Les cellules méristématiques

Chez les Embryophytes, un nouvel embryon est constitué de cellules presque semblables les unes aux autres, qui se divisent activement. Cette activité de division cellulaire va ensuite plus ou moins s'estomper, et se limiter à certaines cellules, les cellules méristématiques. Ces cellules gardent des caractères embryonnaires et constituent des foyers de prolifération active et coordonnée ou méristèmes. Le fonctionnement des méristèmes se maintient pendant toute la vie de la plante, lui conférant une sorte d'embryogenèse indéfinie.

Les méristèmes sont de deux types. Les méristèmes primaires, présent chez toutes les plantes et apparaissant en premier, sont situés à l'extrémité des tiges et des racines où ils construisent la structure primaire de la plante et sont responsables de sa croissance en longueur. Ultérieurement, des méristèmes secondaires, ou zones génératrices, peuvent entrer en action et être à l'origine d'une nouvelle croissance, essentiellement en épaisseur et surtout importante chez les végétaux arborescents et ligneux.

En proliférant, ces cellules construisent des organes dans lesquels se mettent en place les tissus qui sont des populations cellulaires modifiées assurant des fonctions spécifiques. Elles sont organogènes, ce qui représente une énorme potentialité : elles sont à l'origine de l'ensemble des unités successives de l'organisme.

Détermination et différenciation

Le processus de différenciation cellulaire comprend deux étapes essentielles : la détermination et la spécialisation.

La détermination est le processus par lequel les cellules sont orientées dans une séquence d'événements représentant le début de la différenciation. La cellule méristématique va connaître des événements nouveaux pour sortir de son état totipotent, sans toutefois qu'une voie de différenciation précise ne soit encore observable. C'est en quelque sorte une période transitoire d'orientation du devenir cellulaire.

Dans un second temps, elles acquièrent des différences structurales et fonctionnelles durables : elles sont entrées en différenciation. Cette différenciation correspond à une division du travail physiologique. Elle est inhérente à la construction d'un organisme pluricellulaire intégré, et au cours de l'évolution, elle prend une place progressivement de plus en plus nette et importante. Aujourd'hui encore, elle est absente ou très discrète chez certains végétaux primitifs (cas d'algues formant des colonies isocellulaires). La différenciation se développe comme une conséquence directe du mode de vie communautaire et collectif des cellules.

Deux processus essentiels sont liés aux manifestations de la cytodifférenciation :

- l'établissement de phénomènes de polarité qui se manifestent de multiples façons : mitoses orientées, ségrégation des organites, gradients intercellulaires, axe de croissance , etc. ;

- la mise en jeu d'une hiérarchisation intercellulaire, avec développement de corrélations soit stimulatrices, soit inhibitrices de l'expression des caractères différentiels (phénomène de dominance apicale). Toute perturbation de l'environnement cellulaire qui provoque un changement des corrélations peut aboutir à une levée des stimulations et des inhibitions locales et induire un changement de programme de différenciation. La cellule différenciée acquiert alors de nouveaux caractères structuraux et fonctionnels (programmation ou transdifférenciation) ou même régresse vers un état indifférencié ( dédifférenciation ).

Cela indique que l'état de différenciation d'une cellule adulte n'est pas définitivement acquis. Il reste largement le résultat d'un équilibre dynamique plus ou moins stable.

La différenciation a pour résultat une séparation dans le temps et dans l'espace d'activités physiologiques données (protection, soutien, transport, sécrétion, assimilation, etc.) définissant les principaux tissus végétaux. C'est un phénomène traversant l'organisme selon plusieurs niveaux d'organisation, de la population cellulaire à l'organite, avec comme terme initial le niveau moléculaire.

Fig. 1 - Différenciation de cellules à tanin (Rosa sp.) : coupe longitudinale d'une zone méristématiques caulinaire. On voit apparaître des groupes de cellules à tanin au sein du parenchyme de la moelle nouvellement formée.

Fig. 2 - Différenciation de trachéides (jeune feuille de Daucus carotta).

La possibilité pour la cellule d'assurer une fonction particulière résulte de modifications de certains de ses organites. Chez les plantes, ce sont précisément les trois organites caractéristiques de ce règne qui sont mis à contribution le plus largement : les plastes, les parois et les vacuoles.

Le processus de différenciation passe par une modification d'intensité variable des caractères initiaux des cellules embryonnaires et méristématiques

Dans les cas les plus discrets, cette différenciation ne s'exprime que par le démarrage de voies biochimiques aboutissant à la présence de composés, les métabolites secondaires, qui n'étaient pas présents à l'état initial. Dans ces cas, la différenciation aboutit à la création de petits amas cellulaires isogéniques et dispersés dans l'organisme (fig. 1).

Dans les cas ou l'intensité du phénomène est plus importante, on observe une multiplicité des transformations, ces dernières pouvant être radicales : création de nouveaux éléments cellulaires (armature des trachéides, fig. 2), destruction de domaines cytoplasmiques (dégénérescence du noyau lors de la formation des cellules criblées), résorption totale du contenu cellulaire (formation des cellules des vaisseaux, ne devenant opérationnelles qu'après leur mort).

Les cellules méristématiques présentent une morphologie et une organisation caractéristiques. Petites, étroitement engrenées et plus ou moins isodiamétriques, leur noyau occupe un volume plus important que la normale, ce qui, associé à un cytoplasme très dense et riche en ribosomes, signifiant un important potentiel d'activité génique. Les organites tels que les mitochondries et les proplastes y sont peu structurés. Les parois cellulaires sont fines, traversées par de très nombreux plasmodesmes.

Fig. 3 - Différenciation cellulaire progressive et orientée dans la région apicale d'une racine.

Les cellules méristématiques secondaires ou cellules cambiales sont vacuolisées et prolifèrent de façon orientée en donnant les tissus secondaires, tels que bois, liber, liège, phellogène. Les potentialités de ces cellules sont plus limitées : elles sont uniquement histogènes.

La différenciation cellulaire, plus étendue chez les végétaux que chez les animaux, fait intervenir principalement les organites spécifiques au règne végétal.

Au début du processus de différenciation, on observe une modification de la forme du noyau et une diminution de son volume. La membrane nucléaire accroît sa surface de contact avec le cytoplasme par lobulation. Le volume nucléolaire reste important et la demande en ARN paraît continue, car l'arrêt de la transcription par des inhibiteurs spécifiques arrête de façon quasi simultanée l'accroissement cellulaire.

Au cours de leur vie, les cellules méristématiques se divisent activement par mitose. Au commencement de la différenciation, elles bloquent le processus de réplication avant ou après la réplication de l'ADN.

Typiquement, les cellules diploïdes ont bloqué leur division en période de présynthèse, bien qu'il arrive parfois que ce blocage ait lieu en période de postsynthèse, ces cellules deviennent dans ce cas tetraploides. D'autres fois, des synthèses d'ADN continuent à se produire dans certains noyaux qui ne se divisent plus, et si la réplication est complète, les cellules correspondantes se retrouvent dans un état d'endopolyploidie, où elles possèdent 8, 16 ou plus lots chromosomiques.

Ces différentes voies de blocage de la réplication sont sûrement un moyen d'orientation de la cellule vers un type de différenciation par action sur le déclenchement de la croissance cellulaire. Par exemple, l'assise de cellules qui recouvre l'apex des racines est d'abord homogène et toutes ses cellules sont diploïdes. La mesure du taux d'ADN montre deux comportements dans les noyaux de cette assise : certains restent diploïdes, d'autres répliquent plusieurs fois leur ADN. Les noyaux diploïdes correspondent aux cellules de revêtement banales de la racine ; les cellules à noyaux polyploïdes subiront une croissance apicale considérable et se transformeront en poils absorbants. Toutefois, bien que le nombre de cellules polyploïdes dans les organes végétaux adultes soit souvent élevé, les relations de causalité directe existant entre état polyploïde et cytodifférenciation restent controversées.

Par la suite, lors de la structuration et de la morphogenèse, le noyau devra fournir une quantité d'ARN très importante : l'amplification des gènes pourrait satisfaire cette demande à venir. Ainsi, on a observé que l'ADN de certaines cellules diploïdes ou tetraploides ne se serait pas répliqué en totalité comme dans la polyploïdie. Les états de diploïdie et de tetraploidie serait de ce fait des états polyploïdes incomplets. Dans ce cas, il semble que la fraction répliquée le soit intensément : elle pourrait correspondre à la répétition de gènes particulièrement actifs dans ces cellules et spécialement à ceux codant pour les ARN ribosomiens.

Les cellules méristématiques possèdent une vacuole quasi-absente. La vacuolisation est un phénomène morphologique et fonctionnel caractéristique du début du processus de différenciation.

Difficilement observable, la vacuolisation semble débuter avec la formation d'un réseau de microtubules, donnant naissance à des vésicules se dispersant dans tout le cytoplasme. Ces vésicules croissent et finissent par fusionner pour occuper une grande partie du volume intracellulaire. C'est à ce moment qu'apparaît leur paroi simple : le tonoplaste. C'est aussi dans de jeunes vacuoles qu'ont été observés de grandes concentrations d'enzymes lytiques, enzymes associées à des phénomènes de digestion. D'ailleurs, des processus d'autophagie ont nettement été mis en évidence. La jeune vacuole est en quelque sorte un système intracellulaire digestif, ce qui conduit à les rapprocher du système lysosomal des cellules animales.

Dans un second temps, le volume vacuolaire augmente fortement son volume, et acquiert son rôle double d'épuration et de stockage. Les jeunes vacuoles ont un suc présentant un très grand nombre de solutés : par osmose, cette hyperconcentration provoque une entrée d'eau, plaçant la cellule en turgescence. Cette turgescence est particulièrement utile lors de la différenciation et de la morphogenèse : elle permet le maintien des jeunes organes encore dépourvus de tissus lignifiés.

Au cours de la différenciation, l'appareil de Golgi montre des périodes d'activité intenses mais épisodiques. Durant ces épisodes, les dictyosomes se multiplient activement et donnent naissance à d'autres vésicules riches en éléments élaborés variés. Ces produits sont destinés à être largués dans le cytoplasme, dans la vacuole par secrétion endocytaire ou à la surface de la cellule, par secrétion exocytaire. Des mécanismes d'aiguillage, très partiellement connus mais faisant très probablement des éléments membranaires spécifiques, comme les lectines, signaux et récepteurs permettant leur identification, sont alors nécessaires. C'est ainsi que les membranes se transforment et se différencient, avant d'acquérir une structure analogue au plasmalemme avec lequel elles finissent par fusionner.

Les plastes vont aussi subir un processus de différenciation, mais dans lequel, cette fois, l'environnement prendra une place particulièrement importante. Les proplastes deviennent de cette façon des chloroplastes dans les zones de croissance éclairées, et cette transformation est accompagnée d'une importante synthèse d'enzymes intervenant au cours de la photosynthèse et de la fixation du CO₂, enzymes quasi absentes des cellules méristématiques

Des proplastes placés à l'obscurité évoluent en étioplastes, dépourvus de ces enzymes. Leur éclairement provoque la différenciation de thylacoides et la synthèse du cortège enzymatique associé. Le processus de différenciation met donc ici en jeu une photorégulation.

La différenciation cellulaire s'accompagne d'une augmentation parfois très importante de la surface cellulaire. Cette croissance est parfois orientée, à cause d'une croissance différentielle de la paroi. A ce stade du processus, la paroi cellulaire est encore mince : elle est qualifiée de paroi primaire. Elle est suffisamment élastique pour autoriser la croissance et résistante pour assurer son rôle de soutien. De plus, par la lamelle moyenne, elle maintient une forte cohésion entre les différentes cellules, et, ainsi, empêche migrations cellulaires et glissements de feuillets rencontrés fréquemment dans le développement des animaux. De cette façon, la forme d'un végétal dépends essentiellement de l'orientation des axes de croissance cellulaire. C'est l'accroissement polarisé, sur place, des cellules qui est le responsable de la morphogenèse de la plante.

Chaque population cellulaire a un mode de croissance spécifique : certaines fois, elles restent sensiblement isodiamétriques, comme les cellules méristématiques, d'autres fois, elles ont une croissance apicale ou diamétrale, ou encore une croissance fortement anisotrope, où seules certaines faces cellulaires augmentent de surface.

Fig. 4 - Acquisition d'une polarité de croissance : passage d'une cellule isodiamétrique à un stade de croissance orientée dans une direction privilégiée.

La croissance cellulaire implique la réunion de deux conditions simultanées : un relachement de la trame molculaire de la paroi et une tension provoquant le glissement et l'écartement des mailles du réseau glucocellulosique. La première condition dépend d'une hormone de croissance, l'auxine ; la seconde condition résulte de l'action de diverses enzymes glucasaniques. Enfin, il faut aussi que la cellule secrète activement de nouveaux matériaux afin que sa paroi puisse-t-elle aussi croître parallèlement à l'augmentation de la surface cellulaire, et ne pas s'amincir excessivement.

Une fois le relâchement de la paroi effectif, son extension débute, à condition que la paroi soit sous tension. Cette tension est entretenue en permanence par le vacuome, par osmose et turgescence : les pressions osmotiques des cellules en cours d'accroissement sont très importantes. La forme cellulaire induit l'orientation des tensions exercées sur la paroi : elles sont identiques dans toutes les directions chez les cellules isodiamétriques, elles sont favorisées dans le sens de la longueur dans les cellules cylindriques.

Des mesures prises sur des zones d'accroissement de tissus linéaires (vaisseaux conducteurs, etc.), montrent que les pressions exercées sur les parois diminuent progressivement lorsqu'on s'éloigne de l'extrémité en croissance. Ceci pourrait être un moyen pour l'organisme de ralentir ou d'arrêter la croissance de cellules déjà différenciées.

Suivant le tramage de la paroi préférentiellement affecté par la croissance, l'étirement provoqué par la tension interne sera diversement orienté. L'architecture ordonnée de la paroi primaire et son relâchement différentiel permettent un contrôle continu de la forme de croissance. Les potentialités de croissance d'une cellule sont fixées pendant sa différenciation et dépendent directement de la façon dont sont secrétées et assemblées les unités structurelles de sa paroi.

Ces mécanismes variés et multiples impliqués dans la croissance cellulaire s'intègrent dans un processus commun : celui du flux membranaire et de ses deux composantes divergentes concourant à sa régulation. La première est la voie exocytaire, est orientée vers l'extérieur du cytoplasme et permet l'accroissement de la surface (plasmalemme et paroi). La seconde est la voie endocytaire, est tournée vers l'intérieur du cytoplasme et servant à l'entretien du système autolytique et vacuolaire (épuration et turgescence).

La fin de la phase d'accroissement cellulaire donne des cellules fortement vacuolisées possédant des plastes structurés et une paroi primaire relativement fine. Les cellules parenchymateuses ne dépassent pas ce stade morphologique de différenciation, leur spécialisation se trouvant au niveau des vacuoles et des plastes. Mais d'autres cellules continuent leur processus de différenciation, et deux possibilités se présentent.

Le cas le plus simple est celui ou toutes les cellules suivent la même voie de spécialisation : elles formeront un tissus homogène.

Le second cas est celui où mes cellules suivent des voies de spécialisation différentes : le tissus en formation sera hétérogène. Ainsi, les épidermes renferment des cellules de revêtement, des cellules stomatiques, des cellules tectrices, certaines protectrices, d'autres sécrétrices. Le phloème contient des cellules criblées conductrices, des cellules compagnes, des cellules parenchymateuses auxquelles s'ajoutent souvent des fibres de soutien, des cellules à cristaux, parfois des laticifères, etc.

Fig. 5 - Conséquence d'une mitose inégale chez une cellule en voie de différenciation.

Si dans les tissus animaux, la spécialisation est souvent acquise par l'élaboration et l'accumulation de protéines spécifiques, chez les végétaux ce phénomène ne s'observe que rarement (cas des cellules criblées du phloème), et la spécialisation est souvent acquise par l'élaboration de parois cellulaires très caractéristiques. C'est ce que l'on nomme différenciation pariétale.

De primaire, la paroi deviendra secondaire par ajout de nouvelles strates cellulosiques denses et de composés particuliers. Ces composés donnent des propriétés nouvelles aux cellules qui les synthétisent. L'élaboration de lignines, polyphénols incrustant certaines parois, est l'exemple type de cytodifférenciation végétale.

Le cas de la lignification

Les tissus ligneux, apparus avec les Cormophytes, permettent le renforcement important des tissus de soutien des végétaux et est responsable de leur port érigé, arbres et arbustes en particulier. La lignine ne se produit normalement que dans le xylème et le sclérenchyme, mais, à la suite d'événements particuliers environnementaux (blessures, attaques parasitaires ou mycosiques...), d'autres tissus peuvent aussi en produire. Inversement, des tissus producteurs de lignine peuvent en ralentir fortement l'élaboration en cas de conditions défavorables : les organes en manque de lumière sont étiolés et ne produisent presque pas de lignine. L'ensemble des cellules semble donc aptes à produire de la lignine, mais, en conditions normales, seules quelques-unes une le font effectivement. L'observation de la lignification dans des conditions environnementales contrôlées a montré que : la lumière, par action sur certaines enzymes, est simulatrice, tout comme la sécheresse, alors que l'humidité est inhibitrice.

Un autre exemple de différenciation pariétale est rencontré chez les cellules destinées à devenir des cellules épidermiques. Situées en contact avec le milieu extérieur aérien, ces cellules se caractérisent par la présence d'une cuticule, couche interface entre le végétal et le milieu extérieur, lui assurant une protection contre les agressions externes et une évaporation d'eau non contrôlée. Il a été montré que la cellule épidermique en cours de spécialisation acquiert l'ensemble des enzymes nécessaires à l'élaboration de la cuticule.

La vie de la cellule, après être passée d'un état embryonnaire à un état adulte spécialisé, s'achèvera avec sa sénescence et sa mort. Pour chaque type de cellule, seule une petite fraction du matériel génétique s'exprime. Mais l'ensemble des fractions génomiques utilisées pour tous les types cellulaires est présent mais non exploité chez toutes les cellules, et en particulier dans les cellules méristématiques On peut donc se demander :

- si l'information génomique non exprimée chez un type cellulaire a été altérée au cours de sa différenciation ;

- si le processus de différenciation est réversible.

Au sein de l'organisme, chaque cellule subit l'influence du milieu extérieur et des autres cellules. Il se crée un équilibre qui se trouve renversé en cas d'atteinte à l'intégrité de l'organisme. Il a été alors observé que les cellules spécialisées pouvaient localement modifier ses structures.

Par exemple, si on détruit par microchirurgie un fragment de faisceau conducteur, on observe d'abord une cessation de la circulation des sèves. Puis, les cellules bordant la zone traumatisée se différencient alors soit en cellules de xylème, soit en cellule de phloème, de telle façon que bientôt, le faisceau coupé redevient continu, et que les sèves se remettent à circuler. Des cellules déjà différenciées ont donc pu, à la suite d'une perturbation structurelle locale, reprendre leur division, établir une nouvelle zone de croissance qui a donné naissance à de nouveaux fragments de faisceaux conducteurs afin de rétablir la structure originelle.

La dédifférenciation est un rajeunissement cellulaire se traduisant en quelque sorte par la perte de sa spécialisation antérieure. Les cellules en dédifférenciation peuvent s'agencer en zones génératrices histogènes mais aussi aller jusqu'à s'organiser en méristèmes primaires néoformés. Ils sont à l'origine des organes adventifs, voire de plantes entières. C'est grâce à cette réversibilité entre état différencié et état indifférencié que la multiplication végétative, naturelle ou provoqué, se produit si fréquemment chez les végétaux.

Les processus intracellulaires mis en jeu lors de la dédifférenciation apparaissent comme une différenciation à rebours. Dans un premier temps, leur protoplasme perd les caractéristiques de leur différenciation initiale. Les réserves sont résorbées et les plastes régressent à l'état de plaste indifférencié. Au cours des divisions successives, les vacuoles se fragmentent et progressivement les cellules formées retrouvent des caractères de cellules embryonnaires.

Des expériences menées en culture in vitro ont montré depuis longtemps que des fragments d'organes pouvaient régénérer des plantes entières. On a aussi montré qu'une seule cellule transplantée, pouvait, en culture stérile, se diviser et reconstituer une plante complète. L'analyse a pu être menée plus loin puisque le protoplaste de diverses cellules a pu être sorti de la paroi et mis en culture. Le protoplaste régénère une paroi, se divise, donne un cal puis une plante entière.

Les cellules devenues différenciées ont donc gardé intact l'ensemble de leurs potentialités héréditaires, puisqu'elles peuvent régénérer un organisme complet. Elles sont totipotentes, ce qui les oppose aux cellules animales différenciées qui, mises en culture, régressent leur structure mais ne régénèrent pas un organisme complet.

La possibilité de dédifférenciation des cellules végétales prouve que la différenciation n'altère pas leur matériel génétique : les gènes restés muets après la différenciation peuvent à tout moment recommencer à s'exprimer si certaines conditions changent. Les phases de différenciation - dédifférenciation apparaissent donc comme des répressions - derépressions temporaires. Ce type de mécanisme est forcement régulé par des facteurs métaboliques pouvant être mis en oeuvre en réaction à un événement environnementale

Ces facteurs ne sont pas tous connus avec exactitude, mais il semblerait que certaines hormones seraient des régulateurs majeurs de ces phénomènes. De nombreuses expériences ont montré que ces composés hormonaux engageaient les cellules dans des voies de différenciation définies. Si certaines ont une action positive (l'auxine semble réguler l'expression des gènes, la gibbérelline favoriserait la synthèse de certaines enzymes...), d'autres ont une action inhibitrice (l'acide abscissique mise en présence de gibbérelline a l'effet inverse de cette dernière hormone).

La différenciation serait donc régulée par l'action d'une suite de signaux positifs et négatifs.

La culture in vitro a permis de réaliser d'autres expériences, montrant que des cals mis en culture sur des substrats dont les proportions en diverses hormones et en différents éléments nutritifs présentaient des signes de différenciation différents. La différenciation n'est donc pas régulée par une substance qui posséderait un pouvoir de détermination histogénétique, mais par un ensemble de substances et de leurs proportions respectives. Dans les conditions naturelles, il semble que la cytodifférenciation soit contrôlée de façon essentielle par le jeu subtil des gradients nutritifs et hormonaux.