Nutrition Azotée PDF - Dr Hayet EDZIRI

07/12/2024 Introduction Plan du cours I. Fixation biologique de l’azote...

07/12/2024 Introduction Plan du cours I. Fixation biologique de l’azote a. Les Fixateurs libres b. Les fixateurs symbiotiques Nutrition azotée II. Mécanisme de la fixation de l’azote chez les légumineuses III. Biochimie de la fixation d’zote Dr Hayet EDZIRI IV - Fixation de l’azote minérale (non biologique) 1. Assimilation du nitrate NO3- par la plante a. Réduction des nitrates b. b. Réduction des nitrites 2. Synthèse des acides amines a. glutamate déshydrogénase b. b. Glutamine synthétase. c. Glutamate synthase Introduction  l’azote est un élément essentiel dans le fonctionnement des plantes. V. Symbioses mycorhiziennes et fixatrices d’azote L’azote minéral (N2) se trouve dans l’atmosphère en grande quantité (80%) sous 1. Une mycorhize forme de N2 pouvant être oxydé en N2O. 2. Ectomycorhizes  L'azote est un élément important dans la constitution de nombreuses molécules 3. Endomycorhizes organiques Exple: acides nucléiques, coenzymes, vitamines, hormones, protéines 4. Rôles de symbiose et dans les alcaloïdes qui sont des métabolites secondaires des plantes Exple: Morphine, Héroïne, cocaïne, caféine….. L’azote organique ou minérale représente 1 à 5% de la matière sèche.  07/12/2024 I. Fixation biologique de l’azote  La fixation biologique de l'azote est le processus biochimique le plus important après l’assimilation du CO2.  Il y’a des microorganismes du sol qui sont capables  Elle assure la transformation de l'azote gazeux atmosphérique en ammoniac d’utiliser directement l’azote atmosphérique(N2): fixation biologique.  Les microorganismes qui assure cette fixation sont dites diazotrophes. Elles  Les végétaux prélèvent l’azote du sol sous forme minérale nitrate (NO3-), (NO2– ) ou ion ammonium (NH4+): Fixation possèdent une enzyme particulière: la nitrogénase. non biologique.  Ces microorganismes sont les : Fixateurs libres Fixateurs symbiotiques. a. Les Fixateurs libres b. Les fixateurs symbiotiques Ils vivent dans le sol il y’a: Les bactéries aérobies : Azotobacter  Ces fixateurs vivent en symbiose avec la plante hôte: photos: (http://www.snv.jussieu.fr)  Des bactéries appartenant au genre Rhizobium et vivent en association étroite avec les plantes de la famille des légumineuses (pois, haricots, luzerne, lupin, soja), ils peuvent fixer l'azote grâce à une enzyme la nitrogénase. Les bactéries anaérobies : Clostridium Exple: Rhizobium leguminosum – Légumineuse (fève)  Les Rhizobium s'associe aux racines d'une légumineuse, la plante réagit en formant  des cyanobactéries (algues bleues) des nodules ou nodosité (voir figure 1). Nostoc Anaboena  07/12/2024 Figure 1a. Symbiose plante/bactérie II. Mécanisme de la fixation de l’azote chez les (Gaudry et al., 2009) légumineuses Nodule Quels sont les processus permettant une coopération entre une bactérie et une plante?? La fixation symbiotique chez les légumineuses nécessite des interactions anatomiques, Ces modifications entrainent une production accrue de poils absorbant et le développement morphologiques et biochimiques importantes entre la plante hôte et les microorganismes qui de racines plus courtes et plus épaisses. l’envahissent. Les étapes qui débutent par l’infection bactérienne et qui se terminent par la formation d’un 3. Infection via les poils absorbants nodule différentié fixant l’azote sont résumés ci-dessous Les bactéries percent la paroi de la cellule hôte en libérant des enzymes telles que 1: Attraction chimique: pectinases, cellulases et hémicellulase. il y’a formation par la suite d’une invagination de la membrane plasmique en forme de tube nommée cordon d’infection. Les rhizobiums sont attirés par chimiotactisme positif par les flavonoïdes (polyphénols) libérés par les racines des légumineuses. Le cordon d’infection s’allonge jusqu’à ce qu’il atteigne la base du poil absorbant, le bactéries 2: Adhésion continuent de se multiplier. Les deux méristèmes de la nodosité fusionnent pour former le Ces rhizobiums synthétisent des signaux moléculaires ou facteurs nod, ces derniers induisent nodule complet des changements importants de la croissance et du métabolisme des racines de l’hote avant l’invasion des poils absorbants par les rhizobiums.  07/12/2024 1- Libération dans le sol de flavonoïdes racinaires 4. Organogenèse des nodosités détectés par certains rhizobiums (spécificité) La membrane du cordon infectieux forment des vésicules contenant de petites vésicules 2- Excrétion de facteurs Nod par les Rhizobiums contenant des bactéries. Après leur libération les bactéries cessent de se diviser et se réceptifs spécifiquement détectés par la plante différencient en cellules spécialisées dans la fixation d’azote appelée bacteroides nourris par la racine. Le bactéroides est apte à fixer le N2 grâce à son enzyme nitrognénase. La formation dans les nodosités, d’une protéine spécifique appelée leghémoglobine. La leghémoglobine contient le fer, colore la nodosité en rose et alimente les bactéroїdes en O2 (voir figure 2). 3- Infection via les poils absorbants :  des connections vasculaires s’établissent entre la nodosité et la vascularisation de la racine. cordon débouchant dans le cortex Le rôle de ces connections est d’importer dans le nodule le carbone (sucres) issu de la photosynthèse et d’exporter l’azote fixé vers les autres parties de la plante. 4- Organogenèse des nodosités (prolifération cellulaire) Le N2 diffuse à partir des espaces intercellulaires jusqu’aux bacteroides et est directement réduit en ammoniac(NH3) grâce à une enzyme nitrognénase bactérienne. Selon la réaction 5- Prolifération intracellulaire des Rhizobiums et production de nitrogénase Nitrogénase qui assure la fixation d’azote suivante: N2 + 8 e- + 8 H+ 16 ATP NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi Figure 2. La symbiose rhizobienne: Nodulation des racines III. Biochimie de la fixation d’azote La fixation biologique de l'azote se déroule à 25°C et elle est catalysée par un complexe enzymatique : la Nitrogénase/Hydrogénase( voir figure ). Le complexe enzymatique de Nitrogénase/Hydrogénase est constitué de 2 protéines. nitrogénase La réaction globale : La première est une réductase. Elle contient du fer: Pour chaque électron N2 + 8 e- + 8 H+ 16 ATP 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi récupéré du donneur et cédé à la nitrogénase il y a consommation de 2 Les électrons proviennent : liaisons phosphates riches en énergie (2 ATP).  de NADH,H+ ou/et FADH2 fournis par les processus cataboliques (cycle de Krebs, etc.) La seconde est la nitrogénase. Elle reçoit les électrons de la réductase pour réduire l’azote atmosphérique (voir figure 3 ). de la ferrédoxine ou/et de NADPH,H+ formé au cours de la photophosphorylation acyclique.B  07/12/2024 IV - Fixation de l’azote minérale (non biologique) 1. Assimilation du nitrate NO3- par la plante L’absorption se fait au niveau racinaire par un transport actif. Des pompes à protons membranaire et on observe un co-transport ou un symport actif de protons H+. Ce nitrate peut être stocker dans la vacuole ou peut être transporté via le xylème pour une consommation dans les parties aériennes. les ions nitrates (NO3-) sont réduits en nitrite (NO2-) puis en ammonium (NH4+). La première enzyme qui intervient est la nitrate réductase et la deuxième est La nitrite Figure 3 : Figure 1 : Fixation biologique de l’azote par le complexe Nitrogénase/Hydrogénase. Pour chaque électron fourni par l’intermédiaire de la réductase à la nitrogénase pour la réductase. réduction de l’azote il y a consommation de 2 ATP. Une molécule de H2 est formée en même Cette réduction se produit dans le cytoplasme et/ou au dans les racines. temps que celle de l’ammoniac (Gaudry et al., 2009). Donc elle se fait en deux étapes: a. Réduction des nitrates: cette réaction se déroule dans le cytoplasme des cellules foliaires ou racinaires nitrate réductase NO3- + NADPH + H+ + 2e- NO2- + NADP+ + H2O nitrate nitrite Au niveau des feuilles les électrons sont apportés par la ferrédoxine de la chaîne de transfert d'électrons des thylakoїdes. L’enzyme est sensible à la lumière et aux hormones (cytokinines). Dans le cas des cellules non chlorophylliennes (racine), le NADH fourni par la b. Réduction des nitrites respiration permet la reduction des nitrites dans les jeunes plastes non Elle se déroule dans les chloroplaste des feuilles et dans les proplastes des racines pigmentés. nitrite réductase NO2- + 6Fdred + 8 H+ + 6 e- NH4+ + Fdox + 2H2O nitrite ammonium  07/12/2024 2. Synthèse des acides aminés b. Glutamine synthétase. Cette voie se produit dans les plastes: Formation de glutamine à partir du glutamate grace à l’enzyme Glutamine synthétase. L'ammonium NH4+ pour l’organisme est toxique pour la cellule. Il sera transformé en fonction amine ou amide non toxique. On parle alors de l’assimilation de l’ammoniac. Glutamine synthétase (GS) + Glutamate(AA) + NH4 + ATP glutamine(AA) + ADP + Pi Elle se fait en deux étapes: a. glutamate déshydrogénase Elle est réalisée par une enzyme : la glutamate déshydrogénase. On la rencontre c. Glutamate synthase Conversion de la Glutamine en Glutamate grâce Glutamate synthase principalement dans les mitochondries à partir de NH4+ qui provient de la photorespiration. α-cétoglutarate + NADH + NH4+ Glutamate + NAD+ + H2O Glutamate synthase (GOGAT) Glutamate déshydrogénase (GDH) Glutamine + α-cétoglutarate + NADH + H+ 2 glutamate + NAD+ b. Ectomycorhizes : arbres des régions tempérées(10 % des végétaux) A partir du glutamate et de la glutamine, on aura la formation d’autres acides aminés manchon mycorhizien autour de la racine (asparagine, alanine,...) par transamination. Les enzymes qui catalysent de telles les hyphes du champignon ne rentrent pas à l'intérieur des cellules racinaires (Figure 4). réactions sont appelées des aminotransférases ou transaminases. C. Endomycorhizes : les plus répandues (80 % des plantes) V. Symbioses mycorhiziennes et fixatrices d’azote Les hyphes se développent à l’intérieur des cellules corticales a. Une mycorhize : du grec myco, « champignon » et rhiza, « racine », terme introduit structures ramifiées = arbuscules en 1885 par le botaniste Albert Bernhard Frank: structures de réserve = vésicules C’est le résultat de l'association symbiotique, appelée mycorhization, entre des champignons et les racines des plantes Pour avoir une nutrition minérale Figure 4. Ectomycorhizes et Endomycorhizes optimale. 23  07/12/2024 Cette : symbiose a pour rôle:. permet une amélioration de la nutrition hydrique et azotée. une augmentation de la résistance aux pathogènes. Les champignons mycorhiziens permettent aux plantes d'absorber plus de nutriments et d'eau contenus dans le sol. Ils augmentent aussi la tolérance aux différents stress environnementaux. Augmentation de la surface de contact des racines. Augmentation de la solubilité de certains minéraux. La plante fournit aux champignons des composés organiques.