permet de construire une fleur parfaite. Et effectivement,les mutations simultanées de gènes des troisclasses conduisent logiquement à la formation d’unestructure à 4 verticilles mais où chaque type d’organeest remplacé par des feuilles. Ce résultat confirme lathéorie du naturaliste allemand Goethe, exposée il y adeux cents ans dans son ouvrage sur la métamorphosedes plantes, selon laquelle les organes floraux sontdes feuilles transformées ayant une même origine dedéveloppement.Toujours selon ce modèle, une expression ectopiquede ces gènes au sein de tissus végétatifs devrait enthéorie résulter en la formation d’une structure florale.Malheureusement, la co-expression de gènesde la classe A et B s’est avérée incapable de modifierl’identité d’organes végétatifs. Donc si les gènes ABCsont nécessaires pour la construction de la fleur, ils nesont pas suffisants : il est indispensable qu’un contexte« floral » soit préétabli pour qu’ils puissent être efficaces.C’est dans les années 2000 que le modèle ABCa pu être complété avec l’identification des protéinesSEPALLATA (SEP) dont la présence dans l’ensembledes verticilles est nécessaire pour construire lesorganes floraux. Il fallut donc ajouter au modèle ABCles gènes de la classe E dont l’activité combinée permetde déterminer l’identité des organes floraux (l’activitéD joue un rôle dans la formation des ovules et elle nesera pas traitée ici). Au plan moléculaire, l’associationde 4 protéines de type SEP, selon les différentescombinaisons possibles au sein de complexes appeléstétramères, va contrôler le destin de chaque verticille.Ce modèle est représenté sur la Figure 1. Logiquementl’expression ectopique 1 de ces activités dans une feuillesuffit pour transformer une feuille en pétale ou en étamine(Honma & Goto ; 2001).Chez toutes les angiospermes pour lesquelles la présencedes gènes ABC a été recherchée, cette catégoriede gènes a été détectée et lorsqu’elles étaient techniquementpossibles, les analyses fonctionnelles ontrévélé une assez bonne conservation de leur action aucours de l’ontogenèse florale. Il existe toutefois certainesvariations, à l’image de la diversité des fleurs,dues essentiellement à des événements de duplicationsou de modifications des domaines d’expression desgènes. Notamment, on assiste aujourd’hui à un débatsur la conservation de la fonction de type A. En effet,le rôle de répression des gènes de la classe C par AP1observé chez A. thaliana ne semble pas être conservéchez d’autres espèces, et notamment chez A. majusoù, chez un mutant dans un gène homologue à AP1(le gène SQUAMOSA), les fleurs se développent enaxes inflorescentiels. Dans ce cas, il ne s’agit pas d’uneconversion homéotique mais d’une véritable modificationdu fonctionnement méristématique. De mêmechez certains mutants ap1 et ap2 d’A. thaliana, uneconversion des sépales en feuilles ou en bractées peutêtre obtenue. Ces observations étayent l’hypothèseque les gènes de la fonction A pourraient être dédiés àl’identité du méristème floral en lui-même plutôt qu’àla formation spécifique du périanthe. D’autant plus quechez A. thaliana, pléthore de facteurs, appartenantà des familles biochimiques totalement différentesd’AP1, ont été identifiés comme réprimant l’actiond’AG et qui donc pourraient contribuer à la fonctionA. Ces facteurs sont peu conservés et parfois mêmeabsents chez certaines espèces. Ainsi, l’idée actuelleest que la fonction initialement dénommée de type A1Ectopique signifie que par manipulations moléculaires, on oblige la synthèse d’une protéine dans un organe, un tissu ou bien à uneétape de développement inhabituelle.

dans le modèle d’E. Cohen et E. Meyerovitz, seraituniquement de spécifier l’identité du méristème floralet de réprimer l’action des gènes C dans les verticillesexternes, sans avoir de réelle fonction homéotique.Certains n’hésitent pas à proposer un modèle revisitéde type (A)BCE (Heijmans et coll. ; 2012).En revanche, il est prouvé que les gènes des classesB et C sont extrêmement bien conservés comme l’illustrentcertains travaux remarquables sur des plantesnon modèles. Par exemple, chez les angiospermes lesplus primitives, comme les nénuphars (nymphéacées),les gènes de la classe B possèdent un profil d’expressionplus large s’étendant dans le premier verticille, cequi explique l’existence de tépales, organes hybrides etsimilaires dans les verticilles 1 et 2. Un autre exempleconcerne la monocotylédone Lacandomia schismatica: il s’agit de la seule plante parmi les quelque300 000 espèces d’angiospermes recensées, où la fleur,hermaphrodite, présente un androcée central entouréd’un gynécée périphérique. Des études moléculairesont montré qu’il s’agit d’un mutant homéotique oùABC est devenu ACB (Garay-Arroyo et coll. ; 2012).On peut également citer les travaux sur l’architecturedes fleurs de cornouiller (Cornus), qui ont montré quela transformation des bractées en des organes sépaloïdesest due à une expression anormale de gènes desclasses A et B dans ces organes (Feng et coll. ; 2012).Un autre exemple concerne les travaux menés parl’équipe de M. Bendahmane à l’Université de Lyonsur les processus de domestication des fleurs doubleschez les rosiers (Dubois et coll. ; 2010). L’analyse cytologiquedes zones du méristème floral dans lesquellesva s’accumuler le produit d’un homologue du gèneAGAMOUS chez des ancêtres sauvages et leurs descendants,a démontré l’existence d’une corrélationentre le nombre de pétales des fleurs et la présenced’AGAMOUS : ceci confirme des observations préalablesconférant aux gènes de la classe C, en plus deleur rôle « identitaire», un rôle dans le caractère déterminéde la fleur. En analysant le profil d’action deshomologues d’AGAMOUS chez des ancêtres sauvagesissus soit du bassin périméditerranéen (R. gallica) soitd’Asie (R. chinensis), cette étude démontre égalementque ce même événement génétique a été sélectionnéindépendamment et en parallèle au cours de la domesticationdes roses, dans des régions géographiquementéloignées.La morphogenèse florale n’est pas uniquement déterminéepar l’identité des différents organes floraux,mais également par la forme d’un même type d’organequi peut varier en fonction de sa position. Si tous lesmêmes types d’organes floraux ont la même forme,la fleur présente une symétrie axiale, elle est actinomorphe.Chez d’autres fleurs, les pétales ou les sépalespeuvent avoir des formes différentes selon leur position,résultant en une symétrie bilatérale, dans ce cason parle de fleurs zygomorphes. L’identification demutants où des fleurs zygomorphes sont transforméesen fleurs actinomorphes confirme que ce caractère estsous contrôle génétique (Figure 2). C’est Carl Von Linné(ou plutôt un de ses étudiants, Magnus Zioberg) qui,au milieu du XVIII e siècle, remarque pour la premièrefois une telle transformation chez la linaire commune(Linaria vulgaris) et lui fait dire : « ce n’est certainementpas moins remarquable que si une vache avaitdonné naissance à un veau à tête de loup ». Ébranlédans ses certitudes, considérant que les espèces présentesdans la nature ont été créées uniquement parDieu et n’ont pas varié depuis, devant cette nouvelleespèce impossible à classer, Linné la baptise Peloria, cequi signifie monstre en grec. Aujourd’hui, les mutantsde ce type sont qualifiés de péloriques.Il fallut attendre les années 2000 pour que les généticiensP. Cubas et E. Cohen démontrent que laforme Peloria est due à une mutation dans le gèneCYCLOIDEA (CYC) identifié grâce à des mutants similaireschez A. majus (Cubas et coll. ; 2001). Ceci leur apermis de décrypter les bases génétiques de la zygomorphie,impliquant l’action de deux facteurs CYCet DICHOTOMA (DICH) qui fonctionnent de façonpartiellement redondante pour spécifier l’identitédorsale au sein de la fleur. La fleur de muflier présenteune asymétrie à la fois pour les pétales et les étamines.Le deuxième verticille de chaque fleur est composéde deux pétales dorsaux, de deux pétales latéraux etd’un pétale ventral. Dans le troisième verticille, sedéveloppent deux étamines latérales et deux étaminesventrales. En position dorsale, l’unique étamine estréduite à un staminode. Les disparités entre les différentstypes de pétales en fonction de leur position dansle verticille sont dues à des variations dans le nombreet la forme des cellules de ces organes. Les deux gènesCYC et DICH sont activés très tôt au cours de l’élaborationde la fleur au niveau de la région dorsale. Unede leurs fonctions est de réguler négativement des facteursdu cycle cellulaire afin de réduire le nombre dedivisions cellulaires et donc la croissance des pétalesdorsaux qui, par conséquent, seront plus petits etdissymétriques par rapport aux autres pétales.17

18Ainsi, les fleurs du double mutant CYC DICH sonttotalement ventralisées, avec des pétales dorsaux etlatéraux identiques aux pétales ventraux de la plantesauvage et des étamines dorsales fertiles.L’événement initial de cette voie de signalisation estdonc l’expression dorsale du gène CYC, suggérant que,avant même l’élaboration des primordiums des futurspétales, le méristème s’oriente selon l’axe inflorescentiel-bractée.Ceci a été confirmé par des expériencesd’ablation de la partie dorsale du méristème floral quiaboutissent également à une radialisation des fleursindiquant qu’un signal mobile est en jeu. Il s’agit sansdoute de l’auxine, une phytohormone, puisque sonapplication localisée au niveau du méristème permetégalement une radialisation des fleurs.De même que pour les gènes du modèle ABCE, les donnéesexponentielles de séquençage des génomes ontpermis d’identifier des homologues des gènes CYC/DICH (nommés CYC-like) chez la plupart des espècesanalysées. L’étude de la morphogenèse florale est particulièrementintéressante d’un point de vue évolutifet elle s’inscrit parfaitement dans les démarches dites« EVO-DEVO » consistant à étudier la mise en placed’un caractère au cours de l’évolution pour mieuxl’appréhender. Les études qui ont tenté d’éluciderles caractères floraux des premières angiospermesont conclu que les fleurs ancestrales étaient actinomorphes.Des analyses phylogénétiques ont prouvé quela zygomorphie est un caractère adaptatif très importantqui a évolué plusieurs dizaines de fois de façonindépendante et sans doute de façon conjointe avecdes pollinisateurs spécialisés, dans le but d’augmenterla précision du dépôt du pollen et ainsi l’efficacité dela pollinisation croisée (Citerne et coll. ; 2010). Il fautnoter également qu’aucun mutant zygomorphique n’aété identifié au sein d’espèces actinomorphes, suggérantqu’il s’agit de voies de régulation multigénétiquescomplexes, où de nombreux facteurs sont impliqués,et qu’elles ont été mises en place graduellement aucours de l’évolution.Ainsi, derrière l’apparente diversité des structures secachent des mécanismes moléculaires similaires, responsablesde la mise en place et de la forme des fleurs.Il est évident que de multiples facteurs agissent en avalafin de façonner les organes floraux et de leur donner,aux pétales en particulier, leurs couleur, forme et parfum.L’objectif aujourd’hui est justement d’identifier lescibles moléculaires de ces gènes « maîtres » grâce auxprogrès technologiques qui ont permis l’émergence denouvelles stratégies (génomique, transcriptomique ouencore protéomique) qui autorisent désormais, à untemps donné, une vision globale de l’ensemble des processusmoléculaires dans un organe ou un organisme.Les premiers travaux laissent deviner un gigantesqueréseau de réactions interdépendantes, rétroactives ouencore redondantes, intimement liées avec d’autresétapes du développement grâce à l’action d’intégrateurscommuns (Wuest et coll. ; 2012). Les défisd’aujourd’hui et de demain, grâce aux approches deséquençage de plus en plus rapides et aisées, consistentégalement à explorer d’autres génomes que celui desplantes modèles historiques (A. thaliana et A. majus)pour peut-être découvrir de nouvelles voies chez desespèces dont l’architecture florale est plus complexe.Références bibliographiquesCausier B, Schwarz-Sommer Z, Davies B. 2010. Floralorgan identity: 20 years of ABCs. Seminars in Cell &Developmental Biology. 21: 73-79.Citerne H, Jabbour F, Nadot S, Damerval C. 2010. Theevolution of floral symmetry. Advances in BotanicalResearch. 54: 85-137.Coen ES & Meyerowitz EM. 1991. The war of thewhorls : genetic interactions controlling flower development.Nature 353: 31-7.Cubas P, Coen E, Zapater JM. 2001. Ancient asymmetriesin the evolution of flowers. Curr Biol. 2001 Jul 10;11(13) : 1050-2.Dubois A, Raymond O, Maene M, Baudino S, LangladeNB, Boltz V, Vergne P, Bendahmane M. 2010. 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