Des scientifiques de l’Institut des sciences et technologies de Nara (NAIST) ont utilisé la théorie de la coque élastique pour décrire comment la rigidité des parois cellulaires végétales dépend de leur élasticité et de la pression de turgescence interne. En utilisant la microscopie à force atomique (AFM) combinée à des simulations informatiques par éléments finis, ils ont pu montrer que la rigidité cellulaire est très sensible à la pression de turgescence interne.
Beaucoup de gens garderont de bons souvenirs de leurs années d’école en regardant des pelures d’oignon au microscope. Alors que les cellules individuelles auraient alors pu ressembler à de simples rectangles, la stabilité des cellules végétales reflète des combinaisons complexes de forces. En plus de la membrane cellulaire qui est similaire chez les animaux, les cellules végétales ont également une paroi cellulaire rigide qui assure l’intégrité structurelle. La turgescence, c’est-à-dire la rigidité normale des cellules due à la pression de son contenu, est également un facteur critique dans le maintien de l’équilibre avec l’environnement. Trop peu de pression peut faire rétrécir la cellule. Les cellules peuvent réguler leur pression de turgescence par des flux osmotiques qui tendent à équilibrer les concentrations de sel entre l’intérieur et l’extérieur de la paroi. Cependant, les propriétés mécaniques des cellules végétales qui en résultent restent nébuleuses. Par exemple, l’utilisation de l’AFM seul pour déterminer la rigidité de la déformation de la paroi cellulaire rend difficile la séparation des contributions de la tension de la paroi cellulaire, de la géométrie cellulaire et de la pression de turgescence.
Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par NAIST a utilisé des simulations de la méthode des éléments finis (FEM) pour vérifier une nouvelle formule basée sur la théorie de la coque élastique. Cela leur a permis d’interpréter la rigidité apparente observée à l’aide de l’AFM. L’équipe a étudié les cellules épidermiques de l’oignon, qui constituent un système modèle pour comprendre les propriétés physiques des cellules végétales. « L’examen des données de force par rapport à l’indentation a suggéré que les équations standard n’étaient pas suffisantes pour interpréter la rigidité apparente des cellules végétales », a déclaré l’auteur principal Yoichiroh Hosokawa.
Sur la base des simulations FEM, l’équation de la théorie de la coque élastique s’est avérée meilleure pour décrire la réponse AFM des cellules d’oignon, par rapport au modèle conventionnel utilisé pour les objets sans pression de turgescence interne. De plus, leurs résultats suggèrent que la tension causée par la pression de turgescence régule la rigidité cellulaire, qui peut être modifiée par de légers changements, de l’ordre de 0,1 mégapascal. « Notre analyse théorique ouvre la voie à une compréhension plus complète des forces inhérentes à une cellule végétale », déclare Hosokawa.
Le travail aide à généraliser notre compréhension de la rigidité des systèmes vivants. Ces connaissances peuvent être appliquées pour s’assurer que les plantes maintiennent leur structure même dans des situations stressantes, comme pendant les périodes de privation d’eau.
La recherche a été publiée dans Rapports scientifiques.
Satoru Tsugawa et al, La théorie de la coque élastique pour la rigidité de la paroi cellulaire végétale révèle les contributions de l’élasticité de la paroi cellulaire et de la pression de turgescence dans la mesure AFM, Rapports scientifiques (2022). DOI : 10.1038/s41598-022-16880-2
Fourni par l’Institut des sciences et technologies de Nara