Transcript Carences et toxicités métalliques chez les végétaux supérieurs

Carences et toxicités
métalliques chez les
végétaux supérieurs
Caractérisation des réponses et
adaptations physiologiques et
moléculaires
Antoine Gravot – Université Rennes 1
17 novembre 2010
UMR 118 – Amélioration des Plantes et Biotechnologies Végétales
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
M.L. Guerinot
La toxicité de l’aluminium, un enjeu majeur de la
croissance sur sols acides L. Kochian
De la ferveur biotec autour de la phytoextraction
du cadmium à la compréhension des C. Cobbett,
mécanismes de l’homéostasie du zinc D.Salt
La tolérance au nickel : un modèle U. Kramer
incontournable de biologie des milieux extrêmes
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
A. thaliana - hydroponie
macroéléments
microéléments
non essentiels, souvent toxiques
essentiels pour certaines plantes
souvent bénéfiques
N
Ca
K
S
Mg
P
Cl
Mn
Fe
Zn
B
Cu
Mo
Ni
Al
Cr
Ag
Cd
Na
Si
Valeurs référence
(Epstein 1994)
ppm
5 000à 60 000
1 000 à 60 000
8 000 à 80 000
1000 à 15 000
5 000 à 10 000
1 500 à 5 000
10 à 80 000
10 à 600
20 à 600
10 à 250
0.2 à 800
2 à 50
0.1 à 10
0.05 à 5
0.5 à 500
1.5
0.05
10 à 80 000
1 à 100 000
Racines
ppm DW
Feuilles
ppm DW
R/F
ratio
8 026
54 620
9 021
6 199
9 183
36 432
29 612
7 502
7 125
6 093
0.2
1.8
1.2
0.9
1.5
3 848
2 213
504
ND
40
336
81
72
39
9
11.4
27.2
7.0
68
213
39.3
4.9
0.0
1 304
6
17
1.8
0.4
0.0
570
12.4
12.5
21.6
12.7
4.5
2.3
% MS
0.5 à 6%
0.1à 6 %
0.8 à 8%
0.1à 1.5%
0.5 à 1%
0.15 à 0.5 %
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
Solution
Hoagland
macroéléments
microéléments
non essentiels, souvent toxiques
essentiels pour certaines plantes
souvent bénéfiques
N (NO3-)
Ca
K
S (SO4)
Mg
P
Cl
Mn
Fe
Zn
B
Cu
Mo
Ni
Al
Cr
Ag
Cd
Na
Si
µM
15000
5000
6000
2000
2000
1000
0.8
10.7
27.0
ppm racine theorique
Masse
molaire
14
40
39
32
24
30
55.0
55.0
Valeurs référence feuilles
Racines Feuilles
ppm dEnj-90mV -100 mV -110 mV
210
6
4
3
Abs
200
224 842 490 750 1 071 133 Ex
234
7 846
11 591
17 125 Diff
64
0.06
0.03
0.01
Abs
48
53 962
117 780 257 072 Ex
30
0.89
0.61
0.41
Abs
1.4
65.0
32.3
0.4
1.2
0.1
0.01
10.8
63.5
0.59
1.49
0.09
0.35
0.03
659
1669
102
0.010
0.9
1437
3644
222
0.007
1.3
3137
7953
484
0.005
1.9
59
27
0.01
0.00
6.6
10.2
14.5
32.8
31.6
105.8
1
54
112
23
0.11
1.24
126
41.6
275
61.5
600
90.9
ppm
ppm FW ppm FW
5 000à 60 000
1 000 à 60 000 803
3643
8 000 à 80 000 5462
2961
1000 à 15 000 902
750
5 000 à 10 000 620
713
1 500 à 5 000 918
609
10 à 80 000
10 à 600 385
34
20 à 600 221
8
10 à 250
50
7
0.2 à 800
4
2 à 50
4
1
0.1 à 10
0.05 à 5
7
1
0.5 à 500
21
2
1.5
4
0
0
0
0.05
0
0
10 à 80 000 130
57
1 à 100 000
Eléments traces: l’engorgement
racinaire est la règle générale
A. thaliana - hydroponie
macroéléments
microéléments
non essentiels, souvent toxiques
essentiels pour certaines plantes
souvent bénéfiques
N
Ca
K
S
Mg
P
Cl
Mn
Fe
Zn
B
Cu
Mo
Ni
Al
Cr
Ag
Cd
Na
Si
Valeurs référence
(Epstein 1994)
ppm
5 000à 60 000
1 000 à 60 000
8 000 à 80 000
1000 à 15 000
5 000 à 10 000
1 500 à 5 000
10 à 80 000
10 à 600
20 à 600
10 à 250
0.2 à 800
2 à 50
0.1 à 10
0.05 à 5
0.5 à 500
1.5
0.05
10 à 80 000
1 à 100 000
Racines
ppm DW
Feuilles
ppm DW
R/F
ratio
8 026
54 620
9 021
6 199
9 183
36 432
29 612
7 502
7 125
6 093
0.2
1.8
1.2
0.9
1.5
3 848
2 213
504
ND
40
336
81
72
39
9
11.4
27.2
7.0
68
213
39.3
4.9
0.0
1 304
6
17
1.8
0.4
0.0
570
12.4
12.5
21.6
12.7
Les racines sont souvent les premières victimes des
intoxications métalliques
4.5
2.3
% MS
0.5 à 6%
0.1à 6 %
0.8 à 8%
0.1à 1.5%
0.5 à 1%
0.15 à 0.5 %
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 Ferphytosidérophore
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
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