Tuesday, October 15th, Bâtiment Condorcet, 10 rue Alice Domon et Léonie Duquet, 75013 Paris.

PhD defense of Thomas Alline

Mechanobiology of root hair cell growth

Supervised by Atef Asnacios (Physique du vivant, MSC)

Abstract:

Root hairs are cylindrical protrusions that grow from a root epidermal cell. These protrusions allow the root to increase its surface of exchange with the soil, in particular increasing nutrients absorption. They also exhibits a highly polarized tip-focused growth, called tip-growth. It allows the cell to explore and invade the soil. When penetrating the soil, which is a complex granular medium, the root hair is submitted to mechanical constraints resisting its elongation. We are thus studying the effects of mechanical constraints on root hair growth. First, using custom-made glass cantilevers, we developed an experimental method allowing us to apply controlled forces on the tip of a growing root hair. Using a feedback loop to decouple the applied force from the cell elongation, we were able to characterize the effect of a constant force. Then, we studied root hair growth in agar gels of different concentrations to simulate the mechanical resistance of soils of increasing stiffness. A growth rate decrease is observed in stiff gels. The nuclear dynamics and its modulation by the mechanical resistance of the external medium is also quantified. This modulation could possibly be a first step of a mechanotransduction process. Finally, we focus on the cell wall mechanical properties, one of the important factors involved in growth regulation. We set up a method allowing us to quantify root hair cell wall properties in vivo. Using a glass micro-rod as a cantilever of calibrated stiffness, we quantified the cell wall elastic modulus and its evolution with the cell state of turgor. We also show that a variation of the mechanical resistance of the external medium results in the modification of the cell wall mechanical properties.

Résumé:

Le poil racinaire est une excroissance cylindrique allongée qui se développe à partir d’une cellule de l’épiderme de la racine. Cette excroissance permet d’explorer le sol et d’augmenter la surface d’absorption des nutriments par la plante. Cette cellule présente un mode de croissance particulier, appelé croissance apicale, caractérisé par une croissance localisée à l’apex de la cellule. Ce mode de croissance répond au besoin d’explorer un environnement grâce à une forte polarisation. La croissance du poil racinaire implique la pénétration dans le sol, milieu granulaire complexe qui exerce en retour des contraintes sur la cellule en croissance. L’influence des différentes contraintes mécaniques externes sur la croissance du poil racinaire est présentée. A l’aide d’un dispositif d’application de force, utilisant un cantilever et un système de rétroaction, l’effet d’une force axiale sur la croissance du poil racinaire est étudié. L’étude de la croissance du poil racinaire dans des gels d’agar de différentes concentrations, situation idéalisée de la croissance dans des sols plus ou moins durs, est ensuite présentée. Une réduction de la vitesse de croissance est observée dans les gels plus rigides. La dynamique nucléaire est aussi étudiée et est modulée par la résistance de l’environnement mécanique. Cette modulation apparaît comme un élément possible d’un processus de mécanotransduction. Enfin, la régulation des propriétés mécaniques de la paroi, facteur central de la régulation de la croissance et de son adaptation à l’environnement est étudiée. Une méthode permettant de quantifier, in-vivo, les propriétés mécaniques de la paroi de poils racinaires est présentée. En utilisant une micro-tige de verre comme cantilever, le module en flexion de la paroi et son évolution en fonction de l’état de pression de la cellule sont mesurés. Il est ensuite mis en évidence que la variation de la rigidité du milieu de croissance entraine une modulation des propriétés mécaniques de la paroi.