Carences et toxicités métalliques chez les végétaux supérieurs Caractérisation des réponses et adaptations physiologiques et moléculaires Antoine Gravot – Université Rennes 1 UMR 118 – Amélioration des Plantes et Biotechnologies Végétales 17 novembre 2010 Master 2 BioVIGPA

La pollution diffuse par les éléments traces est devenue un sujet de préoccupation pour les pouvoirs publics et les filières professionnelles Prasad 1995 J.Exp.Bot Contamination des sols: transferts des sols vers les plantes 2007 Anne Tremel-Schaub,Isabelle Feix

La communauté scientifique internationale s’est largement investie depuis 15 ans sur des problématiques de relation organismes/polluants inorganiques et de bioremédiation Plant AND metals  >9000

La communauté scientifique internationale s’est largement investie depuis 15 ans sur des problématiques de relation organismes/polluants inorganiques et de bioremédiation Plant AND metal  1600

Les contraintes métalliques chez les végétaux supérieurs: un thème plus large que la phytoremédiation… Le mot “métaux” évoque aujourd’hui essentiellement le champs lexical de la pollution: Métaux lourds Polluants métalliques mais… il est permis d’élargir la discussion… Aujourd’hui nous parlerons bien sûr des pollutions métalliques mais également de la carence ferrique et de la toxicité de l’aluminium

plan Eléments généraux de biologie métallique Homéostasie du fer : indispensable, dangereux et pas très disponible La toxicité de l’aluminium, un enjeu majeur de la croissance sur sols acides De la ferveur biotec autour de la phytoextraction du cadmium à la compréhension des mécanismes de l’homéostasie du zinc La tolérance au nickel : un modèle incontournable de biologie des milieux extrêmes M.L. Guerinot L. Kochian C. Cobbett, D.Salt U. Kramer

Eléments généraux de biologie des métaux Métaux: réseau métallique à l’état solide, tendance à céder des électrons Métaux de transition : capacité à établir des coordinations avec N, O, C Métalloïdes : caractéristiques intermédiaires avec les non-métaux Eléments traces: de la croûte terrestre / des organismes < 100 ppm Métaux lourds : éléments formant des précipités insolubles avec les sulfures OU densité OU 6g.ml-1/n°A>20… Micropolluants métalliques: éléments traces métalliques toxiques

Eléments généraux de biologie des métaux Eléments essentiels : la carence compromet le cycle de développement et de reproduction, on peut corriger la carence par fertilisation, la fonction biologique est connue Eléments favorables : favorisent la croissance Oligoéléments : éléments traces essentiels

Ordres de grandeur

30-40% des protéines sont des métalloprotéines

Eléments généraux de biologie des métaux

Métaux de transition et stress oxydatif Redox  Haber Weiss  ROS Pas de cycle redox en conditions physiologiques… Mais Cd/Hg/Ni provoquent la dépletion en glutathion + se substituent aux Cu ou au Fe des métalloprotéines  stress oxydatif indirect

Inégalité des stabilités des complexes métalliques  série de Irving Williams Ca<Mn(II)<Fe(II)<Co(II)<Ni(II)<Cu(I) Quelle que soit la nature du ligand (!) La prévention du chargement incorrect de métaux sur des métalloprotéines est le véritable enjeu  il s’agit de maintenir des niveaux très faibles pour les métaux les plus compétitifs Transport membranaire/compartimentation Métallochaperones (à cuivre)

Transport membranaire: aspects éléctrochimiques Des H+/ATPases acidifient la solution du sol, le xylème, les vacuoles… Les cations diffusent spontanément vers le cytoplasme  l’exclusion cellulaire, la séquestration vacuolaire et le chargement du xylème nécessitent un transport actif Equation de Nernst : Log (Ci/Co)=-z DE / 59 (à 25°C) Ci concentration interne Co concentration externe z charge de l’élément DE potentiel membranaire Cf le chapitre du Hopkins (de boeck) sur l’assimilation des minéraux

--> Elements de reflexion sur la composition de la solution nutritive

Eléments traces: l’engorgement racinaire est la règle générale Les racines sont souvent les premières victimes des intoxications métalliques

Indispensable, dangereux et pas très disponible Homéostasie du fer Indispensable, dangereux et pas très disponible

Indispensable mais pas très disponible Régions calcaires = 1/3 de la surface Acidification de la rhizosphère Réduction du Fe(III) en Fe(II) plus soluble Chélation Guérinot 1994 Plant Physiology

Modèle il y a 15 ans

Stratégie I Architecture racinaire Acidification de la rhizosphère indicateur de pH coloré (Bromocresol pourpre) Lòpez-Bucio 2003 Current Opinion in Plant Biology, 6:280–287 Equipe de Marschner dans Plant Physiol. (1984) 76, 603-606

Implication d’une réduction du Fe3+ avant absorption Expériences de Chaney et Brown (1971, Plant Physiology) Chélation spécifique du Fe2+ par le BPDS supprime l’absorption de Fer Chélation spécifique du Fe3+ par le EDDHA n’a pas d’effet sur l’absorption de fer

Guérinot PNAS | May 1, 2007 | vol. 104 | no. 18 | 7311-7312

Clonage de IRT1 Equipe ML Guérinot Complémentation fonctionnelle du mutant fet3fet4 à partir d’une banque de cDNA  6 clones, tous identiques IRT1, non-homologues de FET3/FET4 Iron Eide et al. Proc Natl Acad Sci U S A. 1996 May 28;93(11):5624-8

Le mutant confirme la fonction…

Clonage de FRO2 (Equipe ML Guérinot) Primers sur les zones conservées de gp91phox et FRE1  fragment  criblage d’une banque de cDNA  FRO2 et FRO1 Criblage de mutants déficients pour l’activité ferric chelate reductase  clonage positionnel de frd1 La surexpression de FRO1 complémente frd1 Robinson NATURE | VOL 397 | 1999

Ajout à nouveau de Fer 100µM Vert et al. Plant Physiology, June 2003, Vol. 132, pp. 796–804

L’homéostasie du Fer…et les conséquences indirectes sur le ionome IRT1 Baxter 2009 PNAS

Compétition Fe / Cd pour IRT1

Design de sélectivité pour IRT1 Rodgers et al. PNAS 2000 97 (22) 12356–12360

Le design et l’expression chez le riz d’une ferric reductase efficiente à pH élevé augmente la tolérance aux sols calcaires Ishimaru PNAS 2009

Absorption du fer : stratégie II Les graminées sont très tolérantes aux carences en fer  redevable à la stratégie II : forte corrélation entre la quantité de sidérophores relargués et la tolérance aux carences en fer (Marschner 1995) Exeption : Le riz ne relargue pas beaucoup de sidérophores  sensible aux carences en fer Guérinot Nature Biotechnology  19, 417 - 418 (2001)

Guérinot PNAS | May 1, 2007 | vol. 104 | no. 18 | 7311-7312

YS1 Mutant YS1 décrit en 1929 par Beadle 1990 : déficience pour le transport de phytosidérophores 2001 : clonage du gène ZmYS1 à l’aide d’une banque de mutants de transposons

Confirmation fonctionnelle par complémentation du mutant fet3fet4 Conjugué Fer-phytosidérophore BPDS  séquestration du Fer libre

YS1 s’exprime à la fois dans les feuilles et les racines Immunoblot avec des anticorps anti-YS1 Roberts et al. (2004) Plant Physiology 135: 112–120

Et quand même…le mutant chloronerva ? Expériences de greffe (1960) substance mobile dont l’absence est responsable du phénotype Identification du NA : 1974 Kristensen Identification : la nicotianamine (1980 Phytochemistry) Clonage positionnel (1999)

chloronerva Expériences de greffe (1960) substance mobile dont l’absence est responsable du phénotype Identification : la nicotianamine (1980 Phytochemistry) Clonage positionnel (1999)

Modèle aujourd’hui SI Palmer & Guerinot 2009

Modèle aujourd’hui SII Palmer & Guerinot 2009

La toxicité de l’aluminium, un enjeu majeur de la croissance sur sols acides

Contexte agricole Sols acides = 40 % terres arables Nombreux facteurs d’acidification des sols cultivés 2 problèmes majeurs : faible disponibilité en P Forte disponibilité en Al Grande variabilité génotypique Forte corrélation entre les caractères de tolérance aux sols acides / aluminium Variétés tolérantes pour bcp de plantes cultivées

Al3+  gradient electrochimique très favorable à l’absorption Symptômes racinaires Al3+  gradient electrochimique très favorable à l’absorption Mécanismes de toxicité mal connus Action sur les pectines Rôle majeur des acides organiques dans la tolérance Ma et al. 2001

Chélation intracellulaire Barcelo 2002

Chélation extracellulaire

2004 : Clonage d’ALMT1 codant un canal malate racinaire activé par l’aluminium Cloné chez le blé, surexprimé chez l’orge Delhaize 2004 PNAS