Contraintes mécaniques et topologie tissulaire : reconstructions numériques de tissus végétaux multicouches pour des simulations morphomécaniques

Résumé de la thèse

La morphogenèse, processus par lequel les organismes acquièrent leur forme et leur taille, constitue une question centrale de la biologie du développement. Les contraintes mécaniques y jouent un rôle déterminant. Chez les plantes, ces forces, supportées par les parois cellulaires, émergent à la fois de la géométrie tissulaire et de la croissance cellulaire.
La topologie du tissu, déterminée lors des divisions cellulaires, module la répartition des contraintes : les différences de propriétés mécaniques entre cellules et couches adjacentes génèrent des interactions mécaniques dont la résolution conditionne l’émergence de formes complexes.

Dans les tissus internes des organes en développement, ces contraintes ne peuvent être quantifiées directement par voie expérimentale. La simulation mécanique offre une alternative prometteuse, dont la pertinence repose toutefois sur la précision et la robustesse de la représentation numérique sous-jacente. Au cours de cette thèse, des protocoles expérimentaux et des méthodes numériques ont été développés afin de générer des reconstructions tissulaires de haute qualité, compatibles avec la méthode des éléments finis (FEM), tout en préservant la géométrie cellulaire et la topologie des tissus. Cette approche interdisciplinaire mobilise les avancées récentes en transparisation et en imagerie confocale, ainsi que de nouveaux développements en traitement d’image, génération de maillages et simulations mécaniques. Elle a été appliquée à deux systèmes complémentaires chez Arabidopsis thaliana : le cortex racinaire, aux échelles cellulaire et subcellulaire, et l’enveloppe de la graine, aux échelles tissulaire et de l'organe.

Afin d’évaluer le rôle de la topologie locale au sein des cellules corticales racinaires, un protocole d’analyse d’image a été mis en place. Il a permis de caractériser la formation des jonctions cellulaires et d’obtenir des simulations FEM fiables à l'échelle subcellulaire. Ces simulations révèlent la distribution locale des contraintes à proximité des jonctions, distribution qui pourrait être déterminante pour éviter la formation de configurations topologiquement instables.

La représentation des tissus végétaux est approfondie dans une seconde partie à travers la reconstruction numérique tridimensionnelle des couches de l’enveloppe de la graine à une résolution cellulaire. Le concept de complexes simpliciaux a été exploré afin d'abstraire la topologie d'organes multicouches, reflétant la discrétisation naturelle de certains tissus végétaux. Les modèles générés mettent en évidence des différences géométriques entre couches cellulaires de l'enveloppe et constituent une base adaptée à la résolution de problèmes biomécaniques.

Morphogenesis, the mechanism by which organisms acquire their shape and size, remains a major developmental question. In particular, mechanical stresses have been recognized to play a major role during this process.
In plants, these forces are borne by cell walls and emerge from both tissue geometry and cell expansion. The tissue topology, specified during cell division, is determinant for the repartition of stresses : differences in mechanical properties among adjacent cells and tissues generate mechanical interactions whose resolution gives rise to complex organ shape.

In developing inner tissues, stresses are currently not directly quantifiable experimentally. Mechanical simulation presents a promising alternative; however, its relevance depends on the accuracy and robustness of the underlying digital structure.
During this thesis, experimental protocols as well as numerical methods were developed to produce high-quality tissue reconstruction, compatibles with finite element methods (FEM) and preserving cell geometry and tissue topology. The interdisciplinary approach relies on recent advances in tissue clearing, confocal imaging, and developments in image processing, mesh generation and mechanical simulations. It applies to two complementary systems in Arabidopsis thaliana: the root cortex at the cellular and
subcellular scales, and the seed coat at the tissue and organ scales.

To assess the role of local topology in root cortical cells, an image analysis protocol was developed. It enabled the characterisation of cell junction formation and generation of reliable FEM simulations at subcellular resolution. Those highlight the local stress distribution in the vicinity of cellular junctions, which could be decisive in preventing the formation of topologically unstable junctions.

The representation of plant tissues was further investigated in a second part through the three-dimensional numerical reconstruction of seed coat layers at cellular resolution. The concept of simplicial complexes was explored to abstract the topology of multilayered organs, thereby reflecting the natural discretisation observed in certain plant tissues. The resulting models uncover geometric distinctions between the cellular layers of the seed coat and provide a basis for addressing biomechanical problems.