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Besoins alimentaires

du végétal

 

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

 

C

O

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)

 

   Matière fraîche

 

 

Dessiccation

  à 105 °C.                  +

 

                                                           Matière sèche             Incinération                +

                                                              10 – 20 %                   500°C.         

                                                                                                                      Matière minérale

≈ 5 %

 

Ø  Méthodes synthétiques :

§  Principe :

Réponse à la question : sous quelle forme alimentaire ?

 

On suivit la croissance d’un végétal sur un milieu de synthèse qui peut être varié en terme d’éléments ou aliments.

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

70 g

C

Acide tartrique

Pas très utile en soi : effet bactéricide

4 g

/

NH4NO3

4 g

N

NH4PO4H2

0,6 g

P

K2C03

Carbonate de potassium

0,6 g

K

MgCO3

Carbonate de magnésium

0,4 g

Mg

(NH4)2SO4

sulfate d’ammonium

0,25 g

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

4 g

N

KPO4H2

0,6 g

P, K

Ca(NO3)2

0,6 g

Ca

MgSO4

Sulfate de magnésium

0,4 g

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

 

Eléments indispensables

(+ 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+ ] = 1,5 mM

        0,4                                                              Courbe d’action du Ca2+

                                                                                  avec [ Mg2+ ] = 1,5 mM

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

                                                                                                                      Plante entière

     100                                                                                                           Racine

                                                                                          5

 

 

 

                                             200        250         300          Azote (kg. ha–1)

 

-          250 kg. ha–1 ® quantité maximale d’azote pour la croissance de la racine.

-          300 kg. ha–1 ® quantité maximale d’azote pour la croissance de la plante entière.

 

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 :

-          200 kg. ha–1 ® quantité maximale d’azote pour la synthèse du sucre.

-          250 kg. ha–1 ® quantité maximale d’azote pour la croissance de la racine.

 

Le réservoir est plein à 200 kg. ha–1. Les 50 derniers kg. ha–1 servent à l’agrandissement de la réserve. Pendant que le volume augmente, la synthèse de sucre est stoppée :

® 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+

 

 

 

 

 

 


Principaux types trophiques

 

v Alimentation carbonée :

Ø  Autotrophie pour le Carbone :

§  Les plantes lithotrophes :

Energie

lumineuse ou chimique

CO2 + H2O + AH2         ®         —HCHO  + 2 A + H2O

        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

 

 

 

La photosynthèse

 

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

Chlorophylle b :         R = CHO

 

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 la Chromoprotéine qui appartient à famille des Métalloprotéines.

 

§  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 (la Fucoxantine) : phéophycées,

-          Biliprotéines :

-          la Phycoérythrine : rhodophycées

-          et la Phycocyanine : algues bleues.

 

·         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 )

Exemple d’un extrait brut des pigments foliaires d’épinard :

 

  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 la Chlorophylle a               

Spectre d’absorption de la b – Carotène                                                                                         

 

 

 

 

 

 

           

                                               650                            

                                   560                                         Spectre d’absorption de la Phycoérythrine

            400                                                                 Spectre d’absorption de la Phycocyanine

                                                                                  Spectre d’absorption de la Bactériopupurine

                                                                                  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, 100°C                  ®

                        (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 14C)

-          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, la PS II est observée en dernier. Il semble être typiquement associé à la production d’O2. Comme on observait des cyanobactéries, on ne constatait évidemment pas de production d’O2.

 

§  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—  +  2 A  +  2 H2O

 

Photo – lithotrophe :             2 H2O                                                2 O2

2 SH2                                     2 S

Photo – organotrophe :         Mat. Org. (Red)                     Mat. Org. (Ox)

                                                           (Thiobactéries)

 

 

 

Nutrition et Métabolisme azotés

 

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                                                                                             ƒ 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, la Nitrogénase hydrogénase.         ® environ 2 à 3 molécules H2 produits pour 1 molécule de N2 fixée.

 

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 :      CéréalesFévéroles

                                                           BetteravesLuzerne

 

-          Enrobage (semences techniques) :

(Hollande) Inoculum = culture « dense » de Rhizobium

Objectif : 2L pour 100 kg de graines qui correspond à 5 ha.

 

-          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 la NT par un test à l’éthylène C2H4

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 la Nitrate réductase :

 

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 la Nitrite réductase :

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 la NR (en µmolNO2ˉ.h–1.gMF–1)

 


                                                                       Témoin

 

 

                        NO3ˉ

 

 


                                                                                    + Cytoheximide (inhibiteur de la NR)

 

 

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

 

 

La croissance

 

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

            3 cm

                                                                                  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                                   d’oses et 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

Zone de Texte: 0,55 nm
 

 

 

 

 

 


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 (14C)

                                               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 :

-          2,4 g.mL–1 d’AIA sur le coté qui n’a pas reçu l’apport de cytokinines,

-          6,4 g.mL–1 d’AIA sur le coté qui a reçu l’apport de cytokinines,

 

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 20°C et est inhibée dans une atmosphère saturée en N2 (= gaz que l’on met dans le sachet de salade)

 

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 18°C

 

§  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

 

 

Physiologie de la mise à fleur

 

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 la Jusquiame noire bisannuelle :

 

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 »

 

 

             18 °C

 

 

 

 

 

                                               18 °C

k Exemple de la Jusquiame (bisannuelle vraie) :

 

 

 

 

                        Printemps       Eté         Automne    Hivers      Printemps     Eté

 

 

6 semaines à 5 °C

 
                                                                             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

Zone de Texte: Héméra  = jour
Nycti       = nuit
Photo      = lumière
Scoto       = ombre, obscurité
 


§  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 :