Nutrition minérale chez les plantes - Laboratoire de Glycobiologie et

La nutrition hydrique et minérale
chez les plantes
partie 1/2
L2 SVT/EBO
L2 B2MCP
Dr A. LEHNER
2014
Laboratoire de Glycobiologie et Matrice Extracellulaire Végétale
1.
Le sol, l’eau et les ions
1.1. Le sol
–
Constitution
–
Propriétés des colloïdes
1.2. L’eau du sol
–
Teneur en eau, eau libre et eau liée
–
Potentiel hydrique
1.3. L’absorption de l’eau
–
Localisation (racine, poils absorbants)
–
Les mécanismes de l’absorption (diffusion, aquaporine)
1.4. Les éléments minéraux
–
Composition minérale des végétaux
–
Importance des minéraux, rôles métaboliques, symptômes de carence
–
L’absorption des ions et le transport des ions au niveau cellulaire (canaux
ioniques)
–
–
Les éléments bénéfiques
Les végétaux hyperaccumulateurs
2. Transport de l’eau et des minéraux dans la plante
2.1. Cheminement radial de l’eau et des ions
- Voie apoplasmique
- Voie symplasmique
- La bande de Caspary
2.2. Transport vertical de l’eau et des ions (sève brute)
- La poussée radiculaire
- La capillarité
- La transpiration foliaire
2.3. Anatomie de la conduction de l’eau
2.4. Structure, fonctionnement et rôle des stomates
1.1. Le sol – Constitution
Composition volumique des sols
Composition volumique des sols
Structure et propriétés des sols
Les sols homogènes sont classés selon la nomenclature internationale en :
graviers et pierres :
sables grossiers :
sables fins :
limons grossiers :
limons fins
Argiles
d  2 mm
d  0.2 à 2 mm
d  0.05 à 0.2 mm
d  20 à 50 µm
d  2 à 20 µm
d  2 µm
La fraction fine est constituée d’argile colloïdale
Particules de + de 50 µm : friable mais retient mal l’eau (sèche rapidement)
perte minéraux par lessivage
Particules  2 µm :
très bonne rétention de l’eau, mais problèmes de
durcissement ou de saturation en eau (hypoxie)
On considère qu’un sol idéal devrait contenir :
40% de graviers et sables
40% de limons
20% d’argile (fraction fine)
Propriétés des colloïdes
La fraction fine, l’argile, est constituée d’argile colloïdale.
Les colloïdes jouent un rôle
plantes
important dans la nutrition minérale des
Qu’est ce qu’un colloïde ?
Macromolecules, Hydrophiles
1.Les argiles colloïdales : essentiellement des silicates
d’alumine comme la kaolinite, une des argiles les plus simple
Al2Si2O5(OH)4
2.Les résidus carbonés colloïdaux : l’humus. L’humus provient
de la dégradation de la matière organique du sol par les
facteurs climatiques et les microorganismes.
Propriétés des colloïdes
Pourquoi un tel intérêt pour les colloïdes?
1. Leur surface spécifique est très étendue.
Surface spécifique : étendue de surface par unité de masse
2. Les colloïdes sont chargés négativement et sont capables de lier l’eau et des
cations à leur surface
Les colloïdes constituent donc une surface d’échange avec les éléments minéraux
Propriétés des colloïdes
Les interactions des colloïdes avec l’eau et les minéraux
1. Interaction avec l’eau du sol
Il se forme une couche d’hydratation sur les colloïdes
2. Interaction avec les ions du sol
Les charges négatives des colloïdes peuvent aussi attirer les cations.
Les interactions avec les ions varient selon les séries lyotropiques.
L’affinité de la liaison dépend de la nature de l’ion considéré (trivalent,
bivalent, monovalent), mais aussi de la taille relative de l’ion considéré.
Ainsi l’affinité des principaux cations est la suivante:
Al3+ > H+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ = NH4+ > Na+
Propriétés des colloïdes
H+
H+
H+
H+
Ca2+
Ca2+
Ca2+
K+
K+
Colloïde du sol
H+
H+
Chargé négativement
Mg2+
Acidification du sol
Mg2+
Ca2+
Ca2+
K+
Mg2+
K+
H+
K+
Propriétés des colloïdes
Les amendements calcaires ou magnésiens, permettent de redresser le pH du sol.
L’affinité du Ca2+ et du Mg2+ est proche de celle des ions H+. Un apport en quantité
de ces ions permet leur fixation sur les colloïdes à la place des ions H+
Le fumier représente aussi un bon amendement. Il apporte des cations (Ca2+) et de
la matière organique (acide humique). L’acide humique, les ions calciques et les
argiles forment alors des complexes argilo-humiques très stables.
Les colloïdes représentent donc, avec l’eau du sol, un
constituant essentiel à la bonne absorption des minéraux par
les végétaux.
1.2. L’eau du sol
Dans le cas de la nutrition des végétaux, il convient de bien comprendre la
différence entre la teneur en eau d’un sol et la disponibilité en eau du sol pour
les plantes.
Il convient donc de définir correctement la teneur en eau d’un sol et le
potentiel hydrique de l’eau
1. La Teneur en eau, eau libre et eau liée
Mesure de la teneur en eau : Technique
Biais
Concept eau libre eau liée, courbe de sorption
Teneur en eau (% MS)
I
II
III
I : Eau fortement liée
II : Eau moyennement liée
III : Eau libre
0
20
40
60
80
100
Humidité relative (%)
A chaque état de liaison de l’eau, correspond une énergie de libération.
L’enthalpie de sorption ΔHsorp correspond à la quantité de chaleur à fournir pour
rompre les liaisons intermoléculaires retenant l’eau dans un état condensé (lié).
Cette enthalpie de sorption est quantifiable en utilisant l’équation de Clausius
Clapeyron et les analyses de Van’t Hoff (Eira et al., 1999).
Equation de Clausius Clapeyron
δ ln (HR/100)
ΔHsorp
=
δ (1/T)
T : température en K
HR : Humidité relative à une teneur en eau donnée (cf sorption)
ΔHsorp : Enthalpie de sorption en kJ mole d’eau-1
R : Constante des gaz parfaits (8.314 J mol-1 K-1)
R
A une teneur en eau donnée, la courbe exprimant ln (HR/100) / (1/T) donne une
droite dont la pente est égale à ΔHsorp / R. L’analyse de Van’t Hoff consiste à
exprimer ΔHsorp à partir de sorption réalisées à différentes températures.
Enthalpie de sorption (kJ mol H20-1)
Ceci permet de tracer la courbe représentant l’enthalpie de sorption en fonction
de la teneur en eau
Le point d’inflexion de la courbe
correspond à l’eau liée
Teneur en eau (% MS)
L’existence de variation d’énergie nécessaire pour libérer les molécules
d’eau est à l’origine de la notion de potentiel hydrique.
L’eau n’est pas libre dans le sol mais soumise à des
interactions plus où moins fortes avec les molécules
avoisinantes
Quelles sont donc les forces qui déterminent les valeurs
du potentiel hydrique
2. Le potentiel hydrique
Le potentiel hydrique traduit l’état de liaison de l’eau du
sol ou la quantité d’énergie qu’il faudrait fournir pour
l’extraire du sol.
Le potentiel hydrique comprend plusieurs composantes, chacune liée à une force
agissant sur l’eau qui modifie son énergie par rapport à celle de l’eau libre et pure.
Ces champs de forces sont dus principalement à :
La gravité : le potentiel gravitationnel
L’attraction de l’eau par la matrice solide : le potentiel matriciel
La présence de sels (ions) : le potentiel osmotique
L’expression du potentiel hydrique est donc la suivante
µeau = µmat + µosm
Où
µ = RT ln a
R : constante des gaz parfaits J mol-1 K-1
T température en K
a = l’activité de l’eau. Valeur comprise entre 1 (eau libre) et 0 (eau totalement liée).
Cette valeur de l’activité de l’eau provient des courbes de sorption et de
l’humidité relative obtenue à une teneur en eau donnée.
Théoriquement, le potentiel hydrique est exprimé en J mol-1. (cf formule cidessus). En pratique on l’exprime non plus en unité de mole mais en unité de
volume en intégrant le Volume molaire de l’eau Vmol = 18 10-6 m-3 mol-1.
Potentiel est toujours négatif puisque a est compris entre 0 et 1
Cette expression du potentiel hydrique est représentée ainsi
ψeau = µeau / Vmol
Où
Vmol = 18 10-6 m-3 mol-1
Le potentiel hydrique prend alors la dimension d’une pression est exprimé en J m-3.
1 J m-3 est équivalent à 1 Pascal (Pa)
Le potentiel hydrique est donc exprimé la plupart du temps en MPa ou en bar (1 bar = 0.1 MPa)
Nom
pascal
Symbole
Pa
Équivalence
≡ 1 N/m2
millimètre de mercure
mmHg
≡ 1 torr ≈ 1 mm × 13 595,1 kg/m3 × gn ≈ 133,322 368 421 Pa
millimètre d'eau
mmAq; mmH2O
≡ 1 mmAq = 9.80665 Pa
torr
Torr
≡ 101 325/760 Pa ≈ 133,322 368 421 Pa
bar
atmosphère
atmosphère technique
bar
atm
at
≡ 100 000 Pa
≡ 101 325 Pa
≡ 98 066 Pa
Le potentiel hydrique exprimé en unité de pression (MPa, ou bar) permet
d’appréhender plus facilement le concept de potentiel et son effet physique :
l’attraction de l’eau.
Un sol ayant un potentiel hydrique de -1 MPa équivaut à dire que le sol exerce
sur l’eau une succion de +1 MPa soit 10 bars
La succion S équivaut à – ψ.
A retenir : bien qu’exprimé avec les dimensions d’une pression, le potentiel
hydrique traduit un état énergétique.
La composante principale qui entre en compte dans le calcul du potentiel
hydrique du sol reste le potentiel matriciel, donc l’attraction de l’eau par les
colloïdes.
1.3. L’absorption de l’eau
1. Localisation de l’absorption
Hilda Rosene, 1950
Plantules de radis
L’absorption de l’eau par les racines est réalisée au niveau des poils absorbants
Les poils absorbants
Sont situé à proximité de l’apex racinaire
Racines latérales
Zone de subérisation et
de lignification
Poils absorbants
Zone de croissance
et de différenciation
Faible absorption
Zone d’absorption
maximale
Zone d’élongation
Coiffe
Zone meristématique
Relativement
imperméable à l’eau.
Absorption faible
Les poils absorbants se différencient à partir de
la zone pilifère
Possède une paroi fine
Mesurent entre 0.1 et 10 mm selon les espèces
et les conditions environnementales
Rhizoderme, assise pilifère
Pour un diamètre
moyen de 10 µm
La présence de poils absorbant permet d’augmenter considérablement la surface
d’échange avec le sol
Toutes les plantes ont-elles des poils absorbants ?
Chez la plupart des arbres il n’y a pas ou peu de poils absorbants
L’absorption de l’eau est facilité par la présence de mycorhizes, formés par des
mycéliums de champignons symbiotiques
Tuber melanosporum (Truffe) sur chêne
Boletus luteus (Bolet) sur pin
Les plantes aquatiques absorbent l’eau par toute leur surface
Les végétaux qui se développent dans un habitat très humide (Palétuviers des
Mangroves, orchidées) ont des systèmes de racines aériennes qui leur
permettent les échanges d’oxygène et d’eau en évitant l’hypoxie.
Racines aériennes
Palétuvier
Velamen
Orchidée
L’épiderme foliaire de certaines
Broméliacées épiphytes, sans racine,
assure le rôle d’absorption.
Absorption de l’eau par toute la plante
mousse
tillandsia usneoides
2. Les mécanismes de l’absorption
Existe-t-il un mécanisme particulier d’absorption au niveau des
poils absorbants ?
Non, la structure des membranes des poils absorbants n’est
pas différente des membranes des autres organes.
L’absorption de l’eau au niveau des poils
absorbants est possible grâce à deux
transports passifs :
La diffusion
Les aquaporines
Rappel
Structure de la membrane plasmique
Protéine de
transport
Cholestérol
Milieu extracellulaire
Protéines
Cytoplasme
Modèle de la mosaïque fluide de Singer and Nicholson, 1972 :
La membrane est une mosaïque de protéines enrobée dans
une bicouche lipidique.
Bicouche lipidique : 40 à 50 % de la masse
Protéines : 50 à 60 % de la masse
Sucres
Perméabilité d’une membrane phospholipidique ARTIFICIELLE
Une membrane phospholipidique est perméable aux gaz (O2, CO2) ainsi qu’aux
petites molécules hydrophobes (éthanol, …)
Le passage de ces molécules n’exige aucune énergie : déplacement dans le sens
du gradient de concentration
Une telle membrane est très légèrement perméable à l’eau et imperméable à la
plupart des molécules hydrosolubles (sucres, nucléosides, acides aminés, ions)
Les deux composantes du transport de l’eau à travers les membranes
1. La diffusion simple
•
La diffusion simple repose sur le principe suivant :
Une molécule diffuse depuis la zone où elle est la plus concentrée
vers la zone où elle est moins concentrée
•
Ce principe de diffusion simple nécessite que les molécules puissent
traverser la membrane sans aide (canaux, transporteurs)
•
Les molécules traversent directement le long de leur gradient de
concentration jusqu’à atteindre un équilibre de part et d’autre de la
membrane
•
L’eau peut traverser la membrane en utilisant le principe de diffusion
mais la membrane reste trop peu perméable à l’eau pour faire de la
diffusion le mécanisme majoritaire de ce transport.
Les deux composantes du transport de l’eau à travers les membranes
2. Les aquaporines
• La membrane est très peu perméable à l’eau. Il n’y a donc que très peu de diffusion simple.
• Pendant de nombreuses années il a été pensé que l’eau était mobilisée par le biais de
canaux ioniques ou de transporteurs (cotransport)
• 1992 : découverte de protéines facilitant le transport de l’eau : AQUAPORINES
• Peter Agre. Prix Nobel de Chimie en 2003.
• Ce sont des protéines transmembranaires : des canaux
Peter Agre
6 domaines transmembranaire
d’une sous-unité d’aquaporine
Canal type aquaporine
4 sous unités (ci-dessus) formant
chacune un pore (droite) permettant le
passage des molécules d’eau
Aquaporines chez les plantes
4 familles :
Plasma membrane Intrinsic Protein (PIP)
PIP1 et PIP2 : 13 isoformes (A. thaliana)
Tonoplast Intrinsic Protein (TIP) : 10 isoformes (A. thaliana)
Nodulin-26 like Intrinsic Protein (NIP) : 9 isoformes (A. thaliana)
Small basic Intrinsic Protein (SIP) : 3 isoformes (A. thaliana)
Ces canaux permettent le transport de molécules d’eau et de solutés neutres
(urée, acide borique) et de gaz (CO2, N2).
Maurel et al., 2008
Aquaporines et transport radial
Maurel et al., 2008
Il existe donc 2 voies permettant à l’eau de rentrer
dans les cellules
La diffusion passive
Le transport passif (par les canaux
type aquaporine)
Cette absorption résulte uniquement de transport
passifs, qui ne consomment pas d’énergie.
Quel est donc le moteur de ce transport?
2 types de transport
de l’eau à travers la
membrane
La différence de potentiel
hydrique entre le poil absorbant
et le sol
L’eau rentre dans le poil absorbant si la
différence de potentiel hydrique entre le
poil absorbant et le sol est négative
H2O
Δψw = ψwi – ψwe
Colloïde
ψwi Poil absorbant
ψwe
Le potentiel hydrique du sol, ψwe, est la
somme du potentiel osmotique ψωe et du
potentiel matriciel ψme
Le potentiel du poils absorbant ψwi se
ramène à celui de la vacuole et dépend
du potentiel osmotique ψωi , de la
pression de turgescence T(qui s’oppose à
l’entré d’eau) et de l’aspiration du
système aérien A (qui favorise l’entrée
d’eau)
Colloïde
Colloïde
Donc
Δψw = ψωi - ψωe – ψme + T – A
En règle générale, si le sol est suffisamment irrigué ψme est négligeable. D’autre part, lorsque la transpiration
est faible, l’aspiration par le système aérien A est une grandeur négligeable.
Par conséquent
Δψw = ψωi - ψωe + T
Etant donné que la valeur absolue du potentiel osmotique est égal à la pression osmotique π, définie comme
la surpression qui s’exerce du côté de cette solution sur la membrane d’un osmomètre à l’équilibre avec l’eau
pure. Alors ψ = - π.
Donc
Δψw = -(πi – πe) + T
Puisque cette différence doit être négative cela revient à
(πi – πe)  T
Plus simplement :
H2O
Colloïde
ψwi Poil absorbant
ψwe
Colloïde
Colloïde
La différence de pression
osmotique entre l’intérieur de la
cellule et le sol doit être
suffisamment grande pour
compenser la pression de
turgescence
En résumé le poil absorbant doit
être fortement hypertonique
c’est-à-dire fortement chargé en
soluté
Les solutés sont représentés en
partie par des ions, du malate,
du saccharose, …
Solution Hypotonique (par rapport à une autre) : Solution moins concentrée en solutés et donc plus
fortement concentrée en eau.
Solution Hypertonique : Solution plus concentrée en solutés et donc moins fortement concentrée en
eau.
1.4. Les éléments minéraux
La composition minérale des plantes
Déterminée sur résidu sec après incinération.
Mis à part les éléments considérés comme organique et qui représente en
masse + de 90% du résidu sec (C : 40 à 50%, O : 42 à 45%, H : 6 à 7%)
On classe les éléments minéraux en deux classes :
• Les macroéléments (dont la concentration est sup à 10 mmol
kg-1) et les
• Les microéléments ou oligoéléments (dont la concentration est
inf à 10 mmol kg-1)
Elément
Symbole chimique
Forme disponible
Concentration (mmol kg MS-1)
Hydrogène
H
H20
60 000
Carbone
C
CO2
40 000
Oxygène
O
O2, H2O
30 000
Azote
N
NO3-, NH4+
1 000
Potassium
K
K+
250
Calcium
Ca
Ca2+
125
Magnésium
Mg
Mg2+
80
Phosphore
P
HPO4-, HPO42-
60
Soufre
S
SO42-
30
Chlore
Cl
Cl-
3
Bore
B
BO33-
2
Fer
Fe
Fe2+, Fe3+
2
Manganèse
Mn
Mn2+
1
Zinc
Zn
Zn2+
0.3
Cuivre
Cu
Cu2+
0.1
Nickel
Ni
Ni2+
0.05
Molybdène
Mo
Mo42-
0.001
Macroéléments
Microéléments
Rôle des nutriments et symptômes de carence
Concentration critique
2
3
4
Croissance
1
Concentration en minéral
1: Zone de carence
2 : Zone optimale de croissance
3 : zone de « luxe »
4 : Zone toxicité sans symptômes visuels
5 : Zone de toxicité avec symptômes visuels
5
L’azote
L’azote représente environ 2% de la matière sèche des végétaux
Entre dans la composition des protéines, acides nucléiques, coenzymes,
phytohormones, métabolites secondaires ……
L’azote représente l’élément
minéral le plus abondant
(quantitativement) dans les
plantes
Alanine (AA)
Adénine
AIA (auxine)
La disponibilité en azote un des
facteurs les plus limitant dans
la croissance des végétaux
Chlorophylle
Nicotine
Zéatine (cytokinine)
Alboresi et Lanet, INRA
Les différentes formes de l’azote
et leur disponibilité pour les plantes
Une fraction très faible de l’azote est disponible pour les plantes
Elle représente environ 0,00024% de l’azote total
L’azote atmosphérique (78% en volume de l’air) représente 2% de l’azote
terrestre. Il n’est pas assimilable par les plantes. Sauf exception (légumineuses,
plantes actinorhiziennes, symbiose cyano-bactéries)
Les 98% restant sont immobilisés dans les couches plus profondes de la
géosphère
Cette limitation en azote est à l’origine de l’utilisation massive d’engrais azotés
Plus de 80 millions de tonnes d’engrais azotés sont répandus chaque années
L’azote: principal facteur limitant de la croissance
A
B
Arabidopsis
thaliana
2 conditions (A,B)
Les plantes en A et
en B sont au
même stade de
developpement
Epis de maïs prélevés
au même stade de
développement
(mature) cultivés dans
deux conditions de
concentration en Azote
différentes
Alboresi et Lanet, INRA
L’azote: principal facteur limitant de la croissance
Miller and Kramer, 2004
Les différentes formes de l’azote
et leur disponibilité pour les plantes
Formes et origines de l’azote
• L’azote est présent dans le sol sous la forme d’un mélange d’azote organique
et d’azote inorganique.
Formes azote inorganique
Gaz
Gaz
Forme assimilable
Gaz
Gaz
Assimilable/symbiose
Gaz
Forme assimilable
diazote
Formes azote organique
Les acides aminés
Toutes les autre molécules carbonées contenant de l’azote
Le passage de l’état organique à minéral et
inversement est connu sous le nom de cycle de l’azote
Cycle azote
1. Transformation de l’azote
organique en azote minéral
Azote organique du sol provient
majoritairement de la décomposition
des animaux et des végétaux.
Cet azote organique peut être
transformé par les bactéries et les
champignons en ammonium par un
mécanisme appelé ammonification.
1 partie du NH4+ provient de l’action
de bactéries fixatrices de l’azote
atmosphérique
1 partie provient aussi des rejets
industriels et de l’activité des volcans
Si l’ammonification est rapide, NH4+ a
tendance à se vaporiser sous la forme
NH3. acidification du sol.
En règle générale, l’ammonium est
transformé en nitrate
NH4+
Cycle azote
2. Nitrification, dénitrification
Nitrification :
1ère étape
oxydation de l’ammonium en nitrite
par les bactéries des genres
Nitrococcus et Nitrosomonas
2ème étape
Oxydation du nitrite en nitrate
bactéries genre Nitrobacter
Nitrification est ralentie par un pH
acide, condition anaérobique et
température inférieure à 5°C et sup à
40°C
NH4+
Cycle azote
2. Nitrification, dénitrification
Dénitrification :
Transformation du nitrate en gaz
azoté (N2, NO, N2O, NO2). Le NO3est réduit en gaz par les bactéries
dénitrifiantes. La majeur partie sous
la forme N2
La dénitrification est favorisée
lorsque la disponibilité en O2 est
limitée, que la concentration en
nitrate est élevée, que l’humidité
relative du sol est élevée, qu’une
source carbonée est disponible et
que la température est élevée
NH4+
Les différentes formes de l’azote
et leur disponibilité pour les plantes
Pour résumer :
L’azote peut être disponible sous 3 formes
Organique : AA
Inorganique : Minéral (N03- et NH4+) et Gazeux N2
Chaque forme va être assimilée a différents degrés en fonction des espèces
Chaque forme a son propre mécanisme d’absorption
Absorption de l’azote organique
Acides aminés
Source d’azote organique.
Leurs coefficients de diffusion est très
variable en fonction de l’AA considéré,
mais reste très faible par rapport à celui
du nitrate
Les AA sont généralement assimilés par
les microorganismes du sol plutôt que
transportés à travers les membranes des
poils absorbants des racines.
En outre, la demie vie d’un AA
dans le sol est de l’ordre de 4h.
Il semblerait, que dans la
plupart des cas, les AA ne
soient pas assimilés par les
plantes
Demontré (Hodge et al., 2000).
Utilisation d’acides aminés
marqués au 13C et 15N.
Mesure du 13C et 15N retrouvés
dans les tissus de la plante:
très faible.
Résultats controversés et non
encore tranchés par
communauté scientifique.
Certaines espèces forestières
(Deschampsia flexuosa, Picea abies, Très difficile d’avoir une
Vaccinium myrtillus) sont capables,
réponse claire quant à
in situ, d’absorber de grandes
l’absorption de l’azote
quantité d’AA marqués 13C et 15N.
organique par les végétaux
Persson et al., 2003.
Picea abies
Deschampsia flexuosa
puisque ces mécanismes
sont très difficiles à
reproduire en laboratoire et
encore plus à étudier in situ.
Les techniques de mesure et
les conditions
expérimentales sont très
différentes d’une étude à
l’autre. La composition du sol
en microorganisme (donc la
demie vie des AA) est très
variable.
Vaccinium myrtillus
In vitro, il semble que la plupart des végétaux a la
capacité d’absorber l’azote sous forme d’AA (31
espèces, Persson and Nashlom, 2001). En revanche il
n’est pas certain que ces plantes absorbent l’N sous
forme d’AA in situ.
Taux de diffusion et sorption des ions nitrate et ammonium et de 3 AA.
Diffusion : dépendante taille ion, température, viscosité, charge, teneur en eau du sol…
% complexé aux molécules du sol.
Miller and Kramer, 2004
Absorption de l’azote inorganique
NH4+
NO3NO3- est chargé, comme le sol,
négativement. Par conséquent les ions
NO3- sont plus libres de se déplacer que
les ions NH4+.
Le coefficient de diffusion du nitrate est
élevé. Il est plus disponible, certes, mais
peut aussi être lessivé plus facilement
Le lessivage peut, dans certains cas, être
à l’origine de la perte de 30% des nitrates
du sol
Concentration moyenne de nitrate dans le
sol est estimée entre 1 et 5 mM.
Valeur moyenne. Forte variabilité d’un sol à
un autre.
Concentration en ammonium dans le
sol est comprise entre 20 et 200 µM.
Faible pH, température basse, sol
gorgé d’eau et/ou pauvre en oxygène
inhibe la nitrification et résulte en une
accumulation de NH4+
Ammonium est relativement immobile
dans le sol
L’industrie et l’agriculture contribuent à
l’accumulation de NH4+ dans le sol.
Dans certains sols, la concentration en
ammonium est comprise entre 2 et 20
mM.
Ces fortes concentrations peuvent être
toxiques pour certaines espèces.
Absorption de l’azote inorganique
The major functions of anionic macronutrients. (a) Nitrogen is predominantly taken up as inorganic NO3 and NH4
+. NO3 uptake is mediated by highaffinity H+ coupled symporters from the NRT family whereas NH4
+ uptake is mediated by AMT transporters that function as ion channel or possibly
NH3:H+ symporters. Most NO3 reduction and assimilation occurs in the shoot. The first reductive step (1) occurs in the
cytoplasm by the enzyme nitrate reductase (NR) and nitrite is further reduced to NH4 + in chloroplasts (2). Reduced N is
assimilated into the amino acid glutamate. Surplus N is typically stored in the central vacuole as NO3
Absorption de l’azote inorganique, NO3-
Alboresi et Lanet, INRA
L’absorption l’azote inorganique, NH4+
Alboresi et Lanet, INRA
Transporteurs ammonium codés par les gènes de la famille AMT
6 gènes chez A. thaliana
10 gènes chez O. sativa
Expression dynamique de ces gènes, régulation par NH4+, par la présence d’AA
dans le sol…
L’absorption l’azote inorganique, N2
Symbiose Plantes/bactéries fixatrices d’azote
De nombreuses bactéries possèdent la capacité de fixer l’azote atmosphérique et de
le transformer en ammonium :
1. Symbiose Rhizobium-légumineuse
Les rhizobium (proteo bactéries) peuvent s’associer symbiotiquement avec les racines
des légumineuses (Fabaceae) au sein d’une structure particulière, le nodule.
2. Symbiose actinorhizienne
Les bactéries actinomycètes du genre Frankia peuvent aussi s’associer en symbiose
avec des angiospermes
3. Association avec des cyano-bactéries
Cyano-bactéries trouvées en association avec de nombreuses plantes supérieures et
inférieures ainsi qu’avec des champignons et des algues.
Symbiose Rhizobiumlégumineuse
Ces bactéries appartiennent aux protéo
bactéries type alpha et béta.
[Exception symbiose rhizobium et non légumineuse
(Parasponia, Ulmacée d’Indonésie)]
Franche et al., 2008
Etapes du développement des
nodules
Nodule actif
avec
Leghemoglobin
e
Communication
Courbure
du poil
Rhizobia
Plant root
Formation
du cordon
d’infection
Division
cellulair
e
Bacteroid
N2
NH4+
Adapted from Gibson, K.E., Kobayashi, H., and Walker, G.C. (2008). Molecular determinants of a symbiotic chronic infection. Annu. Rev. Genet. 42: 413-441.
Primordium nodulaire
Crespi and Frugier, 2008
Bactéroïde et symbiosome
Les bactéries libérées dans les cellules du
primordium nodulaire.
Les bactéries prennent une forme globuleuse
devenant des bactéroïdes, capables de fixer
l’azote atmosphérique.
Les bactéroïdes sont enfermés dans une
membrane peribactéroïdienne et forment ainsi un
symbiosome.
Un symbiosome peut contenir plusieurs
bactéroïdes (soja, haricot) ou un seul (trèfle)
Le symbiosome est reconnu comme unité
fonctionnelle propre.
Ils occupent 80% du volume cellulaire des
cellules du nodule
Symbiose: un travail d’équipe
Lumière CO2
Plantes sont incapables
de fixer N2 seules. La
plupart des rhizobium
sont incapables de fixer
N2 seuls
sucres
N2
N2
NH4+
NH4+
Gln
La fixation symbiotique du
N2 est un travail d’équipe.
Les bactéries fournissent
la nitrogenase.
Les plantes hôtes
fournissent:
leghemoglobine,
homocitrate,
Sources carbonées,
Azote organique
La Nitrogenase : Enzyme à
plusieurs sous unités produite par
la bactérie
Dimère: 2 su
identiques
Tetramère : 2 su alpha et 2 su Beta
Seul les
procaryotes
synthéthisent la
Nitrogénase
From: Buchanan, B.B., Gruissem, W. and Jones, R.L. (2000) Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists.
La plupart des rhizobiums est incapable de
synthéthiser un cofacteur essentiel: l’Homocitrate.
nifV code pour une
homocitrate synthase, qui
synthéthise l’homocitrate,
cofacteur essentiel de la
nitrogénase
From: Buchanan, B.B., Gruissem, W. and Jones, R.L. (2000) Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists.
La Nitrogenase est désactivée par
l’oxygène
Question: Comment concilier
production d’énergie et protection
de l’oxygène?
From: Buchanan, B.B., Gruissem, W. and Jones, R.L. (2000) Biochemistry and Molecular Biology of Plants. American Society of Plant Physiologists.
Développement biochimique des nodules :
Parallèlement à leur développement morphologique, les nodules sont le siège d’une différentiation
biochimique
La plante infectée produit des protéines : les nodulines
Les nodulines de classe I (précoce): synthétisées au début de la formation du nodule (probable rôle
dans la morphogénèse du nodule)
Les nodulines de classe II (tardive): Exprimées plus tardivement. Rôle dans le fonctionnement du
nodule
Parmi ces nodulines de classe II, la léghémoglobine :
Chromoprotéine dont le groupement prosthétique (Hème) est identique à celui de
l’hémoglobine
La partie protéique (globine) à une masse moléculaire de 17,5 kDa (1/4 de l’hémoglobine
qui est un tétramère)
Le rôle de la léghémoglobine est de fournir l’oxygène nécessaire
à la respiration des bactéroïdes afin de fabriquer l’ATP utilisée
par la nitrogénase.
Contrôle la concentration en O2 et donc le fonctionnement de la
Nitrogénase
La Leghemoglobine
donne aux nodules leur
couleur rouge-orange
Rôle crucial de la léghemoglobine
dans la fixation du N2
Sauvage
Milieu de
culture
sans
azote
Milieu de
culture
avec
azote
Déficient en
Leghemoglobine
Les plantes n’ont
pas besoin de la
léghemoglobine.
Elle est
synthéthisée
uniquement pour la
symbiose
Les plantes déficientes en léghemoglobine
poussent normalement en présence de NO3-
Reprinted from Ott, T., van Dongen, J.T., Gu¨nther, C., Krusell, L., Desbrosses, G., Vigeolas, H., Bock, V., Czechowski, T., Geigenberger, P., and Udvardi, M.K. (2005). Symbiotic
leghemoglobins are crucial for nitrogen fixation in legume root nodules but not for general plant growth and development. Curr.Biol.15: 531-535 with permission from Elsevier.
Contrôle de la nodulation
La plante
• Contrôle le nombre de nodule
• Arrete le développement des nodules
quand le nitrate est disponible
• Sanctionne les nodules qui ne travaillent
pas assez vite
Sanction envers les nodules qui ne
fixent pas assez de N2
Rhizobum ne se
multiplient plus
quand elle ne
fixent plus
d’azote. La
plante impose un
ralentissement
du développment
Expérience : racines
séparées. D’un coté N2, de
l’autre argon. Les nodules
sont beaucoup plus gros coté
N2
N2
Ar
Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd : Kiers, E.T., Rousseau, R.A., West, S.A. and Denison, R.F. (2003). Host sanctions and the legume-rhizobium mutualism. Nature 425: 78-81; Oono, R.,
Anderson, C.G. and Denison, R.F. (2011). Failure to fix nitrogen by non-reproductive symbiotic rhizobia triggers host sanctions that reduce fitness of their reproductive clonemates. Proc. Roy. Soc. B. 278: 2698-2703.
2. Symbiose actinorhizienne
Symbiose avec des actinomycètes (bactéries filamenteuses) du genre
Frankia
Ces plantes hôtes (plantes actinorhiziennes) sont plus souvent des arbres
ou des arbustes appartenant à des familles primitives :
Alnus (aulne, Bétulacée)
Hippophae et Elaeagnus (Olivier de Bohème)
Myrica (Myricacée) (utilisée en parfumerie,
bio herbicide)
Rhizobium
Actinomycètes
hyphes infectieux
Le hyphes bactériens se vésicularisent.
Ces vésicules sont le siège de la fixation de l’azote.
Récemment des hémoglobines ont été découvertes dans certains de
ces nodules
Alnus glutinosa
Coupe longitudinale d’un nodule d’Alnus
crispa. Tâches bleues représentent les
parties infectées contenant les vésicules
Poil absorbant d’Alnus glutinosa après
14 jours d’infection par Frankia alni
Alnus glutinosa sans symbiose (Gauche). Alnus
glutinosa avec symbiose (Frankia alni) (droite).
3. Association avec des cyano-bactéries
Une partie de l’azote atmosphérique est transformée par des microorganismes
libres du sol : Les diazotrophes (se nourrissant de diazote)
Les diazotrophes comprennent essentiellement :
Les azotobacters, bactéries aérobies
Les clostridiums, bactéries anaérobies
Les cyanobactéries (ex algues bleues)
Dans la majeur partie des cas, ce sont les bacteries mortes et le relargage de leur
contenu en azote qui est bénéfique pour les plantes
Mais certaines bactéries, cyano-bactéries, sont capables de symbiose en
association avec des gymnospermes (cycades), des angiospermes (Gunnera) et
des ptéridophytes (Azolla)
Chez les cyano-bactéries, la fixation de l’azote à lieu dans des cellules spécialisée,
les hétérocystes.
Symbiose avec des ptéridophytes
(Azolla).
Exemple, photo entre fougère aquatique
azolla pinnata et cyanobactérie Anabaena
azollae.
Quels rôles pour l’azote
Quels rôles pour l’azote
Le Phosphore
Disponible sous la forme d’un triacide (H3PO4), la disponibilité en phosphore et liée au pH du sol
pH < 6,8 : la forme disponible est un anion monovalent (H2PO4-)
6,8 < pH < 7,2 : la forme disponible est une forme divalente HPO42pH > 7,2 : la forme prédominante est HPO43Concentration P toujours faible : pH neutre ou alcalin, le phosphore forme respectivement
des complexes avec le Fe et l’aluminium ou avec le calcium et le magnésium
le phosphore organique n’est pas assimilable par la plante. Il doit préalablement être transformé en
phosphore inorganique par les microorganismes du sol.
La faible disponibilité du phosphore dans le sol et la compétition entre les plantes et la microflore du sol
font du phosphore l’élément limitant des écosystèmes naturels
Maathuis F, 2009. current opinion in plant biol.
(b) Phosphorus is often growth limiting and many plants associate with mycorrhizal fungi (Myc) that improve P nutrition in
return for reduced carbon. P is taken up directly as inorganic PO43 (Pi) through H+-coupled high affinity transporters.
Cellular Pi is essential in cellular energy homeostasis since it readily forms high-energy pyrophosphate (1) and ester (2)
bonds. Phosphate groups form the lipophilic component of many membrane lipids (3) and are therefore essential for
membrane composition and integrity. Chloroplast P, necessary for synthesis of high-energy bonds in photosynthesis, enters
the chloroplast (4) in exchange for glyceraldehyde-3-phosphate (G3P). In storage tissues (5), P is sequestered in the protein
storage vacuole (PSV) as phytate together with minerals.
Manifestation caractéristique d’une carence en phosphore :
• Intense coloration des feuilles en vert
• Malformation des feuilles
• Apparition de taches nécrotiques
• Accumulation d’anthocyanes
• Production de fruits et de graines très réduite
Le phosphore est facilement mobilisable dans la plante. Lors de carence, le
phosphore est redistribué aux jeunes organes en priorité. Les symptômes
apparaissent sur les parties les plus âgées
Le Soufre
Maathuis F, 2009. current opinion in plant biol.
(c) Soil sulfur is predominantly taken up as SO42 through H+-coupled high affinity transporters. However, S may also be
taken up through leaves. Reduction of SO4 2 takes place in plastids where it is assimilated in cysteine. Cysteine can be
directly incorporated into proteins or, converted into methionine (1). Cysteine contains SH (thiol) groups that are essential
for protein functioning through the formation and disruption of sulfur bridges (2). Reduced S (3) is mainly distributed around
the plant as the tripeptide glutathione (GSH). During many stresses glutathione based phytochelatins (PCs) are synthesised
(4) which detoxify metals and metalloids.
Ethylene, quelques rôles
SAM: S adenosyl methionine
ACC: Acide 1-AminoCyclopropane-1-Carboxylique
Maathuis F, 2009. current opinion in plant biol.
The major functions of cationic macronutrients. (a) Potassium is taken up through high affinity H+-coupled symporters (HAK)
and low affinity ion channels (AKT). Inside the plant, the chaotropic properties of K+ make it ideal as counter ion for negative
charges on nucleic acids (1) and proteins (2). In addition, K+ activates specific enzymes (3) by acting as a cofactor in
enzymatic reactions between substrates (S) and products (P). As the main cation in vacuoles (4), K+ generates turgor to
provide structure and drive cell expansion, plant growth and plant movement such as regulation of stomatal apertures (5).
Symptômes de carence en potassium
Jaunissement et brunissement des feuilles âgées
Puis des feuilles plus jeunes
Apparition de taches brunes
Carence en potassium (K) se manifestant par le
jaunissement ou le brunissement du pourtour des
feuilles, généralement les plus vieilles.
(b) Roots take up calcium through non-selective cation channels (NSCCs). Cytoplasmic Ca2+ concentrations are extremely
low (100 nM) making Ca2+ an ideal secondary messenger (1). In membranes (2), Ca2+ maintains integrity by electrostatically
binding negative groups of lipids. A second structural function of Ca2+ occurs in cell walls (3) where pectin supplies rigidity to
the wall matrix via Ca2+ crosslinks.
Maathuis F, 2009. current opinion in plant biol.
Les carences en calcium :
Le calcium est un élément immobile. Les symptômes de carences apparaissent sur
les feuilles ou les organes jeunes
Puisque rôle dans les divisions cellulaires et dans la formation des parois pectocellulosiques, les symptômes sont souvent localisés au niveau des zones
meristématiques : feuilles déformées et/ou nécrosées. Parfois, mort des méristèmes.
Au niveau racinaire, la carence est caractérisés par un système racinaire très peu
développé. Les racines présentent un aspect gluant (détérioration de la lamelle
moyenne).
Sur les fruits : apparition de tâches noires, zones de nécrose.
Carence en calcium, tomate
Maathuis F, 2009. current opinion in plant biol.
(c) Magnesium probably enters the root symplast through MGT type transporters. Cellular Mg2+ is indispensible for
photosynthesis as transition metal in the porphyrin ring of chlorophylls (1). In the chloroplast, Mg2+ is the main charge to counter
the build up of a negative thylakoid potential when photosynthesis driven H+ extrusion occurs (2). Mg2+ also binds to negative
carboxyl groups in nucleic acid polymers (3) and smaller nucleic acids such as tRNAs (4) to stabilise their configuration.
Carence en magnésium
Chlorose des feuilles les plus âgées
Remobilisation du Mg2+ vers les feuilles jeunes
Les chloroplastes situés à proximités des nervures des feuilles maintiennent leur
chlorophylle plus longtemps
Stratégies d’absorption du Fer par les plantes




L’acide
mugénique est
un dérivé de la
nicotianamine

1.
2.
3.
4.
Acidification du milieu
solubilisation du fer par des acides
organiques sécrétés par les racines
(acide caféique,…)
Reduction du Fe3+ en Fe2+ par une
reductase
Absorption du Fe2+
1.
2.
3.
4.
Synthèse de phytosidérophores (acide
avénique, acide mugénique)
Excrétion des PS qui vont chelater le Fer
Reabsorption du complexe ferphotosiderophore dans le poil absorbant
Libération du Fer
Le bore
Le moins connu des micro-éléments
Absorbé sous la forme d’acide borique H3BO3
La quasi-totalité du bore est contenu dans les parois.
Le bore s’associe aux groupements hydroxyle des RG II (rhamnogalacturonanes II)
Probablement rôle dans le maintien de l’intégrité des parois. Si carence en bore,
arrêt croissance tube pollinique, inhibition division cellulaire, absence racine
secondaire, entre-nœuds réduits, diminution teneur en ARN…
Le cuivre
Absorbé sous la forme Cu2+
Cofacteur enzymatique polyphénoloxydase, superoxyde dismutase
Carence en cuivre : croissance réduite, déformation puis chute des feuilles
Le Zinc
Absorbé sous la forme Zn2+
Cofacteur enzymatique, en association avec le cuivre active la SOD, Participe à la synthèse du
tryptophane, précurseur de l’auxine
Carence : entre-nœuds raccourcis, feuilles de petite taille
Le manganèse
Absorbé sous la forme Mn2+
Impliqué dans la production d’oxygène lors de la photosynthèse
Carence en Mn à pH acide : chlorose prononcée, apparition de tâches brunes sur feuilles
Le Molybdène
Présent sous la forme de l’ion molybdate MoO24Nécessaire au fonctionnement de la dinitrogénase (réduction de l’azote atmosphérique) et de la nitrate
reductase (réduction du nitrate en nitrite, étape indispensable à ,l’incorporation de l’azote dans les AA)
Carence en molybdène induit les symptômes d’une carence azotée
Le nickel
Elément métallique, abondant, très facilement absorbable par les plantes
La quantité de Nickel nécessaire à la plante est souvent contenue dans la graine
Semble être nécessaire à la germination, peut être en intervenant dans la
mobilisation des réserves en azote.
Le Chlore
Absorbé sous la forme Cl-, présent en quantité importante dans les sols. Très
soluble et très mobile dans la plante. Carence très rare.
Intervient dans les réactions photosynthétiques productrices d’oxygène
Rôle extrêmement important dans le maintien du gradient électrochimique et du
potentiel membranaire des cellules
MOLYBDENE
Pilon-Smits et al., 2009. Current opinion in Plant biol.
Overview of the mechanisms responsible for the growth promoting effects of the
five beneficial elements Al, Co, Na, Se, and Si. The classes of plants
for which the growth promoting effect is (particularly) dramatic is shown at the
heading of each balloon text, and the roles/effects on plant metabolism
or anatomy are listed for each of the five elements in the respective balloons.
Pilon-Smits et al., 2009. Current opinion in Plant biol.
Végétaux hyperaccumulateurs et utilisation
Phytoremédiation = Utilisation de végétaux et
de leurs microorganismes associés pour la
dépollution de l’environnement
Dégradation et séquestration
des polluants organiques et
inorganiques
Historique
Applications
• Années 90
– Quelques pionniers dont
Ilya Raskin développent le
concept de phytoextraction
• 1994 : premier brevet
(Phytotech Inc)
– Procédé d’extraction des
ions métalliques du sol
basé sur la croissance de
plantes cultivées de la
famille des Brassicacées
sur des sols contaminés
par des métaux.
– Absorption racinaire
– Exportation foliaire 
récolte
• Préventif :
– Végétalisation de décharges
– Traitement des effluents
industriels et de stations
d’épuration
– Zones tampons
• Curatif
– Accidents industriels
– Friches industrielles
• Activités minières
• Pétrochimie et Agrochimie
– Sols agricoles
– Site militaires
Utilisation espèces tolérantes aux polluants
Utilisation d’espèces hyperaccumulatrices
But: dégrader les polluants ou les stocker
dans des plantes
Techniques:
Phytoextraction
Phytovolatilisation
Phytostabilisation
Rhizofiltration
Les plantes
hyperaccumulatrices
> 1 % Nickel
Alyssum bertolonii
Les plantes
hyperaccumulatrices
> 1 % Zn et
0.1% Cd
Thlaspi caerulescens
Arabidopsis halleri
> 1 % Selenium
Astragalus bisulcatus
Filtration de l’arsenic par des
fougères
Coût : adapté pour des faibles
volumes fortement contaminés
Elles et al. 2005 Water Research
Radionucléides
•
238U, 137Cs, 90Sr..
U-Uranium Helianthus annuus Tournesol
Accumule des radionucléides; site d'eaux
usées contaminé à Ashtabula, Ohio, des
plantes de 4 semaines ont pu accumuler
plus de 95% de l'U en 24 heures.
Essais de rhizofiltration de
137Cs et 90Sr à Tchernobyl
Cooney, C.M., 1996, Sunflowers Remove
Radionuclides from Water in Ongoing
Phytoremediation Field Tests, Environmental
Science and Technology, 30 (5), pp.194A.
Phytodégradation du TNT par
une plante exprimant une
nitroréductase bactérienne
Hannink et al. 2001 Nature Biotech
Tri Nitro Toluene
Problématique
• Les plantes sont capables de dégrader le
TNT mais avec une efficacité faible
– croissance fortement réduite
• La nitroréductase de Enterobacter cloacae
est efficace pour la dégradation du TNT
Expression de la NR dans le
tabac
Phénotype des transformants
témoin
TNT 0.05 mM
TNT 0.1 mM
Hannink et al. 2001
Nature Biotech
TNT résiduel dans les tissus
Hannink et al. 2001
Nature Biotech
Effet de la surexpression chez une plante d’un
cytochrome P450 bactérien capable de dégrader le RDX
(explosif)
FIN PARTIE 1 / 2
http://www.univ-rouen.fr/Glyco-MEV/
Ou Glyco-mev dans Google
Menu à gauche : membres
puis page Arnaud Lehner

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