v Méthodes
de détermination :
Ø Méthodes
analytiques :
§ Principe :
-
Si un élément est présent dans un
tissu, c’est que la plante en a besoin. (quelques
exceptions)
-
Si un élément est présent en plus
grande quantité qu’un autre, c’est que la plante en plus besoin qu’un autre.
§ Résultat :
9 macro
éléments =
éléments plastiques ou
constitutifs |
CO H N K, P, Ca, Mg, S |
(% de la matière sèche) 40
– 45 % 40
– 45 % 6
– 7 % 1
– 3 % 0.5
% chacun |
4
éléments ≈
90 – 95 % 5
éléments inf. à 5 % |
|||
≈
60 micro
éléments =
traces ou oligo-éléments ou
éléments dynamiques |
Fe,
Mn, Cu,
Zn, Mo,
Bo, Al,
I, etc. |
|
Inf.
à 0.5 % |
·
Variabilité selon
l’espèce :
Na, Cl, Si :
difficiles à placer :
-
Ils ne sont pas constitutifs,
même en grande quantité.
-
Ignorance d’un quelconque rôle
dans le dynamisme du végétal.
-
Taux très variable :
Exemple des graminées :
présence importante de Si dans les feuilles
(1% de la masse foliaire)
·
Variabilité
environnementale :
Exemple
du littoral : les plantes se sont habituées à
une salicité importante en séquestrant le sel (NaCl) de manière à ce qu’il ne
soit pas toxique.
·
Problèmes de cette
méthode :
-
Chacun des éléments listés est-il
réellement indispensable ?
-
Si oui, sous quelle forme alimentaire
doit-il être administré ?
Les plantes peuvent être hyper
accumulatrices de traces (métalliques) ; celles-ci sont donc utilisées
pour dépolluer des sols saturés (exemple du fer)
Dessiccation
à
Matière sèche Incinération +
10 – 20 %
Matière minérale
≈ 5 %
Ø Méthodes
synthétiques :
§ Principe :
Réponse à la question :
sous quelle forme alimentaire ?
C’est méthode empirique : on recherche la croissance optimale en changeant la composition du milieu. Elle impose un très grand nombre d’essais, avec quelques contraintes :
® l’obligation de conditions stériles, pour éviter les interactions néfastes de microorganismes se nourrissant du milieu et excrètent des toxines.
® le contrôle des éléments utilisés : différents niveaux de pureté du milieu et apports de traces avec les flacons et la verrerie.
§ Méthode :
·
Pour les
champignons :
On
effectue des cultures de conidies (spores asexuées) en boîtes de pétri (Pasteur et Raulin)
·
Pour les végétaux
chlorophylliens :
On effectue des cultures de plantes
entières sur milieu solide (Liebig
et Boussingault)
Problème de la composition initiale de
la terre.
®
obligation de calciner la terre pour détruire la matière organique (MO) et
laver la matière minérale (MM)
Apparition de la culture hydroponique (=
aquiculture)
avec Javillier (précurseur de la culture « hors sol »)
= milieu
exclusivement liquide :
-
obligation d’asepsie (® graine
légèrement nettoyée à la javel),
-
aération (® éviter
l’asphyxie),
-
renouvellement le plus
fréquemment possible.
Contrainte majeure :
composition de la graine ®
présence d’éléments dans sa réserve
Cette
réserve ne pose pas un gros problème pour les macro éléments mais est très
importante quant à la précision des traces.
Exemple de l’Iode :
on effectue une étude sur plusieurs générations où l’on appauvrie de plus en
plus le milieu ce qui permet de réduire au fur et à mesure la quantité de
l’iode dans les graines produites.
§ Résultats :
·
Cas des
champignons :
On a défini un milieu de Raulin (= le
plus favorable à la croissance)
Exemple de Aspergillus niger :
Aliment |
Quantité |
Elément |
8
macro éléments chez
le champignon : le Mg compense l’absence du Ca. |
Eau |
1500 mL |
O,
H |
|
Saccharose |
|
C |
|
Acide
tartrique Pas très utile en soi : effet bactéricide |
|
/ |
|
NH4NO3 |
|
N |
|
NH4PO4H2 |
|
P |
|
K2C03Carbonate de potassium |
|
K |
|
MgCO3 Carbonate de magnésium |
|
Mg |
|
(NH4)2SO4 sulfate d’ammonium |
|
S |
|
|
|
Zn,
Fe et Si |
Principaux
micro éléments |
·
Cas des végétaux
chlorophylliens :
Aliment
|
Quantité |
Eléments |
8
macro éléments + Carbone
produit lors de la photosynthèse |
Eau |
1000
mL |
O,
H |
|
NH4NO3 |
|
N |
|
KPO4H2 |
|
P,
K |
|
Ca(NO3)2 |
|
Ca |
|
MgSO4 Sulfate de magnésium |
|
Mg,
S |
§ Action d’un élément sur la croissance et interaction entre
élément :
Courbe d’action de E :
Croissance
E est déficient E
est excès
= carence
Doses
=
toxicité
en E optimales de E
(+ quelques traces) e1 e2 [ E ]
Carence Sub-carence e1 (agriculture Luxe alimentaire e2 Excès
raisonnée)
Micro-éléments : 10–8 g.L–1 10–6
g.L–1
Macro-éléments : 10–4 g.L–1 10–2 g.L–1
Constatation vis-à-vis
de la situation d’excès : la plante ne
« trie » pas les éléments en fonction de ses besoins mais absorbe
tout ce qui se présente à elle.
·
Symptômes
diagnostics :
= observation de la plante pour constater une situation alimentaire.
-
Carence :
®
Chloroses (= zone défraîchie)
®
Sensibilité aux pathogènes
Exemple
de la betterave sucrière : la carence en
Bohr (Bo) entraîne une fragilisation de la plante qui favorise l’envahissement
du Phoma (champignon)
®
Mise en place de méthodes alternatives de lutte qui permettent d’éviter les
fongicides.
-
Excès (en particulier
l’azote) :
®
Verse
Exemple du blé :
excès de NH4+
(ion ammonium) La plante emploie des mécanismes de désintoxication utilisant du
Carbone pour fabriquer les acides aminés. Celui-ci n’est donc plus disponible
pour la solidification en cellulose des parois. De plus, l’ammoniaque entraîne
une montée rapide en longueur.
·
Interactions :
¨ Facteur
limitant :
=
Elément dont la concentration pénalise le rendement alors que les
concentrations des autres éléments sont optimales.
Croissance
C.max Courbe
d’action de référence de A
d C.max (= avec [ B ] non limitant)
C.max
Courbe
d’action de A
avec [ B ] limitant (= B déficient)
[ A ]
¨ Interaction
antagoniste :
1
Courbe d’action du Ca2+
0,6 avec
[ Mg2+ ] =
0,4 Courbe d’action du Ca2+
avec
[ Mg2+ ] =
1 2 [
Ca2+ ] en
mM
C.max pour : Ca2+/
Mg2+ =
1/1,5 = 2/3 = constante
Ca2+ et Mg2+ = ions bivalents (= leur sites
d’absorption racinaires identiques)
Si, dans le sol, [ Ca2+
] augmente sans que [ Mg2+
] augmente, on observe une déficience par saturation vis-à-vis du ratio Ca2+/
Mg2+.
On utilise ce genre d’interaction pour
dépolluer une terre saturée en effectuant plusieurs niveaux de culture. Il
suffit de traiter la plante en fin de dépollution pour qu’elle retrouve un
ratio équilibré.
Polluant |
Antagoniste |
||
Rubidium |
Rb+ |
Potassium |
K+ |
Séléniate |
SeO42– |
Sulfate |
SO42– |
Arséniate |
H2As04– |
Phosphorate |
H2PO4– |
Chlore |
Cl– |
Iode |
I– |
¨ Interaction
antagoniste inverse (= synergie) :
Exemple :
Fertilisation phosphorée
(2 niveaux) Fertilisation azotée (2
niveaux) |
P 1 (inf.) |
P2 (sup.) |
N1 (inf.) |
x |
+ 150 quintaux/ha |
N2 (sup.) |
+ 150 quintaux/ha |
+
60 quintaux/ha |
§ Difficulté : établissement d’un critère de rendement :
Exemple :
la betterave sucrière :
MF (tonnes. ha–1) Sucre (tonnes.
ha–1)
10
100 Racine
5
200 250 300 Azote (kg. ha–1)
-
-
Les 50 derniers kg. ha–1
sont en surplus, la plante fabrique des feuilles pour piéger l’azote dans des
squelettes carbonés (acides aminés) ® Détoxication
Les
cultivateurs sont payés en fonction de la concentration en sucre dans la
betterave :
-
-
Le réservoir est plein à
® La concentration diminue et la récolte devient
moins rentable.
§ Correction avec des engrais :
Souvent
les éléments : Azote, Phosphore, Potassium.
Pour
les autres éléments, on ne se pose des questions qu’après avoir surexploité le
terrain.
a + b + c = constante
A a2
B
a1
b1
b2
c1 c2
C
N P
N
P K |
8 8
8 |
12 4
8 |
K
N P
6, 9, 9 : dosage optimal
K
Seul
problème : on ne possède aucune explication
avec résultats.
Ø Méthodes
physiologiques :
§ Analyse chimique :
Exemple :
la ferrodoxine :
e ˉ
(donneur)
Fe2+ Fe3+
(accepteur)
(Red.) (Ox.)
e ˉ
§ Emploi de radioéléments :
=
marquage d’éléments.
§ Symptôme diagnostic :
N
® « verse » des céréales
N Ca
® Chlorose ® chlorose calcique
Bo
® Phoma
(pour la betterave)
Mg =
métalochlorophyllie (= métal présent au corps de la chlorophylle)
Ca2+ = divalent. Si [Ca2+
] augmente,
[ i 2+
] diminuent ® carence en ces autres divalents.
Ca2+
sert dans le revêtement ionique (rigidité de la membrane)
Un excès de Ca2+entraîne
un déficit de fluidité des membranes.
Ca2+
v Alimentation carbonée
:
Ø Autotrophie
pour le Carbone :
§ Les plantes lithotrophes :
Energie
lumineuse ou chimique
CO2 + H2O + AH2 ®
—HCHO— +
Oxydant (produit réduit) forme oxydée
= CMinéral
= pouvoir = COrganique
-
gazeux, réducteur =
maillon d’hydroxyde carbonique
-
dissous
(H2O ou minéraux) (exemple : chaîne de sucre)
(ou recombiné dans l’eau
comme le carbonate)
Que
des substances minérales
·
Les plantes photo –
lithotrophes :
¨
Les végétaux chlorophylliens :
=
algues, bryophytes et plantes vasculaires.
Aérobiose
CO2 + H2O + 2 H2O
® —HCHO—
+ 2 O2 = + H2O
¨
Les bactéries primitives :
=
Chlorobactériales (bactéries vertes) et Thiobactériales (bactéries pourpres)
Anaérobiose
CO2 + H2O + 2 SH2 ® —HCHO—
+ 2 S + H2O
·
Les plantes chimio –
lithotrophes :
Pouvoir réducteur quelconque
CO2
+ H2O
+ (4 H+) ® —HCHO— +
H2O
Substances
minérales
[ Réd. ] [ Ox. ]
Ressources
énergétiques ( ¹
pouvoir réducteur) :
-
NH4+ : Nitrobactériales,
-
SH2 : Thioleucobactériales
(« leuco » = blanc ®
pas besoin de pigments),
-
FeCO3 : Ferrobactériales,
-
H2 : Hydrogénobactériales.
Ø Hétérotrophie
pour le Carbone :
=
le Carbone est déjà sous forme organique.
® Plante chimio – organotrophes.
3
types de comportements alimentaires :
§ Les parasites :
·
Les végétaux
supérieurs :
Exemple
du Gui (Viscum album) :
Il
n’est pas hétérotrophe obligatoire (présence d’un feuillage vert et persistant)
Printemps
– été (pommier en feuille) ®
pompage.
Hivers
®
autotrophie.
·
Les Champignons :
Exemple
d’Auricularia judae.
§ Les saprophytes :
=
nutrition de corps morts avec l’aide de micro-organismes qui s’occupent de la
décomposition.
·
Les végétaux
supérieurs :
Exemple
de Limodorum arbortivum (orchidée)
·
Les Champignons :
Exemple
de Pleurotus eryndii.
§ Les symbiotes :
= les Lichens (associations
champignon – algue)
L’algue
fixe et distribue le Carbone.
v Alimentation
Azotée :
Ø Autotrophie
pour l’Azote :
Nitrate Ammonium
N2
/ NO3ˉ
/ NH4+
Atm. / en solution –
forme réduite
Ø Hétérotrophie
pour l’Azote :
On
retrouve les 3 mêmes types de comportement alimentaire que pour le Carbone.
AZOTE |
|
CARBONE |
Autotrophie |
Pas de corrélation avec |
Hétérotrophie |
Hétérotrophie |
Donc forcément : |
Hétérotrophie |
v Principe :
Ø Généralités
et rappels :
150
milliards de tonnes de Carbone fixées par an :
-
135 milliards de tonnes par le
plancton,
-
15 milliards de tonnes par les
végétaux terrestres :
-
11 par les forêts,
-
4 par les prairies.
La
fixation se fait par des pigments assimilateurs.
Ø Les
pigments assimilateurs :
§ Les pigments actifs :
® acte photochimique : Energie
photonique ®
Energie chimique
X l l
= longueur d’onde du pic d’absorption
·
Chez les végétaux
supérieurs et les algues :
® La chlorophylle a (sur les
chloroplastes)
2
types dont la composition moléculaire est identique : on parle de polymères de la chlorophylle a
ou d’holochromes (quand il y a
association avec des protéines) :
P 700
et P 680
·
Chez les
bactéries :
® La chlorophylle a (sur les
chromoplastes, corps un peu granuleux adhérant la membrane)
B860
(bactériochlorophylle pour bactéries pourpres)
et B890
(bactérioviridine pour bactéries vertes)
·
La chlorophylle :
Chlorophylle
a : R
= CH3
4 noyaux pyrroles reliés par des ponts carbonés
= Hème
= Tétrapyrrole fermé
Partie
non protéique
La
molécule schématisée s’appelle le Chromophore
et fait partie de
§ Les pigments accessoires :
Energie
photonique ® ® (Pigments
actifs) ® Energie chimique
Rôle de transmetteur
·
Les végétaux
supérieurs :
-
Ca
670,
-
Ca
690,
-
Chlorophylle
b,
-
Caroténoïdes.
·
Les algues :
-
Chlorophylle
b : chlorophycées (= algues vertes),
-
Chlorophylle
c : phéophycées (= algues brunes),
-
Chlorophylle
d : rhodophycées (= algues rouges),
-
Caroténoïde
(
-
Biliprotéines :
-
-
et
·
Les bactéries
pourpres :
-
Caroténoïdes.
·
Les
Caroténoïdes :
Xanthophylle,
b –
carotène, etc.
Ils
font partie de la famille des lipides et présente une structure terpénique (= isoprène) :
b –
carotène : C40H62
1 vitamine A 1
vitamine A
Provitamine
A
§ Rôle des pigments accessoires :
Pigment accessoire (= antenne
collectrice)
hl
Pigment
actif (= centre réactionnel)
Excitation par vibration
®
transmission de l’énergie par vibration
=
résonance de l’énergie photonique (hl)
par vibration
Puis
le pigment actif convertit cette énergie en énergie chimique en libérant des
électrons.
§ Spectre d’absorption des pigments :
e = f( l )
e 410 – 430 660
inf. 560
Longueurs d’onde éteintes (= absorbées)
(bleu et rouge)
Longueur
d’onde réfléchie
(vert
– jaune)
400 600 l (nm)
Spectre d’absorption de la feuille d’épinard
Spectre d’absorption de
Spectre d’absorption de la b – Carotène
650
560 Spectre d’absorption de
400 Spectre d’absorption de
Spectre d’absorption de
un pic dans les
UV (400) et un autre dans les IF
La
vie en eaux profondes entraîne le besoin
d’une
longueur d’onde qui parvienne jusque dans
les
fonds marins.
§ Spectre d’action de la photosynthèse :
·
Techniques
d’établissement des spectres :
Expérience
de T. W. Engelman (1843 – 1909) sur Bacterium
thermo (algues vertes)
(chimiotactisme positif à l’O2)
On
effectue un suivi d’une algue verte avec une culture de bactéries. S’il y a une
activité photosynthétique, il y a un dégagement d’O2
et donc une prolifération bactérienne.
L’algue
est éclairée à plusieurs longueurs d’onde.
® la
photosynthèse est plus importante dans une lumière rouge que dans une lumière
bleue.
Lumière
= énergie photonique (contient des photons)
1 photon ® 1
quantum (énergie électrique, en Joules)
Max
Planck (1858 – 1947) : établissement de la constante de Planck, h = 6,626 . 10–31
Quantum
= q = h.n n (en Hertz) = c / l = 3.1010 / l
q = 6,626 . 10–31. 3.1010 / l
= 19,878 . 10–21 / l
1
mole de photons « bleus » : Nq470 = 255 kJ
1
mole de photons « rouges » : Nq670 = 179 kJ
Alors que l’on s’attend à : Nq670
> Nq470
Photosynthèse : 1 photon expulse 1 électron.
Si
on se met à énergie (ou intensité) électrique constante : q670
= q470
,
il
faut plus d’énergie
« rouge » que d’énergie
« bleue »
Û
plus de photons
« rouges » que de photons
« bleus »
Û
il y aura plus d’électrons
expulsés avec la lumière rouge qu’avec la lumière bleue (à même intensité)
Û
la photosynthèse est plus
importante avec la lumière rouge qu’avec la lumière bleue.
·
Résultats :
Exemple
d’une algue rouge : Delesseria sanguinea.
Présence
de 3 pigments : 1 pigment actif (la chlorophylle a) et 2 pigments
accessoires (la chlorophylle b et la phycoérythrine)
Il
faut travailler à intensité constante.
Spectre
d’absorption des pigments
Spectre
d’action de la photosynthèse
400 500 600 700 800 l (en nm)
Ø Le devenir de l’énergie absorbée :
Soit
PE0 : un pigment à l’état
fondamental, stable, avec une énergie potentielle E0.
Et P’E1 : le même pigment à l’état excité,
instable, avec une énergie potentielle E1
hn (E1
supérieure à E0,
soit par surplus d’énergie,
PE0 10
-15 sec. soit par une
structure électronique modifiée)
P*E1
PE0 +
hn Þ P*E1
Énergie de restitution
(sous différentes natures)
§ Restitution par fluorescence :
10
-8 à 10 -12
sec.
Effet Joules (perte de chaleur w0) P*E1 Þ PE0 + w0
+ hn’
+ émission d’un photon hn’
= hn
Donc : hn’
<
hn
Donc : q’ < q
Donc : l’
>
l
Exemple
de la chlorophylle a :
-
Éclairage à 460 nm
-
Fluorescence à 560 nm.
Cette
expérience n’est possible in vivo, mais impossible à reproduire in
situ.
§ Restitution par résonnance :
P*E1 Þ PE0 + w0 .
hn P’E’0 P’*E’1
PE0
P*E1
P’*E’1
Chaleur w0
P’E’0
Et
ainsi de suite…
§ Restitution par conversion de l’énergie :
= émission d’un proton
(caractéristique des végétaux supérieurs)
P*E1 Þ PE0 + w0
+ eˉ
hn
PE0
P*E1
PE0 pigment
métastable
eˉ Pigment =
stable en énergie
Molécule
métastable Chaleur w0 et
instable en électron.
réductrice +
(pouvoir réducteur) eˉ
® chaîne de transporteurs d’électrons
Synthèse
de glucides :
Test
de Dugol :
Exemple
de Pelargonium sp. (géranium ornemental)
® Récolte le matin ®
(pas de lumière)
® Récolte le midi ®
éthanol,
(12H d’éclairement)
® Récolte le midi ®
(12H d’éclairement avec
un cache)
v Mécanisme
de la photosynthèse :
Ø Existence de 2 grands types de réaction :
§ Effet de la température sur la photosynthèse :
Exemple de
Chlorella pyrenoidosa :
Intensité Courbe d’action de la température :
de
la photosynthèse :
Lumière forte (température limitante)
® réaction photochimique, dite « claire »
Lumière
faible (hn limitant)
® réaction thermochimique,
12 16 20 24 dite « obscure » ou « sombre »
Température (en °C) (s’effectue aussi en phase lumineuse)
À
température constante, c’est la lumière qui détermine l’intensité de la
photosynthèse.
§ Effet de la lumière intermittente sur la photosynthèse :
Expérience
de la lumière R. Emerson (1932) :
®
éclairage par flash est meilleur que continu.
On conserve les mêmes durée et
intensité des flashs.
VO2 (en mL)
Phase
obscure (en sec.) |
Nombre
d’éclair |
Rendement
par éclair |
1/1000 |
5 |
VO2
/5 |
1/500 |
3 |
VO2
/3 |
1/100 |
2 |
VO2
/2 |
1/50 |
1 |
VO2
/1 |
1/10 |
1 |
VO2
/1 |
Plus
les éclairs sont espacés, plus le rendement est bon.
Courbe
d’action de la phase obscure :
Rendement
de
la photosynthèse
Durées
optimales
100% 25° C
1° C
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Phase obscure (en sec.)
Jusqu’à
0,2 seconde, la phase obscure est limitant. À 1° C, le métabolisme est au
ralenti et il faut une phase obscure plus longue pour que les réactions
thermochimiques aient le temps de se faire (assimilation du Carbone minéral en
Carbone organique) La lumière ne sert qu’à exciter les pigments et apporter le
pouvoir réducteur (réactions photochimiques)
Ø Scission de la molécule H2O :
§ Mise en évidence du rôle de H2O :
Rappel sur
les végétaux chlorophylliens (algues, bryophytes, plantes vasculaires) :
CO2 + 2 H2O Þ –HCHO– +
O2= + H2O
Aérobiose
À
priori : Photo
– oxydoréduction.
CO2 –HCHO–
H2O + + H2O
H2O O2 H2O :
pouvoir réducteur originel.
Expérience
de R. Hill (1937) :
Suspension
de chloroplastes fonctionnels + milieu isotonique.
®
Incubation sous vide (pas de CO2
ni de O2)
+ ajout
d’hémoglobine oxyhémoglobine (avec un spectre
d’absorption
Fixation d’O2 différent
de l’hémoglobine)
Observation :
Dégagement
d’O2 que
s’il y a un broyat cellulaire, en fait qu’en présence d’un oxydant puissant.
Exemple : 2 Fe3+ +
H2O Þ 2 Fe2+ +
½ O2 +
2 H+
« Mais…
Si ça marche avec Fe3+,
alors l’eau rentre dans l’oxydoréduction pour la formation de l’O2 »
« Donc, il y a scission de la molécule de l’eau ! »
2 H2O Þ 2 H+
+ 2 OHˉ Þ H2O +
2 eˉ + ½ O2.
H2O Þ 2 H+ +
2 eˉ
+ ½ O2
Pouvoir réducteur
= photolyse
(scission dans la photosynthèse)
§ L’émission d’O2 provient de la
scission de H2O…
Expérience
de Rubens (1941)
®
Utilisation d’isotopes (= marqueur radioactif)
H218O et C18O2
Chlorelles.
18O2 16O2
CO2 +
2 H2O Þ –HCHO–
+ O2
+ H2O
Analogies
avec la photosynthèse bactérienne :
CO2 +
2 SH2 Þ –HCHO–
+ 2S + H2O
-
Chlorobactériales (=
bactéries vertes)
® B890
= Bactérioviridine.
-
Thiobactériales
(= bactéries pourpres)
® B860 =
Bactériochlorophylle ; Bactériopupurine.
-
Thiorhodobactériales :
exemple de Chromatium warmingii qui garde le souffre, ce qui leur donne leur
coloration rouge.
-
Athiorhodobactériales :
exemple de Rhodopseudomonas sp. qui, en aérobiose, est hétérotrophe et, en
anaérobiose, est photo-organotrophe.
CO2 + 2 CH3–CHOH–CH3 Þ HCHO +
2 CH3COCH + H2O
Pouvoir
réducteur
§ Scission de H2O et transfert de
pouvoir réducteur :
Le
photosystème II (P680) :
Antenne
collectrice
=
pigments accessoires (Ca670,
Chlorophylle b, Caroténoïdes)
2 photons
Centre réactionnel
E0 = 0,82 V = pigment actif.
H2O Þ ½ O2 P680 E0 = 0,90 V
+ 2 H+
+ 2
eˉ
Pouvoir réducteur
P+680 P*680 E1
E0
Donneur d’eˉ = réducteur
Accepteur d’eˉ = oxydant
E0 Red < E0
Ox 2 eˉ
® Chaîne
de transporteurs
|
PS
II |
Centre
réactionnel P680 |
E0
= + 0,90 V |
Transfert par apport d’énergie Transfert Spontané |
Transport de H+ et eˉ |
Plastoquinone
PQ |
|
E0
= 0 V |
|
Transport que d’eˉ |
Cytochrome
F |
|
E0
= + 0,34 V |
|
Plastocyanine Pc |
|
E0
= + 0,37 V |
||
PS
I |
Centre
réactionnel P700 Ratio Chl. b/Chl a > Ratio du PS II |
E0
= + 0,43 V |
||
Ferredoxine Fd |
|
E0
= – 0,43 V |
||
Transport de H+ et eˉ |
FAD
/ FADH
2 |
|
E0
= – 0,38 V |
|
NADP
+ / NADPH, H
+ |
Nicotinamide |
E0
= + 0,38 V |
·
Structure du chloroplaste :
Diamètre :
3 à 10 µm Thylakoïde
= membrane
Lumen du thylakoïde thylakoïde
intergranaire
(pH acide) stroma
= compartiment thylakoïde
granaire
intrathylakoïdal granum
enveloppe
ADN circulaire
Chloroplastique accumulation transitoire d’amidon
Globule lipidique plastidiaux
(10
à 15 nm) ® caroténoïdes dissous
·
Schéma général de la
chaîne des transporteurs :
Stroma intra chloroplasmique NADPH +
H+
2 photons 2
photons
( l = 680 nm) ( l = 700 nm)
Fd NADP+
PQ PQH2
2 e ˉ
P680 P700
FAD
2
e ˉ Cyt f
FADH2
Pc
PS II PS I
Stroma intra vésiculaire
(protons
prélevés à l’extérieur et libérés à l’intérieur) ® gradient de
protons
Ø Fixation et devenir du carbone minéral (cycle de Calvin) :
§ Méthode d’étude :
Melvin
Calvin (1911 – 1997) : montage « Lollipop »
Carbone
radioactif : 14CO2 ®
Radio chromatographie.
CO2 Agitateur
O2 Pompe Capillaire en
serpentin
où
l’on peut injecter du
CO2
radioactif à des moments
précis
d’écoulement.
Extraction et radiographie des sucres
solubles dans de l’éthanol à 100° C
§ Résultats :
=
radio chromatogrammes des produits formés (rayonnement b du
-
Nature des molécules ?
-
Ordre de parution ?
-
Quantité de marquage ?
5 sec. 10 sec. 30 sec.
malate
alanine glutamate
80% glycine
sérine aspartate
saccharose APG
trioseP oseP
ose
diP
UDPG
Acide
3_phosphoglycérique Sucre
(APG) Acides aminés
CH2OP–CHOH–COOH
Acides organiques
§ Fixation du CO2 :
Calvin
et Benson (1944 – 1959) :
Rubisco
(= ribulose 1,5 biphosphate carboxylase oxygénase)
RUBP +
CO2 +
H2O Þ
2 APG (acide_3_phosphoglycérique)
C5 C1 2
C3 On
parle de photosynthèse « C3 »
CH2O—P CH2O—P + CH2O—P
| | |
C=O CHOH CHOH
| | |
CHOH COOH COOH
|
CHOH
|
CH2O—P
La rudisco : rôle de carboxylase (lors de la
photosynthèse)
et rôle d’oxygénase (lors de la
photo-respiration)
-
Elle est activée par le Magnésium
Mg2+,
-
Et est constituée de 16
sous-unités (masse totale : 550 kDa)
-
Elle constitue 50 % des protéines
foliaires et 70% des protéines du chloroplaste.
Arguments
expérimentaux :
Lumière
Obscurité
C.P.M Glucides
(coups par
minute) APG
RUBP
+ 14CO2
(1%) = 30
40 Temps (en minutes)
Lumière Obscurité
C.P.M + CO2 (1%) – CO2 (sous
vide)
(coups par
minute)
R.U.B.P
A.P.G
–
200 – 100 0 –
10O Tps (en sec.)
-
L’absence de CO2
entraîne une incapacité à réduire le R.U.B.P qui va donc s’accumuler.
Ce
qui veut dire qu’il continue à être synthétisé. D’où vient-il ?
-
La lumière, l’APG et toutes ses
transformations permettent de régénérer le RUBP. La photosynthèse commence avec
la synthèse du glucide RUBP (=précurseur) et cherche à le régénérer.
-
La photosynthèse
« C4 » :
Chez
les graminées tropicales (maïs, canne à sucre, etc.)
PEP Case (= phospho-énol pyruvate carboxylase)
PEP +
CO2 + H2O Þ OAA +
2 H+ + 2 eˉ
Phospho-énol pyruvate Acide oxaloacétique
-
La photosynthèse
« CAM » (= Crassuleam Acid Metabolism) :
Chez
les plantes dites grasses ou succulentes (agave, etc.)
§ Réduction et devenir de l’APG :
·
Étape 1 :
Triose_P
déshydrogénase
2 APG + 2 (NADPH + H+) Þ 2 Ald PG + 2 H2O + 2 NADP+
ATP ADP + Pi (réaction non spontanée)
CH2O—P CH2O—P
| 2 H+ | glycéraldéhyde_3_P
CHOH + + CHOH = aldéhyde
phosphoglycérique
| 2 eˉ |
COOH CHO
Tout
sera multiplié par 2 pour une mole de CO2
fixé.
Il faut donc 4 eˉ
pour réduire une molécule de CO2
fixé.
·
Étape 1’ :
Ald PG Þ DHA—P (déshydroxyacétone_P)
CH2O—P CH2O—P
| |
CHOH C=O
| |
CHO CH2OH
·
Étape 2 :
Aldolase
Ald PG + DHA—P Þ Fructose 1,6 bi_P
C3 C3 C6
CH2O—P CH2O—P CH2O—P
| | |
CHOH + C=O C=O
| | |
CHO CH2OH CHOH
|
CHOH
|
CHOH
|
CH2O—P
·
Étape 3 :
Fructose biphosphatase
Fructose 1,6 bi_P + H2O Þ Fructose 6_P
+ Pi
§ Rôle central du Fructose 6_P :
Fructose 6_P
Glucose 6_P
Condensation
Régénération Saccharose bi_P
Isomérisation
du
RUBP Glucose 1_P
Saccharose + PPi Polymérisation
n Glucose 1_P
Réserves
pour
les plantes saccharifères
Amidon + n Pi
(stockage temporaire durant
la phase photosynthétique, puis stockage dans les organes spécifiques durant la
nuit)
§ Régénération du RUBP :
·
Étape 1 :
Trans-cétolase
Fructose 6_P + Ald PG Þ Xylose 5_P + Érythrose 4_P
C6 C3 C5 C4
CHO
Isomérisation |
Ribulose 5_P CHOH
|
CHOH
|
CH2O—P
·
Étape 2 :
Aldolase
Érythrose
4_P + DHA—P Þ Sedoheptulose
1,7 bi_P
C3 C3 C7
CH2O—P CH2O—P CH2O—P
| | |
CHOH C=O C=O
| | |
CHOH CH2OH CHOH
| |
CHO CHO
|
CHOH
|
CHOH
|
CH2O—P
·
Étape 3 :
Trans-cétolase
Sedoheptulose 1,7 bi_P
+ Ald PG Þ Xylose 5_P + Ribose 5_P
C7 C3 C5
C5
Isomérisation 2 Ribulose
5_P
CH2O—P CH2O—P CH2O—P CHO
| | | |
C=O CHOH CHOH CHOH
| | | |
CHOH CHO CHO CHOH
| | |
CHO C=O CHOH
| | |
CHOH CH2OH CH2O—P
|
CHOH
|
CH2O—P
·
Étape 4 :
2
Ribulose 5_P Þ RUBP
ATP ADP + Pi (réaction non spontanée)
§ BILAN en Carbone du cycle de Calvin :
H2O Ald PG
CO2 2 APG
RUBP Ald PG DHA_P Fructose 1,6 bi_P
H2O Ald PG Érythrose
4_P + Xylose 5_P
CO2 2 APG RUBP
RUBP Ald PG Sedoheptulose
1,7 bi_P
H2O Ald PG DHA_P Ribose 5_P +
Xylose 5_P
CO2 2 APG
RUBP Ald PG DHA_P
D Tout est à multiplier par 2 pour une mole de CO2 fixé.
§ Influence de hn sur les réactions thermochimiques :
Expérience
de Calvin et Benson (1948) sur Scenedesmus sp. cultivée à
l’obscurité sans CO2.
C.P.M C.P.M
Sans CO2 + CO2
Sans CO2 Sans CO2 + CO2
0 50 Min. –
10 0 50 Min.
Conclusions :
La
fixation du CO2
est possible à l’obscurité dès lors que les cellules chlorophylliennes
contiennent de l’ATP et du pouvoir réducteur produits dans les réactions
photochimiques.
Ø Réactions entre les réactions photo- et thermochimiques :
§ Exigence quantique :
®
combien d’énergie q faut-il pour
fixer une mole de CO2 ?
On
a vu qu’il fallait 4 eˉ
pour fixer 1 molécule de CO2.
La photosynthèse fonctionne sur le principe qu’un photon permet l’expulsion
d’un électron :
4 q 4
q
4
eˉ 4 eˉ
PS
II PS I
Il
faut 8 q pour fixer une molécule de CO2
et donc 8 Nq pour fixer une mole de CO2.
Calcul théorique :
6 CO2 + 6 H2O Þ C6H12O6 + 6 O2
DG0 = + 680 kCal
680/6
= 113 kCal pour une mole de CO2
fixée.
Nq470 = 255 kJ = 61 kCal
113/61 » 2 Nq
Nq670 = 179 kJ = 43 kCal
113/43 = 2,65 » 3 Nq
Or,
on fonctionne sur l’hypothèse de 8 Nq.
Il y a donc une perte énergétique de 5 à 6 Nq.
Mesure
expérimentale :
Énergie fixée sous forme chimique
Ratio
=
Énergie photonique absorbée
(rapporté
à une masse de végétal et pour une durée donnée)
-
Pour des algues vertes :
8 à 10 Nq par mole de CO2.
Rendement = 8 x 100 /10 = 80
%
® 80% de
l’énergie fixée sert à la transformation du CO2
en sucre.
-
Pour les végétaux supérieurs :
12 à 20
Nq
par mole de CO2.
Rendement = 8 x 100 /20 = 40
%
® 40% de
l’énergie fixée sert à la transformation du CO2
en sucre.
… la perte par effet Joule
n’explique pas tout…
… Mais où va
la fuite ?
§ Les photo – phosphorylations :
EN Besoin d’un apport
– 0,43 Fd d’énergie
– 0,07 Cyt b 6
0 PQ
+ 0,34 Cyt
f
+ 0,37 PC
+ 0,43 PS I
(en Volt) Les eˉ vont des
réductions vers les oxydants.
En
présence de lumière, la concentration en ATP augmente et ce même en
anaérobiose.
Ces
réactions ce passent donc, non pas dans les mitochondries, mais dans les
chloroplastes.
Il
n’y a pas de production d’O2.
·
Phosphorylations
cycliques :
(1954)
ADP + Pi ATP
– 0,43 Fd
– 0,07 Cyt
b 6
0 PQ
+ 0,34 Cyt
f ADP + Pi Grand
saut énergétique
+ 0,37 PC ATP
+ 0,43 PS I
700 nm
(en
Volt)
Quand
le saut est grand, l’énergie produite est récupérée.
Mais
quand saut est trop petit, l’énergie est perdue.
·
Phosphorylations acycliques :
=
chaîne de transporteur de pouvoir réducteur
(parfois,
il y a production d’O2)
– 0,43 Fd
– 0,38 FAD
– 0,32 ADP + Pi NADP+
0 PQ ATP
+ 0,34 Cyt
f
+ 0,37 PC
+ 0,43 PS I
700 nm
+ 0,82 H2O
+ 0,9 PS II
(en
Volt) 680 nm
D’un
point de vue évolutif,
§ Théorie chimio – osmotique de Michell :
Peter D. Michell (1920 – 1992)
ATPase ADP + Pi ATP
ATP ADP + Pi
ATPsynthétase
CF 1
Espace intra chloroplastique
Membrane
imperméable
aux protons Chaîne de transporteurs CF 0
« pompe à
protons »
Thylacoïde
Espace intra vésiculaire
CF 1 : synthèse d’ATP
Nature protéique
CF 0 : canal membranaire
Les
chloroplastes produisent de l’ATP surtout pour son usage personnel. L’ATP pour
l’organisme est produit par les mitochondries.
·
Arguments
expérimentaux :
-
Sur une suspension de
chloroplastes :
[H+]
Ionophore (découpe la membrane, la rendant perméable)
0 20 40
-
pH = 4 :
Thylakoïde
isolé et à l’obscurité :
Simple
diffusion
H+ PH = 7
Quelques
heures après :
PH
= 4
Équilibre
de [H+]
-
pH
= 8 :
Ajout d’ADP +
Pi ATP
PH = 4
v BILAN :
-
Photo – lithotrophes : ®
Photosynthèse
-
Présence de pigments actifs et
accessoires
Complémentarité
entre l’aspect structural et le spectre d’action de la photosynthèse.
-
Énergie absorbée par les pigments
restituée :
-
Par résonnance,
-
Par fluorescence,
-
Par conversion de cette énergie
(émission d’un électron)
-
Photosynthèse :
-
Réactions photo –
chimiques :
-
Scission de l’H2O,
-
Production et transfert du
pouvoir réducteur,
-
Production et transfert de l’ATP.
-
Réactions thermo –
chimiques :
-
Fixation CO2
®
utilisation du RUBP (besoin de pouvoir
réducteur et d’ATP)
-
Régénération du RUBP
-
Bilan énergétique :
-
Perte (déperdition w0),
-
Formation d’ATP.
-
Équation générale de la
photosynthèse :
On
ne s’intéresse qu’à la lumière comme énergie ®
phototrophes
H2O + CO2 + 2 AH2 Þ —HCHO— +
Photo – lithotrophe : 2 H2O 2
O2
2 SH2 2
S
Photo – organotrophe : Mat. Org. (Red) Mat.
Org. (Ox)
(Thiobactéries)
v L’azote
du sol :
Ø L’azote
organique :
Origine :
cadavres, déjections, débris végétations
Humifications
(= dégradations)
Humus = Oligosaccharides
(provenant de polysaccharides)
Oligopeptides
(provenant de protéines)
Acides
aminés (= monomères) et amides,
Urée
Complexe
lignine – azote
(= composant pariétal des
végétaux dur à décomposer)
Ø L’azote minéral :
Origine :
cadavre et humus
Putréfaction Ammonification
et décomposition
(bcp + rapide)
NH4+
(pas ce que
préfèrent les végétaux)
NH4+
: toxicité rapide au niveau des structures cellulaires (déplacement des
charges)
+ antagonisme de certains
cations (K, Ca, Mg) ®
carences apparentes.
Plante
NH4+
H+ équilibre
Forte
acidification du sol (= de la rhizosphère = environnement direct des racines)
Avantages :
la charge + permet
la fixation sur des éléments du sol (surtout à des éléments de charges négatives :
les coloïdes) c’est intéressant à petite dose.
NH4+ NO3ˉ (ion
nitrite : le nitrate) = forme finale de la minéralisation.
Nitrification possibilité de le stocker (surtout dans les vacuoles)
+
aucun antagonisme
(au contraire : absorption
conjointe avec d’autres ions comme NO3ˉ;K+)
Plante
NH4+
OHˉ équilibre
Alcalinisation
du sol
®
favorable pour la rhizosphère car le sol est toujours un peu acide
à cause du C2O
® H2CO
Défaut :
NO3ˉ ne
tient pas longtemps dans le sol : répulsion des charges négatives et donc
la fixation est peu possible. Le NO3ˉ est
lessivé et va dans les nappes phréatiques et les cours d’eau.
Chez
les cultivateurs : apport des 2 formes
d’azote : nitrate d’ammonium
(= ammonitrate) NO3ˉ; NH4+
Nitrification :
-
Production d’azote nitrique par
nitrobactériales
Exemple :
Nitrosomonas (bactéries nitreuses) ®
fixation du CO2
avec l’énergie chimique par oxydation (étapes de nitrification)
-
Nitrosation : NH4+ + 3/2 O2 ® NO2ˉ + 2 H+ + H2O
∆G° = 84 Kcal Pouvoir
réducteur
Réaction exergonique pour
la photosynthèse
(libération d’énergie)
-
Nitratation :
NO2ˉ + ½ O2 ® NO3ˉ
Ex : Nitrobacter
(bactéries nitriques) ∆G° = – 19 Kcal
Ø Cas particulier des plantes carnivores :
Surtout
insectivores, sauf les plantes exotiques (des monstres) qui peuvent choper une
grenouille)
Exemple de
Drosera sp. :
Elle
possède des feuilles spéciales qui assimilent directement (= exodigestion)
fixation des mouches par des gouttelettes « papier tue – mouches »
avec des enzymes hydrolytiques.
Exemple de
Dionaea sp. :
Elle
utilise un système de piège à loup.
Exemple de
Nepenthes sp. :
Elle
possède un système de piège en forme d’outre
v Utilisation
de l’azote atmosphérique :
Ø Organismes fixateurs de l’azote :
Fixation
du N2 ®
organismes = diazotropes
2 types
d’organismes : libres ou en association symbiotique.
§ Les micro – organismes libres du sol :
-
Bactéries hétérotrophes pour le
Carbone : Azotobacter
chrorococcum (en aérobiose)
Clostridium pasteuriamum (en
anaérobiose)
Elles
utilisent un système trop parfait qui fait donc qu’elles fixent plus de N2
qu’elles n’en ont besoin. Elles transforment la quantité qui leur est
nécessaire et libèrent le surplus dans le sol.
®
Organismes fertiligènes.
-
Cyanobactéries autotrophes pour
le Carbone : Nostoc
punctiforme
Anaboena cylindrica
Elles
utilisent le même système que les bactéries hétérotrophes. ®
Organismes fertiligènes.
Ce
système offre la possibilité d’une installation dans des zones
chaotiques : ce sont des organismes pionniers (ils préparent le terrain
pour d’autres espèces)
§ Les symbioses :
-
Les lichens à cyanobactéries du type
Collema sp. :
Les
cyanobactéries sont des « esclaves » car c’est elles font tout.
-
Une plante supérieure et des
bactéries :
Exemple
des légumineuses (pois, soja, trèfle, luzerne, etc.) :
Les
légumineuses sont incapables de fixer le N2.
Les
bactéries (Rhizobium ou Bradyrhizobium) ne fixent pas le N2
à l’état libre, que quand elles sont en association symbiotique en formant
des nodosités (= petit groupement de bactéries) :
-
Rhizobium ®
sur la racine de la plante,
-
Bradyrhizobium ®
sur la tige de la plante.
Exemple
de l’aulne :
Il
s’agit d’une association non obligatoire, elle est surtout utile pour coloniser
un sol pauvre.
Sénescence
Litière
N2
Humification
Ammonification
Nitrification
Assimilation
du NH4+
® protéines Enrichissement
progressif
du
sol en NO3ˉ.
Fixation
Ø Symbiose Rhizobium – Légumineuse :
§ Découverte :
Expérience
de Hellriegel et Wilfarth (1886) avec Pisum sativum (petit
pois)
Culture sur sable |
Culture sur terre |
Résultat |
Calciné |
Normale |
Carence
en azote ®
jaunissement |
Calciné |
Brute |
Croissance
et formation
de nodosité |
Calciné |
Lessivée
(suppression de la matière minérale) |
Croissance
et formation
de nodosité |
Calciné |
Lessivée
et calcinée (=
stérilisation) |
Carence
en azote ®
jaunissement |
Appellation
Beijerinck (1888) : Rhizobium leguminosarum
Mais
toutes les bactéries ne forment pas des nodosités avec toutes les légumineuses.
®
recherche de la spécificité symbiotique.
Rhizobium
leguminosarum ® fève, pois, etc Protéagineux
Rhizobium
japonicum ® soja
Rhizobium
meliloti ® luzerne Fourrages
Rhizobium
trifolii ® trèfle
§ Formation de nodosités :
·
Modalité signalétique d’infection :
Cellules de racine
Communication
Rhizobium sensible chimique
aux flavonoïdes Activation des
de cette plante - Flavonoïdes gènes noduline
- Biotine (facteur de ® Nodulation
Activation développement bactérien) Récepteur spécifique
des gènes Nod - Bétaïne
® Production de lipo –
oligosaccharides
spécifiques du rhizobium = Facteur Nod
Les
flavonoïdes sont des métabolites accessoires qui existent sous beaucoup de
types différents. Chaque légumineuse envoie les siens : la bactérie va
donc voir si la plante lui correspond ou non ®
spectre symbiotique.
·
Nodulation :
Elle
se fait au niveau de la zone pilifère, avec les poils absorbants. Le rhizobium
y prolifère et la plante y répond par 2 modifications :
-
Enroulement du poil sur lui-même
(= poil en crosse)
-
Sécrétion d’une enzyme
hydrolytique, la pectinohydrolyse, qui détruit partiellement les cellules du
poil permettant l’entrée du rhizobium et la prolifération par un cordon
infectieux fermé par la membrane de séquestration.
Celle-ci
confère au rhizobium une chromoprotéine, la legHémoglobine. Cette protéine est
dite « mixte » parce que l’hème est produit par la plante et la
bactérie apporte la partie protéique. La legHémoglobine est un piège à oxygène,
toxique pour la bactérie.
LegHémoglobine ® OxylegHémoglobine
Fixation
de l’O2
La
legHémoglobine est une chromoprotéine : les nodosités efficientes,
fixatrices de N2,
ont une couleur rosée alors que les nodosités non efficientes, trop jeunes ou
trop vielles, ont une couleur blanche.
·
Modalité de la fixation du N2 :
∆G° = 84 Kcal (réaction endergonique)
N2 +
6 H+ + 6 eˉ ®
2NH3
ammonium
Pouvoir réducteur azote minéral réduit NH3
+ H2O ® NH4+ +
HOˉ
Enzyme : Nitrogénase (NT)
ammoniac ammoniaque
¨ L’origine
du pouvoir réducteur :
Expérience
sur Clostridium pasteuranium (fixateur de N2
à l’état libre et en anaérobiose) :
Vitesse d’incorporation du 15N2
(isotope stable)
( 106
atome.h–1)
20 60
min
+ Pi
35 min
25 min
15 min
10
min
2,5 5 min Pas de Pi (phosphate)
2
Pyruvate
500 1000 consommé
(µmol)
Interprétation :
3 (PO4H2ˉ, H+) +
3 (CH3—CO—COOˉ, H+) ® 3 CO2 + 6 H+
+ 6 eˉ + 3 (CH3—CO~P)
Pyruvate acétyl_phosphate
L’origine
du pyruvate (ou acide pyruvique) est la glycolyse à partir du glucose
synthétisé.
La
fixation du N2
est en fonction du métabolisme du carbone.
¨ Condition
de la fixation du N2 :
(en
anaérobiose)
Extrait de Clostridium pasteuranium
+ Fe, Mo, Mg
+ Protéine de 220 kDa (nitrogénase)
+ ATP (2 ATP par eˉ
transporté)
+ Ferrédoxine
20 Avec ATP
Sans ATP
Avec
Fd :
10
Sans
Fd :
Avec ATP Sans ATP
5 10 15 20 Temps (en minutes)
¨ La
nitrogénase :
= 2 sous – unités métalloprotéiques
Protéine
II
=
ferro – protéine ATP – Mg
(= dimère 2x27 kDa)
54 kDa
S S
Mo
S S
(Fe4
– S4)
(Fe4 – S4)
S S
S S
Mo
Protéine I = ferro – molybdo - protéine
220 kDa
(=
tétramère 4x55 kDa)
¨ Schéma
général de la fixation par réduction du N2 :
N N — H
||| +
2 H+ + 2 eˉ || +
2 H+ + 2 eˉ
N
N —
H
Métal
de transition Di – imine
H H H
| |
N —
H N —
H
+ 2 H+ + 2 eˉ |
N —
H N —
H
| |
H H H
Ammoniac Hydrazyne
¨ Bilan :
-
La ferrédoxine cède 6 électrons
en 3 étapes (3 x 2 eˉ)
-
Il faut 2 ATP pour le transfert
des électrons de la protéine I à la protéine II.
-
Donc le coût énergétique pour une
molécule de N2 fixée
est de 12 ATP.
Équation
théorique : N2 +
6 H+ + 6 eˉ + 12 ATP ® 2NH3
+ 12 (ADP + Pi)
6 x 2 (ATP – Mg)
12 ATP (pour assembler les 2 sous
unités)
Pyruvate FdOx Fe2+ Mo6+
+ Pi
2 NH
6 eˉ
NT
6 eˉ
Acétyl~P + 6 H+ N2
+ 3 CO2 FdRed Fe3+ Mo5+
+ 6 H+ 12 (ADP + Pi)
On
peut trouver d’autres éléments à la place du pyruvate et des éléments dans la
chaîne de transporteurs.
-
Il y a production de H2
par les nodosités et par la même protéine,
Équation
secondaire : 2 H+ + 2 eˉ + 4 ATP ®
H2 + 4 (ADP + Pi)
D’où
une équation globale :
N2 + 8 H+
+ 8 eˉ + 16
ATP ® 2NH3 + H2 + 16 (ADP + Pi)
®
Gaspillage ? NON,
Recyclage !
§ Gestion de l’O2 par organismes fixateurs :
-
Stratégie de l’évitement pour les
organismes anaérobies.
-
Adaptation physiologie pour les
organismes aérobies :
-
Hydrogénase (cycle dit futile),
-
Augmentation de l’activité
respiratoire (Azotobacter)
O2
dissous (µmol)
Sans
Pi
= 10 20 30 40 50
Choc O2 40%
-
Adaptation cytologique :
-
Par spécialisation cellulaire :
Exemple :
Anabaena cylindrica (algues filamenteuse)
Hétérocystes Cellules chlorophylliennes
(fixation du N2) (photosynthèse)
-
Par compartimentation intra
cellulaire :
LegHb
+ O2 ® OxylegHb (= filtre à O2)
§ Application de la fixation N2 :
-
Fertilisation biologique des
sols :
-
Bactéries libres : 5 à 40
kgN2.ha–1.an–1
Turned
over (= mort de l’organisme sinon fixation pour son usage personnel)
-
Symbioses : 10 à 20% d’azote
fixé qui est restitué.
En
pratique : Soit une
association : Ray – Grass / Trèfle 60 à
150 kgN2.ha–1.an–1
Fétuque
/ Trèfle
Soit une rotation : Céréales
– Févéroles
Betteraves – Luzerne
-
Enrobage (semences
techniques) :
(Hollande) Inoculum = culture
« dense » de Rhizobium
Objectif : 2L pour
-
Génétique de la fixation de
l’azote :
(sciences
fiction) Enzyme NT ® gènes
NIF (découvert par Dixonet Postgate en 1974)
Hydrogénase ® gènes
HUP
Possibilité
d’intégrer ces gènes dans E. coli. Maintenant, il faut intégrer ces gènes
procaryotiques dans un génome eucaryotique en faisant en sorte que ces gènes
soient constitutifs.
§ Effet de l’azote du sol sur la fixation du N2 :
Quand
il y a une symbiose, il y a une régulation de la fixation en fonction de la
présence dans le sol.
Activité de
2 (µmol.gMF–1.h
–1)
2 jours
1
4 jours
7 jours
0 2 4 6 NH4
/ NO3 (en
mM) dans le sol
Développement des nodosités (chez
le pois)
Masse d’un
nodosité Nombre de nodules
par
plante
0,3 3 30 NO3
(en mM) dans le sol
§ Conclusion :
Cellule
hôte
Photosynthèse Symbiosome
Squelettes LegHbO2
carbonés
Glycolyse LegHb
+
Krebs
ATP
H+ ; eˉ
NH4
Acides aminés NT
N2 N2
Protéosynthèse
Protéosynthèse
v Utilisation
de l’azote nitrique :
Ø Mise en évidence de la réduction du NO3ˉ :
Ion nitrique
(NO3ˉ)
NO3ˉ Minéral
15NO3ˉ NH4
R—NH—R’ amines
I
R—CO—NH amides Organique
N—protéines
N—bases azotées
Temps
Expérience
d’Eckers en 1924 :
? ? ?
eˉ eˉ eˉ eˉ
NO3ˉ NO2ˉ N2O2 NH2OH NH4OH
Nitrate réductase Nitrite
réductase
Ø Mécanisme de la réduction du nitrate :
§ 1ère étape avec
1953 :
Evans et Nason sur le soja,
1985 : enzyme cytotonique.
NO3ˉ + 2H + 2 eˉ ® NO2ˉ + H2O
Origine
du pouvoir réducteur est en fonction de la localisation de la nitrate
réductase :
-
Dans les cellules non
chlorophylliennes : NADH + H+
(respiration)
-
Dans les cellules
chlorophylliennes : NADPH + H+
(photosynthèse)
® le
métabolisme de l’azote est lié au métabolisme du carbone.
Nitrate
réductase : (double
chaîne polypeptidique)
FAD b 557 Co – Mo NO3ˉ
NADPH, H+
FAD b 557 Co – Mo NO2ˉ
NADPH, H+ FAD 2 Fe2+ Mo5+
2 eˉ 2 eˉ
NADPH, H+ FADH2 2 Fe3+ Mo3+
– 0,32 V – 0,06V
NO3ˉ ®
NO2ˉ +
H2O
+
0,42V
® Réaction spontanée (= réaction exergonique)
∆G° = – 34,5 Kcal
Paradoxe :
Réaction exergonique
A B
Réaction exergonique
§ 2ème étape : Réduction de l’azote
nitrique avec
Expérience
de Hageman (1962) sur les chloroplastes
6 FdOx
PS
I Fe 4S 4 2
eˉ
6
FdRed
– 0,43 V Encore une relation entre
Photosynthèse : SH+ les métabolismes de l’azote
et du carbone.
NO 2ˉ ®
NH 4+
+ 2 H2O
+ 1,14 V
® transfert spontané (∆G° = – 95 Kcal)
Expérience
de Hageman (1962) sur les proplastes de
champignons et de racines.
3 NAD(P)H + H+ 3 FlaP
Fe 4S 4 6
eˉ
3 NAD(P)+ 3 FlaPH2
Flavoprotéine
6 H+
Respiration : 2 H+
NO
2ˉ ®
NH 4+
+ 2 H2O
Ø Origine du pouvoir réducteur :
§ Relation avec la respiration :
Chlorella
sp. Volume de dégagement de
CO2
Quotient respiratoire : QR =
Volume
de dégagement de O2
dissous
-
Obscurité et absence de NO3ˉ : QR » 1 (constant)
-
Obscurité et apport de NO3ˉ : QR > 1
Interprétation :
NADH + H+
+ O2 NADH + H+ +
O2
Sans NO3ˉ Avec NO3ˉ
NAD+ + H2O NH 4+ + NAD+
Lors
de la respiration (obscurité), il y a compétition du NO3ˉ et de
l’O2 pour
le pouvoir réducteur.
§ Relation avec la photosynthèse :
Chlorella
sp. Volume
de dégagement de O2
Quotient photosynthétique : QR
=
Volume
de dégagement de CO2
dissous
-
Lumière et absence d’azote : QR » 1 (constant)
-
Lumière et apport de NH4+ : QR » 1
-
Lumière et apport de NH4+ : QR > 1
Interprétation :
NADH
+ H+ + CO2 NADH + H+ + CO2
Sans NO3ˉ Avec NO3ˉ
NAD+ + sucres NH 4+ + NAD+
Lors
de la photosynthèse (lumière), il y a compétition du NO3ˉ et de
le CO2 pour
le pouvoir réducteur.
v Assimilation
de l’ammonium :
∆ problème d’accumulation
à cause du déséquilibre qu’il entraîne chez les autres cations.
Environnement |
|
Plante |
|||
N
2 NH4+
NO2ˉ |
Symbiose
(Nitrogénase) Absorption
dans le sol Absorption
+ NR + NiR |
NH4+ |
-
Acides aminés
(Glutamines,
Asparagine)
=
molécules mobiles et solubles
® forme
majoritaire pour le
transport de l’azote (via le
phloème)
-
Amides (Glutamates, Aspartames)
® : 3 stratégies :
-
La voie de la
glutamine,
-
L’amination
réductrice,
-
La transamination.
Ø Assimilation de NH par transamination :
§ Mécanisme général :
R R’ R R’
| | | |
C = O + CH—NH2 ® CH—NH2 + C = O
| | | |
COOH COOH COOH COOH
A. organique 1 A. aminé
2 A. animé 1 A. organique 2
§ Synthèse de l’aspartate :
Aspartate transaminase
Oxaloacétate +
glutamate ®
Aspartate +
a – cétoglutarate
COOH COOH
| |
C = O CH—NH2
| |
CH2 (CH2)2
| |
COOH COOH
Aspartate
synthase
Aspartate + NH3 ® Aspartagine +
H2O
COOH (ou NH4OH) COOH (ou 2 H2O)
| |
CH—NH2 CH—NH2
| |
CH2 CH2
| |
COOH CO—NH2
v Conclusions :
Ø Régulation de l’assimilation de l’azote :
Expérience
sur la lentille d’eau ayant subit une carence en azote pendant 24 à
48H :
Activité
de
Témoin
NO3ˉ
+ Cytoheximide (inhibiteur de
La
nitrate réductase est induite par son substrat. Il s’agit d’un enzyme coûteuse
en énergie : elle n’est secrétée qu’en présence de nitrate (Turn over très
court : quelques heures)
§ Assimilation du NO3+ dans les cellules foliaires :
Paroi (pas de sélectivité de transport)
Membrane plasmique Chloroplaste
GOGAT
Gln
2 Glu
GS Glu Transamination
NH4+ A.A
NiR
ATP Protéines
Transporteur (pas
toxique) NO2ˉ (toxique)
NO3ˉ T NO3ˉ NR
Anion Anion Vacuole
ADP + Pi
Stockage
Sans
compartimentation
Ø Cycle de l’azote dans la biosphère :
§ Dénitrification :
=
Retour de l’azote sous forme nitrite gazeux N2
dans l’atmosphère.
Chez
les bactéries hétérotrophes pour le carbone (et aussi autotrophes pour le
carbone)
Nitrococcus
denitrificans
Pseudomonas
denitrificans
Protéines N2
Acides aminés
Acides
Cétoniques NH4+
Énergie
NADH + H+
N2O
Catabolisme
énergétique
NO2ˉ
Substrats
NO3ˉ
Organiques Dénitrification
Nitrate
Surtout
dans les régions plus tropicales quand le sol est asphixique (à cause des inondations)
et dans les intersaisons.
§ Cycle de
l’azote :
N2
Déjections
Protéines animales
Putréfaction Fixation
Protéines végétales biologique
Humification Dénitrification
Humus Acide aminé
Ammonification
Amination
NH4+ NH4+
Absorption
NO3ˉ
Lessivage Absorption
et réduction
Dans la plante.
Dans le sol.
Nitrate " Nitrite NO3ˉ Nitrite " Nitrate
NR Nitrification
D°G < 0 D°G < 0
Pourquoi ? puisque
c’est une réduction Normal,
car c’est une oxydation
NO2ˉ
Nitrite " Ammonium Ammonium " Nitrite
NiR Nitrosation
(chez les végétaux
supérieurs) (chez
les bactéries nitreuses)
Photosynthèse " 8 H+ + 6eˉ NO3ˉ 2H+ + H2O
D°G = –95kCal D°G = – 84 kCal
Pourquoi ? puisque c’est une réduction Normal, car c’est une oxydation
2
H2O NH4
O2
Autotrophie pour
le Carbone " Stockage de l’énergie sous forme de
molécules.
Autotrophie
pour l’Azote " Utilisation d’un peu d’énergie
v Modalités :
Ø Définition
:
Le
développement est constitué de :
Croissance : Augmentation
irréversible de la taille (masse sèche)
"
Phénomène quantitatif
Différenciation : Augmentation
irréversible de la taille (masse sèche)
"
Phénomène qualitatif
Ø Croissance
des différents organes :
§ Croissance racinaire :
Pas de croissance
observée
24 heures
Zone spécialisée
Traits
équidistants pour
la croissance
Apex
Pas
de croissance
Cylindre
central
Zone de différenciation cellulaire
= Zone d’histogenèse
Élongation cellulaire
= Zone d’auxésis
Quand la paroi est
définitivement installée,
il n’y a plus
de croissance.
Faible
ratio noyau /cytoplasme
Zone d’entretien de la coiffe
Coiffe
Multiplication cellulaire
=
Zone de mérésis
Centre quiescent
Important
ratio noyau /cytoplasme
·
Croissance
en diamètre :
Elle est effectuée par le méristème
secondaire (= cambium) qui n’existe que chez les dicotylédones.
·
Ramification
(racines latérales) :
Épiderme Xylème (sève brute, ascendante)
Parenchyme
cortical Phloème (sève élaborée, descendante)
Endoderme Cylindre central
Péricycle Parenchyme médullaire
Les
cellules du péricycle sont des cellules différenciées qui subissent une
différenciation et deviennent des cellules totipotentes (qui refont une
nouvelle racine)
§ Croissance de la tige
(feuillée) :
Méristème d’attente
Ébauche
de feuille
Régénération des cellules utilisées pour les ébauches foliaires
Méristème
médullaire
Méristème d’attente
L’anneau
initial est à l’origine
de
la prochaine ébauche foliaire
Anneau initiale
Ø Régulation
hormonale de la croissance :
On
ne s’intéresse qu’aux facteurs endogènes :
-
Composés oligotrophiques (en trop
petite quantité pour dire qu’ils ont un rôle nourricier "
inintéressant)
-
Phytohormones (¹
Hormones animales)
" Hormonologie
Structures très variées dans une même
famille.
Dans une même famille "
plusieurs fonctions.
Selon l’équilibre hormonal, il y a des conséquences totalement différentes
" Endocrinologie
1 hormone
" 1 structure
" 1 fonction
On
a établi 4 critères pour qu’une molécule soit une hormone végétale :
-
Spécification dans le cycle de
synthèse,
-
Molécule active à très faible
concentration,
-
Site d’action différent du site
de synthèse (valeur de signal),
-
Nature universelle de l’hormone
(même structure dans différentes espèces)
v Les auxines :
Il
a fallu 50 ans pour les découvrir et faire accepter leur existence.
Travaux
sur le coléoptile d’avoine :
Coléoptile
(= gaine de protection de la première faille)
Racines
séminales (3 pour les monocotylédones)
Faisceau
intense sur l’apex
Obscurité
Il
excite forcément 2 sites (au moins) :
-
Un de perception,
-
Un de réaction.
"
Transmission d’un signal
Ø Auxines
et grandissement cellulaire :
§ Découverte de l’AIA
(principales étapes) :
Expérience
sur le coléoptile découvert :
j
Apex
juste reposé
"
Plus de croissance Reprise de la croissance
Þ L’apex contrôle la croissance du coléoptile.
Mais le contrôle est de quelle nature ?
Plaque de platine |
Permet un signal électrique |
û |
Couche lipidique |
Permet un signal chimique
lipidique |
û |
Couche de mica |
Empêche tout type de signal |
û |
Bloc de gélose |
Permet un signal chimique
hydrophile |
ü |
k
l
"
Reprise de la croissance
Þ La
gélose mime l’apex car elle contient des molécules hydrophiles.
m
Coléoptile de
monocotylédone Tige de dicotylédone décapitée
L’AIA
(acide indole_3_acétique) est l’auxine naturelle la plue répandue.
Elle
peut être libre ou fixée à d’autres radicaux.
Il
existe d’autres auxines moins naturelles et dérivées de l’AIA, mais elles
présentent un rendement plus faible. On y trouve :
-
Les auxino–mimétiques (de
synthèse),
-
Les régulateurs de croissance,
-
Les désherbants.
L’AIA
est une molécule thermolabile et photosensible : elle est dégradée sous
les effets de la chaleur et de la lumière.
Les
auxino–mimétiques sont non sensibles à la chaleur et à la lumière.
Dans
le cas d’une lumière anisotrope (inégale) :
-
L’auxine est détruite là où il y
a de la lumière,
-
Et elle est produite là où il n’y
a pas de lumière
" Les cellules à l’ombre s’allongent et il y a
une courbure vers la lumière.
§ Dosages :
·
Dosage
biologique de l’AIA = test de Went (ou test avoine) :
Les
lieux de synthèse de l’AIA sont très spécifiques : l’apex foliaire et les
organes reproducteurs.
a
20
"
Croissance asymétrique
10
AIA
(10–7 g.mol–1)
1 2 3
·
Dosage
par analyse physico–chimique :
j Chromatographie d’extraits naturels : Test de Salkowski (1885) qui donne la
concentration à 10–5
g.mol–1 près (méthode moins précise mais plus pratique)
k Couplage chromatographie et spectrométrie de
masse :
sensibilité importante (détection d’une quantité de 5 à 10 ng)
l Méthodes immunologiques : Test élisa : sensibilité énorme
(détection d’une quantité de 0,1 ng)
§ Transport :
Le
transport de l’AIA est polarisé (ou vectoriel) : de l’apex vers la base.
Segment sous–apical
" Reprise de la croissance
Þ Il y a bien un transport de l’AIA.
" Pas de reprise de la croissance
Le
mécanisme du transport polarisé de l’AIA se fait dans les cellules du liber.
Paroi neutre
électriquement
"
Elle peut franchir le
plasmalemme
Plasmalemme
Cytosol
Transporteur
+ ATPase
(au
pôle basal)
§ Métabolisme de l’AIA :
·
Synthèse
de l’AIA :
Il
existe 2 voies de synthèse.
Le
précurseur de l’AIA est le Tryptophane :
Ou
« I » pour le noyau imidazole :
Acide cétonique
Transamination Décarboxylation
Acide aminé
CO2
I – CH2 – CO – COOH I
– CH2 – CH2 – NH2
Acide
indol_pyruvique Tryptophane
H2O
Décarboxylation Désamination oxydative
CO2 NH3 + H+
I
– CH2 – CHO
Indol_acétaldéhyde
Voie principale Voie privilégiée
dans l’apex de coléoptile
H2O + NAD+
Oxydation
NADH + H+
I
– CH2 – COOH
AIA
·
Catabolisme
de l’AIA :
De
trop grandes quantité d’auxines causent une prolifération cellulaire
désorganisée. Il existe donc des enzymes de décarboxylation oxydative :
les auxines oxydatives.
Il existe d’autres possibilités de
réactions cataboliques, comme la régulation par la fixation de l’AIA . Tant que celle– ci est conjuguée,
elle n’est plus fonctionnelle.
I
– CH2 – COOH
AIA
O2
CO2 + H2O
Oxy_indole_3_méthylène
Indole_3_aldéhyde
§ Mode d’action de l’AIA :
L’élongation
concerne les cellules jeunes, où il n’y a encore que la paroi IAIRE
de développée.
Schéma
de la paroi IAIRE :
Myofibrille
= Trame
Pectine
(pouvoir gélifiant)
Hémicellulose
(plus petite et ramifiée) Matrice
+
Extensine (15%)
(
surtout des liaisons hydrogène et ionique
" liaisons labiles)
·
Les
polymères pariétaux :
j La cellulose : b
(1–4)glucane
Les
liaisons b
(1–4) entraînent une forme en hélice et apporte une grande solidité à la
cellulose (indigeste)
Les
liaisons a
(1–4) entraînent une forme plane et concerne l’amidon.
k Les hémicelluloses : (très grande famille)
Il
s’agit d’hétéropolymères (= combinaison de différents polymères)
l Les pectines : a
(1–4)galacturonanes
On
observe une fonction carboxylique libre. Les pectines sont présentes dans la
paroi IAIRE.
COOˉ L H+ COOˉ L H+ COOˉ L H+
Les
cations bivalents jouent le rôle d’une pince à linge pour relier 2 pectines.
m L’extensine : glycoprotéines à hydroxyproline
MM = 86 kDa " 300 acides aminés ⅔ d’oses et ⅓
d’acides aminés
·
Les
effets de l’AIA :
j Augmentation de la plasticité de la
paroi :
Expérience
de Heyn (1991) puis Tagawa et Bonne (1957) :
20
minutes
On
retire de poids
5
minutes
a
at’
+
AIA ae’
at ap’ >>> ap
ae ap’
Témoin ap
0 20
25 (minutes)
k Stimulation de l’extension pariétale :
Milieu physiologique Segment
d’hypocotyle de soja
(pH = 7
±
AIA)
D
longueur (µm)
1500
pH pH + AIA
7 5
Témoin (toujours
un peu d’AIA dans la plante)
0
0 20 90 (minutes)
Cytosol
AIA
Pompe à proton inactive
ATP
H+
Pompe à proton active
ADP + Pi
L’acidification
de la paroi entraîne une perte de cohésion et donc une plus grande plasticité.
« On
fait de la place en écartant les livres pour pouvoir en ranger d’autres »
l Stimulation du métabolisme :
Expérience sur l’épicotyle de pois +
AIA :
Unités
relatives
15
Cellulose
10 (petit
effet retard)
ARNM celluloase
5
1
0 12 24 48 (heures)
L’AIA
induit la transcription et la traduction.
"
Effet à court et moyen terme.
Résumé |
|
Au
niveau pariétal (quelques
minutes) |
Au
niveau moléculaire (quelques
heures) |
Extrusion
de H+ $ Perte
de cohésion Trame
/ Matrice $ Plasticité
de la paroi cellulaire |
Activation
de la transcription $ Activation
de la traduction $ Synthèse
d’enzymes (remaniement
des polymères pariétaux) |
Extension de la paroi
= croissance par élongation cellulaire
§ Liaisons auxines –
récepteurs :
Il
existe 2 types de récepteurs.
Très
mal connus
"
Comparaison des points communs des structures des phytohormones de type
auxines.
·
Auxines
de synthèse :
:
AIA
-
Acide
a_naphtalène
acétique
= ANA
-
Acide
a_naphtalène
oxyacétique
-
Acide
2,4_dichlorophénoxyacétique
= 2,4–D
C’est la plus puissante.
Elle est utilisée, en grande quantité,
comme désherbant puissant par multiplication.
En
plus, elle est biodégradable.
-
Acide
2,4,5_trichlorophénoacétique
= 2, 4, 5–T
-
Acide 2_méthyl_4_chlorophénoacétique
=
MCPA
·
Points
communs :
j La chaîne latérale doit être courte :
AIA : I–CH2–COOH
AIP : I–CH2– CH2–COOH moins
efficace
AIB : I– CH2– CH2– CH2–COOH beaucoup
moins efficace
I–CH2– CH2– CH2– CH2–COOH plus
d’activité
k Présence d’un protons H libre en position
« ortho » :
2, 4–D 2, 6 D
Pas
d’activité
l le noyau doit présenter des doubles liaisons
(= liaisons éthyléniques) :
d+
Acide
benzoïque Acide
cyclohexanoïque
Pas
de mouvements des charges
Théorie
de Kenneth Thimann (1904 – 1997) :
AIA 2,
4 D
Þ
Récepteur à 2 points d’ancrages à
une distance précise
Ø Auxines
et multiplication cellulaire :
Les
effet des auxines sont doses–dépendants.
-
Grandissement cellulaire = Auxésis
Pour de faibles concentration : [ AIA ] = 10–7
à 10–11 g.mL–1
-
Multiplication cellulaire :
[
AIA ] = 10–2 à 10–6
g.mL–1
-
Organogenèse :
[ AIA ] = 10–7
à 10–6 g.mL–1
§ Mise en évidence :
·
Prolifération
cellulaire non contrôlée, anarchique :
Soit
des fragments végétaux dans un milieu gélosé ou aqueux + [ AIA ] = 10–2 g.mL–1
4 semaines
Obtention
de « cal » (= amas de cellules ressemblant à une tumeur)
S’il
l’on ajoute de l’AIA, la prolifération continue ; sinon, il y a un arrêt de la croissance.
·
Prolifération
cellulaire organisée :
Phloème
Cambium
( 3 couches de cellules )
Xylème + [ AIA ] = 10–6 g.mL–1
8
assises (= couches) cellulaires
Þ Action cambio–stimulante de l’AIA.
§ Cas de crown gall :
Gall
= multiplication cellulaire en désordre,
due à une piqûre d’insecte.
¹
Crown
gall = multiplication cellulaire en
désordre, due à une bactérie
(Agrobacterium
temufaciens)
Le
crown gall est une tumeur naturelle (qui se manifeste sur un tissu jeune) On
parle aussi de tumeur IAIRE
qui correspond au point de départ de l’infection.
Les bactéries sont en multiplication et
causent un excès d’auxines.
renferme les
bactéries
Lorsque la tige grandit : Tumeurs
secondaires
Elles ne contiennent pas l’agent
infectieux.
Les
cellules se multiplient même sans apport d’AIA. Þ Habituation hormonale
Les
cellules des tumeurs IAIRES
ont acquis la capacité de synthétiser l’AIA alors qu’elle « tait réservée
à l’apex.
" Il y a eu un transfert d’informations
génétiques de la bactérie à la plante.
ADN bactérien Plasmide Ti (Tumeror inducing)
responsable de la tumeur
Gène
de réplication
Gène de virulence
TL
TR
ADN de transfert Séquences de bordure (TL et TR)
(ADNT)
Production d’opine (= facteur de
croissance de la bactérie) et d’enzymes végétales
et
gènes ONC responsables de l’ontogenèse
·
Production
de plante transgène (OGM) :
j Fabrication d’un vecteur de transfert :
"
Utilisation d’enzymes de restriction pour retirer les gènes responsables de la
tumeur et insérer le gène d’intérêt.
1 P P 1
Sélection
végétale Gène d’intérêt
k Transformation bactérienne :
GSB
Gène de sélection bactérienne
TL TR
1 1
GSV Gène d’intérêt
P P
l Sélection :
On
effectue une culture avec un antibiotique spécifique.
" Seules les bactéries modifiées survivent, les
autres meurent.
m Transformation de plantes par Agrobacterium
GM :
Plante
mère Disques foliaires scarifiés
Incubation en présence de Agrobacterium GM
" "
Milieu
de sélection des cellules Antibiotique
pour détruire
transformées (GSV) les
bactéries restantes
"
n Quelques applications (gènes d’intérêt) :
-
Résistance aux
insectes (maïs, coton, pomme de terre, colza),
-
Résistance aux
herbicides,
-
Résistance aux
virus (tabac, laitue, colza, pomme de terre),
-
Réduction des
introns azotes (optimisation de l’azote donné),
-
Amélioration des qualités
nutritives :
Huile plus riches en acides gras
essentiels avec modification que de la graine,
Composition
de l’amidon de pomme de terre,
-
Résistance aux
stress abiotiques (froid, sécheresse, sols salés, etc.),
-
Production de médicaments
(protéines humaines, hémoglobine, etc.)
"
Il y a un avantage sur les bactéries GM (en plus de la biomasse) : la
présence de gène effecteur de gènes (activateur)
o Quelques problèmes :
-
Résistance aux
antibiotiques (dont la canabicine) qu’il vaut mieux ne pas diffuser,
-
Les partielles expérimentales
nécessitent un périmètre de sécurité avec interdiction de faire pousser des
hybrides pouvant s’auto–croiser avec l’OGM.
Maïs : OK, il n’y a pas d’hybrides,
Colza : plus problématique car il y a une hybridation
possible avec la ravelle.
"
Problème de dispersion.
-
Problème d’éthique avec les
manipulation du vivant.
Ø Auxines
et organogenèse :
§ Rhizogenèse :
j Bouturage de la vigne Vitis
vinifera :
Bourgeon
auxiliaire (végétatif)
AIA ?
Sable humide Racines
adventives
Le
bourgeon auxiliaire est nécessairement obligatoire pour avoir des racines.
Comme il est végétatif, il n’y a pas de photosynthèse.
k Décortication annulaire :
"
Ce qui fait qu’il y a des racines passe par le Phloème.
L’AIA y passe…
l Expérience de Cooper (1935) sur Citrus
sp. :
Bouture : Rebouture :
AIA :
10–5 g.mL–1 Plus
de racines adventives
"
Les composés endogènes
oligotrophiques jouent un rôle de régulation
(des composés macrotrophiques n’ont pas
été trouvés)
"
La rhizogenèse est due à l’AIA et à des composés oligotrophiques (vitamines)
§ Caulogenèse :
j Exemple avec une plante tropicale Allopectus :
"
Néoformation de bourgeon sur une feuille
Sable
humide Blessure à l’apex de la feuille
(trou)
Nervure principale épaisse
[AIA] = 10–8
g.mL–1 |
" |
Bourgeons
adventives |
[AIA] >
10–8 g.mL–1 |
" |
Bourgeons et
racines adventives |
[AIA] = 10–5
g.mL–1 |
" |
Racines
adventives |
[AIA] >
10–5 g.mL–1 |
" |
Gall |
AIA
?
k Exemple avec Crambe
maritima (chou
avec une grande racine) par Stroughton et Plant (1940) :
Soit
un segment de longueur variable :
8 cm
2 cm
Gradient d’AIA
Gradient d’AIA
" "
Caulogenèse
Surtout de la rhizogenèse
§ Quelques applications :
2_méthyl_1_naphtylacétamide |
Acide
2_méthyl_1_naphtylacétique |
Acide
b_indole_butyrique |
a_naphtylacétamide |
j Bouturage :
k Marcottage :
On
retrouve cette application dans la nature chez les fraisiers. On peut la
réaliser artificiellement :
-
Marcottage par couchage :
-
Marcottage
aérien :
l Expérience de Nitsch (1950) :
La
fraise est un polyakène (plusieurs fruits)
Après
fécondation :
-
On retire les carpelles :
" La fraise ne grossit pas.
-
Si on n’en laisse qu’un :
" Atrophie là où il n’y a pas de carpelles.
-
On retire les carpelles et on
pulvérise de l’AIA :
" Obtention de fruits parthénocarpiques.
(=
production de fruits sans qu’il n’y ait eu
développement
d’une graine, naturelle ou mimée)
Exemple :
|
Parthénocarpe
naturelle ? |
Induction
par les auxines |
Tomate |
Oui S’il
y a un stress (mécanique, ou abiotique) ou une pollinisation inter espèce |
AIA ;
AIP ; AIB ; ANoA |
Aubergine |
Non |
AIA ;
2,4–D ; ANA ; DefH9–iaaM
(= trangène chimérique) |
Banane |
Oui Par
sélection variétale et avec un meilleur rendement |
AIA ;
2,4–D ; ANA |
Concombre |
Oui (contrôle
génétique) |
AIA ;
2,4–D ; ANA |
Cela permet d’obtenir des fruits plus
nombreux, d’augmenter le rendement et de faire de la culture hors saison.
m Culture in vitro :
La
1ère culture a été effectuée par Roger Jean Gautheret (1910 – 1997),
président de l’académie des Sciences.
n Désherbage hormonal :
Il
s’agit de l’accumulation des auxines de synthèse, entraînant une prolifération
cellulaire létale.
"
Il consiste en un herbicide
sélectif : les monocotylédones (= graminées) deviennent plus résistantes.
Il
diffère du désherbage chimique comme avec le chlorate. Ce dernier est un
analogue du nitrate. Il n’y a aucune différence pour la plante mais la NR ne le
reconnaît.
"
Il y a une accumulation létale et une rémanence longue dans le sol.
Alors que le désherbant hormonal est
biodégradable.
v Les gibbérellines :
Ø Découvertes
et structures :
§ Découverte :
Dans
les rizières, les cultivateurs asiatiques observaient des élongations anormales
des entre–nœuds. Ce gigantisme entraînait la verse puis la stérilisation par
épuisement.
" « foolish
seedlings » = « bakanae » =
« plantes–folles »
En 1926, Eiichi Kurosawa a découvert un
champignon parasite à la base des plantes–folles (riz) Il s’agit d’un
ascomycètes : Gibberella funjikoroï
En
pulvérisant un broyat de ces champignons sur du riz sain, il observa de nouveau
le gigantisme.
§ Structure :
-
1939 : La molécule active est isolée et purifiée par
cristallisation,
-
1956 : La structure est élucidée.
Noyau
gibbérellane :
(numéro
d’ordre de découverte)
Pont formant un autre cycle
Þ GA 3 =
acide gibbérelique
(le plus puissant des
gibbérellines)
Ø Rôle
:
-
Levée de la dormance
embryonnaire,
-
Levée de la
« dormance » des bourgeons axillaires,
-
Élongation des entre–nœuds.
Pois nain
Pois
WT Pois nain + 10
ng de GA 3
Ø Modes
d’action :
§ Synergisme gibbérellines –
AIA :
Expériences
sur les jeunes tiges :
j
Apex coupé " Pas de
croissance.
k
" Pas de
croissance.
l
" "
Þ Synergie
Gibbérelline – AIA pour l’élongation cellulaire.
Les
gibbérellines favorisent la synthèse de l’AIA :
-
Augmentation de la
transcription :
-
Protéase pour la protéolyse,
-
Cellulase : enzyme clé de
l’élongation cellulaire.
-
Augmentation de la stimulation de
l’anabolisme protidique :
GA3 Acide
pyruvique Acétyl_CoA
Acide acétique (
Acide oxaloacétique
Acide malique Acide
citrique
KREBS
Acide succinique Acide acétoglutarique
Acide
glutamique Protéines
Ø Applications
:
§ Floraison des bisannuelles
ornementales :
Ces
plantes ont un cycle de 2 ans avec une floraison la 2ème année. Avec
les gibbérellines, la floraison est donc contrôlée et rapide.
§ Obtention de fruits
parthénocarpiques :
Les
gibbérellines sont identiques que les auxines mais pour des espèces
différentes.
§ « Raccourcissement »
des céréales par des anti-gibbérellines :
Ils
interfèrent avec les gibbérellines.
Exemples :
-
Le chlorure de
2_chloroéthyl_triméthylamonium (CCC),
-
Le Cycocel (chlorure de
chlorméquat)
v Les cytokinines :
Kines = division Cyto
= cellulaire
Ø Découverte
:
-
Johannes Van Overbeck (1941) a
effectué une culture d’embryon isolé in
vitro de Datura avec l’apport de lait de coco et d’AIA.
-
Stewart et Shantz (1954) ont
découvert la diphénylurée :
NH -
CO - NH
Le problème est que cette molécule
découverte n’est pas universelle.
"
Elle n’est donc pas une hormone mais juste un facteur de croissance.
-
Folke K. Stkoog (1908 – 2001) a
travaillé, en 1956, sur des cultures de tissus de tabac et a remarqué le besoin
d’une molécule avec une base structurale d’adénine (que l’on trouve en grande
quantité dans le sperme de hareng)
"
Il s’agit de la 1ère cytokinine isolée :
6_furfuryl_aminopurine (ou
6_furfuryl_adénine)
En fait, il s’agit d’une
cytokinine de synthèse (pas présente dans la plante mais de bon marché)
-
D. S. Letham (1963) a découvert
la 1ère cytokinine naturelle dans le maïs : la zéatine.
Prix hors taxe : 29,30€
les 5 mg
59
€ le gramme
-
Les cytokinines de
synthèse :
-
La benzyl_aminopurine (BAP)
ou benzyl_adénine :
Il s’agit de la cytokinine la plus
active.
Les
cytokinines sont synthétisées dans les racines, graines et fruits. On les
retrouve dans les parties aériennes de la plante via la sève montante.
Ø Action
sur la croissance :
§ Stimulation des divisions
cellulaires :
Exemple
de cultures de moelle de tabac in vitro :
-
Sans hormone : " Pas de division, pas d’élongation,
-
Avec de l’AIA : " Elongation cellulaire mais pas de division,
-
Avec des cytokinines : " Divisions cellulaires mais pas d’élongation,
-
Avec les 2 (lait de coco) : " Divisions et élongation cellulaires.
Þ Il y une
synergie pour les divisions cellulaires.
Test
de Skoog :
Pour savoir si un tissu contient des
cytokinines, on ajoute au tissu de l’AIA.
S’il y a des divisions cellulaires, il y
a des cytokinines.
§ Caulogenèse :
Travaux
sur des fragments de Funaria in vitro :
Nombre
de bourgeons adventifs
(en unité relative)
1000
Avec cytokinines
100 Sans cytokinines
10 14 16 Temps
Exemple
de balances hormonales :
|
AIA |
Cytokinine |
|
Balance
auxinique : |
2.10–6
g.mL–1 |
10–8
g.mL–1 |
" Racine |
Balance
cytokinique : |
2.10–6
g.mL–1 |
Plus
de 10–8 g.mL–1 |
" Bougeon |
Si
la balance est mal ajustée, il y a soit aucun effet, soit l’effet inverse.
Si
on remplace l’AIA par l’ABA, il faut revoir la balance.
v Acide abscissique et
éthylène :
Ø La
chute des feuilles :
Les
effecteurs (climatiques et etc.) sont : la sécheresse, les jours
courts, la compétition inter–organes, etc.
Au
niveau d’un nœud :
Tige Pétiole
Couche
régénératrice (cellules pallissadiques)
Elle
apparaît en 1ère.
Couche
d’abscission
Elle
est mise en place par la couche régénératrice
Les
2 couches forment la zone d’abscission.
La couche d’abscission est le siège de
sécrétions d’enzymes de dégradation : les « ases » (cellulase,
etc.)
Elle entraîne ainsi :
-
la digestion cellulaire de la
couche régénératrice,
-
la sécrétion de liège
cicatrisant,
-
et la chute par mouvement
mécanique.
Ø Régulation
hormonale :
§ Intervention des
auxines :
j
Concentration en AIA dans les feuilles lors de
la chute en automne :
En jours longs, la concentration en
AIA est constante.
Durant les jours courts, celle–ci
diminue.
k
Un
apport d’AIA retarde la chute des feuilles, expérience sur le Coleus :
Si on supprime le limbe (source de
l’AIA), il y a la chute du pétiole.
Si on remplace le limbe par un bloc
imbibé d’AIA, il n’y a pas de chute.
§ Intervention des
cytokinines :
j Lors d’un stress hydrique, les feuilles
tombent.
Si on applique des cytokinines (10–5
g.mL–1) sur
une feuille basale, celle–ci échappe à la sénescence comme s’il s’agissait
d’une jeune feuille
feuille basale = feuille à la base de la tige, donc
plus ancienne
k Si on apporte des cytokinines sur un seul
coté de la feuille (10–5
g.mL–1), on
observe une concentration en AIA différente de part et d’autre de la
feuille :
-
-
Þ
Les cytokinines ont un rôle indirect sur la sénescence en faisant
augmenter la concentration en AIA.
§ Rôle de l’étylène :
H2C 9 CH2
Il
s’agit d’un gaz, il peut donc diffuser facilement d’un tissu à un autre.
Il
est synthétisé à des moments précis :
-
Maturation des fruits dits
climactériques (fruit maturé grâce à un pic d’éthylène)
-
Tissus âgés, comme la
feuille, qui entrent en sénescence
Il
joue un rôle dans :
-
Le déclenchement de l’abscission
des feuilles, fleurs et fruits
-
La levée de dormance des
bourgeons axillaires (effet inverse de l’auxine qui maintient les bourgeons en
dormance)
-
Migration à partir d’une synthèse
de 0,5 mL.h–1.kgMF–1
Son
émission est maximale à
L’éthylène
est dit « anti–auxine ».
Synthèse de
l’éthylène :
Adénosine
Activation ACC
Synthase ô
S – CH3
+ ATP + P–P + Pi +
CH2 COO–
Adénosine –
* ô C
CH2 NH3+
=
ACC
= AminoCyclopropane Carboxylique
CH2
COO– ACC Oxydase
ô C H2C 9 CH2
CH2 NH3+
+ + CO2 + H2O + HCN
½ O2
Application au
contrôle du mûrissage des fruits :
j
Atmosphère contrôlée « post–récolte » (non saturé) :
-
Pomme,
poire, banane : CO2 " Stabilisation
- Banane, pêche, abricot : CH4 " Facilitation
de la maturation
post–récolte
- Melon, avocat, tomate " Ventilation
pour le stockage
-
Fruits
tropicaux " Réfrigération
(hydro–cooling)
Blocage des mécanismes
(maturation
complexe) " Récolte
pile à maturité
Froid
humide (chambre froide)
k
Génie génétique :
-
Inhibition de la synthèse
d’éthylène (au niveau de l’ACC oxydase) par les techniques antisens. Exemple : la tomate long life (anti ACC oxydase), la tomate mid life
"
Intéressantes pour les coulis, concentré, etc.
ADN ARN Protéine
Transcription Traduction
impossible
Hybridation
avec
un antisens
Remarques :
Mûrissage
des bananes : 95 % de N2 et 5 %
d’éthylène pendant 24 H à
§ Intervention de l’acide
abscissique :
L’acide
abscissique est découvert en 1963 dans le cotonnier.
-
Il favorise la formation de la
couche abscissique (anti–auxine)
-
Il y a une accumulation en jours
courts dans les graines et les bourgeons
"
Il joue un rôle dans l’entrée en
dormance des bourgeons auxiliaires (dormine)
-
Il stimule la tubérisation.
-
Il s’agit d’une hormone de
« détresse »
v D’autres hormones ?
-
L’acide salicylique : Inhibiteur de la synthèse d’éthylène
-
L’acide jasmonique : Stimulateur de la éthylène,
Accélérateur de la dégradation des
pigments,
Inhibiteur de la croissance des racines
-
Les polyamines
v Aspects morphologiques et
biologiques :
Ø Définition :
Il
s’agit du processus de différenciation (changement qualification d’état :
potentiel de la plante à fleurir)
Ø Transformation
de l’apex :
Il
s’agit du passage de l’état végétatif à l’état reproducteur :
Apex végétatif :
Pro–méristème
sporogène
Anneau initial
Pro–méristème
respectaculaire
Méristème
médullaire
=
Méristème d’attente
Apex floral :
A
l’origine des organes floraux :
Réceptacle floral
-
Sépales, (de
l’extérieur)
-
Pétales,
-
Etamines,
-
Carpelles (vers l’intérieur)
Ø Cycle
biologique :
La
transformation dépend de la plante : floraison unique, annuelle, à une
certaine saison, après 30 années de vie végétative.
"
On parle d’aptitude à fleurir.
Germination :
Début de la croissance d'une graine mûre, généralement dormante Emergence :
Apparition des organes aériens à la surface du sol. Montaison :
Développement et croissance de la plante Epiaison :
Chez les graminées, apparition de l'épi (blé) ou de la panicule (avoine) au
sommet de la dernière gaine. Fruitaison :
Apparition du fruit.
§ Plantes monocarpiques :
Ces
plantes ne fleurissent qu’une seule fois.
Exemple des
céréales :
j
Dites « de printemps » : cycle
d’environ 8 mois
Automne |
Hivers |
Printemps |
Eté |
|
… |
… |
Germination Emergence |
Montaison Epiaison |
Mort |
k
Dites « d’hivers » :
Automne |
Hivers |
Printemps |
Eté |
|
… |
Germination Emergence |
… |
Montaison Epiaison |
Mort |
Ce
sont des fausses bisannuelles : elles sont à cheval sur 2 années civiles
mais leur cycle est inférieur à 12 mois.
Ces
céréales nécessitent de passer l’hivers sous forme de rosette. Si elles sont
plantées au printemps, il n’y a pas de graines.
Cas des
bisannuelles :
Carottes,
betteraves, digitales, …
j
Exemple de
Printemps |
Eté |
Automne |
Hivers |
Printemps |
Eté |
|
Germination Emergence |
Développement
uniquement végétatif |
Montaison |
Fruitaison |
Mort |
De
même que les céréales d’hivers, les bisannuelles ont besoin de basses
températures pour qu’il y ait une floraison.
Cette
application aux basses températures est appelée vernalisation. Mais on verra qu’il ne faut pas que cette condition.
k
Cas des plantes pluriannuelles mais monocarpiques :
Agare, …
L’année
de floraison est la dernière année du cycle.
§ Plantes polycarpiques :
Il
y a plusieurs floraisons sur plusieurs années successives.
§ Acquisition des compétences
nécessaires à la mise à fleur :
Méristème
Méristème Méristème
Pas pour les annuelles végétatif inflorescentiel floral
Méristème végétatif |
|
Méristème apte à fleurir |
Conditions tropiques
photopériodiques : |
Initiation florale |
Croissance des organes floraux |
|
-
Plante
indifférente, -
Plante
préférente, -
besoin
absolu de la vernalisation |
|
-
Plante
indifférent, -
Plante
de jours courts, -
Plante
de jours longs |
=
Mise en place des organes floraux |
|
v Aspects physiologiques =
conditions trophiques et thermiques :
Ø Conditions
trophiques :
Une
plante a besoin de réserve (ce n’est pas qu’un aspect quantitatif mais
aussi qualitatif) :
-
Pour la floraison " Réserve de composés carbonés
-
Pour la poursuite de l’état
végétatif (ébauche de feuille) " Réserve de composés azotés
Ø Thermo–induction
froide = Vernalisation :
§ Les différents besoins en
froid :
Plantes à
besoins nuls :
Il s’agit des plantes
indifférentes : les plantes annuelles (céréales de printemps)
Plantes à
besoins relatifs :
Il s’agit des plantes préférentes :
j Exemple des
céréales d’hivers (fausse bisannuelle)
Floraison
tardive
« 25
feuilles »
« 7
feuilles »
« 1 à 2
feuilles »
k Exemple de
Printemps Eté Automne
Hivers Printemps
Eté
6 semaines à
Mort
"
Cycle annuel
On
parle de besoins relatifs car, des fois, ils peuvent être absolus.
§ Caractéristiques de la
vernalisation :
·
Maturation
de vernalisation :
Une
plante mature est une plante réceptrice de la vernalisation.
-
Pour les céréales d’hivers,
c’est au stade de semence,
-
Pour la Jusquiame noire
bisannuelle, c’est au stade de rosette.
·
Sur
des tissus métaboliquement actifs :
Exemple :
Les céréales d’hivers :
Si
on les hydrate et on les met au froid, les graines réagissent comme celles de
céréales de printemps.
Vernalisation pas
efficace : |
Eléments nécessaires à la
vernalisation : |
Grains
secs |
H2O |
Grains
hydratés + 2,4 DNP (dinitrophénol) |
O2 (activité respiratoire) |
Embryon
isolé |
Réserves
de Carbone |
·
Température
optimale de vernalisation :
Exemples :
-
Céréales d’hivers : 1 mois à 2 –
5 °C
-
Jusquiame noire
bisannuelle : 6 semaines à 5 °C
-
Olivier : quelques
semaines à 13 °C
·
Application
du froid continue ou discontinue :
Exemple :
Les céréales d’hivers :
On
peut effectuer une alternance de 2 – 3 jours à 2 – 5 °C sur 2 – 3 jours à 12 – 13
°C.
"
Il faut que la somme des périodes
froides soit supérieure à 1 mois.
·
Dévernalisation
:
Exemple :
Les céréales d’hivers :
On
applique un froid (2 à 5 °C) pendant un mois puis, immédiatement après, 7 jours
à 35 °C. "
On aura alors une floraison tardive.
Si
on attend avant d’appliquer les 35 °C, il n’y aura pas de retard dans la
floraison.
§ Mécanisme de la
vernalisation :
La
vernalisation est différente de la floraison. Il s’agit en fait de
l’acquisition d’une aptitude à fleurir.
j Exemple de
greffage :
Greffon |
Porte greffe |
Résultat |
Rameau
de Jusquiame noire bisannuelle non vernalisée |
Jusquiame
noire bisannuelle vernalisée |
Floraison
du greffon " Signal |
Jusquiame
noire annuelle |
Floraison " Signal présent naturellement |
|
Tabac
(plante annuelle) |
Floraison " Signal universel |
Þ Il y a
la présence d’un signal transmis par hormone.
A ce jour, on
ne la toujours pas isolée mais elle a déjà un nom : la vernaline…
k Rôle
des gibbérellines :
-
GA3 induit la floraison.
Exemple de la carotte qui peut fleurir
sans être vernalisée avec, à la place, un apport de GA3. Mais cela ne marche
pas avec toutes les espèces.
-
CCC supprime l’effet de la
vernalisation.
-
Les gibbérellines n’agissent pas
seules
§ Applications :
Elles
sont d’ordre agronomiques et horticoles.
Petite
histoire qui a posé un problème d’éthique : l’affaire Lyssenko Trofime (1898 – 1976)
Les
soviétiques avaient leur autonomie mais il y avait des problèmes
climatiques : la belle saison était trop courte pour le blé de printemps
et l’hivers était soit trop rigoureux (Ukraine), soit trop doux (Sud du
Caucase) pour le blé d’hivers. Il a fallu la vernalisation artificielle des
grains de blé d’hivers.
Lyssenko : « On s’en fout de l’origine génétique de
l’individu, l’environnement change tout. La génétique n’a plus besoin d’être
enseignée car il ne s’agit que de croisements hasardeux »
"
Théorie de la dominance des facteurs environnementaux sur l’origine génétique.
Un
ajout qualitatif permet de modifier un individu et de le transmettre à se
descendance.
Lyssenkisme = divergence jusqu’en 1962 avec la génétique
mendélienne et de Watson et Cricks.
Ø Thermo–induction
chaude :
Elle
entraîne la formation d’ébauches florales. Il s’agit plus qu’une acquisition de
potentiel.
Elle
concerne essentiellement les plantes à bulbe.
Exemples :
-
Les tulipes : températures douces (20 –
25 °C)
-
L’ail et les oignons : températures fraîches (10 – 15 °C)
§ Exemple de la tulipe :
·
Cycle
de culture :
Octobre
– Novembre |
Janvier
– Février |
Mars
– Avril |
Juin |
Plantations
des bulbes |
Début
de végétation |
Floraison |
Retrait
des bulbes |
·
Conditions
thermiques optimales :
Eté Printemps – Hivers
20
°C
Ebauches Levée
de dormance
Florales par les basses températures Réchauffement
progressif
« dormantes » ( ≠ Vernalisation ) " Epanouissement de la fleur
8 °C
Automne – Hivers
3 16 21 Semaines
v Aspects physiologiques =
photopériodes et mise à fleur :
Ø Définitions :
Photopériodisme :
Ensemble
des réactions d’un organisme influencées par l’alternance quotidienne des jours
et des nuits avec ses variations annuelles.
Nycthémère :
Répartition
jour – nuit sur une journée (24H)
0
H 24H
Héméropériode Nyctipériode
ou Photopériode ou Scotopériode
§ Espèce indifférente à la
longueur du jour :
·
Plante
apériodique :
Exemple :
Pomme de terre
F = F = F = F
·
Plante
photopériodique :
Exemple :
Tomate, Pois, Lilas, Cerisier
F F = F
= F
MT
MT : Minimum
trophique =
minimum de lumière pour la photosynthèse
Environ 5 Heures, jusqu’à 8 H
§ Espèce sensible à la longueur
du jour :
·
Plante
héméropériodique absolue :
Exemple :
Céréales d’hivers, Bruyère, Carotte,
Jusquiame
noire bisannuelle
f
f
F
F F F
MT
HC
HC :
Héméropériode critique =
durée d’éclairement à dépasser pour avoir une floraison
MT <
HC Plus
elle sera dépassée, plus la floraison sera importante (= plante de jours longs)
·
Plante
héméropériodique préférente :
MT=HC .
f
f
F
F
MT=HC
·
Plante
nyctypériodique absolue :
f
f
F
F
MT HC
HC : Héméropériode
critique =
durée d’éclairement à ne dépasser pour avoir une floraison
Plus
on s’en approche, plus la floraison est importante (= plante de jours courts)
·
Plante
nyctipériodique préférente :
f
f
F
F
F
MT HC
·
Plante
amphipériodique :
Exemple :
quelques variétés de tomates
f f
f f
F F
F F
F F
MT
HC1 HC2
HC1 :
Héméropériode critique =
durée d’éclairement à dépasser pour avoir une floraison
HC2 :
Héméropériode critique =
durée d’éclairement à ne dépasser pour avoir une floraison
Ø Caractéristique
du photopériodisme :
§ Eupériode et
dyspériode :
Eupériode :
Conditions photopériodiques favorables à la floraison (= initiation florale)
Exemples :
-
Plante nyctipériode : Lampourde " 1 jour court
-
Plante héméropériode : Céleri " 4 jours longs
Betterave " 18 jours longs
Dyspériode :
Conditions photopériodiques défavorables à la floraison.
§ Efficacité des éclairements
faibles :
j Espèces
de jours courts en eupériode :
950
W.m–2
Þ
Floraison
50 W.m–2
Þ
Pas de floraison
(réversion de l’initiation
= éclairement faible florale)
(» Éclairement de la lune)
k Espèces
de jours longs en dyspériode :
950
W.m–2
Þ
Pas de floraison
50 W.m–2
Þ
Floraison
·
Spectre
d’action des éclairements :
L’efficacité de l
dépend de sa longueur d’onde et de son intensité.
J.m–2
Efficacité
de l :
250 25
000
200 20
000
150 15
000
100 10
000
50
5 000
(UV)
560 600 640 680 720 760 800 (IR)
Rouge clair Rouge sombre
R ; red FR ; far red
»
665 nm »
735 nm
§ Antagonisme rouge clair /
rouge sombre :
Exemple :
la Lampourde (plante de jours courts) :
"
Floraison
Flash
FR
"
Floraison
Flash R
"
Pas de floraison
"
Floraison
Si
on termine par un flash de rouge clair, il n’y a pas de floraison.
Si
on termine par un flash de rouge sombre, il y a une floraison.
·
Le
phytochrome :
= Chromoprotéine
Protéine
– S – S – Chromophore
=
tétrapyrrole ouvert
Pour
le dernier pyrrole, il existe 2 conformations possibles (Cis et Trans)
Conversion Pr
Û Pfr :
Synthèse Réversion enzymatique Dégradation
La
nuit, le Pfr n’est pas éclairé. Il subit donc sa
dégradation et sa réversion en Pr.
§ Spectre d’absorption :
665 735
300 400 500 600 700 800 l (nm)
·
La Pfr est toujours la forme active :
j Plantes
de jours longs :
La Pfr
stimule la floraison.
Pr
En position JOUR, le Pr est converti en Pfr qui s’accumule
Durée
d’éclairement (665 nm) minimale pour constituer le Pfr.
Pfr =
HC à dépasser
"
Pas de Floraison
"
Floraison
Pr
9
Conversion en Pfr
k Plantes
de jours courts :
La Pfr
inhibe la floraison.
En position NUIT, le PFR est dégradé en Pr.
Pfr Durée
minimale pour dégrader le Pfr.
= HC à ne pas dépasser
Pr
·
Phytochrome
et photomorphogenèse :
Exemple écophysiologique : L’ombre verte en sous
bois :
Il
y a une compétition plante – plante pour la lumière, ainsi qu’un auto–ombrage
des feuilles à l’apex sur les feuilles plus basses.
Exemple :
Le trèfle :
-
Chute d’intensité de la lumière " Diminution du taux de ramification
-
Chute du ratio Pr / Pfr " Sans effet sur la ramification
Augmentation de la longueur du pétiole
|
Conditions
standard |
Ombre
forte |
Intensité I |
500 µmol.m–2.s–1 |
150
µmol.m–2.s–1 |
Ratio Pr / Pfr |
1,15 |
0,1 |
|
Stolons
très ramifiés Pétioles
courts |
Stolons
peu ramifiés Pétioles
longs |
|
Occupation
maximale de l’espace optimum |
Recherche de conditions meilleures |
Photosensibilité
des gènes : Séquences promotrices
photosensibles :
Exemple :
Promoteur du gène rbcS de la sous–unité de la rubisco (chez le pois)
Taux
d’expression du gène (dans les feuilles) |
|
+ + + |
– |
+ + |
– |
+ |
– |
– |
– |
+ + + |
+ + + |
+ + + |
– – – |
Ø Nature
hormonale du photopériodisme :
§ Site de perception différent
du site de réaction :
Exemple :
La lampourde (plante de jours cours) :
Greffon |
Porte
greffe |
|
Bourgeon
auxiliaire en
jours longs |
Feuilles
isolées en
jours longs "
Dyspériode |
" Pas de floraison |
Feuilles
isolées en
jours longs "
Eupériode |
" Floraison |
§ Le stimulus agit à faible
concentration :
Exemple :
La lampourde :
Une
feuille en eupériode permet de déclencher une floraison chez toute la plante.
§ Le stimulus peut être
inhibé :
Exemple :
La lampourde :
"
Pas de floraison
"
Floraison plus abondante
Les
feuilles en dyspériode créent une inhibition.
§ L’inhibition peut être
totale :
Exemple :
L’épinard (plante de jours longs) :
Le
signal dyspériodique peut être suffisamment important pour annuler le signal eupériodique.
§ Le stimulus est non
spécifique :
Greffon |
Porte greffe |
Rameau
défolié de tabac (jours courts) cultivé en jours longs |
Jusquiame
bisannuelle (jours longs) cultivée
en jours longs |
"
Floraison.
Quelle est
l’hormone ?
Une hormone
florigène, appelée anthocaline, mais elle n’est pas encore découverte…
Ø Conclusion
:
La
mise à fleur est une différenciation, un changement d’état, du méristème
végétatif en méristème reproducteur puis floral.
j Cas
complexe :
Il y a
un nombre élevé de conditions différentes.
Exemple
de la jusquiame noire bisannuelle :
k Cas
particulier :
Exemple
des bulbes :
l Cas
simples :
Exemple
des lilas, pois, cerisier :