Cytologie-Biologie Cellulaire : 14. La Vacuole. A. CHAABENA

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2 Ahmed CHAABENA 2

3 la vacuole  Chez les cellules végétales, toute la partie centrale du cytoplasme est occupée par un lysosome volumineux et très hydraté qui est la vacuole. tonoplaste  Les autres organites cellulaires sont situés en périphérie, entre la membrane de la vacuole appelée tonoplaste et la membrane plasmique. Ahmed CHAABENA 3

4  La cellule végétale typique (cellule foliaire, cellule corticale de racine ou de tige) renferme une grande vacuole centrale, ce qui signifie que le protoplasme de cette cellule est creusé d’une vaste dépression remplie d’une solution saline ou colloïdale diluée — le liquide vacuolaire — et bordée par une membrane simple, le tonoplaste.  Certains colorants «vitaux», comme le rouge neutre, envahissent le territoire vacuolaire sans déborder du tonoplaste lorsque la cellule est vivante; en cas de mort cellulaire, le rouge neutre envahit tout le protoplasme, qui se teinte uniformément en rose.  Au microscope électronique, sur une coupe ultrafine de cellule (fixée à la glutaraldéhyde et contrastée au tétroxyde d’osmium ou au permanganate de potassium), la vacuole apparaît comme une zone plus claire que le cytoplasme environnant; le tonoplaste présente, à fort grossissement, l’image trilamellaire classique valable pour toutes les membranes cellulaires. Ahmed CHAABENA 4

5  La pression osmotique du liquide vacuolaire, combinée à la contre-pression pariétale exercée sur la cellule par les parois du cadre pectocellulosique, détermine les mouvements d’eau entre le milieu et la cellule végétale.  On appelle potentiel hydrique (  ) de la cellule, la différence entre la contre-pression (P) due à la déformation élastique des parois et la pression osmotique (  ) de la vacuole :   (exprimée en bars) = -  + P. Ahmed CHAABENA 5

6   est habituellement de l’ordre de -10 à -15 bars dans de nombreux tissus végétaux.  L’eau migre toujours des milieux de potentiels hydriques élevés vers les milieux de plus bas potentiels. Ahmed CHAABENA 6

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8  En cytologie végétale, pression qui applique naturellement le cytoplasme contre la paroi cellulaire pecto-cellulosique, et qui, en vertu du principe de l’action et de la réaction, peut être considérée dans le sens inverse (pression de membrane ou de paroi, sur la masse cytoplasmique).  L’origine de la turgescence se trouve dans les corps dissous (sels notamment) dans l’eau cellulaire, principalement dans l’eau de la vacuole (ou des vacuoles pour les cellules jeunes qui en ont plusieurs), ces molécules dissoutes exerçant une attraction sur les molécules d’eau situées à l’extérieur de la cellule, pourvu que la pression osmotique vacuolaire soit plus élevée que celle de la solution extérieure.  Quand une trop forte quantité d’eau part des cellules d’une plante vers l’atmosphère, la turgescence cesse, la plante s’affaisse plus ou moins, c’est le phénomène du flétrissement, ou de la fanaison, réversible d’abord par déplacement de la plante en atmosphère humide ou dans l’eau, puis irréversible et entraînant la mort cellulaire. Ahmed CHAABENA 8

9  La pression de turgescence est donc à l’origine du maintien des végétaux herbacés, peu munis en tissus de soutien, ainsi que du maintien des parties jeunes des plantes ligneuses, jeunes rameaux et feuilles des arbres, non lignifiées.  De plus, des variations de turgescence de cellules très localisées de nombreuses plantes produisent chez elles des mouvements d’organes, tels que les fermetures de pétales de fleurs (liseron) ou de folioles (diverses papilionacées, ou, cas spectaculaire, la sensitive), ou les mouvements d’étamines (épine-vinette autogame), ou le reploiement des tentacules- pièges de feuilles de plantes carnivores (droséras), etc.  La turgescence intervient aussi dans les mécanismes complexes d’ouverture et de fermeture des stomates, qui règlent l’intensité de la transpiration de la plante et peuvent, entre autres effets, s’opposer à un trop sensible déficit en eau dans ses tissus.  Enfin, dans les organes en croissance, la turgescence des cellules est en partie responsable de l’allongement que l’on constate. Ahmed CHAABENA 9

10  En cytologie végétale, départ de l’eau hors de la cellule végétale parce que les molécules d’eau se trouvent attirées par une solution extérieure de pression osmotique plus élevée que celle de la solution vacuolaire, de telle sorte que le contenu cytoplasmique de la cellule se rétracte et se décolle plus ou moins complètement de la paroi pecto-cellulosique (cessation de la turgescence).  Au laboratoire, la plasmolyse peut être pratiquée sur des cellules étudiées pour diverses raisons expérimentales, par exemple pour mesurer la pression osmotique du suc vacuolaire, ou pour libérer artificiellement les cellules végétales de leurs parois (obtention de protoplastes). Ahmed CHAABENA 10

11  Des vacuoles ont pu être isolées récemment de cellules végétales adultes par le procédé suivant: des protoplastes végétaux sont d’abord obtenus en traitant certains tissus (pétales de fleurs, hyphes de champignons) par des mélanges de pectinases et de cellulases ou bien par des chitinases.  Les parois cellulaires sont hydrolysées par ces enzymes et les protoplasmes cellulaires sont libérés dans le milieu (protoplastes). Ahmed CHAABENA 11

12  Ces protoplastes sont doucement dilacérés et les vacuoles peuvent être recueillies par centrifugation différentielle sur gradient de densité.  Les activités enzymatiques associées à ces fractions vacuolaires isolées sont essentiellement des activités hydrolytiques:  protéinases, exopeptidases, RNAses, DNAses, phosphatases, phosphodiestérases, acétylestérases, amylases, glucosidases, galactosidases, mannosidases, etc.  Ces caractéristiques enzymatiques rattachent nettement les vacuoles végétales aux lysosomes des cellules animales. Ahmed CHAABENA 12

13  Le problème de l’origine de la grande vacuole de la cellule végétale s’est trouvé nettement éclairci à la suite du rattachement du système vacuolaire au système lysosomal des cellules.  On savait depuis longtemps que la grande vacuole de la cellule végétale adulte dérivait de la confluence d’un grand nombre de petites vacuoles présentes dans la cellule méristématique.  On sait aujourd’hui que ces «protovacuoles» sont de véritables lysosomes secondaires (souvent anastomosés en réseau dans la cellule). Ahmed CHAABENA 13

14 Différenciation cellulaire progressive et orientée dans l’apex d’une racine ; modalités de sortie de l’état méristématique telles qu’on les observe en microscopie optique (en bas). Ahmed CHAABENA 14

15  Les hydrolases actives que renferment ces organites (dérivés par filiation du réticulum endoplasmique et de l’appareil de Golgi) se livrent à une véritable autodigestion de portions de cytoplasme (on peut voir, au microscope électronique, des nappes de séquestration, bourrées d’hydrolases, entourer certaines portions de cellule).  Après cette véritable autophagie ou métamorphose cellulaire, des protovacuoles se creusent à la place des territoires éliminés, puis finalement confluent en une grande vacuole centrale. Ahmed CHAABENA 15

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17  Propriété des cellules végétales de pratiquer une absorption supplémentaire de sels minéraux pour maintenir leur pression osmotique interne légèrement supérieure à celle du milieu.  L’épictèse (du grec: ktésis, acquisition, épi, en supplément) fut découverte par le physiologiste français Lapicque en 1925 sur l’algue brune Ectocarpus.  Comme il est de règle chez les végétaux, les vacuoles ont une pression osmotique (p.o.) légèrement supérieure à celle du milieu (eau de mer); cette hypertonie entraîne une certaine suppression du suc vacuolaire qui distend les parois (turgescence).  Lapicque dépose un fragment d’Ectocarpus dans de l’eau de mer; sa légère turgescence se manifeste par une convexité des parois transversales.  Il ajoute alors du saccharose (0,4 M); comme prévu, l’eau sort des vacuoles et les membranes s’infléchissent vers l’intérieur, inflexion qui précède la plasmolyse proprement dite. Mais après quelques heures, la plasmolyse régresse et la turgescence reprend. Ahmed CHAABENA 17

18  Il y a donc une rentrée d’eau, qui ne peut s’expliquer que par une élévation de la p.o. vacuolaire, ce qu’a vérifié Lapicque.  Or le saccharose pénétrant très mal dans les cellules végétales et l’Ectocarpus ne possédant pas de réserves hydrolysables, cette élévation ne peut être due qu’à une entrée de sels minéraux venus de l’eau de mer.  L’addition de saccharose n’ayant en rien modifié les conditions physico-chimiques présidant aux transports passifs (diffusion), Lapicque conclut que ce supplément d’absorption saline (épictèse) était dû à un processus physiologique faisant appel à l’énergie métabolique. Ahmed CHAABENA 18

19  Chez les Végétaux, l’eau vacuolaire est légèrement sous pression (turgescence), ce qui contribue au port dressé des organes. Beaucoup de déformations d’organes (prises des positions de sommeil par les feuilles ou les fleurs) ou de cellules (stomates) sont liées à des variations de turgescence. Or la turgescence est due à la p.o. élevée du suc vacuolaire (quelques bars ou quelques dizaines de bars); une cellule mise dans un milieu hypertonique voit sa turgescence diminuer, puis s’annuler; si l’hypertonie externe est assez poussée, l’eau quitte la vacuole et le cytoplasme se décolle de la paroi (plasmolyse). La p.o. des poils absorbants (quelques bars) est plus élevée que celle du sol (moins d’un bar) et croît au fur et à mesure que l’on gagne les tissus internes, ce qui contribue à l’absorption de l’eau. Des absorptions actives de sels minéraux (épictèse) permettent de maintenir cette hypertonie. La vie en milieu salé n’est possible que pour des végétaux aux p.o. internes élevées (plus de 100 bars). Ahmed CHAABENA 19

20  C’était là la première mise en évidence d’un transport actif réalisé contre un gradient électrochimique.  L’épictèse permet à une cellule d’ajuster sa p.o. interne à la p.o. externe, lorsque celle-ci varie.  Dans l’eau pure (p.o.: 0), une cellule d’Ectocarpus a une p.o. de 5,5 bars; dans une solution de 7,5 bars, elle est de 10,8 bars.  Le phénomène se retrouve sur les racines des végétaux supérieurs, qui, dans certaines limites, peuvent élever leur p.o. interne alors que la p.o. du sol s’élève (dessèchement, salure). Ahmed CHAABENA 20

21  Les halophytes, qui vivent en terrain salé, ont un très fort pouvoir d’épictèse qui leur permet, en surconcentrant leur suc vacuolaire, de maintenir l’hypertonie nécessaire à leur alimentation hydrique, malgré la forte p.o. externe (plusieurs dizaines de bars).  L’épictèse, comme tout transport actif, est réalisée grâce à des «pompes ioniques» situées sur les membranes. Le mécanisme par lequel elles reçoivent le signal extérieur (modification de la p.o. externe) n’est pas connu. Ahmed CHAABENA 21

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23 La pompe à protons crée dans la vacuole une surconcentration en ions H +, lesquels retournent dans le cytoplasme en s’échangeant, grâce à un transporteur, avec des ions K +. Ahmed CHAABENA 23

24  Au système vacuolaire des cellules se rattachent les grains d’aleurone, formes de vacuoles spécialisées dans l’accumulation des protéines de réserve dans les graines (au moment de la germination, les phosphatases et protéinases contenues dans les grains d’aleurone entrent en activité).  De même, les sphérosomes ou gouttelettes lipidiques de réserve dans les graines oléagineuses se rattachent au système vacuolaire par les hydrolases qui s’y accumulent au moment de la germination. Ahmed CHAABENA 24

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