Cours : La nutrition azotée chez les végétaux

Introduction

Comme la nutrition carbonée, l’azote est également très important dans le fonctionnement des plantes. L’azote organique se trouve dans les acides nucléiques, protéines, cofacteurs, ATP, certain pigments, avec leur hétérocycle azoté. Il y a des composés secondaires, les alcaloïdes, qui sont des dérivés des composés azotés, et qui servent à défendre la plante. Les plus connus : Morphine, Héroïne, cocaïne, caféine etc… L’azote minéral se trouve dans le sol sous forme de nitrate (NO3-) et d’ammonium (NH4+). L’azote minéral se trouve également dans l’atmosphère en grande quantité (80%) sous forme de N2 pouvant être oxydé en N2O (Protoxyde d’azote). Les végétaux sont autotrophes pour le carbone, ils sont donc capable de transformer la matière minéral en matière organique. Ils sont, pour la plupart, également autotrophe pour l’azote.

L’absorption de l’azote minéral

Mise en évidence des besoins azotés d’une plante

Comment se rend-t-on compte, qualitativement et quantitativement, du besoin en azote des plantes ? Deux façons sont possibles, soit en détruisant la plante, soit en la gardant intacte. On peut transformer toute la matière organique de la plante en matière minérale en la brulant. On peut ainsi mesurer l’azote minéral. On peut également utiliser l’hydroponie. On place la plante sur un substrat inerte (ex : laine de roche, perlite, bille d’argile…). On met en place un système d’irrigation avec une solution nutritive adéquate. L’humidification du substrat doit être constante, d’où l’utilisation d’un programme avec des pompes permettant des irrigations régulières. De cette façon, on peut priver la solution nutritive d’azote et observer les effets sur la plante. On constate alors un nanisme, des chloroses (décoloration des feuilles), sénescence plus rapide. On peut aussi quantifier l’azote absorbé en faisant un suivi de la concentration en azote dans la solution nutritive.

Absorption des ions

Comment les ions rentrent dans la plante ? Et ou vont-ils ?

Localisation

L’expérience présentée montre la partie responsable de l’absorption, qui est la région riche en poil absorbant. On constate que principalement deux types d’ions azotés sont absorbés : NH4+ (ammonium) NO3- (Nitrate)

Mécanisme actif

Le transport des composés azotés se fait du milieu à la plante par deux étapes

1ère étape diffusive, ou constitutive, l’azote rentre de façon constante, en petite quantité. 2ème étape inductible, le transport est régulé (cela s’observe quand on injecte un inhibiteur de transcription), surement par une protéine qui joue un rôle inhibiteur. Ainsi, par la transcription, la plante peut augmenter la transcription, ce qui augmente le nombre de protéine, ce qui donc, augmente l’absorption. Lorsque l’on a purifié cette protéine, on a trouvé plusieurs types de transporteurs : Les HATS (High Affinity Transport System).Transporteur à forte affinité, ils transportent les NO3- même à faible concentration. Ces transporteurs sont plus sensibles à la température. Les LATS (Low Affinity Transport System). Transporteur à faible affinité, qui fonctionne avec de forte concentration en NO3- . Ces deux types de transporteurs existent aussi bien pour NO3- que NH4+. Autour de la racine, on constate que le pH augmente (alcalinisation) quand est NO3- absorbé

On pense que les ions NO3- rentrent en même temps que les ions H+, ce qui fait ainsi augmenter le pH du milieu. Ce symport (Transport de deux molécules de charge différente qui vont dans le même compartiment) implique qu’il faut rejeter ces H+ absorbés. Les ATPase consommeraient ainsi de l’ATP pour faire sortir des H+ afin de rétablir le gradient de protons.

Transport des ions de la racine au xylème

 NO3- Exporté directement dans le xylème Réduit sur place par la nitrate réductase, puis par la nitrite réductase. Cette réduction permettra l’utilisation de l’azote pour la formation d’acides aminés. Accumulé dans la vacuole, pour un simple équilibre avec le cytosol, ou bien permettre la concentration en ions dans la cellule, créant ainsi une pression osmotique impliquant l’entrée d’eau dans la cellule. → Le NO3- va circuler de manière symplasmique, par l’intermédiaire des plasmodesmes, et ce par différents gradients de concentration. NH4+ Il ne partira pas vers le xylème, mais sera utilisé directement sur place.

Absorption d’ammonium et physiologie du végétal

Le NH4+ est thermodynamiquement plus intéressant pour la plante que la forme oxydée. L’absorption de NH4+ va avoir deux effets : L’acidification du milieu Le syndrome ammoniacal

L’acidification du milieu

Dans un système hydroponique, on introduit un pH-mètre dans la solution nutritive. On constate qu’au cour du temps la solution s’acidifie. Cette acidification du milieu est du au transport (antiport) lors de l’absorption du NH4+ par la plante. Le gradient de pH autour de la racine a une incidence sur la microflore. En effet, l’acidification de la rhizosphère va créer une inhibition de l’absorption des NH4+ car la plante aura du mal à rejeter les H+. La microflore est peu existante en milieu acide, donc on aura peu de transformation d’azote minéral en azote organique.

Le syndrome ammoniacal

 La matière fraiche est plus importante quand la plante est nourrit avec des NO3- Les cations sont moins présent quand la plante est nourrit au NH4+, cela s’explique par la compétition entre NH4+ et d’autres ions pour le même canal ionique. On observe un déficit en acide organiques, qui est du à deux choses : Le NH4+ utilise les acides organiques pour la synthèse d’acide aminés Le NO3- favorise la formation d’acide organique, mais libère du OH-. Ce OH- est récupéré par CO2 pour donner du HCO3- qui donnera du PEP, qui sera utilisé pour la synthèse d’acides organiques. 

Pour les glucides, le NH4+ n’est pas transporté, donc on a une carence en azote dans les feuilles, donc une accumulation de glucides. En revanche, pour la plante nourrit avec NO3-, l’azote est transporté jusqu’aux feuilles où il sera utilisé avec les glucides pour former des acides organiques.

Nutrition mixte

L’absorption du NO3-, après une carence azotée, favorise l’absorption du NH4+ (cas 2). Même si on partage les racines en deux, la plante préfère absorber des NO3- si elle a le choix.

La double absorption (NO3- / NH4+) permet un équilibre du pH : → La nutrition mixte résout le problème de l’acidification de la rhizosphère La plante va pouvoir stocker des NO3-, donc une pression osmotique faible permettant l’entrée d’eau. L’absorption de NO3- permet l’absorption des sucres libres, qui activent la photosynthèse.

Adaptation à la nutrition ammoniacale

Le NH4+ provient de la dégradation d’azote organique. NH4+ est riche en énergie, il est rapidement utilisé par les bactéries nitrificatrice. Ces transformations peuvent être inhibées si l’on inhibe le métabolisme des bactéries, donc par la chaleur, le pH trop acide, par manque d’O2. Exemples : Les conifères utilisent beaucoup de mycorhizes qui leur permettent de prendre l’azote réduit qui sera alors oxydé par les champignons. Les plantes en C4 produisent beaucoup d’acides organiques (grâce à la carboxylation de la PEP carboxylase). Elles peuvent donc se nourrir plus facilement. Les plantes aquatiques, comme le riz, avec le fonctionnement des aérenchymes (parenchyme aérifère) qui permettent le rejet d’oxygène par les racines, ce qui permet aux bactéries d’agir.

Origine de l’azote minéral

Humification

La formation d’humus résulte des bactéries, des actinomycètes, protozoaires… Cette formation est facilitée par une forte humidité, une température élevée, on a donc un processus de fermentation qui se réalise avec la formation de chaleur. On constate plusieurs sortes d’humus du au pH. Plus le pH est acide, plus l’humus formé sera issu d’une fermentation incomplète de la matière organique. Le pH du sol est lié à la roche mère (granite→ acide ; calcaire→ basique), la végétation (conifère acidifie le sol par la dégradation des aiguilles).

Minéralisation de l’humus.

Ammonisation La production d’ion ammonium se fait par  Désamination d’amide Désamination d’amino-acide L’ammonisation dépend du pH : pH acide : libération de NH4+ pH neutre : libération de NO3- pH basique : libération de NH3OH L’ammonisation peut se faire par Bacillus subtilis. Le rendement de l’ammonisation dépend du rapport C/N (il doit être <10). Nitrification Elle conduit à la formation de nitrate en 2 étapes : Nitrosation, qui libère des H+. NH4+ étant très soluble dans l’eau, les complexes du sol vont devoir le fixer rapidement sinon il sera lessivé. Nitratation, transformation de nitrite en nitrate. L’apport d’engrais n’est pas une chose à prendre à la légère, il faut bien mesurer les besoins des plantations en azote.

Assimilation des ions nitrates et ammoniacaux

La réduction des nitrates

Mise en évidence de la réduction

Comment le nitrate est réduit ? Ou va-t-il ? On s’aperçoit qu’une fois le nitrate absorbé par les racines, qu’il se retrouve au bout de 24h dans les feuilles, à 36h il est sous forme de nitrite, et 48h après l’absorption on a de l’asparagine. D’où vient le pouvoir réducteur qui permet ces réactions ? Les deux grandes voies métaboliques produisant du pouvoir réducteur sont : La respiration par l’intermédiaire de la chaine respiratoire : l’oxydation des sucres dégagent du pouvoir réducteur sous la forme de cofacteurs réduit La phase chimique de la photosynthèse Pouvoir réducteur de la respiration → La réduction du NO3- en NO2- est dépendante de l’O2 présent dans le milieu. 

 Ainsi, le NADH produit par oxydation des sucres à deux chemins possibles : Il est oxydé pour former de l’ATP Il n’est pas oxydé, et est utilisé pour d’autres réactions redox, comme celle du NO3- en NO2- Pouvoir réducteur de la photosynthèse → La réduction des NO2- en NH4+ est dépendante de la quantité de CO2. Quand on enlève le CO2, le cycle de Calvin ne peut plus s’effectuer, donc les cofacteurs réduits ne peuvent plus être utilisé pour la fabrication des sucres, donc il est utilisé pour la réduction des NO2- en NH4+. Résumé Réactions : L’assimilation des nitrates est faite au niveau de la feuille chez les plantes herbacées. Chez les plantes ligneuses, elle se fait à la fois dans les feuilles et les racines (dans les racines, la 2ème réduction se fait dans les protoplastes).

Structure et fonction de la nitrate réductase et nitrite réductase

Nitrate réductase 

 La nitrate réductase possède 6 domaines, c’est une enzyme homodimérique. Cette enzyme comporte une chaine redox, chaque domaine comporte des acceptateurs et des donneurs d’électrons. En purifiant l’enzyme, on a pu donner des accepteurs artificiels d’électrons pour trouver les donneurs. Le but est de tester les différents domaines de l’enzyme pour voir leur importance dans l’activité enzymatique. On peut créer des plantes mutantes, qui auraient le gène codant pour cette enzyme muté. Ainsi, on jugerait avec une collection de mutants, si tel ou tel domaines est important. 

Le mutant de classe 1 : On met du NADH, on attend normalement que le cytochrome se réduise, mais ce n’est pas le cas (CytcR -). → Donc le domaine 1 ne fonctionne pas. On met du Mrv, FMNH2, BPBr, on attend que ces composés se réduisent, mais aucun d’entre eux ne l’est. → Donc les domaines 2 et 3 ne fonctionnent pas → Le mutant possède les 3 domaines de l’enzyme muté. Parallèlement à cela, les chercheurs ont réalisé des tests immunologiques ELISA. Nitrite réductase Elle est localisée dans les chloroplastes foliaires, et les proplastes des racines. On a des protéines liées par des ions ferriques ou ferreux qui permettent les mécanismes rédox pour passer de NO2- à NH4+.

Régulation de la NR et NiR

On étudie les gènes codant pour ces enzymes grâce aux mutants d’une part, et par le clonage. Une fois que l’on a isolé leur séquence codante, on peut étudier leur expression dans des plantes transgéniques. Protocole pour la NR : On fait un traitement mutagène sur des graines On sélectionne les mutants par un crible positif grâce au ClO3 que l’on introduit dans le substrat. DE cette manière, si la NR est fonctionnelle (non-mutant), elle transformera le NO3- en NO2-, mais surtout elle réduira ClO3 en ClO2 (chlorite), ce qui entraine la mort de la plante. Ainsi, les plantes qui réussiront à pousser avec du ClO3 dans le substrat seront des plantes mutées pour le gène codant pour NR. Pour la NiR (Nitrite réductase), c’est beaucoup moins évident, car le NO2- est toxique, donc si le gène (codant pour la NiR) est muté, la plante meurt. On a pu, par la création d’une banque d’ADNc, caractériser ces gènes : On prend de l’ARNm qui code pour l’ATPsynthase comme témoin, pour montrer qu’on a les mêmes quantités d’ARN dans chaque puits. → L’expression des gènes NR et NiR est régulé par le substrat.

Régulation par le substrat 

Avec les plantes transgéniques : On fait un mutant NR-, dans lequel on réintroduit la séquence NR avec son promoteur. De l’autre coté, on crée un mutant en introduisant un promoteur constitutif 35S (qui s’exprime tout le temps) à la séquence NR. Ce mutant nous sert de témoin positif. Résultats : Culture sans nitrate : on n’a pas d’ARNm, pas d’activité enzymatique Culture avec nitrate : l’activité augmente progressivement au cour du temps → L’activité dépend du substrat → On a une régulation transcriptionnelle du substrat Carence en nitrate → L’ARNm est toujours présent, mais l’activité enzymatique diminue, donc il n’y a pas qu’une régulation transcriptionnelle. Dès qu’il n’y a plus de NO3-, les enzymes ne sont plus actives, on peut penser qu’il y a dégradation par des protéases…

Régulation par la lumière

La lumière rouge a un rôle dans l’expression de la NR. Cette mesure de la lumière passe par l’activation des phytochromes. Dans la plantes avec le promoteur 35S, à la lumière, l’expression est forte. A l’obscurité, on a d’abord une perte de l’activité enzymatique et de la protéine. → L’obscurité induit un mécanisme de régulation post transcriptionnel.

Différents facteurs de régulation 

Phytohormones : La cytokinine favorise la transcription de NR, alors que l’ABA l’inhibe La protéine est sous deux formes : Une forme active (phosphorylée) Une forme inactive (déphosphorylée) → L’activité transcriptionnelle peut se réguler par phosphorylation ou déphosphorylation.

Assimilation de l’ammonium

Sources d’ammonium

L’ammonium du sol est en faible quantité, car la microflore se bat pour l’utilisé, car elle constitue une molécule très énergétique. Fixation symbiotique entre des bactéries et des plantes La photorespiration : activité oxygénase de la RubisCO

Libération de NH4+ lors de la transformation de la sérine en glycine. L’azote sous forme protéique : Dans les cotylédons, les protéines peuvent être hydrolysés et donner du NH4+

Mécanisme d’assimilation de l’ammonium

Pendant longtemps, on pensait que la formation de glutamate était faite uniquement par la GDH (Glutamate DesHydrogénase) : α-cétoglutarate + NH4+ + NADH → Glutamate + H2O + NAD+ Puis on a découvert la GS, mais on ne savait pas comment se formait le glutamate. On a ensuite découvert GOGAT, qui produit 2 glutamates à partir d’ α-cétoglutarate, dont un est exporté.

La GS (Glutamine Synthétase)

Les inhibiteurs (désherbants) induisent une augmentation de NH4+ libre, ce qui inflige à la plante le syndrome ammoniacal. On l’a purifié, et on a constaté que la GS était présente dans la racine et dans les feuilles, et ce à deux endroits, on a donc deux types de GS : GS cytosolique (GS1) GS chloroplastique (GS2) On a ici un phénomène de polyploïdie. La différence entre ces deux GS est l’adressage, qui n’est pas présent dans la GS chloroplastique. Ces deux isoformes mènent une régulation plus fine. La GS2 est dans le stroma, on a extrait l’ARNm, on le purifie et on l’injecte dans un système de traduction. On obtient alors une protéine native (protéine fonctionnelle) de 44kD et une protéine de 49kD (la différence est due à la perte du peptide signal). Ce peptide signal n’est pas spécifique à une GS. Facteurs régulant l’activité de la GS Concentration en substrat Quantité en NO3- Lumière Photorespiration

La GOGAT (Glutamate synthétase)

On en a identifié 2 : Une qui fonctionne avec de la ferrédoxine comme pouvoir réducteur (Ferrédoxine GOGAT) L’autre fonctionne avec du NADH (NADH GOGAT) → Diversification des gènes suivant l’état de la plante. La ferredoxin est fonctionnelle au niveau des feuilles pour assimiler La GOGAT est présent dans les organes non-chlorophylliens, dans les tissus immatures. L’activité ferrédoxine GOGAT est dominante, et très stimulé par la lumière. Son contrôle est la aussi fait par les phytochromes. L’activité NADH GOGAT est régulée par l’apport en NO3-

Biosynthèse des acides aminés

Transamination

A partir du glutamate et de la glutamine, on aura la formation d’un bon nombre d’autres acides aminés par transamination. Transamination : Passage d’une fonction amine sur un acide organique On a un échange d’une fonction amine avec une fonction cétone

 La transaminase est régulée par le substrat et le pH, elle permet de redistribuer l’azote accumulé sous la forme de glutamate et glutamine, dans un grand nombre d’acide aminé. 

On a également, en plus des deux acides aminés « précurseurs » (glutamine et glutamate), deux autres acides aminés importants, l’aspartate et l’asparagine, qui permettent la synthèse d’autres acides aminés. Le glutamate est formé par l’ α-cétoglutarate grâce à la GDH, la GS permet la fabrication de la glutamine. La GOGAT permet le recyclage en glutamate. Pour l’aspartate et l’asparagine, on a une transamination entre l’acide oxaloacétique et le glutamate. On aura la synthèse de l’asparagine par transformation de l’aspartate grâce à la GDH. →Le métabolisme carboné est relié au métabolisme des acides aminés par des transaminations.

Transport des acides aminés

Il se fait par la sève brute, qui est riche en azote. Cette sève brute peut transporter les NO3-, mais elle transporte surtout de la glutamine. Le rapport C/N est très élevé de 1,5 à 6. On trouvera aussi des acides aminés dans la sève élaboré. Les composés azotés diffèrent qualitativement et quantitativement. On a des variations de la qualité des acides aminés transporté au cours de la saison, voire au cour d’une journée. Au niveau cellulaire, le transport est actif (impliquant des ATPases) par des systèmes de symport et/ou d’antiport selon la charge des acides aminés. On a également des transports de peptides, qui ont des rôles dans les mécanismes de détoxification ou de défense comme la systémine (molécule produite quand la plante est attaquée par des pathogènes, pour activer la défense). On a pu observer également des transports d’acides aminés dans l’embryon.

Amélioration de la nutrition azotée

Les végétaux parasites

Le gui (Viscum album)

Le gui est une plante épiphyte, qui possède des suçoirs ou hautorium. Le gui insert ces haustorium jusqu’au xylème de la plante hôte, elle n’ira pas plus loin car elle y puise les acides aminés, sels minéraux et eau. La partie méristématique est fusionnée au niveau du cambium de l’arbre. Les cellules ont tendance à s’invaginer pour former des suçoirs permettant l’accrochage et la nutrition. → Amélioration de la nutrition par prélèvement dans une plante hôte.

Différent type de parasitisme

On différencie les modes d’implantation des parasites

Epirhize : parasite se fixant aux racines Epiphyte : parasite se fixant sur une partie du végétal sans contact avec le sol (apparaît plus tard dans l’évolution) On distingue également : Holoparasite : plante totalement dépourvue de chlorophylle (donc incapable de photosynthèse) devant prélever au détriment de son hôte la totalité de ses besoins nutritifs Hemiparasite : plante tirant une partie de son énergie de la photosynthèse, mais puisant également dans une plante hôte une partie des éléments nutritifs indispensables à sa croissance

Exemple : Chez les Scrophulariaceae 

Le parasitisme est un caractère monophylétique. La perte de la chlorophylle chez les holoparasites est apparue plusieurs fois au cour de l’évolution.

Mécanisme de reconnaissance Hôte/parasite

Il est plus difficile pour le parasite de se multiplier, du fait qu’une graine de gui par exemple doit impérativement tomber sur un autre arbre. Quels sont les mécanismes facilitant la multiplication des parasites ?

Mécanisme biologique  

Le gui fructifie en hiver. Les grives mangent ces fruits, n’ayant rien d’autre à manger à cette époque. Ainsi, lors des excréments, la graine aura de grande chance de finir sur une branche d’arbre. D’autre part, le fruit est très collant (sécrétion de viscine), s’il tombe du gui, il pourra se coller à une branche grâce à ce dispositif.

Mécanisme chimique Striga est capable par chimiotactisme de rencontrer des molécules émises par des exsudats racinaires de l’hôte. Quand les graines de Sorgo germent, la graine de Striga va germer en direction de la graine de Sorgo. Les exsudats permettent l’hautoriogenèse (formation des suçoirs). Les graines de Striga hermonthica qui infecte le sorgho ne germent qu’en présence de fortes concentrations de composés spécifiques exsudés dans le sol par les racines de cette plante hôte, trahissant sa présence proche (Chang et al., 1986). Le seul composé de ce type identifié et caractérisé à ce jour est la xénognosine du sorgho (SXSg) (Fate et Lynn, 1996). Quels sont les 1ers gènes induits dans les cellules parasitées ? Les gènes codant pour les expansines sont induits et forment de l’expansine qui joue un rôle dans la synthèse de poils absorbant.

Structure de prélèvement et mécanisme de transfert

On a différents types de contacts entre les cellules du parasite et celles de l’hôte 

Contact direct par fusion cellulaire entre les cellules du xylème et les cellules du parasite. Apposition des cellules du parasite sur les cellules de l’hôte

CT de racine touchée par le parasite. On a un mécanisme de transfert de la sève brute grâce à une différence de potentiel hydrique. Le parasite a une pression hydrique bien plus basse que celle de la plante (grâce à une forte transpiration), ce qui crée un appel d’eau. Pour le saccharose, le transfert simplement en suivant les gradients de concentration. Le saccharose peut également être transféré de façon active par symport, couplé à une ATPase.

Les plantes carnivores

Les différents types de pièges

Pièges à mâchoires La Dionée (Dioneae muscipula Ellis.) La nervure de la feuille joue le rôle d’une charnière. La fermeture est rapide (1/30 s à 3s) par déclenchement de potentiel d’action. Ces variations de PA se propagent le long des mâchoires. Si on utilise des composés qui fixe le Ca, on inhibe le PA : → Le PA est déclenché par l’ouverture de canaux calciques. Ce PA engendrerait une répartition de l’ATP dans la cellule, ce qui modifie son cytosquelette, donc la forme de la cellule. Une fois le piège fermé, il ne peut pas s’ouvrir immédiatement. Piège à succion Souvent pour les plantes aquatique, comme les utriculaires. L'utricule est fermé par une porte entourée de poils ramifiés qui constituent un leurre simulant des algues. L'effleurement de certains de ces poils par une proie provoque l'ouverture de l'outre et un gonflement. L'eau est aspirée ainsi que la proie. Au fond de cet utricule se trouve des enzymes de digestion. Piège à urne Sarracenia, Népenthes. Ces urnes sont également des feuilles modifiées. La capture se fait en 3 étapes : Attraction visuelle et odorante Attraction gustative : Sur la paroi du capuchon, on a des glandes à nectar Chute de l’insecte dans l’urne, il ne peut pas remonter car la paroi est très gluante. Piège semi-actif collant Drosera, Drosophyllum. Plante à surface collante avec des glandes produisant des enzymes digestives. La digestion des proies Les plantes carnivores vivent dans les sols pauvres en azote minéral, ou les sols acides, ainsi des sols peu minéralisés. Pour digérer les proies, les plantes ont un liquide qui contient les enzymes, pouvant ainsi changer de pH. Ces enzymes sont secrétées de façon continue, ou induite par la présence d’une proie. Exemple d’enzyme dans une plante carnivore : Phosphatase, protéase, ribonucléase… Remarque : Des enzymes variées peuvent être apportées par des champignons ou bactéries dégradant l’insecte ingéré par la plante. Quels sont les facteurs déclenchant la digestion ? Le sel, contenu en forte concentration dans l’hémolymphe L’ammoniac ou l’acide urique contenu dans l’urine des insectes

La réabsorption des proies

Chez Népenthes, une fois la proie ingérée, la digestion peut durer 2 semaines, les éléments nutritifs sont envoyés dans les parties jeunes de la plantes. Ensuite la feuille flétrie et meurt. Pour les plantes à production gluante, les éléments nutritifs empruntent le chemin inverse à celui des enzymes, par les vaisseaux de xylème. Conclusion plante carnivore : Ce type de nutrition est un système alternatif pour capter l’azote

Les associations symbiotiques

Les mycorhizes et l’absorption d’azote minéral et organique

90% des plantes à fleurs sont mycorhisées, ainsi que des bryophytes, ptéridophytes et gymnospermes. On distingue : Ectomycorhise Ectendomycorhyse Endomycorhise : à peloton à arbuscule Les ectomycorhizes Ce sont surtout des basidio et ascomycètes qui s’associent aux plantes ligneuses (Gymnosperme et la famille des Pinnaceae, Angiosperme ligneux, les Fagaceae, myriacaea). Comment les mycorhises rencontrent leur hôte ? Par dialogue moléculaire : La plante synthétise des cytokinines et des flavonoïdes (désamination de la phénylalanine) Le champignon synthétise des alcaloïdes (hyphaphorine) qui accroissent la différenciation en poil absorbant. Il synthétise également de l’auxine, qui accroit la rhisogenèse de la plante. Il émet également de l’adésine et de l’hydrofutine qui servent au champignon pour se coller aux racines. → Chacun accroit la croissance de son partenaire. Quels sont les effets de chacun sur la nutrition ? Le champignon aide à l’absorption de l’eau, des sels minéraux et de l’azote La plante apporte au champignon des sucres On a mis en évidence plusieurs voies d’assimilation de l’azote minéral par différents types d’associations. L’azote prélevé est le NH4+ (le plus souvent). L’assimilation est effectuée par des systèmes enzymatiques de chacun des symbiontes.

Exemple  Cas 1 : assimilation assumée par la GS du champignon, et la GS-GOGAT de la racine Cas 2 : assimilation assumée par la GS du champignon couplée à la GDH Cas 3 : assimilation assumée par les systèmes GS-GOGAT des deux organismes.

Les endomycorhizes

On trouve des endomycorhizes partout : chez les brassicacées, chenopodiacées, caryophylacées… La première étape est la germination de la spore, conduisant à un filament coenocytique (= à plusieurs noyaux). Si ce filament ne rencontre pas de plante, on a la formation d’une spore de résistance (propagule). Si le filament rencontre une racine, il va former un apressorium. L’appressorium forme des invaginations pour multiplier la surface de contact. Une fois que le champignon aura établit la liaison avec la plante, il va croitre et sortir de la racine. La partie à l’intérieure de l’hôte va dégénérer. La symbiose entre le champignon et la plante est ici un contact temporaire. A : Les suçoirs se rassemblent autour de la mitochondrie et du chloroplaste. Cette association induit un changement du cytosquelette. La paroi végétale (en blanc sur le schéma) est très fine et faite d’hémicellulose.

 On trouve également PR1 (Pathogen Related Protein). Même si on a une symbiose, on a des mécanismes de défense induit chez la plante, ce qui montre que les limites entre symbiose et parasitisme sont très floues. Au niveau de l’interface, on trouve de nombreuses pompes ATPase, servant au transport actif des nutriments.

Symbiose et fixation de l’azote atmosphérique

Les cyanobactéries Chez ces fixateurs procaryotes, on a des bactéries libres, Azotobacter, Anabaena et Nostoc, qui sont chlorophylliennes, et d’autre qui ne le sont pas, Clostridium. Ces bactéries fixent l’azote atmosphérique grâce à la nitrogénase, qui réduit N2 en NH3.

L’enzyme comporte deux métaboprotéines : P1 : Dinitrogénase, tétramère constitué de deux sous-unités α et β. C’est là que le N2 est réduit en NH3 P2 : Dinitrogénase réductase, assure le transfert des électrons libérés par la ferrédoxine. Cette nitrogénase fonctionne lorsqu’il y a peu d’oxygène. Dans les colonies d’Anabaena, on trouve une bactérie différente, avec une paroi plus large, c’est un hétérocyste, qui permet de fabriquer un milieu anoxique. D’autre part, on n’a pas de PSII dans l’hétérocyste, il n’y a donc pas de dégagement d’O2. Il y a des échanges entre l’hétérocyste et les cellules normales. La paroi épaisse empêche également la pénétration de l’air extérieur. Les gènes NIF et FIX sont activés dans les hétérocystes : NIF code pour la nitrogénase, et participe à la régulation. FIX contrôle de l’abaissement de l’O2, et de la fixation de l’azote. L’hétérocyste possède une chaine respiratoire très grande, donc beaucoup d’énergie sera dégagée. Cette énergie sera utilisée pour la réduction de N2. Dans les colonies, il y aura plus ou moins d’hétérocyste suivant la carence en azote. On peu retrouver ces bactéries isolée, ou dans des associations avec des champignons, ou avec des fougères aquatiques (Azolla), qui possèdent sur la face interne une poche remplie de bactéries. Symbiose actinorhizienne Les actinorhizes sont des bactéries du sol capable de fixer l’azote atmosphérique. On les retrouve en symbiose avec 8 familles de plantes, qui sont tropicales, sauf 3 : Rosacées Rhamnacées Bétulacées Exemple : Association aulne glutineux et Frankia. Frankia est une bactérie filamenteuse permettant la fixation de l’azote. On a la formation d’un nodule, qui s’établit sur des racines adventives.

 C’est dans ce nodule que s’effectue la fixation. A l’intérieur, on retrouve des lamelles membranaires en rapport avec l’activité nitrogénase. Ces lamelles sont constituées de lipides, qui forment une barrière à l’O2. Les bactéries vont induire la production de racines latérales. On distingue plusieurs zones dans un nodule mature : Zone méristématique Zone d’infection Zone de fixation Zone de dégénérescence

Sur cette coupe, on a pu observer par hybridation in situ, la présence d’ADN d’hémoglobine dans la zone de fixation. L’hypothèse est que l’hémoglobine permet la fixation de l’O2, facilitant l’action de la nitrogénase. De plus, on a observé une paroi de lignine au niveau de la zone de fixation, ce qui rend le système imperméable. Symbiose rhizobium/légumineuse Chez les Fabacées, on a une première étape de reconnaissance, car il existe de nombreuses souches de rhizobium, qui infecte spécifiquement une seule plante Cette reconnaissance se fait par des protéines de surfaces, les lectines.  

La formation des nodules racinaires met en jeu un dialogue moléculaire complexe entre la plante-hôte et les rhizobiacées :

La plante secrète des signaux de type flavonoïdes, bétaïnes ou strigolactones. La perception de ces signaux par la bactérie induit l’expression de nombreux gènes bactériens, dont une centaine sont connus. Les plus étudiés sont les gènes nod. Les gènes Nod D expriment des protéines régulatrices en réponse aux inducteurs végétaux. Une fois activées les protéines Nod D se fixent sur des séquences nod-box, promoteur des gènes nod de structure et activent leur transcription. Ces gènes produisent des facteurs Nod essentiels dans l’établissement de la symbiose. Les facteurs NOD activent une voie de signalisation faisant intervenir une série de gènes (gènes Enod) de la plante-hôte, et provoquent finalement des modifications morphologiques et cytologiques de la racine, pour aboutir à la formation des nodules. Dans un premier temps, un des gènes Enod va être transcrit et traduit, ce qui donne de la noduline précoce, servant à la mise en place du nodule, et des nodulines tardives qui forme la globine, qui est associée à des noyaux tétrapyrroliques fournit par la bactérie, forme la leghémoglobine.

Dans la zone sous-épidermique, on a la formation d’un premier méristème, qui continue à croitre. Au niveau du péricycle, il y a la formation d’un 2ème méristème. Ces deux méristèmes se réunissent et se connectent au xylème. On a alors un nodule fonctionnel, où l’on a plusieurs zones 

Zone subméristématique, riche en cordon d’infection. Ils se casseront et libéreront les bactéries. Zone de fixation : Les bactéries sont phagocytées par les cellules hôtes. On parle alors de Bactéroïdes. On a également une hypertrophie des cellules. On a présence formation de la leghémoglobine, qui donne une coloration rosée. Zone de dégénérescence

Diversité et évolution des symbioses

Diversité des types nodulaires Deux types de nodules : Déterminé : croissance défini Indéterminé : méristème toujours actif. 

Chez Frankia : Vascularisation centrale, zone de fixation de l’azote périphérique Chez Rhizobium : Vascularisation périphérique, zone de fixation de l’azote centrale. Remarque : Chez Sesbania, on a des nodules aériens, formés par Azorhizobium. Ces bactéries rentrent par des déchirures de l’épiderme, les lenticelles. Ces plantes sont utilisées comme engrais vert dans les rizières. L’apport en azote est énorme, 450kilo/ha en seulement 65 jours. Symbiose et évolution 

 Tous ces groupes pouvant porter des nodules rhizobien forment un seul clade, il y a donc un ancêtre commun. → La capacité à noduler pour les rhizobiens est apparue qu’une seule fois. En revanche, pour les nodules actinorhiziens, l’événement s’est reproduit dans le temps, ne formant pas un groupe monophylétique. → La capacité à noduler pour les actinorhiziens est apparue qu’une plusieurs fois. Remarque : La régulation du gène Enod est la même pour un nodule rhizobien, qu’actinorhizien. Conclusion : Il est surprenant que la plante possède des gènes (gène Enod) qui s’activent que lorsqu’elle est infectée. On a découvert que ces gènes servent également à d’autres fonctions dans les autres organes de la plante.

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Utilisateur #20824

Bonjour, dans le cadre d'un TIPE sur la symbiose, il me serai intéressant de savoir comment injecter un apport d'azote de concentration connue. C'est pourquoi j'aurais préféré avoir accès aux documents. Néanmoins, si quelqu'un connait des expériences ou méthodes permettant la réalisation de mon projet, merci de me le signaler! Merci

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Utilisateur #14574

Bonjour, je recherche un document sur les expérience historiques qui ont mis en évidence l'absorption de l'azote par les racines, quelqu'un pourrait-il m'aider? Il est vraiment dommage que cet article ne comporte pas les documents...

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