Le cycle de l’azote Azote et quelques applications biotechnologiques dans le domaine de l’agriculture

Azote et quelques applications biotechnologiques I : Le cycle de l’Azote II : La transgénèse naturelle chez les végétaux III : Les biopesticides

I –L’Azote : Composants Diazote gazeux : des protéines (AAm) des acides nucléiques (bases azotées) Diazote gazeux : + de 80% de l’atmosphère terrestre Formes d’assimilation majoritaires : Nitrates Ions ammoniums

I – Le cycle de l’Azote CHON…= N organique CHON…= N organique 1 N2 atmosphérique 1 Assimilation Bactéries du sol CHON…= N organique (animaux, végétaux, champignons, bactéries) NO3 CHON…= N organique (déchets, déjections, cadavres,..) NO2 NH3

L’assimilation de l'azote inorganique L'assimilation se fait par la consommation de L'ammonium : les micro-organismes, Le nitrate : les végétaux et quelques micro-organismes Glutamate déshydrogénase Glutamine synthétase

L’assimilation de l'azote inorganique Le glutamate et la glutamine : donneur d’azote réaction de transamination Exemple de produits obtenus après transamination à partir du glutamate (AAm1) acide a-cétonique 1 acide aminé 2 oxaloacétate Asp pyruvate Ala a-céto-b-méthyl valérate Ile a-céto isovalérate Val phénylpyruvate Phe 4-hydroxyphényl pyruvate Tyr préphénate arogénate (précurseur de Phe et Tyr) 3-phosphohydroxy pyruvate 3-phosphosérine 1 transaminases Acide a-cétonique 2 : acide a-cétoglutarique 2

L’assimilation de l'azote inorganique Quelques bactéries assimilent l’azote à partir des nitrates 1er temps : réduction en ion ammonium : intervention de la Nitrate Réductase assimilatrice : NRB, Insensibilité à l’O2 Voie non énergétique NH4+ Absence de réaction : les nitrates ont été consommés : NR+ Le milieu contient des nitrites : NR+ Le milieu ne contient pas de nitrites Ajout de Zinc (réducteur des nitrates) Réaction avec les nitrites : NR-

I – Le cycle de l’Azote CHON…= N organique CHON…= N organique 1 2 N2 atmosphérique 1 Assimilation Bactéries du sol CHON…= N organique (animaux, végétaux, champignons, bactéries) NO3 CHON…= N organique (déchets, déjections, cadavres,..) NO2 Ammonification Bactéries et champignons 2 NH3

L’ammonification Sources d’azote organique très diverses Microorganismes très variés Les réactions : Hydrolyse des polymères Désaminations aérobie ou non NH3 Désamination directe Désamidation

I – Le cycle de l’Azote CHON…= N organique CHON…= N organique 3 1 2 N2 atmosphérique Dénitrification Bactéries : Pseudomonas, cyanobactéries,.. 3 1 Assimilation Bactéries du sol CHON…= N organique (animaux, végétaux, champignons, bactéries) NO3 CHON…= N organique (déchets, déjections, cadavres,..) NO2 Ammonification Bactéries et champignons 2 NH3

La dénitrification Processus respiratoire anaérobie Processus anaérobie NO3- NRA NO2- Processus respiratoire anaérobie Respiration nitrique Respiration nitreuse Nitrate réductase dissimilatrice : inhibée en présence d’O2 Perte de l’azote assimilable NO N2O N2 dNRA ATP

I – Le cycle de l’Azote CHON…= N organique CHON…= N organique 5 3 1 2 N2 atmosphérique Fixation de l'azote Bactéries (Clostridium, Azotobacter), cyanobactéries, symbiotes (Rhizobium,…) 5 Dénitrification Bactéries : Pseudomonas, cyanobactéries,.. 3 1 Assimilation Bactéries du sol 4 Nitrification CHIMIOLITHOTROPHES CHON…= N organique (animaux, végétaux, champignons, bactéries) NO3 Nitratation Bactéries: Nitrobacter,… CHON…= N organique (déchets, déjections, cadavres,..) NO2 Ammonification Bactéries et champignons 2 Nitritation Bactéries: Nitrosomas, Nitrospira,… NH3

La nitrification autotrophe Processus énergétique Processus aérobie strict Microorganismes autotrophes principalement Les autotrophes : Bactéries nitreuses Nitrosomonas Nitrosococcus Bactéries nitriques Nitrobacter Nitrococcus Les hétérotrophes : Nombreuses moisissures Milieux acides

Les bactéries nitreuses [NH2OH] 2H+ + 2e- H2O Ammoniac MO NO2- 5H+ + 4e- Hydroxylamine MO lithotrophes NH3 + O2 Nitrosococcus Cyt C554 ADP + Pi ATP O2 2H2O Aérobiose Transporteurs H+ / e- (cytochrome, quinone, …) 2e- chimiotrophes Nitrosomonas

Les bactéries nitriques 2e- + 2H+ [N(OH)2] Nitrite oxydase NO3- lithotrophes NO2- + H2O Nitrococcus Transporteurs H+ / e- (cytochrome, quinone, …) Aérobiose ADP + Pi ATP O2 2H2O chimiotrophes Nitrobacter

I – Le cycle de l’Azote CHON…= N organique CHON…= N organique 5 3 1 2 N2 atmosphérique Fixation de l'azote Bactéries (Clostridium, Azotobacter), cyanobactéries, symbiotes (Rhizobium,…) 5 Dénitrification Bactéries : Pseudomonas, cyanobactéries,.. 3 1 Assimilation Bactéries du sol 4 Nitrification CHIMIOLITHOTROPHES CHON…= N organique (animaux, végétaux, champignons, bactéries) NO3 Nitratation Bactéries: Nitrobacter,… CHON…= N organique (déchets, déjections, cadavres,..) NO2 Ammonification Bactéries et champignons 2 Nitritation Bactéries: Nitrosomas, Nitrospira,… NH3

La fixation de l’azote : les acteurs Source d’énergie aérobiose genre Phototrophes + Cyanobactéries (exemple : Anabaena, Nostoc) - Bactéries sulfureuses Chimioorganotrophes Bacillus, Klebsiella pneumoniae Azotobacteriaceae, Rhizobiaceae Clostridium Chimiolithotrophes Thiobacillus Nitrogénase : complexe enzymatique 12 à 16 ATP / molécule de diazote fixée

La fixation de l’azote : la nitrogénase Très sensible à O2 Micro-organismes anaérobies : Clostridum Cyanobactéries dans les hétérocystes Fixation Libre : +/- associée aux zones racinaires ou foliaires Symbiotiques : Rhizobium / légumineuses, Azotobacter, Franckia

Fixation de l’azote lors d’une relation symbiotique (cellule végétale) (Bactérie) e- / H+ Transporteurs H+ / e- (cytochrome, quinone, …) Leghémoglobine (piège à O2) O2 PHB Métabolites carbonés METABOLISME végétal PHOTOSYNTHESE ADP + Pi ATP METABOLISME bactérien FAD N2 CO2 nitrogénase NH4+ FADH2 Glutamate NH4+

Schéma de développement des nodules 2

Transgénèse chez les végétaux Résistance aux parasites Augmentation des rendements de production Diminution des coûts d’exploitation Acquisition de nouvelles qualités : gustatives, conservation…

Agrobacterium Caractéristiques Bacille Gram – Asporulé Mobile Phytopathogène Exemples Agrobacterium tumefaciens : grand plasmide Ti (tumor inducing) galle du collet (crown gall) Agrobacterium rhizogenes : grand plasmide Ri (root inducing) chevelu racinaire

Exemple du plasmide Ti Zone à éliminer lors du désarmement (*) inhibition des pousse et des racines : interviennent dans la synthèse d’auxine et de cytokinine (modification de la balance hormonale) Zone à éliminer lors du désarmement Gènes intervenant dans la morphologie de la tumeur (*) la synthèse d’opines dans la cellules transformées [octopine (racines), agropine (bourgeon)] T Vir Zones acquises dans le génome des tissus tumoraux Gènes gouvernant la virulence Gènes du catabolisme de l’agropine Zone impliquée dans le contrôle de la réplication Gènes responsables du transfert conjugatif de Ti entre les bactéries Gènes du catabolisme de l’octopine

Les biopesticides Molécules actives vis-à-vis des parasites des animaux et des végétaux (insectes, ravageurs, microorganismes…) synthétisés lors de la phase stationnaire de croissance donc des métabolites secondaires Leur production s’effectue par culture de microorganismes Parasites Microorganismes Mode d’action Lépidoptères (chenille) Larve de moustiques Bacillus thuringiensis Exotoxine protéique parasporale attaquant les muqueuses intestinales des larves d’insectes, le cristal se dissout dans la cavité intestinal (pH alcalin) et les protéases le transforment en molécules actives Coléoptères (vers blancs) Beauvaria bassiana Moisissure attaquant les téguments respiratoires et dont le développement mycélien obstrue les canaux respiratoires Noctuelles ravageurs du coton et du maïs Baculovirus Infection létale du tube digestif