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Spatial accommodation during plant development - adding new pieces to the puzzle

English title Spatial accommodation during plant development - adding new pieces to the puzzle
Applicant Vermeer Joop
Number 197568
Funding scheme Project funding
Research institution Lab. de Biologie Moléculaire et Cellulaire Institut de Biologie Université de Neuchâtel
Institution of higher education University of Neuchatel - NE
Main discipline Embryology, Developmental Biology
Start/End 01.10.2020 - 30.09.2024
Approved amount 899'303.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Embryology, Developmental Biology
Cellular Biology, Cytology
Molecular Biology

Keywords (6)

lateral root; microtubules; mechanosensing; cellular communication; osmosensing; cell biology

Lay Summary (French)

Lead
L'adaptation spatiale pendant le développement des plantes - ajouter de nouvelles pièces au puzzleLe développement des plantes est un processus hautement coordonné et nécessite l'intégration de signaux biochimiques et physiques. Le système racinaire des plantes est crucial pour le développement car il fournit un ancrage et permet d'explorer l'environnement du sol pour trouver de l'eau et des nutriments. Ce projet vise à mieux comprendre comment les signaux biochimiques et physiques sont intégrés pendant le développement des plantes en utilisant la ramification des racines comme système modèle.
Lay summary

Projet et objectifs

Le développement des plantes nécessite l'intégration d'une pléthore de signaux. Ceux-ci peuvent être tant extrinsèques (par exemple le type de sol, les nutriments, la disponibilité en eau) qu'intrinsèques (par exemple l'expression des gènes, les hormones, la modification de la paroi cellulaire). La morphogenèse des plantes est entièrement déterminée par les taux de croissance locaux et les directions de croissance. Au fond, cela peut être réduit à la façon dont les cellules individuelles maintiennent et modulent leur forme pendant le développement et à la façon dont cela est coordonné avec les cellules environnantes. Les cellules végétales sont interconnectées par leurs parois cellulaires et la croissance dépend largement de l'interaction entre la pression de turgescence et la dynamique de cette matrice extracellulaire rigide. Cependant, nous ne comprenons toujours pas comment le contrôle du volume cellulaire et la mécanotransduction sont intégrés au cours des processus de développement qui nécessitent l'établissement d'une croissance différentielle en trois dimensions (3D). Les racines latérales proviennent d'un sous-ensemble de cellules péricycliques situées au plus profond de la racine principale et doivent surmonter les contraintes mécaniques fournies par les couches cellulaires superposées pour pouvoir émerger. Chez Arabidopsis thaliana, la communication entre ces deux couches cellulaires est essentielle pour la formation des racines latérales. Dans cette proposition, nous étudierons comment une famille de protéines associées aux microtubules et la phosphorylation locale des protéines fonctionnent pour intégrer les signaux biochimiques et mécaniques afin d'établir et de réguler la croissance différentielle en 3D. Nous avons conçu une série d'expériences sur Arabidopsis et les patènes de Phycomitrium moss. Les questions auxquelles nous cherchons à répondre permettront de faire progresser considérablement notre compréhension du développement des plantes en général, mais nous aideront également à élucider dans quelle mesure ces mécanismes sont conservés dans différentes lignées de plantes. Cette recherche apportera de nouvelles connaissances biologiques fondamentales sur la formation des organes qui seront d'intérêt pour l'ensemble du domaine de la biologie (végétale).

Direct link to Lay Summary Last update: 28.09.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
157524 Talking with the neighbours: Understanding spatial accommodation during plant development 01.10.2015 SNSF Professorships

Abstract

Plant development is a highly plastic process that, in order to properly function, requires the integration of a plethora of signals. These can be both extrinsic (e.g. soil type, nutrients, water availability) as well as intrinsic (e.g. gene expression, hormones, cell wall modification). Plant morphogenesis is entirely determined by local growth rates and growth directions. At its core, this can be reduced to how individual cells maintain and modulate their cell shape during development and how this is coordinated with the surrounding cells. Plant cells are interconnected through their cell walls and growth largely depends on the interplay between turgor pressure and dynamics of this rigid extracellular matrix. We still only marginally understand the molecular mechanisms plants have evolved to modulate cell volume and shape during development. Most knowledge on how plants integrate biochemical and mechanical signals during development comes from studies using epidermal layers due to their accessibility. However, we still do not understand how cell volume control and mechanotransduction are integrated during developmental processes that require establishment of 3-dimensional (3D) differential growth. Lateral roots originate from a subset of pericycle cells deep inside the main root, and need to overcome the mechanical constraints provided by the overlying cell layers in order to emerge. In Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) the communication between the pericycle and its direct neighbour, the endodermis, is essential for lateral root formation. Although cell volume regulation and mechanotransduction have been implicated in this process, mechanistic insights are still lacking. Using the pericycle/endodermis communication system, I and my team showed that both cell autonomous and non-cell autonomous auxin signalling regulate cytoskeleton reorganisation in order for the pericycle cells to undergo asymmetric expansion. However, one key piece to this puzzle is the lack of know regulators: we still do not know which proteins are regulating this process. In this proposal I and my team will investigate how a family of microtubule associated proteins and local protein phosphorylation cooperate to integrate biochemical and mechanical signals to establish and regulate 3D-differential growth. To this end I have designed a set experiments in Arabidopsis and the moss Phycomitrium patens (Physcomitrium) where we will use the latest innovative approaches, such as CRISPR/Cas9-mediated tissue specific mutations to create cell type or organ specific mutants and synthetic hormone signaling pathways. The questions I seek to answer will result in a great advancement of our understanding of plant development in general, but will also help us understand to what extent these mechanisms are conserved in different plant lineages. Beyond its importance for lateral root formation as an important agricultural trait, this research will provide general new fundamental biological insights that will be of interest to the whole field of (plant) biology. In particular for those investigating other developmental processes that heavily depend on communication with their surrounding tissue. These include the growth of pollen tubes and infection threads, the development of sclerenchyma fiber cells during wood formation, and also the intracellular accommodation of symbionts. As the process of lateral root formation prior to emergence can be considered a form of invasive growth, the findings of our work might also provide unique new insights into this process. In applied terms, this reverse engineering of these responses could provide a new strategy to make plants more resistant to the infection by different pathogens.
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