Autotrophie Azotée - Cours PDF

PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie azotée Autotrophie azotée I- Importance de la nutrition azotée pour la plante 1) Carences en azote Dans tous les AA, on trouve de l’azote. On retrouve aussi l’azote dans les bases azotées (acides nucléiques)...

PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie azotée Autotrophie azotée I- Importance de la nutrition azotée pour la plante 1) Carences en azote Dans tous les AA, on trouve de l’azote. On retrouve aussi l’azote dans les bases azotées (acides nucléiques) ou dans l’ATP. L’azote entre dans la constitution des chlorophylles. Chaque chlorophylle = 4 azotes. La chlorophylle est la molécule la plus fabriquée par la plante (énormes quantités fabriqués). Il faut donc beaucoup d’azote pour avoir des feuilles bien vertes et un système photosynthétique qui fonctionne bien. Si la plante manque d’azote, ses feuilles blanchissent ou jaunissent ; elle produit moins de chlorophylle. L’azote est aussi présente dans les phytohormones ou la nicotine (= alcaloïde accumulé dans les feuilles de certaines plantes, destinée à intoxiquer certains ravageurs). La nicotine est un métabolite secondaire : n’est là que pour répondre à une menace. Dans des conditions bien contrôlées, la plante peut vivre sans, mais dans la nature, il y a besoin de beaucoup d’azote pour la nicotine et pour constituer une barrière de défense suffisante. Dans une plante, on trouve principalement : C, H, O, N. N = 2 à 3% de la masse de matière sèche (10 fois plus que le soufre qui intervient juste après l’azote dans les quantités). Il faut donc une bonne nutrition azotée pour la plante, sinon, carences, avec des feuilles jaunissantes ou vert pâle ou une diminution de la croissance (carence = chlorose). 2) Excès en azote Si on a trop d’azote, il y a aussi un mauvais développement de la plante : croissance déséquilibrée. Si on a trop d’azote, la plante aura trop de chlorophylle, avec des feuilles trop vertes, et la plante favorisera le développement de l’appareil végétatif et laissera de côté le développement de fleurs/fruits. La plante n’aura pas non plus besoin de développer un gros système racinaire pour aller chercher l’azote, mais ne pourra de ce fait pas non plus aller chercher d’autres éléments nécessaires à son développement. Donc trop d’azote : → Feuillage abondant et vert sombre → Système racinaire peu développé → Retard dans la floraison II- Cycle de l’azote dans la biosphère L’Homme amène 25% en plus de nitrate d’ammonium que ce qui est normalement présent sur la planète. L’ammonification peut provenir de deux choses : → Dégradation de la matière organique → Azote moléculaire 1 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie azotée Une fois que l’ammoniaque est dans le sol, il doit être transformé en nitrate qui pourra être prélevé par les plantes (forme assimilable par celles-ci). III- Utilisation de l’azote moléculaire (N2) de l’atmosphère 1) Les organismes fixateurs d’azote Le nitrate est un facteur limitant pour le développement de la plante : il est en quantité limitée (contrairement à l’azote atmosphérique qui est en quantité illimitée). Pouvoir utiliser le N2 atmosphérique est donc un gros avantage pour les plantes. A retenir 2 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie azotée Organismes fixateurs d’azote : → Cyanobactéries (azote atmosphérique et du sol → Autres bactéries (chimiotrophe aérobie, chimiotrophe aérobie facultative, anaérobie chimiotrophe ou photosynthétique) A) Association mousse/Nostoc La mousse Pleurozium schreberi est très répandue dans les forêts boréales (60-80% de la couverture du sol, 14% de la biomasse). Cette mousse accueille une bactérie de type Nostoc qui va infecter la cavité du gamétophyte et permettre la fixation d’azote atmosphérique. Au microscope à fluorescence, on peut voir les antennes collectrices de ces bactéries, qui ont des antennes collectrices différentes de celles de la plante (phycobilisomes). Ces bactéries transforment l’azote atmosphérique en ammoniaque. Elles sont composées de chaînes (filaments) de cellules, avec des cellules végétatives et des hétérocystes. Hétérocyste = cellule, zone où l’on fixe l’azote. On a ici une symbiose extracellulaire. B) Association fougère/Anabaena On a aussi une association de plante et cyanobactérie ici. On a toujours la présence de phycobilisomes. L’organisation de la bactérie est la même, avec une chaîne de cellules et des hétérocystes. Au départ, les filaments de la bactérie sont formés uniquement de cellules végétatives et se trouvent dans le méristème apical de la fougère. Lorsque le développement de la cavité foliaire commence, les hétérocystes commencent aussi à se différencier des cellules végétatives. La plante est donc capable de garder la bactérie à l’état végétatif, et de ne « déclencher » sa capacité de fixation de l’azote qu’à un moment donné. Il y aune vraie communication mise en place entre l’hétérocyste et la fougère. Cette fougère est envahissante car elle tapisse la surface de l’eau : il peut y avoir destruction des écosystèmes en-dessous de la surface où elle se développe car privation de lumière. En mourant, cette plante relargue beaucoup de sources d’azote : utilisé en agriculture. L’algue est élevée avec sa cyanobactérie et utilisée comme engrais vert dans certains pays (africains de l’Ouest). Cette association fougère/Anabaena a donc un fort potentiel agroécologique. On a ici une symbiose extracellulaire. C) Association aulne/Frankia La bactérie ici est Frankia alni et s’associe spécifiquement avec l’aulne. La bactérie est formée de filaments et de vésicules : ces vésicules sont le site de fixation du dinitrogène et ont une paroi épaisse. Ces bactéries se trouvent au niveau des cellules corticales de l’aulne, qui sont remplies de Frankia = formation d’actinorhizes. Ce sont des systèmes très efficaces pour transformer l’azote atmosphérique en azote assimilable par la plante. On a ici une symbiose intracellulaire. Intérêt biologique : → Enrichissement des sols appauvris 3 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie azotée → Stabilisation des sols érodés, reboisement Cette association permet l’agroforesterie (association arbre + agriculture/élevage) : enrichissement des sols en azote par cette bactérie associée à une plante. D) Origines de la symbiose Ces interactions plantes/bactéries ne sont pas rares. Cette symbiose n’est pas ponctuelle au sein de l’évolution : elle est arrivée de nombreuses fois. 2) La symbiose Rhizobium-Légumineuses Rhizobium ne décrit qu’un genre dans la classification des Rhizobactéries. Les plantes hôtes produisent des graines riches en protéines grâces aux Rhizobactéries. Elles sont associées spécifiquement à un genre de bactéries. Spécificité d’interaction = sur les racines on a des nodosités (ou nodules) : organes avec tissus organisés entre eux et vascularisation. Dans ces nodules, on a des sortes de cultures de bactéries : symbiosome. Les racines de chaque espèce de plante sécrètent des Flavonoïdes différentes, qui permettent une association spécifique. NodD, une protéine présente chez toutes les Rhizobactéries, associée à la membrane, se décrochera de la membrane pour s’associer au Flavonoïde. Chaque type de protéine est spécifique d’un Flavonoïde également. L’opéron Nod permettra ensuite de fabriquer un Nod factor spécifique à la bactérie. NodA, NodB, NodC sont communs à toutes les bactéries, puis un autre Nod (jusqu’à Z) ajoutera un motif spécifique pour rendre spécifique le facteur Nod à partir d’une structure commune à toutes les bactéries. Ce facteur sera reconnu très spécifiquement par des récepteurs de la plante. Une fois que la plante a 4 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie azotée identifié la bonne molécule, elle transforme sont poil absorbant pour permettre l’absorption de la bactérie. La spécificité vient donc de : → Emission de Flavonoïde spécifique → Perception spécifique de cette Flavonoïde par NodD → Nod factor spécifique Signaux sécrétés par les poils racinaires de légumineuses : → Flavonoïdes → Bétaïne → Strigolactone Les Rhizobactéries peuvent nager jusqu’au poil absorbant et s’y coller (lieu de sécrétion des Flavonoïdes). Le poil absorbant va se déformer et les bactéries vont migrer au cœur d’une cavité. On aura ensuite une dégradation de la paroi végétale, ce qui permet aux bactéries de pénétrer dans le poil absorbant avant de migrer vers l’intérieur de la cellule. On a la formation d’une chaîne de bactéries appelés cordon d’infection. La progression des bactéries se fait par invagination de la membrane plasmique : on est toujours dans un cas extracellulaire. Le cordon de bactéries se prolonge jusqu’au cœur de la racine où se trouvent les nodules. C’est seulement lors du contact des bactéries avec les bonnes cellules qu’on a endocytose des bactéries : nodule + bactéries endocytées = symbiosome. On a une membrane interne de bactérie et une membrane plasmique d’endocytose (double membrane = fait penser aux chloroplastes et mitochondries). 3) Mécanisme biologique de fixation de l’azote moléculaire : nitrogénase (N2→ NH3 ) Le complexe enzymatique de la nitrogénase réduit le dinitrogène. 5 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie azotée Pour fixer de l’azote moléculaire, il faut une très grande affinité : la nitrogénase, en utilisant 6 électrons et 6 protons, va fabriquer du NH3 à partir du N2. L’hydrogène dégagé est le résultat de l’ajout d’une réaction au sein de la chaîne, permettant l’éjection de l’ammoniaque. 4) Physiologie de na nutrition azotée des plantes hébergeant des symbiontes fixateurs d’azote Une fois que le N2 est à l’intérieur du bactéroïde, le bactéroïde le transforme en NH3 par la nitrogénase. Le NH3 n’est pas chargé et peut diffuser passivement au travers du bactéroïde en suivant le gradient de concentration. Il arrive dans l’espace péribactéroïdien acidifié, fixe un proton et devient NH4+. Il est alors emprisonné dans la partie blanche de l’image (espace péribactéroïdien). La plante aura besoin d’un canal à ammoniaque (pore spécifique de l’ammoniaque) qui permettra d’évacuer ce dernier de l’espace péribactéroïdien = ce pore n’utilisera pas d’ATP, simple gradient de concentration. Des protons sont évacués avec l’azote. La plante fournit les nutriments dont la bactérie a besoin pour vivre, la bactérie fournit de l’azote (symbiose). 5) Importance du phénomène Fixation par des organismes libres : → Faible (1-5 kg N/ha/an) 6 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie azotée Fixation symbiotique : → Élevée : jusqu’à 100 – 300 kg N/ha/an → Ensemencement de Rhizobactéries spécifiques sur les graines de légumineuses → Culture de Légumineuses comme engrais vert (trèfle, lotier…) et fourrage (luzerne…) → Légumineuses cultivées pour leur graines riches en protéine (soja, lentille, pois …) → Utilisation d’espèces établissant des symbioses pour planter des végétaux pionniers dans des sols désertifiés dépourvus de matière organique = avantage pour l’agriculture IV- Utilisation des différentes formes d’azote du sol 1) Azote organique Deux types d’approvisionnement d’azote dans le sol : fixation de l’azote atmosphérique ou dégradation de la matière organique. 2 grandes catégories de matière organique : origine animale ou végétale. Les débris végétaux, microbiens et animaux subissent une décomposition dans le sol : → Rapide : minéralisation du sol (90%) − Activité de microorganismes − Protéolyse = dégradation des protéines en AA − Ammonification = libération de NH4+ − Nitrification = production de NO3- − Facteur limitant pour la croissance des végétaux → Lente : humification (10%) − Cellulose, lignine, tanins et azote de l’humus − Peu disponible − Minéralisation secondaire (long) 2) Azote ammoniacal C’est la première forme d’azote fabriquée (forme réduite). Certaines plantes peuvent l’absorber et la métaboliser, mais le NH4+ se trouve dans un sol basique (charge négativement) : le NH4+ est aimanté dans ces sols. Certaines plantes peuvent acidifier le sol et utiliser le NH4+ qui se détache (plantes de tourbières capables de pousser sur des milieux acides) : rare = globalement, les plantes ne peuvent pas utiliser cette forme d’azote et utiliseront plutôt du nitrate (forme oxydée) chargé négativement, donc très disponible par absorption racinaire directe. 3) Azote nitrique A) Absorption des nitrates et circulation dans la plante → Absorption racinaire du nitrate par un cotransporteur nitrate/proton 7 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie azotée → Au niveau de l’épiderme racinaire → Circulation vers le cortex et la stèle → Stockage de nitrate dans la vacuole → Assimilation racinaire… → …et/ou exportation de nitrate dans la sève du xylème B) Assimilation des nitrates dans les cellules chlorophylliennes 3 étapes : → Réduction = le nitrate est réduit jusqu’à obtenir de l’ammoniaque : nitrates en nitrites par la nitrate réductase dans le cytosol → Puis nitrites en ammoniaque par la nitrite réductase dans les plastes → Puis incorporation de NH4+ dans les composés organiques dans les plastes → acides aminés (glutamate). Voie Glutamine synthase : transfert d’amine vers un glutamate → On peut considérer l'assimilation de NH4+ par la glutamate déshydrogénase comme un point d'entrée dans la synthèse des acides aminés : synthèse ensuite de glutamine dont l’atome d'azote du groupement amide porté par la chaîne latérale est le précurseur direct de plusieurs atomes d'azote (pour bases azotées par exemple) Schéma : 8 PHYSIOLOGIE VEGETALE Autotrophie azotée C) Assimilation des nitrates dans les cellules non chlorophylliennes On a la même chaîne de fonctionnement avec réduction d’un NH4+ jusqu’à incorporation dans un AA. Si l’on fait le bilan de l’assimilation d’un nitrate jusqu’au glutamate, on obtient 1 NADH + 8 Fdx + 1 ATP. Remobilisation de l’azote en fin de vie : → Plantes annuelles : on peut remobiliser tout le nitrate des feuilles pour les mettre dans les graines. On recycle ainsi l’azote. La plante meurt, et la germination pourra développer ses racines pour devenir autonome → Plantes pérennes : l’azote est stocké dans les parties racinaires 9