Soutenance mémoire
Le nitrate, un anion essentiel pour le développement de la plante
Le nitrate, un macroélément essentiel à la croissance des plantes
Le nitrate, un nutriment majeur pour le développement des plantes
L’azote est découvert en 1772 par D. Rutherford, c’est un élément essentiel à la constitution des molécules du vivant, comme les acides aminés, les protéines ou les chlorophylles (Crawford, 1995). Chez les végétaux, la disponibilité en azote conditionne la production de matière aux différents stades de leur développement. Lors du stade végétatif, un approvisionnement croissant en nitrate, qui est la forme directement utilisable par la plante en conditions aérobies, engendre une plus forte production de masse fraîche foliaire chez de nombreuses espèces (Brouwer, 1962; Chen et al., 2004; Lemaître et al., 2008) (Figure 1) et donc une augmentation du ratio feuille/racine. Cette croissance accrue s’explique par un effet direct sur le métabolisme azoté mais aussi indirect car l’homéostasie azoté et hydrique sont en interaction. Un fort approvisionnement en azote accroît notamment la sensibilitédes plantes à la sècheresse et la conductance stomatique (Cramer et al., 2009; Li et al., 2016; Shangguan et al., 2000). Au-delà d’une croissance optimale, une inhibition de croissance est observée en raison d’une toxicité due à la présence excessive d’azote (Chen et al., 2004; Vitousek, 2009). Lors de la phase reproductive, un fort approvisionnement en azote provoque une augmentation du rendement en graine mais ceci au détriment de la teneur en protéine (Chope et al., 2014; Miller, 1939).
Lors de l’établissement d’une carence en azote chez Arabidopsis thaliana, on observe une diminution de la croissance foliaire et racinaire dans une moindre mesure (ratio racine/feuille augmenté) et un plus grand nombre de racines latérales (Gruber et al., 2013). Ceci peut être expliqué, d’une part, par une altération directe du métabolisme azoté, notamment par une inhibition des processus impliqués dans l’assimilation du nitrate (Schluter et al., 2012; Krapp et al., 2011) et, d’autre part, par un effet indirect sur le métabolisme carboné. En effet, l’assimilation du nitrate requiert la présence de pouvoir réducteur, d’ATP mais aussi de molécules carbonées issues de la photosynthèse (Stitt and Krapp, 1999; Oaks and Hirel, 1985; Møller et al., 2011). Une carence azotée prolongée chez Arabidopsis thaliana induit une senescence foliaire précoce (Gregersen et al., 2013; Guo and Gan, 2005) aboutissant notamment au recyclage des protéines en direction des organes puits, tels que les graines. Ceci se fait par dégradation des chloroplastes, dont le rôle est central pour l’assimilation azotée et la synthèse des acides aminés (Guiboileau et al., 2010). Des conditions limitantes en azote favorisent donc la remobilisation de l’azote vers les graines augmentant ainsi leur teneur en protéine (Lemaître et al., 2008; Chope et al., 2014).
La disponibilité du nitrate est sujette à de fortes variations spatiotemporelles dans le sol
Dans le sol, la disponibilité du nitrate résulte de l’équilibre entre la production ou l’apport de celuici et sa dégradation ou perte. Ceci s’inscrit dans le cycle de l’azote au niveau du sol . La majeure partie de l’azote du sol est sous forme organique (Dechorgnat et al., 2011). Il peut, en condition de faibles teneurs en azote, être utilisé directement par la plante, c’est le cas des acides aminés (Schimel and Bennett, 2004). Cependant, l’azote utilisable par les végétaux est majoritairement inorganique et est formé par minéralisation de l’azote organique en nitrate (NO₃⁻) et ammonium (NH₄⁺) grâce aux micro-organismes du sol. En condition aérobie, l’ammonium est converti par une oxydation appelée nitrification en nitrate, qui est la source d’azote inorganique dominante dans ces conditions. En condition de limitation en oxygène, un processus de dénitrification peut avoir lieu, l’azote est alors converti en N2 ou en NO et N2O (Godde and Conrad, 2000). Enfin, la conversion de l’ammonium en ammoniac engendre un flux sortant par volatilisation. Ces conversions sont dépendantes des conditions environnementales, ainsi la forme azotée majoritairement présente peut varier d’un sol à un autre.
Dans les sols oxygénés, le nitrate est la forme majoritaire d’azote mais sa concentration dans les sols est très variable. En effet, l’étude d’un transept à travers plusieurs parcelles révèle une variation d’un facteur 100 de la concentration en nitrate (Miller et al., 2007; Lark et al., 2004) et, de façon générale, plusieurs études montrent que la concentration est comprise entre quelques micro molaires et environ 20 mM (Dechorgnat et al., 2011). Cette concentration varie selon plusieurs paramètres tels que la teneur en eau, l’activité microbienne, le pH, la température et la disponibilité en oxygène (Miller et al., 2007). En plus des pertes de nitrate issues de la dénitrification , celui-ci est également sujet à une forte lixiviation dans le sol. En effet, le nitrate étant chargé négativement, il est faiblement adsorbé à la surface des complexes minéralogiques présents dans le sol (Strahm and Harrison, 2006). Ainsi, en raison de la grande mobilité de cet anion dans le sol, la quantité de nitrate réellement utilisable par la plante pour sa croissance diffère de la concentration en nitrate du sol. La totalité du nitrate du sol n’est en réalité pas directement utilisable par la plante. Par conséquent, afin de maximiser les rendements, une application de fertilisants contenant de l’azote inorganique, notamment du nitrate, est effectuée.
L’application de fertilisants azotés pour maximiser la quantité de nitrate utilisable par la plante
Depuis le 20ème siècle, une quantité importante de fertilisants azotés est appliquée dans les champs afin de maximiser le rendement des cultures. L’efficacité d’utilisation de l’azote ou NUE (Nitrogen Use Efficiency) peut être exprimée comme le rapport entre le rendement en grain et la quantité d’azote apportée, notamment par les fertilisants. Si les fertilisants azotés favorisent le développement important de la canopée et donc optimise la photosynthèse ainsi que le rendement, cette relation entre fertilisation et rendement n’est pas linéaire : un rendement optimal est atteint suivi par une décroissance du rendement en réponse à une application excessive d’engrais azotés (Hawkesford, 2014; Zhang et al., 2015).
Chez les céréales, la NUE a été évaluée à environ 33%, ce qui suggère de fortes pertes de l’azote appliqué dues à une utilisation partielle. En effet, de façon concomitante à l’application de fertilisants, une fois le rendement maximal atteint, la quantité d’azote lixivié dans l’environnement augmente . Ceci engendre d’importantes pollutions des eaux extraites des nappes souterraines, une eutrophisation des eaux marines et douces (Sebilo et al., 2013) et la production de N2O par réduction du nitrate, un gaz à effet de serre 300 fois plus puissant que le CO2 (Yan et al., 2014). La teneur en nitrate des eaux souterraines mais également des végétaux peut dépasser le seuil de consommation. Les plantes vertes, particulièrement consommées sont celles contenant le plus de nitrate. La laitue par exemple, contient 5000 à 6100 mg/kg de nitrate quand elle est cultivée sur un sol contenant un fertilisant azoté inorganique contre 1,391 mg/kg sans fertilisant (Liu et al., 2014). Le seuil de consommation acceptable en nitrate est actuellement fixé à 3,7 mg par kg et par jour par le Comité d’experts FAO/OMS sur les additifs alimentaires (JECFA). Au-delà de ce seuil, des effets néfastes ont été constatés sur la santé des nourrissons et la combinaison du nitrite avec des amines provoque la formation de nitrosamines connues comme cancérigènes (Mensinga et al., 2003; Umar and Iqbal, 2007) .
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Table des matières
Introduction
A. Le nitrate, un anion essentiel pour le développement de la plante
1. Le nitrate, un macroélément essentiel à la croissance des plantes
a) Le nitrate, un nutriment majeur pour le développement des plantes
b) La disponibilité du nitrate est sujette à de fortes variations spatio-temporelles dans le sol
c) L’application de fertilisants azotés pour maximiser la quantité de nitrate utilisable par la plante
2. Le prélèvement du nitrate par la plante et son transport
a) Des stratégies pour prélever efficacement le nitrate dans le sol
b) Le transport du nitrate dans la plante
3. Les rôles du nitrate dans la cellule végétale
a) Un nutriment assimilable
b) Une molécule de signalisation
4. Le stockage vacuolaire du nitrate, un double rôle nutritif et osmotique
a) La vacuole des cellules végétales, un compartiment central aux rôles multiples
b) Le stock vacuolaire, une réserve de nitrate assimilable
c) Le stock vacuolaire de nitrate, un rôle osmotique
B. L’acteur principal du stockage de nitrate vacuolaire : AtClCa
1. Clonage et caractérisation d’un membre des ClCs : AtClCa
a) Identification d’un transporteur impliqué dans l’homéostasie du nitrate : AtClCa
b) Localisation et caractérisation fonctionnelle d’AtClCa
2. AtClCa est essentiel pour l’homéostasie hydrique de la plante
a) La cellule de garde, un modèle d’étude des phénomènes osmotiques
b) Le rôle d’AtClCa dans l’homéostasie hydrique
3. Régulation du transport chez AtClCa
a) Le fonctionnement d’AtClCa nécessite un couplage avec les pompes à protons vacuolaires
b) La fixation d’ATP impacte le fonctionnement d’AtClCa
c) La modulation de l’activité d’AtClCa par phosphorylation
C. Les ClCs, une famille de protéines conservées au sein du vivant
1. Les ClCs, découverte et élucidation de leur structure
a) Historique de la découverte des ClCs
b) Topologie des ClCs
c) La structure des ClCs à l’origine de leur sélectivité et gating
d) L’identification du premier ClC échangeur et le « mystère » du switch mécanistique
2. Identification de résidus essentiels au couplage proton/anion chez les ClCs échangeurs
a) Des résidus conservés impliqués dans le couplage des ClCs
b) Hypothèses actuelles sur le cycle de transport des ClCs
c) Le canal, un échangeur dysfonctionnel ?
3. Les ClCs, des échangeurs ou des canaux ?
a) Les ClCs procaryotes
b) Les ClCs des mammifères
c) Les ClCs chez les plantes
D. Objectif du travail de thèse
Conclusion
