Cours sur le Stress chez les Plantes (PDF)

***\ *** ***Présenté par : Pr. SOUAHI Hana*** **Contenu de la matière** **Première partie** : Aspects moléculaires et cellulaires des réponses de plantes aux changements des conditions environnementales : - stress hydrique - stress saline - stress aux rayons UV-B, - stress oxydant, -...

***\ *** ***Présenté par : Pr. SOUAHI Hana*** **Contenu de la matière** **Première partie** : Aspects moléculaires et cellulaires des réponses de plantes aux changements des conditions environnementales : - stress hydrique - stress saline - stress aux rayons UV-B, - stress oxydant, - stress aux métaux lourds - stress aux herbicides. **Deuxième partie** : Aspects moléculaires et cellulaires des interactions entre les plantes et différents microorganismes - mycorhizes - Rhizobium - La phytoremédiation **Notions de stress hydri** **que**. Le stress, au sens large est un dysfonctionnement produit dans un organisme ou dans un système vivant par une carence ou un excès d'un ou de plusieurs facteurs Lorsque cette perturbation est due au déficit d'eau, on parle de stress hydrique (DUTUIT et *al*, 1994). Le stress hydrique a été définit comme une baisse ou un excès de la disponibilité de l\'eau dans le milieu d'installation de telle culture, traduisant par une réduction de la croissance de la plante et/ou de sa reproduction par rapport au potentiel du génotype. D\'autres auteurs limitent la définition du stress aux seules conditions correspondant à une hydratation suboptimale des tissus (LAMAZE et *al*., 1994). #### #### Effet du stress hydrique sur les plantes #### #### Les stress abiotiques, notamment le stress hydrique, limitent sérieusement la croissance des plantes ainsi que la productivité végétale (Wang et *al*., 2003). #### L\'effet du stress dépend de son degré, sa durée, le stade de développement de la plante, le génotype et son interaction avec l\'environnement (Yokota et *al.*, 2006). #### Chez le blé dur, le déficit en eau affect son développement et ralenti son taux de croissance, ceci engendre un faible tallage, une réduction de la surface foliaire (Legg et *al*, 1979), ceci se traduit par réduction de biomasse finale (Villegas et *al*., 2001). #### La répercussion du déficit hydrique se traduit par la diminution de la matière sèche durant la période végétative et reproductrice et par conséquent diminue les rendements (Tanner et Sinclair., 1983). #### Le déficit hydrique n'affecte pas seulement la partie aérienne, mais la partie racinaire prend aussi sa place. La répercussion se traduit par ralentissement de la croissance du système racinaire (Benlaribi et *al*., 1990). Le blé dur met en place un système racinaire très développé dans le cas d'un déficit hydrique, ce qui a une conséquence sur les produits photosynthèse qui seront détournés la production de grains (Baldy, 1973). #### Le déficit hydrique peut affecter la durée des stades de croissance, en effet la durée du cycle de semis à l'anthèse se raccourcit au fur et à mesure qu'augmente le déficit hydrique, particulièrement le stade de la floraison qui se manifeste par sa diminution (Garcia Del Moral et *al*., 2003 ; Magrin, 1990). #### #### Effet du stress hydrique sur la germination #### #### En absence d'humidité suffisante, la graine même si elle est correctement placé dans le sol, elle n'évolue pas, retardant ainsi, la levée de la culture, et en cas de persistance de sécheresse, la situation peut se traduit par une absence de levée (Feliachi et *al*., 2001). #### Au cours de cette phase, c'est le métabolisme des carbohydrates qui se trouve fortement affecté (Ingram et *al*., 1996), à travers la perturbation du fonctionnement enzymatique impliqué dans ce processus. Il a été démontré que le glyceraldéhyde-3-déshydrogénase cytolosique est fortement induite par le déficit hydrique ce qui est l'origine d'un changement de l'acuité de la glycose (Velasco et *al*., 1994). #### De nombreux gènes contrôlant le métabolisme des sucres simples sont régulés en amont par les variations de l'hydratation cellulaire. Quoi que l'hydrolyse de l'amidon et la libération des sucres réducteurs énergétiques constituent une étape incontournable dans le déroulement de la germination, mais indirectement la disponibilité des carbohydrates pendant cette phase assure un rôle de protection contre le déficit hydrique. Ils constituent les principaux osmolytes impliqués dans l'ajustement osmotique, assurent une protection des macromolécules essentiellement membranaires (Bray et *al*., 1989). #### #### Stratégies adaptatives des plantes face à un déficit hydrique L\'adaptation à la sécheresse des plantes peut être définie comme, la capacité de la plante à croître et donner des rendements satisfaisants dans des zones sujettes à des déficits hydriques périodiques (Belahssen et *al*., 1995 ; Turner, 2001 ; Mekhlouf et *al*., 2006). Il existe une large gamme de mécanismes qui n'est pas exclusive l\'un de l\'autre et qui peut même être complémentaire (Jones et *al*., 1980). Les principaux caractères impliqués dans l\'adaptation à la sécheresse, leurs efficacités pour améliorer le rendement et leurs facilités d\'utilisation pour la sélection des cultures sont regroupés dans les 3 grands mécanismes suivants: #### a. L'esquive #### b. L'évitement - par une absorption efficace de l\'eau du sol et ce, grâce à un système racinaire très développé (Hsiao et Acevedo, 1974) ou à une conductivité hydraulique élevé des tissus (Levitt, 1980). - par une limitation des pertes d\'eau qui est liée principalement à la réduction de la surface transpirante (Begg et Turner, 1976), à la fermeture stomatique (Blum et *al*., 1981 ; Araus et *al*., 1991), à la synthèse des cires cuticulaires, à l\'augmentation de refléctance foliaire (Johnson et *al*., 1983; Anderson et *al*., 1984), et à l\'enroulement foliaire (Clarcke, 1986). #### b.1. La capacité d\'extraction de l\'eau par le système racinaire #### b.2. Réduction de la perte d\'eau - - #### La transpiration - #### Réduction de la surface foliaire #### c. Tolérance à la déshydratation #### Accumulation des sucres et la proline #### d - Photosynthèse **Le stress salin** **Une sensibilité différente suivant les végétaux** Suivant leur production de biomasse en présence de sel, quatre grandes tendances ont été discernées - Les halophytes vraies : dont la production de biomasse est stimulée par la présence de sels, ces plantes présentent des adaptations poussées et sont naturellement favorisées par ces conditions : *Salicornea europaea, Suada maritima*. - Les halophytes facultatives : montrant une légère augmentation de la biomasse à des teneurs faibles en sel comme *Plantago maritima, Aster tripolium*. - Les non --halophytes : résistantes, supportant de faibles concentrations en sel comme *Hordeum sp*. - Les glycophytes ou halophobes : sensibles à la présence de sel comme -*Phaseolus vulgaris*, *Glycine max* (Hagemeyer, 1996). **Effet de la salinité sur les plantes** a\. **Effet sur la croissance des végétaux** L'effet le plus commun des stress abiotiques sur la physiologie des plantes, est ainsi la réduction de la croissance ; elle est inversement corrélée à la résistance au stress salin d'une espèce/variété (Gregory, 2005). Les sels dans la solution du sol peuvent inhiber la croissance des végétaux suite à la réduction de la capacité de la plante à absorber l\'eau, c\'est ce que l\'on appelle l\'effet osmotique ou déficitaire en eau de la salinité (sécheresse physiologique) (Mahajan, 2005). Chez *Vigna radiata* L.*Wilczek*, un stress salin provoque une diminution dans le taux de germination. En effet, l'hydrolyse de l'amylase est retardée et réduit avec l'élévation des concentrations du NaCl. Cependant, le contenu croissant des sucres solubles dans les cotylédons a indiqué que la teneur des sucres n'a pas été limitée pour la croissance du plant de *Vigna* sous salinité (Promila et Kumar., 2000 ; Shakil et *al*., 2004). La salinité a réduit également le poids frais et sec, protéines et carbohydrates contenus dans toutes les parties de la plante, la partie foliaire, la longueur des bourgeons et des racines, le développement des cosses, le rendement de la semence et les composants du rendement de l\'étape reproductrice (SHAKIL et *al*., 2004 ; Ashraf et Rasul., 2006). b\. **Effet sur l'anatomie foliaire des plantes** La salinité provoque un changement anatomique au niveau foliaire pour de nombreuses plantes ; chez le haricot, le coton et l'*Atriplex*, il y a une augmentation dans l'épaisseur de l'épiderme, du mésophile dans la longueur des cellules du palissade, le diamètre des palissades et le diamètres des cellules en éponge ; par contre l'épaisseur de l'épiderme et du mésophile s'accroît significativement chez les feuilles de mangrove *Brugueira parviflora* traité au NaCl. Dans les feuilles des épinards, la salinité réduit l'espace intercellulaire; chez la tomate, il y a également une réduction de la densité des stomates (Omami, 2005). c\. **Effet sur la photosynthèse** L\'inhibition de la croissance végétative chez les plantes soumises à la salinité est associée à une inhibition marquée de la photosynthèse (Fisarakis et *al*., 2001). L\'effet de la salinité sur le taux de photosynthèse dépend de la concentration en sel et des espèces végétales. Il est prouvé qu\'à une faible concentration en sel, la salinité peut stimuler la photosynthèse. Par exemple, dans *B. parviflora*, Parida et *al* (2004) ont indiqué que le taux de photosynthèse augmente à faible salinité et diminue à une salinité élevée. Selon Omami (2005), la diminution de la photosynthèse via la salinité est attribuée à de nombreux facteurs: - La déshydratation des membranes cellulaires La réduction du potentiel hydrique, cause un stress osmotique qui irréversiblement inactive le transport d'électrons au cours de la photosynthèse, via le rétrécissement de l'espace intercellulaire, - La toxicité par les sels en particulier par le Na^+^ et le Cl^-^ Le Cl^-^ inhibe la photosynthèse, à travers l'inhibition de NO~3~^-^N qui est significativement réduit au cours du stress salin; la réduction du NO3-N est combiné au stress osmotique, peut expliquer l'effet inhibiteur de la salinité, - Une réduction du CO~2~ À cause de la fermeture des stomates, ce qui résulte de la restriction de l'accessibilité de CO~2~ pour les réactions de carboxylation ; d'autres plantes agissent différemment. Chez six espèces de brassicassées, cet effet est dù à la diminution de la résistance au diffusion du CO~2~ dans la phase liquide, à partir de la paroi du mésophile jusqu'au site de la réduction du CO~2~ dans le chloroplaste, - Le changement d'activité des enzymes qui est induit par le changement de la structure du cytoplasme, La cinétique de la fluorescence de la chlorophylle a été affectée significativement chez le *Mung bean* : le niveau de florescence initial (F0) a augmenté après 3 jours de stress. Il a été rehaussé par l\'addition de CaCl~2~ ; cependant le rendement quantique de la photochimie fondamentale de PS II a diminué considérablement avec les traitements NaCl ; le CaCl~2~ a amélioré cet effet (Misra et *al*, 2001). En outre, le stress salin mène à une réduction significative des chlorophylles a et b, et la chlorophylle total dans deux cultivars de *Mung bean* (Ashraf et Rasul., 1988). d\. **Effet sur le niveau d'ions et le contenu nutritionnel** Une baisse d'activité ionique et un extrême ratio de Na^+^/Ca^+2^, Na^+^/K^+^, Ca^+2^/Mg^+2^ et Cl^-^/NO~3~^-^, sont observés ; le désordre nutritionnel peut se développer et la croissance des plantes peut se réduire. Une concentration élevée de NaCl crée une compétition entre les ions comme K^+^, Ca^+2^, N~2~, P, puis il y'a une décroissance des concentrations des ions Ca^+2^, K^+^, Mg^+2^. La salinité réduit l'accumulation de N~2~ chez les plantes, le Cl^-^ est accompagné par une diminution de la concentration des nitrates NO~3~^-^ plus que le SO~4~^\--^. Il y a une réduction des concentrations des NO~3~^-^ dans les feuilles; paradoxalement la concentration de N~2~ augmente dans d'autres fractions Ex : proline, glycine bétaine. (Grattan et Grieve, 1993). La concentration du P est hautement dépendante de l'espèce végétale, l'étage du développement de la plante, composition et niveau de salinité et la concentration du P dans le substrat. La réduction de l'accessibilité du P dans les sols salins, a été suggérée d'être un résultat de la force ionique qu'elle réduit l'activité ionique en particulier l'activité du phosphore. Cependant, la salinité a à la fois un effet stimulateur et inhibiteur de l'absorption des micro-éléments par les végétaux (Omami, 2005). e\. **Effet sur l'assimilation de l'azote** L'application de NaCI a comme conséquence la réduction de 52, de 50 et de 55 % du contenu total d\'azote dans la feuille, la racine et la nodule de *Mung bean* respectivement. Cet effet est dû à une réduction de l'activité enzymatique de la nitrogénase glutamineoxoglutarate-2-amino-transférase et le glutamate déshydrogénase qui sont les enzymes de l'assimilation de l'azote chez les fabacées (Chakrabarti et Mukherji., 2003). La toxicité au manganèse se traduit, par l'accroissement de l\'activité de la peroxydase et la diminution de celle de la catalase. Cet effet peut être utilisé pour un tri rapide des variétés de *Vigna radiata* L.*Wilczek* pour leur tolérance au manganèse dans les programmes de sélection (Rout et *al*. ,2001). Une concentration basse de Mn, accentue l'effet de l'excès de Cr par réduction de biomasse, de concentration de fer, de chlorophylle a et b et d'activité de la ribonucléase ; par contre, elle accroît l'activité de la peroxydase ; cependant, l'excès de Mn décroît l'activité des réactions de Hill et l'activité des phosphatases (Pratima et *al*., 2005). **Les mécanismes d'adaptation** Exclusion et inclusion d\'ions ------------------------------ Les glycophytes et les halophytes ne peuvent pas tolérer de grandes quantités de sel dans le cytoplasme, donc dans des conditions salines, ils limitent les sels en excès dans la vacuole ou compartimentent les ions dans différents tissus pour faciliter leurs fonctions métaboliques **(Zhu, 2003)**. Les glycophytes limitent l\'absorption de sodium ou séparent le sodium dans les tissus plus anciens, tels que les feuilles, qui servent de compartiments de stockage qui sont éventuellement abattus **(Cheeseman, 1988)**. L'élimination du sodium du cytoplasme ou de la compartimentation dans les vacuoles est effectuée par un enzyme anti-sel Na^+^/ H^+^ inductible par le sel **(Apse et *al*., 2003)**. Cependant, l\'inclusion d\'ions dans le cytoplasme peut conduire à un ajustement osmotique qui est généralement accepté comme une adaptation importante à la salinité **(Hanana, 2009).** Contrôle de l\'absorption ionique par les racines ------------------------------------------------- Les plantes régulent l\'équilibre ionique pour maintenir le métabolisme normal. Par exemple, l\'absorption et la translocation d\'ions toxiques tels que Na+ et Cl- sont limitées, et l\'absorption d\'ions métaboliquement nécessaires tels que K+ est maintenue ou augmentée. Ils le font en régulant l\'expression et l\'activité des transporteurs K+ et Na+ et de la pompe H+ qui génèrent la force motrice du transport ionique (Zhu et *al*., 1993 ). Il est bien documenté qu\'un degré plus élevé de tolérance au sel chez les plantes est associé à un système plus efficace pour l\'absorption sélective de K+ sur Na+ (Noble et Rogers, 1992). Modifications de la capacité photosynthétique --------------------------------------------- La réduction des taux de photosynthèse chez les plantes sous stress salin est principalement due à la réduction du potentiel hydrique. À cet effet, certaines plantes, comme l\'halophyte facultatif *(Mesembryantheman crystallinum)*, déplacent leur mode C3 de photosynthèse vers CAM (Cushman et al., 1989). Ce changement permet à la plante de réduire la perte d\'eau en ouvrant les stomates la nuit. Dans les espèces tolérantes au sel comme *Atriplex lentiformis*, on observe un déplacement de la voie C3 vers C4 en réponse à la salinité (Zhu et Meinzer, 1999). Induction d'antioxydants ------------------------ Les plantes possèdent des systèmes efficaces pour éliminer les espèces d\'oxygène actif qui les protègent des réactions oxydatives destructrices. Ces mécanismes peuvent être divisés en deux catégories selon l'implication directe ou indirecte des enzymes (Sofo et *al*., 2004). La synthèse des métabolites secondaires tels que le tocophérol, les polyphénols, les flavonoïdes, les alcaloïdes et les caroténoïdes permet à la cellule végétale de se protéger contre les agents agresseur provoqués par les contraintes du milieu (Misirli et *al*., 2001), ces mécanismes non-enzymatique maintien l'équilibre oxydo-reduceur de la cellule (Leopoldini et *al*., 2011). Par ailleurs, les enzymes antioxydantes sont des éléments clés dans les mécanismes de défense. Garratt et *al*. (2002) ont énuméré certaines de ces enzymes comme la catalase (CAT), la glutathion-réductase (GR), le superoxyde dismutase (SOD) et la glutathion-S-transférase (GST). Superoxyde dismutase qui métabolise les radicaux oxygène (O2) en peroxyde d\'hydrogène (H2O2) protégeant ainsi les cellules des dommages. La catalase, la peroxydase d\'ascorbate et une variété de peroxydases catalysent la décomposition subséquente de H2O2 en eau et en oxygène (Garratt et *al*., 2002). Synthèse des solutés compatibles -------------------------------- La présence de sel dans le milieu de croissance des plantes conduit souvent à l\'accumulation de composés de faible masse moléculaire, appelés solutés compatibles, qui n\'interfèrent pas avec les réactions biochimiques normales **(Hasegawa et *al*., 2000)**. Ces solutés compatibles comprennent principalement la proline et la glycine bétaïne **(Girija et *al*., 2002).** La proline joue un rôle primordial dans l\'ajustement osmotique, la protection des enzymes et des membranes, ainsi que comme réservoir d\'énergie et d\'azote pour être utiliser pendant l\'exposition à la salinité (Ashraf et Foolad, 2009). L\'accumulation de composés contenant de l'azote tels que les acides aminés, les amides, les protéines et les polyamines est souvent corrélée avec la tolérance végétale au sel **(Mansour, 2000).** Ces composés sont rapportés pour fonctionner dans l\'ajustement osmotique, la protection des macromolécules cellulaires et le piégeage des radicaux libres. D\'autres solutés compatibles qui s\'accumulent dans les plantes sous stress salin comprennent des glucides tels que les sucres (glucose, fructose, saccharose, fructanes) et de l\'amidon **(Parida et *al*., 2002). On rapporte que les polyols constituent un pourcentage considérable de solutés compatibles et servent de piégeurs de radicaux oxygène induits par le stress et sont également impliqués dans l\'ajustement osmotique et l\'osmoprotection (Noiraud et *al*., 2001).** Induction des hormones végétales -------------------------------- Les niveaux hormonaux de l'ABA augmentent en cas de stress salin, jouant ainsi plusieurs rôles. Il est responsable de l'activation des gènes qui jouent un rôle important dans les mécanismes de la tolérance au sel chez le riz, comme il a un rôle dominant dans les réactions réversibles de la phosphorylation des protéines. Il accroît le niveau du Ca^2+^ cytosolique et donc son pH, permettant ainsi de réguler l'absorption et le transport à travers les membranes ; contrairement, il réduit le niveau d'éthylène et l'abscission des feuilles, probablement par la décroissance de l'accumulation des ions toxiques de Cl^-^ dans les feuilles. En outre, c'est un inhibiteur du NaCl dans les réactions de la photosynthèse et la croissance (Omami, 2005).Une augmentation de l'ABA dans la partie aérienne ou une réduction des concentrations en cytokinine, donne naissance à une croissance et une transpiration réduites (Gregory, 2005). Il est également enregistré un haut niveau de jasmonate, médiateur de signalisation qui soutient les réactions de floraison et sénescence dans les conditions de stress salin (Omami, 2005). Réduction de la croissance En effet, la croissance des végétaux est perturbée par de trop forte concentration de sel ; la plante montre alors des signes de stress par la production d'anthocyane ou la destruction de la chlorophylle. Des stress extrêmes conduisent au nanisme et à l'inhibition de la croissance racinaire ; les feuilles deviennent sclérosées avant même d'avoir fini leur croissance et l'organisme tout entier risque de dépérir assez vite (Calu, 2006). Les protéines LEA (late-embryogenesis-abundant) Le stress osmotique, induit la synthèse des protéines (LEA) dans les tissus végétatifs, ce qui a pour effet la tolérance à la déshydratation des tissus végétatifs. Elles ont un rôle dans la détoxification et l'élévation des dommages causés par le stress salin (Zhu et al.,2005 ; Seamen, 2004). **Stress aux rayons UV-B** **Impact primaire des UV-B sur les végétaux** Bien que les UV-B ne représentent seulement qu'une fraction mineure (1 à 5%) du spectre électromagnétique total atteignant la surface terrestre, une augmentation des UV-B a des effets biologiques importants à cause de leur absorption par l'ADN et par les protéines. Cette absorption va entraîner des dommages photochimiques et altérer en particulier les acides nucléiques. Parallèlement, dans les cellules, les UV-B vont produire à partir de l'oxygène des radicaux libres (radical hydroxyl OH^-^, anions super oxyde O ^-^) qui vont être à l'origine en particulier : - d'un stress oxydatif - d'une peroxydation des lipides **Conséquences physiologiques au niveau de la plante entière** Comme les UV-B sont absorbés par de nombreuses macromolécules, ils sont capables de perturber de nombreux processus physiologiques. Il est maintenant bien établi que les UV-B ont un effet inhibiteur important sur la photosynthèse des végétaux terrestres et, de ce fait, une influence sur le contenu en glucides des végétaux. L'augmentation de la dose d'UV-B inhibe partiellement certaines réactions dans le centre réactionnel du photosystème II, entraîne une diminution de la Rubisco, de l'hydrolyse de l'ATP et des protéines membranaires des thylacoïdes, et se traduit aussi par l'altération de la structure des chloroplastes. Les radiations UV-B provoquent également des efflux d'ions chez différentes cellules en affectant la perméabilité des membranes. De telles fuites intracellulaires peuvent résulter soit d'une désorganisation des membranes (inactivation d'enzymes liées à la membrane), soit d'une inhibition de processus de transport spécifique, ou soit d'une dépolarisation membranaire. On sait en particulier que les espèces d'O2 activées sont impliquées dans l'altération du transport membranaire (peroxydation directe des membranes). Les radiations UV-B affectent aussi bien le plasmalemme que le tonoplaste. Il est probable que l'effet des UV-B sur la fermeture des cellules stomatiques se fasse par le biais du tonoplaste qui contrôle la turgescence cellulaire. D'une manière générale au niveau des plantes entières, on considère que les UV-B entraînent une réduction de la photosynthèse nette (les C3 plus sensibles que les C4), mais aussi une inhibition de la croissance (réduction de la surface des feuilles, de la longueur des tiges, du poids frais et du poids sec, et donc une réduction de la biomasse et de la productivité), des changements anatomiques et morphologiques (plantes rabougries, naines avec une perte de la dominance apicale), des altérations au niveau du transport des photosynthetats (feuilles favorisées par rapport aux racines), une augmentation des flavonoïdes et des composés phénoliques, et une inhibition de la germination du pollen et de la croissance du tube pollinique. **Protection des végétaux contre les radiations UV-B** D'une façon générale, dans les feuilles les UV-B sont fortement réduits avant d'atteindre le mésophylle et l'on admet qu'ils ont, en moyenne, une pénétration de 40 µm. La cuticule végétale est la première barrière limitant la pénétration des UV-B dans la feuille car de nombreux composés des cires épicuticulaires réfléchissent les radiations UV-B. L'essentiel de l'atténuation résulte cependant de l'absorption et de la diffraction dans l'épiderme car pour la majorité des espèces la réflectance de la surface foliaire aux UV-B est inférieure à 5%. Les flavonoïdes et les composés phénoliques voisins qui absorbent fortement dans les UV-B, mais transmettent les radiations visibles ou actives pour la photosynthèse, sont responsables de cette atténuation épidermique. Les flavonoïdes UV - induits responsables de cette absorbance et de la protection contre les UV-B sont localisés dans la vacuole des cellules épidermiques. Pour certains végétaux, une grande partie de la filtration des UV-B est réalisée dans les parois externes des cellules épidermiques, qui peuvent être particulièrement développées (conifères). Il a aussi été constaté que les forts flux d'UV-B entraînaient une augmentation de l'épaisseur des feuilles, ce qui peut aussi être considéré comme une stratégie de protection contre le rayonnement. **Stress oxydant** **Définition** Le stress oxydant (ou oxydatif) a été défini par Sies (1997) comme une perturbation de la balance entre les pro-oxydants et les antioxydants, en faveur des premiers, conduisant à des dommages potentiels. Le stress oxydatif est la conséquence de : - l'augmentation de la production d'ERO et/ou, - la diminution du niveau des antioxydants. **Les espèces réactives de l'oxygène** Les espèces réactives de l'oxygène (ERO) se forment de façon parasitaire dans toutes les réactions biochimiques comportant le transfert d'électrons ou la participation de l'oxygène. Divers types cellulaires et tissus donnent naissance aux ERO par des réactions enzymatiques, ou par auto-oxydation au cours de leur métabolisme normale, et parfois en réponse à un stimulus spécifique (Benavides et al., 2005). Les ERO inclut les radicaux libres de l'oxygène « radical superoxyde (O~2~^-^), radical hydroxyle (OH^^) » mais aussi certains dérivés réactifs non radicalaires, dont la toxicité est plus importante tels que le peroxyde d'hydrogène (H~2~O~2~) (Halliwell et Whiteman, 2004). **L'anion superoxyde** Dans l'organisme, et au cours de divers processus physiologiques, un électron peut également être transféré au dioxygène, ce qui conduit à la formation de l'anion radical superoxyde (O~2~^-^) ; chef de fil des ERO (Benavides et *al*., 2005 ; Kocchilin- Ramonatxo, 2006).  Sa réactivité est limitée et spécifique à certains acides aminés comme le tryptophane, l'histidine ou la méthionine ou les lipides, avec qui il peut former des hydroperoxydes, l'anion superoxyde possède une demi-vie courte, d'environ 2 à 4 microseconde, et ne peut pas réellement diffuser dans la cellule (Van Breusegem et *al*., 2001). **Le peroxyde d'hydrogène** Le peroxyde d'hydrogène (H~2~O~2~) se forme par la dismutation spontanée ou enzymatique du radical superoxyde (Pal Yu, 1994), la dismutation enzymatique est catalysée principalement par le superoxyde dismutase (SOD) (Benavides et *al*., 2005). A côté de la SOD, il existe d'autres enzymes produisant H~2~O~2~, comme les oxydases présentes particulièrement dans les peroxysomes (Kohen et Nyska, 2002). Cependant, certaines de ces oxydases comme la D-aminoacide oxydase peuvent catalyser directement la réduction divalente de l'oxygène moléculaire, produisant ainsi le peroxyde d'hydrogène sans formation du radical superoxyde (Del Rio et *al*., 1996). L'absence de charge à sa surface rend cette ERO très lipophile et peu réactif en milieu aqueux, le peroxyde d'hydrogène peut néanmoins être considéré comme un dérivé réactif de l'oxygène potentiellement toxique, car sa faible réactivité associée à sa capacité de traverser les membranes biologiques et oxyder les groupements thiols (-SH), comme il peut se retrouver à une grande distance de son lieu de synthèse (Pal Yu, 1994; Cash et *al*., 2007). Cette molécule relativement stable possède une demi-vie d'environ 1 milliseconde, permettant une diffusion sur une certaine distance à partir du site de production (Van Breusegem et *al*., 2001). **Le radical hydroxyle** Le radical hydroxyle (OH^^) est formé principalement par la dégradation du H~2~O~2~ en présence de métaux de transition sous leur forme réduite, ainsi H~2~O~2~ associé à du fer ferreux conduit à la réaction de Fenton (, Benavides et al., 2005).  H~2~O~2~ peut également réagir avec le radical superoxyde, aboutissant là encore à la production du OH^^, ce mécanisme réactionnel est appelé d'Haber et Weiss (Sorg, 2004). Le radical hydroxyle est le plus réactif de toutes les espèces dérivées de l'oxygène, il interagit fortement et très rapidement avec toutes les molécules biologiques se trouvant dans son voisinage (protéine, lipide, ADN) entraînant ainsi de multiples dommages, il apparaît comme l'espèce réactive ayant une responsabilité majeure dans la cytotoxicité des radicaux libres (Guetteridge, 1993). Le temps de demi-vie de ce radical hydroxyle est entre (1 microseconde et 1 nanoseconde). **Rôles physiologiques des ERO** Contrairement aux cellules animales, les cellules végétales génèrent de façon continue des ERO. En dehors des mitochondries et des chloroplastes, des quantités importantes d'ERO (en grande partie de l'H~2~O~2~) sont produites au niveau des parois. Cette libération localisée d'H~2~O~2~ répond à deux rôles contradictoires. D'une part, elle contribue à un relâchement des molécules composant la paroi permettant la croissance cellulaire. D'autre part, le peroxyde d'hydrogène, en oxydant les différents composants pariétaux, induit la formation de liaisons transversales entre ces composants. Ces liaisons limitent l'élongation cellulaire en favorisant la rigidifiassions pariétale (Laloi et *al*., 2004 ; Passardi et *al*., 2004). Les ERO participent également à des processus physiologiques comme la fermeture des stomates (Pei et *al*., 2000), la subérisation des cellules épidermiques (Bernards et *al*., 1999 ; Keren-Keiserman et *al.*, 2004), ou encore la régulation des canaux calciques et potassiques (Demidchik et *al.*, 2003). Les organismes végétaux ne contiennent pas de systèmes immunitaires, c'est-à-dire des cellules spécialisées pour lutter contre les divers microorganismes pathogènes. Chaque cellule végétale est capable de se défendre par ses propres moyens contre ces microorganismes. Cette réponse cellulaire est l'aspect le plus connu du rôle des ERO chez les plantes. En effet, au contact de certains champignons ou bactéries, différentes enzymes apoplastiques ou membranaires produisent une flambée oxydative (Wojtaszek, 1997 ; Langebartels et *al*., 2002). Cette flambée contribue à détruire une partie des microorganismes et entraîne toute une série de mécanismes de signalisation permettant à la plante de mettre en place des systèmes de défense. **Les antioxydants** **Définition** Une molécule peut être considérée comme antioxydante, si elle est présente en une faible concentration par rapport à celle d'un substrat oxydable, retarde ou empêche significativement l'oxydation de ce substrat (Halliwell et Whiteman, 2004). **Les principaux systèmes non enzymatiques** **Vitamine C** Vitamine C ou l'acide L ascorbique (ASC) est un des principaux acides faibles de la cellule végétale. L'ascorbate est présent dans tous les compartiments cellulaires, ainsi que dans la matrice extracellulaire. Contrairement aux cellules animales, la concentration en ASC est très élevée dans les cellules végétales (plusieurs millimolaires) ce qui en fait un composant incontournable chez les plantes. Il interviendrait notamment dans la régulation du cycle cellulaire et dans l'extension de la paroi (Horemans et *al*., 2000). L'ascorbate est toutefois beaucoup plus connu pour ses propriétés antioxydantes (Pignocchi et Foyer, 2003 ; Chen et Gallie, 2004 ; Foyer et Noctor, 2005a). En effet, il réagit rapidement avec l'anion superoxyde et l'oxygène singulet, ou encore avec le peroxyde d'hydrogène, mais cette dernière réaction est catalysée par l'ascorbate peroxydase (APX). L'ascorbate est indispensable par sa capacité à réduire d'autres antioxydants oxydés comme la vitamine E ou les caroténoïdes (Asada, 1994). **Le glutathion** Le glutathion est un thiol très abondant se retrouvant de façon ubiquitaire chez les plantes, les animaux et les végétaux. Il possède deux formes redox distinctes. La forme réduite (GSH) est un tripeptide (γ-Glu-Cys-Gly) stable et très soluble dans l'eau. Toutes ces caractéristiques en font un donneur d'électron adéquat dans les réactions physiologiques. L'oxydation du glutathion entraîne la formation d'un pont disulfure entre les cystéines de deux GSH. Cette forme oxydée du glutathion est appelée GSSG (Figure 1). En conditions non stressantes, les cellules maintiennent un rapport GSH/GSSG très important, supérieur à 100 dans le cytosol et la mitochondrie (May et al., 1998 ; Noctor et al., 1998).  Figure 1: Oxydation de deux molécules de GSH conduisant à l'établissement d'un pont disulfure et la formation de GSSG (May et *al*., 1998). Du fait de sa forte concentration dans les tissus végétaux et de son fort pouvoir réducteur, le GSH participe au statut redox cellulaire en jouant le rôle de tampon redox dans les cellules (Foyer et *al*., 2001 ; Noctor, 2006). La synthèse de GSH est stimulée lors des différentes situations de stress et son accumulation est souvent concomitante avec celle des ERO (May et *al*., 1998 ; Noctor et *al*., 1998 ; Potters et *al*., 2002). Le GSH peut directement réduire l'H~2~O~2~ mais également d'autres ERO, des hydroperoxydes organiques et des peroxydes lipidiques : **La vitamine E** Le terme de vitamine E désigne un groupe de composés lipophiles possédant l'activité biologique de l'α-tocophérol. Ce groupe comprend les α-, β-, γ-, et δ-tocophérols et les α-, β-, γ-, et δ-tocotrienols. Dont les huit molécules composant le groupe de la vitamine E, seule l'α- tocophérol possède la plus grande activité biologique (Weiser et Vecchi, 1982). La vitamine E, comme la vitamine C, est un antioxydant très efficace, qui agit principalement par le transfert direct d'atome d'hydrogène (Njus et Kelley, 1991). Cet antioxydant est considéré comme étant le plus important chez les animaux, les humains et les plantes (Bramley et *al*., 2000). Toutefois, l'α-tocophérol est un piégeur d'oxygène singulet et de radical hydroxyle (Krieger-Liszkay et Trebst, 2006). Par ailleurs, il peut réduire les peroxydes lipidiques et bloquer la réaction en chaîne de peroxydation lipidique s'initiant après la peroxydation d'acides gras polyinsaturés (Collin et *al*., 2008). La vitamine E est donc un antioxydant clé dans la protection de l'intégrité des membranes, en particulier celles des chloroplastes. Il protège également les pigments photosynthétiques, participant ainsi à la protection de l'appareil photosynthétique (Fryer, 1992). **Les caroténoïdes** Les caroténoïdes sont des pigments végétaux lipophiles formant une famille de plus de 600 molécules. Ils jouent le rôle de pigments accessoires de l'antenne collectrice des photosystèmes et participent à la protection de l'appareil photosynthétique contre les ERO (Asada, 1994 ; Miller et *al*., 1996). Ces pigments possèdent la capacité de capter l'énergie de la chlorophylle ou de l'oxygène (Telfer et *al*., 1994 ; Mozzo et *al*., 2008). La capacité de transfert d'énergie des caroténoïdes vers le dioxygène étant faible, ces pigments retrouvent leurs états initiaux en perdant leurs énergies sous forme de chaleur (Demmig- Adams et Adams, 1996). **Les principales enzymes antioxydantes** En plus des différentes molécules antioxydantes, les cellules végétales possèdent de nombreuses voies de dégradation enzymatique des ERO. Certaines enzymes n'utilisent pas de co-substrat pour réduire les ERO. Au contraire, d'autres utilisent plusieurs co-substrats dont certains antioxydants comme ASC ou GSH. **Les superoxydes dismutases (SOD)** Les superoxydes dismutases (EC 1.15.1.1) sont des métallo-enzymes qui se retrouvant dans l'ensemble du monde des vivants, mis à part dans quelques microorganismes (Alscher et *al*., 2002). Les plantes possèdent trois types de SOD contenant des groupements prosthétiques renfermant des métaux différents : du fer (Fe-SOD), du manganèse (Mn-SOD) ou du cuivre et du zinc (Cu/Zn-SOD). Toutes catalysent la dismutation de deux anions superoxydes en dioxygène et peroxyde d'hydrogène (Bowler et al., 1994 ; Arora et al., 2002) :  **Les catalases (CAT)** Les catalases (EC 1.11.1.6) sont des enzymes majoritairement peroxysomales catalysant la dismutation du peroxyde d\'hydrogène (Arora et *al*., 2002). Elles sont formées de quatre chaînes polypeptidiques d'environ 500 acides aminés, comportant chacune un groupement héminique avec un atome de fer. Pour catalyser la réaction, l'atome de fer réalise une coupure hétérolytique de la liaison O-O du peroxyde d\'hydrogène, créant de ce fait une molécule d'eau et un groupement Fe4+=O hautement oxydant. Ce dernier peut ensuite oxyder une autre molécule de peroxyde d\'hydrogène pour donner du dioxygène et de l'eau : **Les peroxydases (POX)** Les POX (EC 1.11.1.x) sont une large famille multigénique d'enzymes héminiques catalysant la réduction d'un substrat oxydé en utilisant de nombreux co-substrats comme donneurs d'électrons, par exemple l'ascorbate ou le glutathion. Pour la majorité de ces enzymes, le substrat optimal est le peroxyde d'hydrogène, mais elles peuvent facilement réduire des hydroperoxydes organiques ou des peroxydes lipidiques :  Dans certaines conditions, une partie des POX peut avoir une activité similaire à la catalase, c'est-à-dire qu'elles possèdent la capacité de réduire l'H2O2 en absence de co-substrat (Mika et *al*., 2004). **Conséquences de toxicité des ERO** Lorsque la quantité d'ERO générée dépasse les capacités antioxydantes de l'organisme, la toxicité des ERO s'exprime par de nombreux aspects, et en particulier par la perturbation de nombreux processus physiologiques comme la photosynthèse (Arora et *al*., 2002 ; Langebartels et *al*., particulier celle de l'OH^^, l'ADN). 1\. **Altérations de la structure des protéines** Les protéines les plus touchées sont celles comportant un groupement thiol, comme c'est le cas pour de nombreuses enzymes et protéines de transport (Stadtman et Levine, 2000). Le peroxyde d'hydrogène, mais surtout le radical hydroxyle sont capables d'oxyder ces groupements, conduisant à l'inactivation de certaines enzymes. En particulier, la présence de radicaux hydroxyles est à l'origine des dégradations irréversibles des protéines, par la formation de groupements carbonyles sur la chaîne latérale de certains acides aminés. Ainsi, l'histidine, l'arginine, la lysine ou encore la proline sont des cibles privilégiées de ce processus d'altération oxydative (Stadtman et Levine, 2000 ; Wong et *al*., 2008). Le stress oxydatif induit des cassures, ou conduit à la formation de réticulation, avec notamment la formation de pont bi-tyrosine (Fraisse, 1993). Les protéines oxydées perdent leurs propriétés biologiques, et sont beaucoup plus sensibles à l'action des protéases (Stadtman et Levine, 2000). L'anion superoxyde a également la capacité de réagir avec les centres fer-soufre de certaines protéines, entraînant le relargage de fer dans le milieu. Cette action a un double conséquence, puisqu'elle induit l'inactivation de la protéine héminique ainsi que la formation potentielle de nouveaux radicaux hydroxyles. Enfin, les ERO induisent des modifications indirectes des protéines via la formation d'adduits par des aldéhydes dérivant de la peroxydation des lipides (Lynch et *al*., 2001). 2\. **Altération de la structure des lipides** Les lipides, et principalement les acides gras polyinsaturés (AGPI) membranaires, sont les cibles privilégiées des ERO. La peroxydation lipidique induite par les ERO à une importance physiologique considérable (Cillard et Cillard, 2006), puisque de nombreuses molécules, telles que l'acide jasmonique ou le malondialdéhyde (MDA), participent à la régulation de ce processus physiologiques (Farmer et *al.*, 2003 ; Weber et *al*., 2004). La peroxydation lipidique, si elle est importante, perturbe la fluidité membranaire, rend la membrane plus perméable, en modifiant ainsi les homéostasies chimiques et redox cellulaires. L'altération des membranes chloroplastiques entraîne des perturbations au niveau des CTE, qui conduit à une augmentation de la production d'ERO dans cette zone et en amplifiant ainsi le phénomène (Chehab et *al*., 2007). 3\. **Altérations de la structure des acides nucléiques** L'atteinte de l'ADN implique le franchissement préalable de toutes les barrières de défense mises en place par les végétaux, la potentialité de détoxication des cellules ou de l'organisme et enfin du potentiel des systèmes de réparation de l'ADN de l'organisme. Divers effets peuvent alors être observés (Figure 2 ; Favier, 2003 ; Pourrut et *al*., 2011 ; Shahid et *al*., 2011) : - Des cassures au niveau des brins d'ADN, qui peuvent être sur simple ou double brin ; - Une formation de bases oxydées ; - Des sites abasiques qui sont une partie de l'ADN dépourvue d'une base purique ou pyrimidique et ayant perdu l'information génétique par rupture de la liaison entre une base et le désoxyribose ; - Apparition d'adduits à l'ADN. Ils correspondent à la formation de produits d'addition entre le polluant et les nucléotides, suite à la peroxydation des lipides ; - Des pontages ADN-protéine. Figure 2: Lésions de l'ADN formées suite à un stress oxydant (Favier, 2003). **Stress aux métaux lourds** Les métaux lourds sont généralement définis comme des éléments traces métalliques ETM. Cependant, la classification en métaux lourds est souvent discutée car certains métaux toxiques ne sont pas particulièrement « lourds » (par exemple le zinc), tandis que certains éléments toxiques ne sont pas des métaux (c'est le cas de l\'arsenic qui est un métalloïde). Ce terme générique désigne donc indistinctement des métaux et métalloïdes réputés toxiques. Pour ces différentes raisons, l\'appellation « éléments traces métalliques » (ETM) ou par extension « éléments traces » est préférable à celle de métaux lourds (Burnol et al., 2006). Tous les ETM sont potentiellement toxiques pour les végétaux en fonction de leur concentration dans un milieu et de leur caractère essentiel ou non pour la plante. Ainsi, si un manque en oligoélément entraîne une déficience plus ou moins sévère pour les végétaux, un excès de cet élément engendrera un phénomène de toxicité (Lotmani et Mesnoua, 2011). **Les principaux effets des ETM sur les plantes** **1. Effet des ETM sur la germination** La germination et les plantules sont les stades physiologiques le plus sensible d'une plante et ils sont régulés par plusieurs interactions hormonales et facteurs environnementaux. De plus, ces stades sont plus sensibles à la pollution métallique en raison du manque de certains mécanismes de défense (Liu et *al.*, 2012). Il est bien documenté que les processus de germination est fortement perturbé par le stress de métal, cependant, il n\'y a pas beaucoup d\'explications sur le mécanisme moléculaire de l\'inhibition de la germination des semences causée par le stress métallique (Ahsan et *al*., 2007). 2\. **Effet des ETM sur la croissance et la nutrition minérale** L'effet toxique des ETM sur la croissance de la plante se manifeste par une réduction de la croissance des parties aériennes et des racines affectant ainsi dramatiquement la production de la biomasse (Zorrig, 2011). Ces effets s'accompagnent très souvent de nombreux autres indices de dysfonctionnement tel que la perturbation de l'équilibre de certaines hormones de croissance, notamment l'auxine, la perturbation de l'alimentation en éléments minéraux essentiels pour la croissance des plantes (Wang et *al*., 2009; Xu et *al*., 2012), ainsi qu'à des perturbations de la machinerie photosynthétique, notamment la structure des chloroplastes et la biosynthèse de la chlorophylle (He et *al*., 2008; Ran et *al*., 2014). Il est toutefois important de noter que les ETM n'affectent pas la croissance de toutes les plantes avec la même sévérité. En effet, certaines plantes dites hyperaccumulatrices comme *Arabidopsis halleri* et *Thlaspi caerulescens* sont capables de croître, se développer, et se reproduire à la présence des concentrations élevées de ETM (Zorrig, 2011) Les effets néfastes des ETM pourraient aussi être liés à une altération de l'absorption et de la distribution des éléments minéraux indispensables pour le fonctionnement de la plante (Zorrig, 2011). Ceci peut être lié à la diminution de la transpiration et, en conséquence, limitation de l'absorption racinaire de la solution de sol. Des perturbations de la nutrition potassique en présence de cadmium ont été rapportées dans plusieurs études (Küpper et Kochian, 2010; Redondo-Gómez et *al*., 2010). Une perturbation dans la nutrition en Ca, Fe et Zn sous le stress du cadmium a été aussi observée chez *Brassica juncea* (Jiang et *al*., 2004). 3\. **Les ETM induisent la surproduction des espèces réactives de l'oxygène (ROS)** A l'état normal les cellules des plantes possèdent un système antioxydant capable d'annuler l'effet des ROS. Cependant, à des concentrations élevées des ETM, le taux des ROS augment et dépasse les capacités du système antioxydant. Le rôle direct des ETM dans la formation des ROS peut être relié à leur capacité à exister sous différents états d'oxydation. En effet, certains cations (comme le fer, le cuivre, le manganèse ou le plomb) sont capables de céder un ou plusieurs électrons susceptibles de réduire l'oxygène et ses dérivés (Remon, 2006). Cependant, les métaux qui n'existent que sous un seul état d'oxydation, comme le cadmium et le zinc peuvent induire une accumulation de ROS en perturbant certaines voies métaboliques ou en inactivant des enzymes du système anti-oxydant, contribuant ainsi à l'épuisement de la réserve cellulaire de molécules anti-oxydantes (Muschitz, 2009). **Stratégies et mécanismes de tolérance des plantes** Les plantes possèdent des systèmes de stockage ou de détoxication qui leurs permettre de diminuer les effets néfastes des ETM. Selon les espèces, ces système sont plus ou moins développés, mais, il semble à l'heure actuelle que trois mécanismes sont prépondérants: la modification de la perméabilité membranaire, qui permet de réduire l'entrée des métaux dans la cellule, le système antioxydant, qui limite les dégâts des espèces réactives de l'oxygène et la chélation intracellulaire, qui empêche l'activité de l'ion métallique (Remon, 2006). **1. La paroi cellulaire et la membrane plasmique** La paroi cellulaire est une véritable structure dynamique capable d'agir efficacement pour la défense des organismes végétaux face aux agressions extérieures (Freshour et *al*., 1996). La paroi cellulaire contient diverses molécules comme des protéines, des pectines et des celluloses possèdent des groupements hydroxyles, carboxyles, amines, aldéhydes, phosphates, thiols,... qui peuvent jouer un rôle de ligand assurent une complexation et donc la détoxication de nombreux ETM. Il a été démontré qu'une production accrue de biomasse pariétale avec une modification de la composition de la fraction pariétale cellulaire des cellules de la tomate soumis aux concentrations croissantes du zinc (Muschitz, 2009). Les différents groupements chimiques de la paroi peuvent, en effet, participer à différentes réactions incluant les échanges ioniques, l'adsorption, la complexassions, la précipitation ou la cristallisation, permettant ainsi la séquestration des ETM dans la paroi lors d'un stress métallique (Mullen et *al*., 1992). La membrane plasmique peut aussi limiter l'accumulation des ions toxiques, soit en modifiant l'ensemble du flux ionique, soit en employant des systèmes ultra spécifiques autorisant un flux ionique qui ne transporterait pas les ions toxiques. Cependant, si la membrane plasmique constitue également une cible importante pour la toxicité métallique. En effet, il a été montré que le cuivre pouvait endommager la membrane par oxydation des protéines membranaires, péroxydation lipidique ou inhibition des ATPases. Par conséquent, l'imperméabilité n'est plus assurée et l'entrée des métaux toxiques par diffusion est facilitée (Kabata-Pendias et Pendias, 2001). Dès lors, la tolérance pourrait être due en partie à un renforcement de la protection de l'intégrité membranaire ou à la protection de la fonction des protéines associées au plasmalemme, tels que les transporteurs, les canaux ioniques et les pompes à protons (Remon, 2006). **2. Système anti-oxydant** En effet, les cations d'éléments comme Fe, Cu, Cr ou Mn sont capables de céder un ou plusieurs électrons susceptibles de réduire l'oxygène et ses dérivés. La plus connue de ces réactions est la réaction de Fenton (1) qui se produit en présence de fer ferreux et qui conduit à la réduction du peroxyde d'hydrogène (H2O2) en radical hydroxyl (^ ^OH) et en anion hydroxyl (OH^-^ ) : H~2~O~2~ + Fe^2+^ ^ ^OH + OH^-^ + Fe^3+^ (1) Les radicaux libres sont des espèces chimiques qui possèdent un électron célibataire qui, parce qu'il n'est pas apparié à un autre électron de spin opposé, confère à la molécule une très forte réactivité. Le radical hydroxyle ^ ^OH, produit au cours de cette réaction, est un puissant agent oxydant. D'autres réactions de ce type faisant intervenir des métaux réduits, telle que la réaction d'Haber-Weiss (2) au cours de laquelle le peroxyde d'hydrogène réagit avec un radical superoxyde, comme l'anion superoxyde ^ ^O~2~ ^-^ , aboutissant, là encore, à la production du radical hydroxyle. H~2~O~2~ + ^ ^O~2~ ^-^ + Fe^2+^ ^ ^OH + OH^-^ + O~2~ + Fe^3+^ (2) Par ailleurs, même des métaux qui n'existent que sous un seul état d'oxydation, tels que le cadmium et le nickel par exemple, peuvent induire une accumulation de ROS pour trois raisons : une perturbation de certaines voies métaboliques, une inactivation et un « down régulation » des enzymes du système anti-oxydant ou un épuisement du stock de molécules de faible masse moléculaire comme l'ascorbate, le glutathion, la vitamine E ou les caroténoïdes, qui présentent des capacités anti-oxydantes (Sanita di Toppi and Gabbrielli, 1999). Trois activités enzymatiques clefs occupent une place centrale dans les mécanismes de détoxication des ROS : il s'agit des superoxyde-dismutases (SOD), des catalases (CAT) et des peroxydases (POX). Ces enzymes ont une action complémentaire sur la cascade radicalaire au niveau de l'anion superoxyde ^ ^O~2~ ^-^ et du peroxyde d'hydrogène, conduisant finalement à la formation d'eau et d'oxygène moléculaire. **3. La chélation et la compartimentation cellulaire** **3.1 La chélation** La présence intracellulaire de ligands organiques, qui assurent une complexation et donc la détoxication de nombreux ions métalliques constitue à l'heure actuelle un aspect fondamental de la résistance aux métaux lourds. Chez les végétaux, quatre groupes principaux de ligands intracellulaires ont été caractérisés : Les **métallothionéines (MT)** sont des protéines largement distribuées dans le monde vivant. On les rencontre chez de nombreux procaryotes et chez la plupart des eucaryotes. Ces protéines sont caractérisées par leur richesse en cations métalliques (essentiellement Cu et/ou Zn) et par leur forte proportion de résidus cystéines (environ 30 %). Elles se distinguent aussi par leur faible masse moléculaire (6 à 8 kDa et 60 à 75 acides aminés) et par l'absence de résidus aromatiques. Bien que leurs séquences en acides aminés soient très variables d'un organisme à un autre, il semblerait que la structure tridimensionnelle soit bien conservée. Le rôle précis des MT dans la réponse aux métaux lourds est encore débattu, mais de nombreuses observations ont montré qu'elles pourraient être impliquées dans certains mécanismes de tolérance, notamment vis-à-vis du cadmium et du cuivre. Chez *Arabidopsis thaliana* par exemple, il a été démontré que la présence de cuivre stimule la biosynthèse de MT et que la variation écotypique de la tolérance à ce métal est corrélée au taux de transcription des gènes MT (Murphy and Taiz, 1995). En fait, il est aujourd'hui bien établi que la surexpression de gènes MT, dans des organismes aussi variés que des cyanobactéries, des levures, des cellules de mammifères ou des plantes (Misra and Genamu, 1989), peut s'accompagner d'une augmentation de la tolérance à certains métaux lourds (Cu, Zn et Cd). Les **phytochélatines (PC)** représentent le deuxième groupe de chélateurs intracellulaires, uniquement rencontrés dans le règne végétal. De nature peptidique, ces molécules sont classées dans une petite famille apparentée aux MT, avec lesquelles elles partagent d'assez nettes similarités de structure et de fonction : elles sont très riches en Cys \[formule générale (Glu-Cys)n-Gly (avec n = 2 à 11)\] et leur synthèse est stimulée par la présence de métaux lourds (Cd, Cu, Zn, etc...). Une différence essentielle avec les autres MT réside dans l'origine biosynthétique des PC ; elles ne sont pas directement codées par le génome mais sont synthétisées par une phytochélatine synthase, à partir d'un tripeptide précurseur, le glutathion (Glu-Cys-Gly). Bien que les PCs soient clairement impliquées dans la liaison des métaux intracellulaires, l'activité PC synthase semble constitutive chez la plupart des plantes. En effet, les écotypes tolérants ne présentent pas de concentrations accrues en PC (De Knecht et *al*., 1992) ; il est donc difficile d'attribuer la tolérance des phytoextracteurs naturels à la présence de phytochélatines. Néanmoins, Zhu et *al*. (1999) ont montré, à partir de clones transformés de *Brassica junceae*, que la surexpression des gènes intervenant dans la synthèse du glutathion conduit à une augmentation de la tolérance au cadmium via une augmentation du pool de phytochélatines. Les **acides organiques** représentent un autre groupe de chélateurs naturels. Sous cette dénomination sont classées des molécules diverses tels que des acides dicarboxyliques (acides fumarique, malique, oxalique) ou des acides tricarboxyliques (comme l'acide citrique). Toutes ces petites molécules sont clairement impliquées dans les phénomènes d'accumulation. On observe souvent une stimulation de leur synthèse en présence de métaux lourds, ce qui laisse penser qu'elles assurent le transport xylémien des ions métalliques depuis les racines vers les parties aériennes de la plante. De plus, des observations récentes ont clairement montré que, au moins dans certains cas, des acides organiques pourraient être directement impliqués dans les mécanismes de tolérance. Ainsi, les capacités d'hyperaccumulation et de résistance de certaines variétés de blé noir (*Fagopyrum esculentum*) vis-à-vis de l'aluminium sont directement dépendantes de la synthèse d'acide oxalique (Ma et *al*., 1997). De même, une synthèse accrue de malate a été observée chez une population tolérante de *Festuca rubra* se développant sur des dépôts riches en Cu et Zn, par rapport à une population sensible provenant d'une prairie (Harrington et *al*., 1996). Ces deux exemples suggèrent donc que la tolérance aux métaux chez quelques métallophytes hyperaccumulatrices serait acquise par une synthèse spécifique de petites molécules organiques à fortes capacités de chélation. Les **acides aminés libres**, comme la proline, l'histidine et la cystéine, s'accumulent lors d'un stress métallique et pourraient être eux aussi impliqués dans la chélation de divers métaux lourds, notamment du zinc et du nickel (Briat et Lebrun, 1999 ; Bert, 2000). C'est ainsi que l'accumulation et la tolérance au nickel dans le genre *Alyssum* semblent principalement dues à une synthèse accrue d'histidine (Krämer et *al*., 1996). **2. La compartimentation** Les plantes peuvent opérer une détoxification cytosolique par rapport au Zn, au Cd et au Pb, en les transportant dans certains compartiments de la cellule telle que les vacuoles, où ils ne peuvent plus interférer avec les processus métaboliques essentiels (Prasad et Hagemeyer, 1999). Les molécules solubles dans le cytoplasme telles que des acides organiques ou des polypeptides riches en S (comme les phytochélatines) forment des complexes avec les métaux et peuvent également fonctionner comme des navettes (transporteurs) pour faciliter le transport des métaux au travers le tonoplaste jusqu'à la vacuole (Tremel-Schaub et Feix, 2005). Par ex, les phytochélatines forment, avec le cadmium, des complexes, qui s'agrègent les uns aux autres par des ponts sulfures pour former des complexes de masse moléculaire élevée (Figure 3). Ces derniers pourraient alors être transportés par un complexe protéique spécifique dans la vacuole. Le pH vacuolaire provoquerait alors la dissociation du complexe, et les ions seraient pris en charge par les acides organiques présents, tels que le malate, le citrate ou encore l'oxalate (Sanità Di Toppi et Gabbrielli, 1999).  **Autres systèmes de défense au stress métallique** D'autres mécanismes agissant contre les effets néfastes des métaux lourds peuvent être mis en œuvre chez les plantes : Des transporteurs membranaires, de type pompe ATPasique, spécifiques du cadmium seraient présents chez *A. thaliana* et réaliseraient un efflux actif des ions métalliques à l'extérieur des cellules (Briat et Lebrun, 1999). L'accumulation des métaux dans les feuilles âgées, juste avant leur abscission diminuerait ainsi les concentrations métalliques dans la plante. En général, la concentration dans les feuilles augmente avec l'âge. Chez *Armeria maritima* subsp. halleri, dans les feuilles marron (les plus âgées), les concentrations en Cu, Cd, Zn et Pb sont 3 à 8 fois celles des jeunes feuilles (Dahmani-Muller, 1999). Cette observation suggère un transport interne depuis des feuilles vertes, encore actives d'un point de vue photosynthétique, vers les feuilles qui sont sur le point de tomber, préservant ainsi la photosynthèse tout en détoxiquant la plante. Une accumulation de Cd a été également observée dans les trichomes de plusieurs espèces (Salt et *al*., 1995). Les protéines de choc thermique (Hsp), déjà réputées pour leur implication dans le stress lié à un choc thermique, seraient également responsables de la tolérance aux métaux toxiques. En effet, des stress très variés, ayant en commun de dénaturer les protéines (stress protéotoxique), sont capables d\'induire cette réponse de type « choc thermique ». L\'induction des HSP par le stress protéotoxique permet à la cellule de réparer les dommages protéiques ainsi occasionnés par resolubilisation des agrégats, renaturation des polypeptides ou, si cela est impossible, par l\'engagement des protéines dénaturées vers les voies de dégradation. Ainsi, les résultats obtenus sur des cellules de tomate ont établi que l\'action d\'H~2~O~2~ induisait la synthèse de protéines de choc thermique (Banzet et *al*., 1998). La biosynthèse d'éthylène dans les racines et les feuilles est provoquée par certains métaux, comme le cadmium. L'éthylène serait alors un messager stimulant la lignification capable de limiter les flux de métaux dans les systèmes vasculaires et accélérant la réponse anti-oxydante par induction de l'activité ascorbate peroxydase, ainsi que la synthèse de métallothionéines (Sanita di Toppi and Gabbrielli, 1999). **Stress aux herbicides.** Les herbicides sont les produits phytosanitaires utilisés pour détruire les plantes indésirables dans une culture, appelées encore mauvaises herbes (Neuweiler, 2009), cette opération est nommée désherbage. En fonction de leurs caractéristiques physiques et chimiques (sous forme dissoute ou émulsifiée) et des conditions d'exposition subies par les plantes (exposition foliaire ou racinaire), les xénobiotiques vont pénétrer dans les tissus végétaux de manière différente. Les composés hydrophobes vont passer directement dans les cellules par diffusion passive au travers des membranes. Les molécules plus polaires peuvent être absorbées de manière passive ou active via les flux d'eau (Hart et *al*., 199β), et être transportées dans le xylème ou le phloème (Schreiber, 2005 ; Watanabe, 2002). Elles peuvent aussi emprunter les systèmes de transport cellulaire (Fujita et *al*., 2012). Ces xénobiotiques peuvent alors avoir des effets primaires, globaux et en cascade sur les organismes. - **Effets primaires des xénobiotiques** Les herbicides restent néanmoins la classe de xénobiotiques ayant les plus forts impacts de stress chimique sur les plantes, puisqu'elles constituent leur cible biologique. L'effet des herbicides est lié le plus souvent à un mode d'action défini. En fonction de leur structure chimique, les herbicides ciblent différents processus cellulaires, et peuvent in fine perturber la croissance et le développement, en agissant sur le métabolisme des tissus, en inhibant la division cellulaire, en modifiant les dynamiques cellulaires par des effets sur le cytosquelette, en désorganisant les parois et les membranes cellulaires par inhibition de la synthèse des composés structuraux (polysaccharides, phospholipides), ou enfin en affectant la signalisation cellulaire par interférence avec les phytohormones (Calvet et *al*., 2005). Certains composés utilisés comme herbicides sont en effet des analogues structuraux d'hormones végétales, comme le 2,4-D (acide 2,4-dichlorophénoxyacétique) ou le dicamba (analogues d'auxine) (Grossmann, 2010), ou le thidiazuron (analogue des cytokinines) (Heyl et *al*., 2012). D'autres herbicides comme le glyphosate, l'asulame, ou l'atrazine, perturbent les métabolismes cellulaires en inhibant respectivement la synthèse d'acides aminés aromatiques, la synthèse d'acides foliques, et le fonctionnement photosynthétique. La perturbation directe de la photosynthèse par les herbicides est liée à des blocages des flux d'électrons entre les photosystèmes (PS) le long des membranes thylakoïdiennes. Trois zones de transfert d'électrons sont principalement ciblées par les herbicides (i) les transferts entre les plastoquinones QA et QB au niveau du PSII, (ii) les transferts au niveau des plastoquinones, (iii) les transferts au niveau des ferrédoxines du PSI (Funke et *al*., 2006 ; Ramel et *al*., 2009ab ; Sulmon et *al*., 2004). L'atrazine, par exemple, bloque le transfert d'électrons au cours de la phase de réduction photochimique de la photosynthèse en se fixant sur la niche lipophile de la protéine thylakoïdienne D1 du centre réactionnel du PSII (Fedtke, 1982 ; Trebst and Draber, 1978). La mort cellulaire qui en résulte ne provient pas de l'interruption du métabolisme énergétique, mais des réactions de photo-oxydation provoquées par les états excités de la chlorophylle, et par la production de formes réactives de l'oxygène (Dan Hess, 2000). - **Effets globaux et effets en cascade des xénobiotiques** Dans une large gamme de stress chimiques provoqués par des xénobiotiques de cibles variées, les organismes photosynthétiques subissent souvent un stress oxydatif généralisé lié à une surproduction d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) (Mittler et *al*., 2004). C'est le cas, par exemple, avec l'atrazine (Figure 4). L'inhibition du transfert d'électrons au niveau du PSII empêche le retour de la chlorophylle sous forme excitée par l'énergie lumineuse vers son état fondamental. La chlorophylle peut cependant transférer son énergie d'excitation à des molécules de dioxygène (O2), produisant une forme très réactive de l'O2, l'oxygène singulet. Celle-ci déclenche alors la peroxydation des lipides et la destruction des pigments photosynthétiques, d\'abord des caroténoïdes, puis des chlorophylles, ce qui conduit au symptôme de chlorose observé sur le feuillage. D\'autre part, les lipides qui assurent l\'intégrité des membranes cellulaires étant peroxydés, celles-ci se déstructurent, ce qui conduit à la mort des cellules (Dan Hess, 2000). - **Effets de dose et effets paradoxaux** Les effets des xénobiotiques sont également fonction des doses auxquelles les plantes sont exposées. Le phénomène d\'hormèse peut être observé à des doses subtoxiques d\'herbicides ou d'autres composés (Belz et Duke, 2014 ; Calabrese et *al*., 2007). L'hormèse est un effet stimulateur ou positif d\'un stress faible sur l\'organisme, par l'activation de voies de signalisation et de régulation indépendamment de dommages cellulaires (Belz et Duke, 2014) (Figure 5). Plusieurs auteurs ont ainsi montré, chez certaines espèces végétales, une augmentation de croissance suite à l'application de faibles doses de pesticides. Velini et *al*. (2008) observent par exemple une augmentation de la croissance du maïs, du soja conventionnel, d'*Eucalyptus grandis*, de *Pinus* L. et de *Commelia benghalensis* suite à l'application de glyphosate. Ces résultats pourraient être expliqués par le fait que de faibles doses de glyphosate puissent stimuler la photosynthèse, bien que les causes de cette augmentation ne soient pas bien caractérisées (Cedergreen et Olesen, 2010).  **Mécanismes de réponses des plantes aux stress xénobiotiques** Les caractéristiques propres à chaque plante, et notamment leur génotype, conditionnent le niveau de toxicité du xénobiotique (Ramel et *al*., 2009b). Les plantes présentent en effet des capacités intrinsèques de perception et de réponse aux stress chimiques qui peuvent être à l'origine de phénomènes de tolérance et de résistance aux xénobiotiques, qui permettent alors la survie, le développement ou la croissance sur des milieux pollués. Des différences majeures de sensibilité ou de tolérance sont ainsi trouvées entre espèces, entre écotypes ou entre populations. **Mécanismes de tolérance des plantes aux xénobiotiques** - Rôle du xénome végétal dans la tolérance des plantes aux xénobiotiques La tolérance vis-à-vis d'un xénobiotique correspond à la capacité d'un organisme à se développer en présence de ce xénobiotique malgré des effets négatifs sur sa croissance. Cette tolérance est souvent due à la mise en place chez les plantes de systèmes d\'accumulation, de détoxification et de métabolisation des xénobiotiques, qui restent mal connus. Le terme de \"xénome\" proposé par Edwards et *al*. (2005, 2011) définit l\'ensemble des biosystèmes moléculaires et biochimiques intervenant dans le devenir des xénobiotiques dans les cellules végétales. La figure 6 décrit les 4 étapes de défense métabolique qui sont généralement impliquées. La [phase 1] implique l\'action d\'estérases et/ou de cytochromes P450 (CYP) qui modifient la structure chimique, l\'activité et la mobilité du xénobiotique, réduisant généralement sa toxicité. Les produits formés sont plus hydrophiles que la molécule d'origine, permettant ainsi une diminution de leur affinité avec les membranes biologiques, et assurant de ce fait une réduction de leur distribution au sein des cellules et des tissus (Coleman et *al*., 1997). Cette phase permet de plus d\'introduire, via des réactions d'oxydation, d'hydroxylation ou de déalkylation, des groupes fonctionnels nécessaires à la phase 2 de bioconjugaison. Cette [phase 2] permet une désactivation des xénobiotiques dans le cytosol, par liaison covalente à des composés endogènes hydrophiles tels que le glutathion (GSH) et des résidus glycosyl. Ces réactions de conjugaison sont sous contrôle enzymatique, les principales enzymes impliquées étant des glutathion S-transférases (GSTs) et des uridines diphosphates glycosyltransférases (UGTs). Une étape d\'estérification avec l\'acide malonique, catalysée par des malonyltransférases (MTs), peut également rentrer en jeu pour les produits glucosylés. Les conjugués et catabolites obtenus sont ensuite activement éliminés du cytosol par l\'action de transporteurs ATP-dépendants lors de [la phase 3], et accumulés dans la vacuole. Enfin, durant la [phase 4], les xénobiotiques peuvent rester dans la vacuole et subir une transformation supplémentaire, et/ou être exportés hors de la cellule pour être incorporés dans la paroi cellulaire, formant ainsi des résidus liés inactifs et insolubles. - Mécanismes anti-oxydants de tolérance des plantes aux xénobiotiques La majorité des xénobiotiques générent in planta un stress oxydatif. De nombreuses études ont mis en évidence que la lutte contre les effets délétères des ROS est assurée par différents systèmes de défense, chargés non seulement de capter et de neutraliser les ROS, mais aussi d'éliminer et de remplacer les molécules endommagées (Foyer et Noctor, 2005). Ces systèmes de défense sont présents dans le cytosol, mais également dans les différents organites, tels que les chloroplastes (Asada, 2006), les mitochondries (Møller, 2001 ; Møller et *al*., 2007), les peroxysomes (Del Rio et *al*., 2006) et le reticulum endoplasmique (Ozgur et *al*., 2014). Les systèmes antioxydants assurent trois fonctions majeures. La première consiste à empêcher la formation ou l'amplification des ROS par \"quenching\" (désactivation de molécule) de biomolécules excitées telles que les chlorophylles ou l'oxygène singulet, afin d'éviter la surexcitation et le transfert d'énergie à l'O2. La seconde fonction repose sur le processus de \"scavenging\" (détoxification chimique) par des molécules antioxydantes impliquées dans des processus enzymatiques ou non-enzymatiques. Les molécules antioxydantes majoritairement utilisées dans les cellules sont le glutathion et l'ascorbate (Foyer et *al*., 1994 ; Foyer et Noctor, 2011 ; Noctor et *al*., 2012 ; Noctor et Foyer, 1998 ; Sharma et Davis, 1997). La troisième fonction des systèmes antioxydants assure la réparation des dommages oxydants et l'élimination des molécules endommagées. Plusieurs autres molécules ont des propriétés multi-fonctionnelles et présentent, en plus de leurs propriétés métaboliques ou régulatrices, des propriétés antioxydantes, en piégeant ou désactivant les ROS. C'est le cas par exemple des caroténoïdes (Dellapenna et Pogson, 2006), des flavonoïdes (Gould et *al*., 2002), des polyamines (Scandalios, 2005), de la proline (Matysik et *al*., 2002), des thiorédoxines (Das et Das, 2000), des résidus méthionine des protéines (Luo et Levine, 2008), ou des polyols (Nishizawa et *al*., 2008 ; Shen et *al*., 1997ab). Sulmon et *al*. (2004, 2006, 2007a) ont en effet montré que le saccharose confère une forte tolérance à l'atrazine chez *Arabidopsis*, qui se traduit par un maintien de la croissance et du développement phototrophique, y compris pour des concentrations normalement létales de cet herbicide. - Implication des phytohormones dans la tolérance aux xénobiotiques Ces hormones modifient profondément l'expression du génome en induisant des modifications des niveaux de régulateurs de transcription, par des régulations de phosphorylation ou de dégradation via le système Ubiquitine-Protéasome (Santner et Estelle, 2010). C'est le cas par exemple de l\'acide abscissique (ABA), des cytokinines, de l'acide salicylique, des jasmonates ou de l'éthylène. L'éthylène est d'ailleurs généralement considéré comme une hormone de stress qui régule de nombreuses réponses aux stress (Cao et *al*., 2008). Sulmon et *al*. (2007a) ont ainsi montré qu'en présence d'atrazine, le saccharose et le glucose activent, de manière indépendante de l'hexokinase, la voie de l'éthylène chez *Arabidopsis*. Cette activation serait responsable, d'une part, de la dérépression des gènes liés à la photosynthèse généralement inhibés en présence de sucres par la voie de l'hexokinase, et d'autre part, de l'induction des mécanismes de défense contre les effets de l'atrazine. **Mécanismes de résistance des plantes aux xénobiotiques** La notion de résistance à un composé phytotoxique correspond à la capacité de certains individus à éviter ou contourner les effets d'inhibition de la cible, par des phénomènes d'adaptation issus de mutations génétiques. Les bases génétiques de telles adaptations concernent non seulement le codage génétique des cibles, mais aussi l'ensemble des gènes impliqués dans la défense et la détoxification. Comme cela a été vu précédemment, le développement des analyses transcriptomiques et protéomiques a permis en effet de démontrer que les modifications d'expression génétique et d'activité des protéines jouent un rôle important dans les réponses des plantes aux pesticides, notamment aux herbicides (Délye, 2013 ; Ramel et *al*., 2007, 2009ab, 2012). Deux grands types de mécanismes sont impliqués dans la résistance des plantes. D'une part, la résistance du site cible de l'herbicide (Target-site resistance, TSR), qui correspond à des mutations spécifiques dans le gène codant les protéines ciblées, ce qui cause une réduction de l'efficacité de l'action directe de la molécule sur sa cible. Ceci se traduit, au niveau biochimique, par des modifications de structure et de conformation du site de liaison de l'herbicide, qui aboutissent à une forte réduction des interactions protéine-herbicide, rendant ainsi le composé phytosanitaire inefficace (Délye, 2013 ; Powles et Yu, 2010). Il peut également y avoir une compensation de l'action inhibitrice de l'herbicide par une augmentation de l'expression ou de l'activité intrinsèque de la protéine cible. Ce type de résistance du site cible du xénobiotique a été décrit pour un large spectre de molécules, en particulier les inhibiteurs de la photosynthèse comme les triazines (De Prado et *al*., 2000 ; Foes et *al*., 1998, 1999 ; Sajjaphan et *al*., 2002). Il existe d'autre part des résistances non liées aux sites cibles des molécules (Non-target-site resistance, NTSR). Ce type de résistance reste encore peu connu (Délye, 2013). Contrairement au TSR qui induit une résistance au xénobiotique en ciblant la protéine affectée par le pesticide, le NTSR peut permettre des résistances à de nombreux pesticides à modes d'actions variés (Délye et *al*., 2010 ; Petit et *al*., 2010ab). Ces résistances peuvent être dues à des modifications en lien avec divers mécanismes. Elles peuvent permettre une réduction de la pénétration de l'herbicide dans les cellules de la plante par modification des propriétés physiques et chimiques de la cuticule, comme cela a été par exemple mis en évidence dans des cas de résistance au glyphosate (Vila-Aiub et *al*., 2012). Des mutations de gènes codant des activités du xénome peuvent également générer une augmentation de l'efficacité de dégradation des herbicides, avec des sur-expressions de gènes de détoxification tels que ceux codant des cytochromes P450 (Délye, 2013). Certaines résistances NTSR correspondent à une augmentation des enzymes intervenant dans la protection contre le stress oxydatif causé par l'herbicide (Cummins et *al*., 2009). Des cas de résistances non liées à la cible ont ainsi été observés vis-à-vis des triazines, impliquant par exemple la détoxification de l'atrazine par des enzymes à cytochrome P450 ou des GSTs (Anderson et Gronwald, 1991 ; Gray et *al*., 1996 ; Gressel et *al*., 1983 ; Gronwald et *al*., 1994 ; Sulmon et *al.*, 2006). **La mycorhize** La mycorhize est une association à bénéfice mutuel, donc chacun doit y trouver son intérêt. Le premier est de nourrir les deux partenaires que sont la plante et le champignon, il s'agit du bénéfice trophique. Le champignon, à l'inverse de la plante, ne sait pas faire de photosynthèse et ne sait donc pas fabriquer du sucre. Les plantes sont à l'origine de toute chaîne alimentaire car elles font du sucre grâce à l'énergie lumineuse, le champignon sait faire certaines choses que la plante a du mal à faire, comme accéder à l'azote organique. Il apporte également une protection au système racinaire de la plante par : Des phénomènes de compétition contre les autres micro-organismes du sol, le champignon prend une niche en prenant les nutriments Une protection mécanique grâce au manteau formé par les hyphes dans le cas de l'ectomycorhyze Le stockage des métaux lourds **Les différents types de mycorhizes** Cette symbiose prend différentes formes, appelées ectomycorhizes, endomycorhizes ou ectendomycorhizes, selon les caractères anatomiques de l'association (Peyronel et al, 1969), qui dépendent en fait directement des partenaires impliqués (Figure 7). La classification des mycorhizes est basée donc sur le type de champignon associé, selon que celui-ci est asepté, c'est-à-dire zygomycète de l'ordre des Glomales, ou septé, comme les ascomycètes ou basidiomycètes (Smith et Read, 1997). **1. Les ectomycorhizes** Ces champignons supérieurs se retrouvent dans le sous-bois parce que, sauf exception, ils ne forment des mycorhizes qu'avec les plantes ligneuses, arbres ou arbustes. Beaucoup de ces champignons produisent des carpophores sur le tapis forestier. La symbiose ectomycorhizienne ne concerne que 3 % des espèces végétales (Mousain, 1991) mais elle a été (et est toujours) très +étudiée car ces espèces constituent la majorité des ligneux à intérêt économique. Les ectomycorhizes revêtent les racines latérales à structure primaire d'un manteau fongique, le mycélium ne se développe pas dans les cellules de l'hôte, mais plutôt vers l'extérieur des cellules. Les hyphes en s'accolant les uns aux autres forment un manchon autour des radicelles et pénètrent aussi dans la racine, mais en se confinant aux espaces intercellulaires, formant dans le cortex un système complexe portant le nom de Hartig, chercheur qui l'a observé et décrit le premier. A partir de cet ancrage, le mycélium peut alors se développer et envahir le sol adjacent (Fortin et al, 2008). **2. Les ectendomycohizes** Il arrive que les ectomycorhizes et les endomycorhizes soient présents en même temps sur une racine, on parle alors d'ectendomycorhizes, le premier type est minoritaire et concerne surtout les arbres, le second est majoritaire et concerne presque tous les végétaux. Ils montrent simultanément, un manteau réduit ou absent qui possède un réseau de Hartig bien développé, des structures des ectomycorhizes et des hyphes qui pénètrent dans les cellules racinaires, des structures des endomycorhizes. **3. Les endomycorhizes** Les champignons endomycorhiziens ne sont pas spécifiques et sont normalement associés aux plantes comme les plantes forestières agricoles et horticoles. Ces symbiotes à colonisation intracellulaire corticale, forment des arbuscules, des vésicules ou des hyphes, ne se cultivent pas et ne sont pas visibles qu'après coloration. Il existe trois types d'endomycorhizes : \- Les endomycorhizes arbutoides des Ericacées. \- Les endomycorhizes orichidoides des Orchidées. \- Les endomycorhizes à arbuscules.  **Figure 7 :** Principaux types mycorhiziens représentés sur une coupe transversale de racine d'après de Le Tacon, 1985 **Physiologie des mycorhizes** Indépendamment du type de mycorhize, diverses fonctions sont modifiées généralement par la présence des mycorhizes : l'absorption de l'eau et des éléments minéraux, les activités hormonales, l'agrégation des sols, la protection contre les organismes pathogènes. **1. Absorption de l'eau et des éléments nutritifs** L'absorption de l'eau et des éléments nutritifs constitue la toute première fonction attribuée aux mycorhizes, notamment l'absorption des éléments peu mobile du sol, comme le phosphore, qui est un des éléments nutritifs les plus importants pour la croissance des plantes car il intervient dans de nombreux processus métaboliques : biosynthèse des acides nucléiques et des membranes, photosynthèse, respiration et régulation des enzymes, c'est aussi l'élément dont la concentration dans la plante est la plus fortement augmentée par la symbiose endomycorhizienne (Bolan, 1991; Smith et Read, 1997). Cependant, généralement, l'intensité de la colonisation racinaire par les champignons symbiotiques est réduite quand le niveau de phosphore augmente dans le sol et devient ainsi directement disponible pour la plante (Dickson et al, 1999). Cette efficacité accrue dans l'absorption de l'eau et des éléments nutritifs vient d'abord de l'augmentation de la surface de contact entre le mycélium fongique et la solution du sol. Les hyphes extraradiculaires minces des champignons pénètrent dans le sol sur une large région et peuvent l'exploiter plus efficacement que les racines des plantes (Bothe et al, 1994). Ces CMA augmentent aussi la résistance des plantes au stress hydrique (Davies et al, 1992 ; Subramanian et Charest, 1997) par un signal déclenché qui peut assurer une fermeture plus rapide des stomates, qui prévient une flétrissure irréversible. Les hyphes ont aussi la possibilité d'acquérir d'autres minéraux peu mobiles dans le sol comme l'azote, le soufre, le calcium, le magnésium, le potassium, le zinc et le cuivre. **2. Activités hormonales** L'action globale des hormones produites par le champignon affecte le port général de la plante, dont la croissance des parties aériennes est souvent favorisée par rapport à celles des racines. Le champignon pour ainsi dire remplace partiellement les racines et cela à un moindre coût énergétique. **3. Agrégation des sols** Les mycéliums ont la propriété d'excréter une glycoprotéine, la glomaline. Les champignons mycorhiziens qui sont très abondants dans certains sols peuvent en produire des quantités importantes, dont plusieurs études ont montré le rôle dans la stabilité structurale du sol. La glomaline agit comme une colle qui assemble les particules les plus fines du sol pour en faire des agrégats dont on connait le rôle fondamental pour la fertilité des sols, en retenant l'eau et les éléments minéraux et en favorisant les échanges gazeux et l'aération (Fortin et al, 2008). **4. Protection contre les organismes pathogènes** En nature, les plantes sont continuellement soumises à des agressions de la part des bactéries, de champignons, de nématodes, d'insectes et de maladies fongiques. Il a été prouvé expérimentalement que les plantes inoculés avec des champignons mycorhiziens à arbuscules sont plus résistantes aux attaques de champignons pathogènes et l\'exposition à des toxines du sol (Fitter, 1991 ; Moser et Haselwandter, 1983 ; Schtiepp et al, 1987). Ces champignons mycorhiziens peuvent intervenir de deux façons et à deux endroits pour protéger les racines contre les champignons pathogènes : dans la rhizosphère et dans les tissus racinaires. A l'échelle de la rhizosphère et surtout de la mycorhizosphère, l'espace entourant immédiatement la mycorhize, les micro-organismes sont confrontés à la compétition et à l'antagonisme, ce qui a pour effet d'établir une flore microbienne diversifiée et équilibrée. Dans cet environnement, les propagules des champignons pathogènes ne parviennent pas à proliférer et leur nombre reste toujours relativement faible. Le second mécanisme permettant aux plantes mycorhizées de mieux résister aux maladies est lié à des modifications des activités physiologiques dans la racine. Les plantes agressées par un agent pathogène réagissent en produisant des substances antibiotiques contres ces organismes (Fortin et al, 2008). **Rhizobia** Le terme rhizobia est donné pour toutes les bactéries du sol capables de fixer l'azote atmosphérique et former des nodules sur les racines des plantes légumineuses, l'azote atmosphérique est fixé ou réduit en ammoniaque pour être assimilable par les plantes (El-Fiki 2005 ; Willems 2006 ; Asadi Rahmani et al. 2009). Les rhizobia sont des bactéries à Gram négatif non sporulant, aérobies de 1,2 à 3µm de longueur et de 0,5 à 0,9 de largeur, chimioorganotrophes, neutrophiles (pH entre 6 et 7) et mésophiles (température optimale de croissance est entre 25 et 30°C), mobiles par un flagelle polaire ou subpolaire ou bien par deux à six flagelles péritriches (Sadowsky et al. 1983 ; Somasegaran et Hoben 1985). **Caractères généraux des rhizobia** Les rhizobia constituent un groupe de micro-organismes génétiquement et physiologiquement hétérogènes (Somasegaran et Hoben, 1985). **Caractères symbiotiques** Le principal caractère distinctif des rhizobia est l'infectivité ou la capacité d'établir une relation symbiotique avec une ou plusieurs espèces des plantes légumineuses et qui s'exprime par la formation des nodules (Prin et al. 1993). Le caractère d'effectivité ou d'efficience est défini par la capacité de ces rhizobia à réduire l'azote atmosphérique en une forme assimilable par la plante, à l'intérieur des nodules, qui se traduit par la couleur rouge ou rose de ces dernières (présence de l'enzyme de fixation d'azote) (Sadowsky et al. 1983 ; Somasegaran et Hoben 1985 ; Prin et al. 1993). **Caractères culturaux et biochimiques** **Caractères culturaux** Sur le milieu YEMA (Yeast Extract Mannitol Agar), les rhizobia forment des colonies circulaires bombées, aqueuses, translucides, laiteuses ou blanches opaques, productrices d'EPS : exo polysaccharides (Somasegaran et Hoben 1985 ; Sadowsky et al. 1983). En raison du temps de génération, les rhizobia sont classées en deux grands groupes   *Les rhizobia à croissance rapide* ; avec un temps de génération de 2 à 4 heures, elles développent une turbidité remarquable dans un milieu de culture liquide après 2 à 3 jours. Elles sont capables d'utiliser une grande gamme d'hydrates de carbone (mais habituellement croissent mieux sur glucose, mannitol et saccharose) entraînant souvent une production d'acide. Les rhizobia de ce groupe infectent généralement les légumineuses des régions modérées et chaudes (Sadowsky et al. 1983 ; Somasegaran et Hoben 1985 ; Bala et al. 2004). *Les rhizobia à croissance lente* ; avec un temps de génération de 6 à 7 heures, elles exigent 3 à 5 jours pour la production d'une turbidité modérée dans un milieu liquide. Ce groupe de rhizobia se développe sur une gamme moins large de sources de carbones et entraîne une production d'alcalis (Sadowsky et al. 1983 ; Somasegaran et Hoben 1985 ; Bala et al. 2004). La plupart des rhizobia n'absorbe pas ou très peu le colorant de rouge Congo sur le milieu YEMA ce qui permet de distinguer les espèces contaminantes colorées en rouge (Sadowsky et al. 1983 ; Somasegaran et Hoben 1985). **Caractères biochimiques** Les rhizobia sont des bactéries aérobies avec un système respiratoire où l'oxygène est l'accepteur final d'électrons. Les rhizobia produisent de grandes quantités d'éléments extracellulaires (EPS) et également les lipopolysaccharides constitutives de la membrane externe et qui interviennent aussi aux différentes étapes de l'infection (Jordan 1984 ; Somasegaran et Hoben 1985). Généralement, les cellules des rhizobia contiennent des granules de poly-β-hydroxybutyrate (PHB) non colorés. **Une association symbiotique** La capacité qu'ont les légumineuses à fixer l'azote atmosphérique est donc le fruit d'une association symbiotique entre la plante et le *Rhizobium*. Dans cette relation gagnant/gagnant, chaque partenaire apporte à l'autre les moyens de se développer. La plante fournit les sucres et l'énergie issus de la photosynthèse au *Rhizobium*. En contrepartie, elle bénéficie de l'azote minéral assimilable produit par le *Rhizobium* à partir de l'azote de l'air. Ainsi, les légumineuses sont autonomes en azote et n'ont pas besoin d'engrais minéral pour leur croissance. Cette activité symbiotique s'opère dans les nodosités. Ces petites boursouflures se forment sur les racines des légumineuses, sous l'action des *Rhizobium*. L'activité fixatrice dépend de la biomasse des nodosités et se visualise par une couleur rosée des nodules actifs. En pois, après l'apparition des premières nodosités, la quantité de nodosités augmente très rapidement pour atteindre un maximum au début de la floraison. Puis, en général, le nombre de nodosités stagne plus ou moins jusqu'à 3 semaines après fin floraison, avant de chuter fortement en fin de cycle. **La nodulation** Dans l\'interaction entre la plante hôte et le rhizobia, les composés phénoliques (Flavonoïdes, chémoattracteurs) exsudés par la plante hôte entraînent chez la bactérie laproduction de lipo-oligosaccharides spécifiques dénommés les facteurs nod (Mulder et al.,2005 ; Rodriguez-Navarro et al., 2007). Ce sont des signaux moléculaires qui déclenchent la division des cellules corticales de la racine conduisant à la formation d\'un nouvel organe différencié chez la plante, le nodule ou nodosité (Fig. 8). Il existe deux types de nodules: des nodules déterminés et des nodules indéterminés. Les nodules déterminés sont issus de l\'auxèse des cellules du méristème apical qui cesse son activité à maturation de la nodosité (Tableau 1). Les nodules indéterminés sont issus de mérèses du méristème apical persistant qui leur confère une croissance longitudinale. **Tab1**: Différences principales entre les nodules de type déterminé et indéterminé (Sutton, 1983; Hirsch, 1992).  **Figure 8** : Différentes étapes de l'établissement de la symbiose rhizobia-légumineuse. Les effets bénéfiques des rhizobactéries sur la croissance végétale résultent de différents mécanismes exercés par les PGPR (Les rhizobactéries promotrices de la croissance végétale). Les PGPR influencent de manière bénéfique la plante en stimulant sa croissance (voie directe) par : - La fixation d'azote - La solubilisation des phosphates - La production des sidérophores (des molécules capables de complexer le fer) - Production des régulateurs de la croissance végétale (phytohormones : L'acide indole acétique (AIA), Les cytokinines, Les gibbérellines et le métabolisme de l'acide Aminocyclopropane carboxylique (ACC) : (activité ACC-Désaminase)) Les PGPR protègent les plantes contre des infections par des agents phytopathogènes par : - La compétition pour l'espace et les nutriments - L'antibiose - Résistance systémique induite : ISR (Induced Systemic Resistance