SV5_CRDPL_M28_COURS PARTIE 1_ROCHD.pdf - Université Moulay Ismail

UNIVERSITE MOULAY ISMAIL FACULTE DES SCIENCES DEPARTEMENT DE BIOLOGIE FILIERE SCIENCES DE LA VIE Semestre : 5 MODULE : M 28 CROISSANCE ET DEVELOPPEMENT DES PLANTES Partie 1 : Les médiateurs du développement Pr....

UNIVERSITE MOULAY ISMAIL FACULTE DES SCIENCES DEPARTEMENT DE BIOLOGIE FILIERE SCIENCES DE LA VIE Semestre : 5 MODULE : M 28 CROISSANCE ET DEVELOPPEMENT DES PLANTES Partie 1 : Les médiateurs du développement Pr. Mohamed ROCHD ANNEE UNIVERSITAIRE : 2021-2022 1 PARTIE 1 : LES MEDIATEURS DU DEVELOPPEMENT NOTIONS SUR LE DEVELOPPEMENT DES PLANTES 1- Définitions 1.1 Les modifications quantitatives 1.2 Les modifications qualitatives 2- Facteurs de contrôle 2.1 Contrôles intracellulaires 2.2 Contrôles intercellulaires 2.3 Contrôles extracellulaires LES PHYTOHORMONES LES AUXINES 1- La découverte de l’auxine 2- Nature chimique des auxines 3- Biosynthèse de l'auxine 4- Les conjugués de l’AIA 5- Lieux de biosynthèse 6- Migration de l’auxine 7- Transport polarisé de l’auxine 8- Mécanisme du transport polarisé de l’AIA 9- Transport polarisé et organogénèse 10- Dégradation de l'auxine 11- Rôle de l'auxine dans les tropismes a - Le phototropisme b- Le gravitropisme 12- Rôle de l'auxine dans le développement a- Action sur la croissance des organes végétatifs b- Action sur la plasticité de la paroi c- Autres propriétés de l'auxine 13- Auxines de synthèse LES GIBBERELLINES 1- La découverte des gibbérellines 2- Biosynthèse et migration 3- Propriétés physiologiques LES CYTOKININES 1- Découverte de la kinétine 2- Biosynthèse et distribution dans la plante 2  3- Propriétés physiologiques ACIDE ABSCISSIQUE 1- Acide abscissique 2- Biosynthèse de l’ABA 3- Propriétés physiologiques de L'ABA ETHYLENE 1- Mise en évidence 2- Biosynthèse 3- Principales propriétés physiologiques AUTRES REGULATEURS DU DEVELOPPEMENT 1- Les brassinostéroïdes 2- Les polyamines 3- Les jasmonates 4- L’acide salicylique 5- Les oligosaccharides MODE D’ACTION DES HORMONES 1- Les récepteurs 2- La transduction du signal 3- La réponse 4- Cas de l’ABA et l’ouverture des stomates 5- Voie de signalisation de l’éthylène LE PHYTOCHROME 1- Découverte du phytochrome 2- Structure et propriétés physicochimiques 3- Diversité des phytochromes 4- Rôles biologiques du phytochrome 3  LES MEDIATEURS DU DEVELOPPEMENT NOTIONS SUR LE DEVELOPPEMENT DES PLANTES 1- Définitions En physiologie végétale, le développement étudie toutes les modifications quantitatives et qualitatives chez une plante de la fécondation à la mort. 1.1 Les modifications quantitatives correspondent à la croissance, c'est l'augmentation irréversible de taille, de volume ou de masse. Critères de croissance utilisés et leurs mesures - Les dimensions géométriques : mesure de la longueur, de la surface, du diamètre ou du volume. - La masse : La masse de matière fraîche (MF) : l’avantage de cette méthode est la non destruction de l’échantillon, mais elle ne tient pas compte des mouvements d’eau (turgescence, flétrissement). La masse de matière sèche (MS) : méthode destructive, en effet, l’échantillon est desséché jusqu’à masse constante. Donc on ne peut pas mesurer les variations de croissance sur un seul échantillon. D’autre part, son augmentation peut résulter simplement d’une lignification ou accumulation des réserves et non pas d’une croissance. Masse d’azote protéique (NP) : la croissance s’accompagne de synthèses protéiques, le dosage des protéines rend compte de la croissance, mais cette méthode est également destructive. Suivant le but poursuivi et la nature du matériel étudié, tel ou tel critère sera retenu. 1.2 Les modifications qualitatives conduisant à des différences dans la nature des cellules, des tissus et des fonctions physiologiques. Ces modifications supposent l'acquisition de propriétés nouvelles qu'on appelle différenciation (spécialisation). Ces modifications qualitatives sont parfois appelées développement au sens strict. La différenciation conduit dans un organisme à la formation de tissus différents et d’organes. Suivant les tissus, la différenciation porte principalement sur : 4  * La structure de la paroi (dépôts de cellulose (collenchyme) et de lignine (sclérenchyme)). * Le pouvoir de synthèse (tissus assimilateurs, sécréteurs, de réserve). * L'acquisition de potentialités physiologiques nouvelles (le virage floral) Le développement est la somme de la croissance et de la différenciation. Le développement d'une plante ou un de ses organes, implique trois processus souvent séparés dans le temps et dans l'espace (figure 1) : Mérèse : C'est la prolifération cellulaire (mitoses) qui a lieu dans les méristèmes. Auxèse : C'est l'augmentation des tailles des cellules (élongation des cellules). Différenciation des cellules : Formation des tissus et organes. Zone de différenciation Cylindre central Ecorce Zone d'élongation Zone de division Centre quiescent Figure : Apex de racine. Coiffe Figure 1 : Apex de racine 2- Facteurs de contrôle Le développement d’une plante subit des contrôles qui se situent à trois niveaux. 2-1 Contrôles intracellulaires Ils sont représentés par les modifications de l’expression des gènes qui influencent les activités des cellules en changeant les profils protéiques. 2-2 Contrôles extracellulaires L’environnement : Les principaux facteurs externes qui influencent la croissance sont la lumière et la température... 2-3 Contrôles intercellulaires Ils concernent les phytohormones (ou régulateurs de croissance). 5  LES PHYTOHORMONES Les plantes sont des organismes pluricellulaires complexes dont le développement exige une coordination entre les cellules. Les cellules sont capables de communiquer entre elles souvent à distance grâce aux phytohormones qui sont des médiateurs chimiques. Les phytohormones véhiculent l’information entre les cellules (communication intercellulaire) et par conséquent coordonnent leur développement. Les phytohormones sont également appelées régulateurs de croissance. Ce sont de petites molécules organiques synthétisées par les plantes. Ce sont des substances oligodynamiques c.à.d. : - Actives à faible dose - Toxiques à forte dose Elles peuvent agir soit directement dans le lieu de leur synthèse soit transportées vers des cibles lointaines dans des organes différents. Elles jouent un rôle fondamental dans le contrôle de la division, l’élongation et la différenciation cellulaire. Certaines phytohormones jouent un rôle essentiel dans la réponse de la plante au stress. Leur action est finement modulée suivant leur concentration et leurs proportions relatives. Les concentrations élevées en hormones sont toxiques pour les cellules. Des ajustements constants de concentrations sont nécessaires au maintien des conditions favorables de vie. Ces ajustements résultent de l’équilibre entre plusieurs processus qui sont : - La biosynthèse - La dégradation - La conjugaison (formes liées inactives) - La compartimentation (ex: stockage dans la vacuole) - Le transport (à courte ou longue distance) L’équilibre entre tous ces processus définit l’homéostasie, c'est-à-dire la stabilisation des états qui permettent le maintien du processus vital. Les hormones végétales ne répondent pas à la définition des hormones animales par : 6  - L'absence d'un seul lieu de synthèse (glande endocrine chez les animaux). -La multiplicité des effets physiologiques d'une même substance : Une même phytohormone intervient dans différents processus et dans différentes étapes du développement. - L'absence de cibles (un seul lieu de réaction) la même substance agit à différents endroits de la plante. On distingue les principaux groupes suivants: - Les auxines - Les gibbérellines - Les cytokinines - L'acide abscissique. - L'éthylène - Autres régulateurs de croissance : (brassinostéroïdes, polyamines, acide jasmonique, acide salicylique et oligosaccharides). 7  LES AUXINES 1- La découverte de l'auxine L'auxine est le premier régulateur de croissance connu. Sa découverte est passée par plusieurs étapes. Coléoptile Darwin en 1880 a travaillé sur le coléoptile Feuille d'une graminée des îles Canaries Phalaris canariensis. Chez les graminées la plantule présente, dans les premiers stades de son développement, une petite gaine, qui entoure les premières feuilles et que l'on nomme coléoptile. Dans les expériences qui vont suivre et qui résument les principales étapes conduisant à la découverte de l'auxine : le signe + indique une réaction (courbure ou allongement), 0 absence de réaction. Enveloppe opaque Lumière Réception DARWIN 1880 Réaction 0 0 + Ecran opaque - DARWIN a remarqué que lorsque le coléoptile est soumis à un éclairage latéral, celui-ci se courbe du côté de la source lumineuse. - Le coléoptile décapité ne se courbe pas. - Lorsqu'on met une enveloppe opaque sur le sommet du coléoptile il n'y a pas de courbure. - Lorsqu'on éclaire uniquement le sommet du coléoptile, il y a courbure. Par ces expériences Darwin a montré que le stimulus prenait naissance dans la pointe du coléoptile et la réaction a lieu dans la partie juste inférieure. Lumière Gélose BOYEN-JENSEN 1910-1911 + + 0 8  - BOYEN-JENSEN a remarqué qu’en remettant la pointe d'un coléoptile à un coléoptile décapité on lui restitue sa sensibilité. - La transmission du stimulus n'est pas interrompue par une couche de gélose ni par une lamelle de mica du côté éclairé par contre du côté de l'ombre la lamelle de mica arrête la transmission. + si gélose PAAL 1919 - mica 0 si - platine - beurre de cacao - - PAAL a remarqué que si la pointe du coléoptile est placée légèrement de côté on obtient une courbure du coléoptile soumis à un éclairage uniforme. - La dissymétrie causée par le décalage de la pointe est équivalente à une dissymétrie d'éclairage. - Le stimulus peut atteindre la région de courbure même à travers une couche de gélose et non pas à travers une couche de beurre de cacao, ni à travers d'une lame de mica ou de platine. Il a donc pu conclure que la courbure n’était pas due à un phénomène électrique qui aurait passé à travers le platine mais à une substance hydrosoluble car elle traverse la gélose et ne passe pas à travers le beurre de cacao. Cette substance descend du côté opposé à la source lumineuse. ∆h + si gélose Croissance SODING - mica 1923-1925 0 si - platine - beurre de cacao SODING a montré que la décapitation arrête la croissance mais celle ci repart si on remet la pointe du coléoptile. L'interposition d'une lame de mica, de platine ou une couche de beurre entre le coléoptile et sa pointe arrête la croissance par contre une couche de gélose permet la croissance du coléoptile. 9 C'est ainsi qu'il a été établi l'existence d'une substance de croissance sécrétée par la pointe et gagnant la zone d'élongation. 2- Nature chimique des auxines L'auxine (du grec auxè qui signifie croissance) a été purifiée et sa structure chimique déterminée en 1934 par KOGL et HAAGEN-SMIT, il s'agit de l'acide indole-3-acétique (AIA) (IAA en anglais). Figure : Structure chimique de l’AIA, Acide indole-3-acétique. L’AIA est l’auxine naturelle la plus répandue mais il existe, en plus de l’AIA, d’autres dérivés indoliques qui possèdent une activité auxinique, qui sont des précurseurs de l’AIA. - L’indole-3-éthanol: R-CH2-CH2OH - L’indole-3-acétaldéhyde : R-CH2-CHO - L’indole-3-acétonitrile: R-CH2-C≡N - L’acide indole-3-pyruvique: R- CH2-CO-COOH Leur activité est probablement liée à leur conversion en AIA dans les tissus. D’autres auxines naturelles ont été isolées des plantes comme l'acide indole-3-butyrique (AIB), l'acide phénylacétique (APA) et l’acide 4-chloroindole acétique. Il existe aussi des auxines de synthèse exemple l’ANA, le 2,4-D …(figure). 10  Figure : Structures chimiques d’auxines naturelles et d’auxines de synthèse. 3- Biosynthèse de l'auxine L’AIA est synthétisé à partir d’un AA aromatique : le tryptophane. Plusieurs voies de biosynthèses ont été décelées. La voie principale rencontrée chez la plupart des plantes se déroule en trois étapes : (mise en évidence chez le Haricot) Une désamination (transamination) qui forme l’acide indole 3-pyruvique (IPA) : réaction catalysée par la tryptophane transaminase (aminotransférase). 11  Une décarboxylation de l’acide indole 3-pyruvique formant l’indole-3-acétaldéhyde catalysée par l’indole 3-pyruvate décarboxylase. Une oxydation de l’indole-3-acétaldéhyde en AIA par l’indole-3-acétaldhéhyde déshydrogénase NAD dépendante. L’acide indole-lactique et l’indole éthanol en s’accumulant transitoirement pourraient contribuer à la régulation de la voie principale. Les voies de biosynthèses secondaires (moins répandues) passent par d’autres intermédiaires qui sont la tryptamine, l’indole-acétimine et l’indole-acétonitrile ou l’indole-acétamide. Cependant, certains mutants de Maïs et d’Arabidopsis, incapables de produire du tryptophane, synthétisent de l’AIA ce qui confirme l’existence d’une autre voie de biosynthèse de l’AIA indépendante du tryptophane. Probablement le précurseur est le noyau indole. Figure : Biosynthèse de l’auxine. 12  4- Les conjugués de l’AIA L'AIA synthétisé ne reste pas forcement libre. Elle peut passer sous forme liée (=conjuguée) en fixant d'autres molécules exemple des glucides ou des AA (acide aspartique (Pois), l'acide glutamique pour la Tomate). Les complexes ainsi formés sont inactifs, mais leur formation réversible contribue à la régulation du taux d'auxine dans les tissus, ce sont des formes de réserve et probablement aussi de transport. Figure : Exemples de conjugués de l’AIA. 5 - Lieux de biosynthèse La synthèse de l'AIA a lieu principalement dans les apex des tiges, dans les méristèmes et les jeunes feuilles des bourgeons terminaux à partir de précurseurs issus des feuilles adultes. Dans Les méristèmes intercalaires et dans les ovaires après fécondation. Dans le cas du coléoptile la synthèse de l'AIA se fait au niveau de l'apex, les précurseurs ayant été synthétisés par la plante mère et mis en réserve dans la graine. 13  6- Migration de l’auxine L'auxine migre dans la plante des lieux de synthèse jusque dans les racines où s'accumule la quantité non dégradée en cours de route. L'auxine se déplace de préférence dans le phloème. Dans le cas des graines de maïs en germination, il a été montré que la forme conjuguée de l’AIA : l’AIA-inositol qui est transportée depuis l’albumen à la pousse feuillée. Une fois dans ces tissus l’AIA conjugué subit une hydrolyse enzymatique pour libérer de L’AIA (forme active). [ AIA] Coléoptile Racines Figure : Distribution de l'auxine dans la plantule d'Avoine. Unités arbitraires (d'après THIMANN, 1934). 7- Transport polarisé de l’auxine La circulation de l'auxine est polarisée c.à.d. qu'elle s'effectue plus facilement dans un sens que dans l'autre (un sens préférentiel de transport). Mise en évidence du transport polarisé de l’auxine : On isole un segment de coléoptile AB (B du côté de l’apex) que l’on maintient vertical : si on applique un bloc de gélose contenant de l’AIA sur la section B, on peut recueillir quelques heures après de l’auxine dans un bloc placé sous A, mais si on inverse l’orientation du segment de telle sorte que ce soit la face A qui soit en haut, de l’auxine mise en haut ne descend pratiquement plus, en dépit de l’action de la pesanteur. 14  Gélose + AIA Coléoptile L'auxine a circulé L'auxine n'a pas circulé Figure : Circulation polarisée de l'auxine dans le coléoptile. La flèche intérieure indique le sens de la polarité (Van der Weij, 1932). Il s’agit d’un sens préférentiel de transport, avec un flux dominant dans un sens et un flux plus faible dans le sens contraire. La vitesse du transport polarisé de l’auxine varie de 5 à 20 mm/h. Pour les tiges et rameaux ainsi que pour le coléoptile il y a un mouvement basipète dominant de l'auxine (de l'apex vers la base). Pour les racines il y a également un mouvement basipète dominant (de la pointe de la racine vers les sommets des tiges et rameaux), mais ce mouvement ascendant reste faible et n'empêche pas l'auxine venue des zones de synthèse à s'accumuler dans les régions subapicales des racines. Certaines substances antagonistes de l’AIA (TIBA et NPA appelées phytotropines) peuvent bloquer le transport polarisé. Figure : Inhibiteurs du transport polarisé de l’AIA 15  Le transport polarisé est supprimé par les inhibiteurs métaboliques (KCN), l’absence d’oxygène et les basses températures. Il s’agit donc d’un processus exigeant de l’énergie provenant du métabolisme oxydatif mitochondrial. Par contre, les mouvements en sens inverse ou latéraux paraissent, eux simplement diffusifs. 8- Mécanisme du transport polarisé de l’AIA Le transport polarisé se fait dans des cellules parenchymateuses qui entourent les tissus conducteurs. L’explication donnée au transport polarisé de l’AIA fait intervenir : - Un gradient de pH d’environ 5 dans l’espace pariétal et d’environ 7 dans le milieu intracellulaire. Ce gradient de pH est maintenu grâce au fonctionnement de pompes ATPases distribuées sur le plasmalemme. - Des transporteurs spécifiques localisés de manière appropriée sur le plasmalemme. Figure : Mécanisme du transport polarisé de l’AIA. 16  L’AIA est un acide faible dont le pKa =4.7. L’équilibre entre la forme protonée AIAH et la forme anionique AIA- évolue en fonction du pH environnent. Dans l’espace pariétal le pH =5 c’est donc la forme AIAH qui prédomine. L’AIAH est lipophile et diffuse facilement au travers de la membrane plasmique selon son gradient de concentration (influx). La cellule absorbera donc l’auxine (AIAH) qui se trouve dans l’espace pariétal. Une fois dans le cytoplasme où le pH est voisin de 7, l’AIAH se dissociera formant de l’AIA- et H+. La différence de pH permet l’accumulation de la forme anionique de l’auxine AIA- dans le cytoplasme. L’influx de l’auxine est assuré également par l’intermédiaire de transporteurs sélectifs de nature protéique (symport IAAH/H+) appartenant à une famille de perméases aux acides aminés nommés AUX1/LAX. Les transporteurs d’influx sont situés dans le plasmalemme principalement dans la partie apicale de la cellule (par rapport au transport polarisé) et sur les parties latérales, ce qui assure le transport latéral de l’auxine. L’efflux (la sortie) de l’auxine se fait à travers des transporteurs de nature protéiques : nommés les protéines PIN (uniport d’AIA-) situés sur la partie basale de la cellule. Ces protéines sont retrouvées dans l’ensemble du règne végétal. Ce sont ces transporteurs qui réagissent aux inhibiteurs (TIBA et NPA) qui bloquent le transport polarisé de l’auxine. Une fois dans l’espace pariétal l’AIA- se transforme en AIAH et elle est absorbée par la cellule sous-jacente. 9- Transport polarisé et organogénèse Parmi les propriétés biologiques de l’AIA est la stimulation de la différenciation des bourgeons à faible concentration et celle des racines à forte concentration. Dans un segment d’organe isolé, le transport polarisé de l’auxine conduit à une baisse de la concentration de l’AIA sur la face apicale et une augmentation de cette concentration dans la partie basale. 17  Figure : Expérience de STROUGHTON et PLANT sur le Chou maritime (1940). Les segments d’organes sont ensemencés verticalement. 1- Formation des racines sur la face basale et des bourgeons sur la face apicale. 2- La face apicale produit des racines suite à une application exogène de l’AIA. 3- Des résections successives pour épuiser l’AIA conduit à la formation des bourgeons sur la face basale (4) et non plus des racines. 4- Une application de l’AIA exogène sur la face apicale conduit à la formation des racines (5) et donc un renversement complet de l’organogénèse. 10- Dégradation de l'auxine L’AIA peut être dégradé dans les tissus par la lumière (=photooxydation), le mécanisme d’action de la lumière n’est pas connu. Dans la plante, il y a dégradation de l'AIA par des enzymes les auxines-oxydases (AIA oxydase) ce qui explique qu'elle ne s'accumule pas indéfiniment dans les zones où elle a été conduite et où elle serait toxique. L’activité de l’AIA oxydase est généralement plus élevée dans les tissus les plus vieux que dans les tissus les plus jeunes qui sont en croissance active et exigent beaucoup d’AIA. La dégradation de l’AIA peut suivre diverses voies, elle peut porter sur le noyau indolique ou sur la chaîne latérale. Mais les mécanismes de la dégradation de l’AIA sont encore mal connus. 18 La dégradation de l’AIA débute toujours par une oxydation à partir de l’oxygène moléculaire. a) Elle peut s’accompagner de décarboxylation Exemples de deux voies de dégradation de l’AIA avec décarboxylation : b) Elle peut suivre une voie non décarboxylante. Figure : Voies de décarboxylation oxydative de l’AIA. 11- Rôle de l'auxine dans les tropismes a- Le phototropisme C’est la réaction d’orientation des plantes vers la lumière. Ex : la courbure du coléoptile en fonction de la lumière. Figure : Répartition de l’auxine émise par l’apex d’un coléoptile en éclairage uniforme (témoin) ou latéral. 19 L’expérience montre que la face éclairée latéralement contient moins d’auxine 30% contre 70% pour la face sombre. L’emploi d’AIA marqué au 14C a confirmé que la lumière provoque une migration de l’auxine de la face éclairée vers la face obscure (transport latéral). L’influence de la lumière s’exerce tout près du lieu de formation de l’auxine dans les 2 à 3 mm supérieurs du coléoptile. L’inégalité de distribution acquise persiste ensuite lors de la descente de l’auxine. La courbure est le résultat d’une différence de croissance entre la face obscure et la face éclairée résultant d’une inégale distribution de l’AIA. b- Le gravitropisme C’est la réponse des plantes à la stimulation de la gravité. Il est positif pour les racines, c.à.d. que sa croissance suit l’orientation de la gravité. Figure : Rôle de la redistribution d’auxine dans la réponse gravitropique de la racine. (a) Racine placée verticalement. (b) Racine placée horizontalement. (c) Réponse gravitropique. Les flèches représentent les flux d’auxine. 20  Dans le cas de la racine, il a été montré que la protéine PIN3 (de la famille des transporteurs d’efflux) localisée à la membrane plasmique d’un seul côté de la cellule, est relocalisée sur une autre face de la cellule moins de deux minutes après une gravistimulation, ce qui permet une modification du flux d’auxine. Il y a accumulation différentielle de l’AIA entre la face supérieure et inférieure de la racine. La stimulation de l’élongation a lieu dans la face la moins riche en auxine. 12 - Rôle de l'auxine dans le développement L'auxine intervient dans de nombreux phénomènes physiologiques, son action dépend de sa concentration et de ses interactions avec les autres régulateurs de croissance. a- Action sur la croissance cellulaire L'auxine agit sur l'élongation des cellules jeunes en cours d'élongation. Selon l'organe son action dépend de sa concentration. Figure : Stimulation ou inhibition de la croissance par l'AIA. Pour les tiges, elle stimule l'élongation des cellules dans la zone d'élongation subapicale, son action est maximale à des concentrations élevées de l'ordre de 10-6 à 10-5 g/ml. Au delà, l’effet stimulant diminue et cède la place à un effet toxique à partir de 10-3g/ml environ. Pour les bourgeons et les jeunes feuilles l'élongation des cellules est stimulée à des concentrations optimales comprises entre 10-8 à 10-7 g/ml. Au delà de 10-6 g/ml, on observe un effet toxique. 21 Alors que pour les racines une légère action sur l'élongation est observée à des doses très faibles de l'ordre de 10-10 g/ml et au-delà l'auxine a un effet inhibiteur. b- Action sur la plasticité de la paroi L'effet de l'auxine sur la plasticité de la paroi (extensibilité irréversible par opposition à l'élasticité qui est une extension réversible) peut se démontrer sur le coléoptile. A 1 Degrés 2 Plasticité B Elasticité Figure : Plasticité et élasticité du coléoptile d'Avoine. A : Expérience de HEYN (1931). B : Données numériques de TAGAWA et BONNER (1957). Le graphique donne l'angle de déformation, en degrés, d'un coléoptile décapité (longueur 20 mm), incubé dans l'eau, sans auxine. 1 : moment de mise du poids. 2 : moment de l'enlèvement du poids (220 mg). Sous l'effet du poids (cavalier) le coléoptile décapité s'incline, après enlèvement du poids le coléoptile ne reprend pas exactement sa position initiale. L'écart par rapport à la position initiale est plus grand lorsque le coléoptile est entier ou dont la pointe est remplacée par un bloc de gélose contenant de l'auxine que pour un segment de coléoptile préalablement décapité. Ainsi la plasticité de la paroi augmente sous l'effet de l'auxine. Théorie de la croissance acide induite par l’auxine L’augmentation de la plasticité de la paroi par l’auxine s'explique par : L’AIA stimule des pompes à protons (H+- ATPases) situées sur le plasmalemme qui abaissement le pH de la paroi à 4,5. 22  Ce qui conduit à la rupture des liaisons hydrogènes entre les constituants de la paroi (relâchement). De même il a été montré que le pH acide stimule une protéine : l’expansine qui contribue au relâchement de la paroi en scindant les liaisons hydrogènes. L’acidification de la paroi active également des cellulases et des protéases pariétales qui contribuent au relâchement de la paroi. Les pompes ATPases entraînent une sortie de protons vers la paroi et une entrée de K+ dans la cellule, ce qui augmente la pression osmotique des cellules et donc une turgescence de la cellule ce qui conduit à un étirement de la paroi. L'AIA active dans le noyau les gènes des enzymes responsables de la synthèse des matériaux de la paroi (action sur la transcription). La mise en place de ces matériaux assure l'allongement de la paroi (auxèse). c- Autres propriétés de l'auxine * L'auxine stimule la division des cellules cambiales (zones génératrices libéro- ligneuses) qu’en présence de cytokinines. C'est cette action qui a permis les premières réussites des cultures des tissus végétaux isolés in vitro. Par contre elle n’a pratiquement pas d’effet sur les divisions des méristèmes primaires. * L'auxine induit la différenciation des tissus parenchymateux en formations cribro- vasculaires (tubes criblés + vaisseaux). * L'auxine appliquée à des concentrations assez fortes de 10-7 à 10-5 g/ml provoque l'apparition de racines (rhizogénèse). Cet effet est exploité dans le bouturage. * La néoformation des bourgeons (à partir d'un parenchyme par exemple : cellules non méristématiques) est induite par les cytokinines, sous réserve de la présence de l'auxine à faible dose 10-8 g/ml. A forte dose elle inhibe le développement des bourgeons. * L'auxine participe au développement du péricarpe des fruits charnus. En effet, après la pollinisation, l'ovaire secrète de l'auxine en grande quantité et induit la prolifération des tissus du péricarpe. 23  La pollinisation peut être remplacée par des applications d'auxine et obtenir ainsi des fruits sans qu'il y ait fécondation (fruits parthénocarpiques : sans pépins). * L'application de l'auxine retarde la chute des feuilles, des fleurs et des fruits. L’auxine retarde l’abscission des feuilles si elle est appliquée dès les premiers stades de développement de la feuille, par contre elle accélère l’abscission si elle est appliquée à des stades tardives. 13 - Auxines de synthèse L'AIA en solution est une molécule peu stable, elle se dégrade à la lumière surtout si le pH est supérieur à 5 et en présence d'oxygène, de même un passage prolongé à l'autoclave le détruit. Pour cela, dans la pratique, on préfère l'utilisation des auxines de synthèses, qui sont beaucoup plus stables et ont des effets comparables ou même supérieurs à l'AIA, les plus fréquemment utilisées sont : l'AIP, l'AIB l'ANA et le 2,4-D. Parmi les utilisations : - La culture in vitro. (Les cultures in vitro végétales sont des cultures d'explants de plantes, sur un milieu de culture, dans des conditions stériles, dans un environnement contrôlé et dans un espace réduit). - Le bouturage (grâce à son action rhizogène) - Réduire la densité de fructification : l’auxine appliquée à un stade précoce du développement des fruits provoque la chute prématurée des fruits. Ce qui permet aux fruits qui restent en place d’augmenter de taille. - L’inhibition des bourgeons : cas de la pomme de terre, à forte dose l’auxine inhibe le développement du bourgeon, en pratique on applique les auxines de synthèse sur de la pomme de terre pour empêcher le développement prématuré des yeux de la pomme de terre au cours des transports et stockage. - L’obtention de fruits parthénocarpiques (cas des agrumes sans pépins). - Le retardement de la chute des fruits : si l’auxine est appliquée à un stade tardif du développement des fruits au cours de la maturation (cas de la tomate, pomme, poire). - Le désherbage sélectif : exemple du 2,4-D qui permet de contrôler le développement des adventices. A forte dose il agit comme herbicide sur les espèces à larges feuilles. Il est utilisé pour les cultures céréalières. Il n’est pas dégradé par les plantes et atteint des doses létales. 24  LES GIBBERELLINES 1- La découverte des gibbérellines Les gibbérellines ont été mises en évidence pour la première fois chez un champignon parasite du riz Gibberella fujikuroi, d’où leur nom (appelé : Fusarium heterosporum en occident), qui provoque le gigantisme du riz (élongation anormale des entre-nœuds). En 1926 KUROSAWA a montré que le gigantisme peut être induit par un extrait aqueux du champignon, d'où l'idée de l'existence d'une substance responsable de ces effets. En 1938 YABUTA et SUMILI ont isolé de ce champignon un mélange de substances cristallisées qu'ils ont nommé gibbérellines. En 1955 BRIAN et coll. ont réussi à obtenir une souche de Fusarium qui produit une seule gibbérelline en abondance dont la structure a été déterminée. Elle fut nommée acide gibbérellique GA3 (figure). Les autres gibbérellines isolées depuis (plus de 130), dont 96 chez les végétaux supérieurs, ont pris les noms de GA1, GA2 etc. selon l’ordre de leur découverte sans aucune filiation chimique. Tous ces composés possèdent un noyau commun le noyau ent-gibbérellane (figure) et diffèrent par la nature et la position des substituants. Les gibbérellines ont été décelées chez les champignons, algues, mousses, fougères, gymnospermes, angiospermes et chez certaines bactéries. Souvent plusieurs gibbérellines se rencontrent dans la même espèce par exemple 24 différentes gibbérellines dans les pépins de pomme. Toutes les gibbérellines trouvées dans une même plante ne sont pas actives, ce sont probablement des produits du métabolisme ou des intermédiaires de synthèse. 25 Figure : Noyau ent-gibbérellane et structures chimiques de quelques gibbérellines en C19 (GA3, GA1, GA20, GA8, GA29) et en C20 (GA37 et GA27). 26  2- Biosynthèse et migration La synthèse des gibbérellines a lieu dans les endroits en divisions actives, principalement dans les graines en formations et les fruits en cours de développement, dans les graines en germination, les jeunes feuilles des bourgeons apicaux, dans les tiges qui s’allongent ainsi que dans les zones apicales des racines. La teneur en gibbérellines est environ dix fois plus élevée dans les graines que dans les tissus végétatifs. Les gibbérellines sont des diterpènes (C20) appartenant au groupe chimique des terpènes. L’ensemble des composés terpéniques peuvent être considérés comme étant formés par l’assemblage d’unités pentacarbonés : l’isoprène. Il existe deux voies de biosynthèse de l’isoprène. - La voie du glycéraldéhyde/pyruvate qui se déroule dans les plastides des végétaux. - La voie du mévalonate (principale voie) se déroule dans le cytosol. La voie du mévalonate débute par l’activation de la molécule d’acide acétique réalisée par estérification avec le groupe thiol du coenzyme A (CoASH) et formation de l’acéthyl-CoA. + Acétyl-CoA Acétyl-CoA Acétoacétyl-CoA + Acétyl-CoA HMG-CoA MVA Mévalonyl-PP IPP DMAPP Figure : Schéma de biosynthèse de l’unité isoprénique. 27  Deux molécules d’acéthyl-CoA forment l’acétoacétyl-CoA (réaction activée par une - cétothiolase) qui fixe une troisième molécule d’acétyl-CoA et forme le -hydroxy-- méthylglutaryl-CoA (HMG-CoA), cette réaction est catalysée par l’hydroxyméthylglutaryl- coenzyme A-synthase (HMG- CoA synthase). La réduction du HMG-CoA par l’hydroxyméthylglutaryl-coenzyme A-réductase (HMG- CoA réductase) en consommant un NADPH,H+ conduit à la formation de l’acide mévalonique (MVA). Cette enzyme est une enzyme clé dans la synthèse de tous les composés terpéniques. L’MVA subit une double phosphorylation par l’ATP ce qui fait intervenir deux enzymes la mévalonate Kinase et phosphomévalonate kinase (formant un pyrophosphate : le mévalonyl- pyrophosphate). Ainsi activé et en présence d’une molécule d’ATP, l’acide mévalonique (C6) est converti en pyrophosphate d’isopentényle (IPP) (C5) avec perte de CO2 (décarboxylation) et libération de phosphate, cette réaction est catalysée par la mévalonate-5- diphosphatedécarboxylase. L’IPP est le précurseur de tous les produits de nature terpénique : il est parfois appelé « unité isoprène biologique ». En présence d’isopentényl-pyrophosphate isomérase, l’IPP est isomérisé en diméthyl-allylpyrophosphate (DMAPP). Le DMAPP va apporter l’unité terminale d’un enchaînement terpénique. Sur cette unité vont se fixer des unités en C5 apportées sous forme d’IPP (figure), formant ainsi successivement : - Le géranyl-pyrophosphate (GPP) précurseur des monoterpènes en C10 ils sont responsables du parfum de certains fruits et fleurs, ils sont des constituants des huiles essentielles (ex : menthol de la menthe). - Le farnésyl-pyrophosphate (FPP) précurseur des sésquiterpènes en C15. Ils sont principalement des constituants des Huiles essentielles ex : farnesol utilisé en parfumerie. L’ABA est une phytohormone appartenant à ce groupe. - Le géranyl-géranyl-pyrophosphate (GGPP), précurseur des diterpènes en C20. Les Gibbérellines appartiennent à ce groupe. - La dimérisation de deux unités de FPP conduit à la formation des triterpènes C30. Les brassinostéroïdes appartiennent à ce groupe. - La dimérisation de deux unités de GGPP conduit à la formation des tétraterpènes C40. Exemple les Caroténoïdes et les xanthophylles. 28 Diméthyl-allyl-- + IPP Géranyl-- Monoterpènes (C10) + IPP Farnésyl-- Sesquiterpènes (C15) + IPP Géranyl-géranyl-- Diterpènes (C20) Triterpènes (C30) (2 X FPP) Cn Tétraterpènes (C40) (2 X GGPP) Figure : Polymérisations successives des composés terpéniques. Les gibbérellines sont formées à partir du GGPP. A partir du GGPP la biosynthèse de toutes les gibbérellines est commune jusqu’au GA12- aldéhyde (figure). - Le GGPP (molécule linéaire) se transforme en un composé bicyclique : le Copalydiphosphate CPP, sous l’action d’une Copalydiphosphate synthase. - Le CPP donne un composé tétracyclique en présence d’une kaurène synthase : l’ent- kaurène. - Le méthyle en C-19 est successivement oxydé en alcool (OH) donnant l’ent- kaurénol, en aldéhyde (CHO) formant l’ent-kaurénal puis en acide (COOH) donnant l’acide ent-kaurénoïque et le C-7 est hydroxylé formant l’acide 7α-OH- kaurénoïque. 29  - D’un cycle hexagonal le cycle B devient pentagonal par éjection du C-7 hors du cycle. Le C-7 acquiert une fonction aldéhyde ce qui donne la molécule GA12- aldéhyde précurseur de toutes les gibbérellines. Figure : Biosynthèse de la GA12-aldéhyde. Les voies de biosynthèse à partir du GA12-aldéhyde peuvent varier considérablement d’un genre à l’autre et même d’une espèce à l’autre et même dans différents tissus d’une même plante. Cependant certaines transformations sont communes à toutes les voies et déterminent l’activité biologique de la molécule. - L’oxydation du radical aldéhyde de la GA12-aldéhyde sur le C-7 en un radical carboxyle produit la GA12. La présence de la fonction carboxyle sur le C-7 est une condition obligatoire pour l’activité. - L’oxydation du méthyle C-20 donnant successivement une fonction alcool, aldéhyde puis acide, laquelle est décarboxylée (perte de CO2). On a donc des gibbérellines à 19 C. - L’hydroxylation en C-2 rend les gibbérellines inactives. 30  Comme pour les auxines, les gibbérellines présentent des formes conjuguées (souvent avec le glucose). Ces formes conjuguées sont probablement un moyen pour stocker l’hormone inactive qui sera ultérieurement hydrolysée en hormone libre active. La circulation des gibbérellines n'est pas polarisée contrairement à l'auxine, elles migrent dans le phloème. Il est vraisemblable que les gibbérellines synthétisées dans la pointe de la racine soient transportées par la sève circulant dans le xylème. 3- Propriétés physiologiques a- Allongement des entre-nœuds et la floraison Les gibbérellines ont une action très nette sur l'allongement des entre-nœuds, mais elle ne concerne que certaines espèces, en particulier les variétés naines qui peuvent retrouver une taille normale après une application du GA3. L'allongement des entre-nœuds est dû à l’action des gibbérellines sur les méristèmes intercalaires, en provoquant à la fois une prolifération et une élongation des cellules. Les gibbérellines, par leur action sur le déboîtement des entre-nœuds (allongement) induisent la floraison chez certaines espèces (plantes en rosette) qui exigent un passage par le froid ou par des jours longs pour fleurir. b- Croissance des feuilles et des fruits Les gibbérellines appliquées à forte dose ou en association avec une cytokinine stimulent la croissance des feuilles. Qui peuvent atteindre une surface double de la normale. Les gibbérellines ont une action très comparable à celle de l'auxine sur le péricarpe des fruits. On peut obtenir des fruits parthénocarpiques par des applications de gibbérellines à des ovaires non fécondés. c- Levée de dormance des semences et des bourgeons Certaines graines, "comme la laitue", ont une dormance photosensible (c.à.d. elles ont besoin d'une exposition à la lumière pour germer), l'application du GA3 à forte dose 10-3 g/ml lève cette dormance et les graines germent à l’obscurité. L'application du GA3 lève également la dormance des bourgeons notamment chez les arbres et arbustes et retarde l’entrée en dormance des bourgeons quand la dormance est induite par les jours courts. 31  d- Effet stimulant sur le métabolisme Le GA3 synthétisé par l'embryon, induit la synthèse de l'α amylase des semences d'orge et d'avoine en cours de germination, qui dégrade l'amidon en sucres solubles, ces derniers serviront à nourrir l'embryon. Exemple : libération des sucres à partir de l’amidon sous l’effet des gibbérellines GA dans les semences d’orge en cours de germination. 1- Synthèse des GA dans l’embryon. 2- Migration des GA vers la couche à aleurone et stimulation de la synthèse des α- amylases. 3- Les α-amylases diffusent dans l’albumen et dégradent l’amidon en glucides qui seront consommés par l’embryon. Les gibbérellines agissent également sur la teneur en auxine qui est souvent augmentée soit par stimulation des synthèses soit par inhibition des auxines oxydases. 32  LES CYTOKININES 1- Découverte de la kinétine Les cytokinines ont été découvertes par le biais de la culture in vitro. On savait que dans les milieux de culture l'addition de lait de noix de coco (albumen liquide) provoquait un effet favorable sur les multiplications cellulaires et sur la formation des bourgeons. Les recherches entreprises par SKOOG et son équipe pour essayer de découvrir le facteur responsable de cet effet ont abouti à isoler une fraction active de nature purique. Cela a orienté les recherches sur l'ADN. En 1956, ils ont réussi à isoler une substance active à partir de l'ADN dénaturée à l'autoclave du sperme de hareng (poisson) et sa structure chimique a été déterminée, il s'agit de la kinétine (de Kinèse : division cellulaire) (figure). Figure : Structure chimique de l’adénine et de quelques cytokinines. La première cytokinine naturelle a été isolée en 1964 par LETHAM à partir des semences de maïs. Il s'agit de la zéatine (figure). C'est une adénine substituée comme la kinétine. Par la suite, elle a été retrouvée dans de nombreuses graines et fruits (prunier, pois). La zéatine apparaît comme la plus active et la plus répandue des cytokinines. Son activité est de l'ordre de dix fois celle de la kinétine. Depuis environ 200 cytokinines ont été isolées et identifiées. Il existe également des cytokinines de synthèse dont les plus employées sont la kinétine et la benzyladénine (figure). 33 2- Biosynthèse et distribution dans la plante La biosynthèse des cytokinines est encore un sujet de controverse : deux théories sont avancées. a- A partir des ARNt Des adénines substituées de type cytokinines sont présentes dans les ARNt. D’où l’hypothèse que les ARNt pourraient être la source des cytokinines qui seraient libérées lors de la dégradation de ces ARN. Cela parait peu vraisemblable pour les raisons suivantes : - Le turnover des ARNt est lent pour permettre une synthèse suffisante des cytokinines. - Dans le cas de la zéatine c’est l’isomère cis qui se trouve dans l’ARNt alors que la forme libre et active se trouve sous la forme trans. - Les tissus cultivés in vitro et exigeant l’apport de cytokinines exogènes possèdent tous des cytokinines dans leur ARNt. D’où la difficulté d’admettre cette voie de biosynthèse comme unique ou principale. b- A partir de l’adénosine monophosphate (AMP) (biosynthèse dans le cytosol) Elle débute par la combinaison de l’AMP et de l’isopentényldiphosphate IPP qui donne l’isopentényladénosine-5’-phosphate (ribotide = nucléotide). Réaction catalysée par une isopentényle transférase (figure). L’isopentényladénosine-5’-phosphate donnera par hydrolyses successives : l’isopentényl- adénosine : le riboside (= nucléoside) puis la base correspondante l’isopentényl-adénine qui est une cytokinine. L’isopentényl-adénine est le précurseur de toutes les cytokinines. Les modifications porteront sur la chaîne latérale. 34  Figure : Biosynthèse de l’isopentényladénosine. Les cytokinines se rencontrent presque dans tous les tissus. Elles sont abondantes dans les graines n’ayant pas atteint leur maturité, les fruits en cours de développement et les racines. Elles sont souvent synthétisées en quantités suffisantes dans leur lieu d'utilisation sans avoir besoin de venir d'autres endroits de la plante. Dans la zone apicale des racines, les cytokinines sont synthétisées très activement et transportées par la sève brute. Ces cytokinines migrantes servent de complément pour les tissus en division intense. Les cytokinines sont libres dans les tissus, mais souvent elles sont liées à des oses formant des glycosides en particulier des ribosides ou à un acide aminé l’alanine (figure). Les formes conjuguées sont des formes de mise en réserve ou d’inactivation des cytokinines. 35  Figure : Exemples de conjugués de la zéatine. Les cytokinines sont dégradées par une cytokinine oxydase formant l’adénine et le 3- méthyl-2-buténal. Figure : Dégradation de l’isopentényladénine (iP) par la cytokinine iso-pentényl oxydase. 36  3- Propriétés physiologiques * Un effet très net sur la division cellulaire, dans ce processus elles sont indispensables mais elles sont inefficaces en l'absence d'auxine. L’auxine favorise la duplication de l’ADN et les cytokinines ont un effet sur la cytokinèse c.à.d. la division du cytoplasme. * Une action sur l’auxèse, les cytokinines agissent sur des cellules où l’auxine n’agit pas, par exemple les cellules foliaires adultes. Elles favorisent l’élongation radiale des racines. * Un rôle très net dans l'organogenèse, elles stimulent la formation des bourgeons, par contre elles limitent le développement des racines. *Une action stimulante sur le métabolisme en favorisant certaines synthèses protéiques. * Elles ralentissent la dégradation de la chlorophylle et retardent la sénescence des feuilles. * Un effet antagoniste de la dominance apicale, en effet, des bourgeons axillaires traités par les cytokinines entrent en croissance. * Elles lèvent la dormance de nombreuses graines. 37  L’ACIDE ABSCISSIQUE 1- Acide abscissique L'acide abscissique (ABA) est un composé unique. Il a été découvert en 1963 par ADDICOTT et coll. au cours de recherches sur l'abscission des fruits de Cotonnier. Figure : Structures chimiques de l'acide abscissique (ABA) et de son conjugué l’ABA-glucose. 2- Biosynthèse de l’ABA L’ABA est un sesquiterpène (C15) appartenant au groupe chimique des terpènes, il a comme précurseur l'acide mévalonique. A partir du FPP deux voies de biosynthèse sont possibles : - Une voie directe retrouvée chez les champignons qui ne comporte que quelques réactions. - Une voie indirecte chez les végétaux supérieurs qui passe par les xanthophylles (C40 : tétraterpènes). Un clivage de la Violaxanthine ou de la Néoxanthine (deux précurseurs possibles) en deux composés : Un composé en C15 : la xanthoxine qui est converti en ABA (après quelques réactions) Un composé en C25. 38  Figure : Voies de biosynthèse de l’acide abscissique. La biosynthèse de l’ABA est activée par le déficit hydrique. Si les feuilles sont réhydratées le taux d’ABA redescend à sa valeur initiale. Figure : Evolution de l’ABA dans des feuilles de Chou de Bruxelles. Les feuilles ont été soumises à un stress hydrique de 72 h (déficits hydriques atteints : 20 et 44%) puis réhydratées. T : témoin n’ayant pas subi de stress hydrique (d’après WRIGHT et HIRON 1972). La synthèse de l’ABA a lieu dans le parenchyme des feuilles matures et des racines. Les graines sont riches en ABA, il est soit synthétisé dans les graines soit il provient des feuilles. Il peut être libre ou lié à des oses principalement le glucose. Les formes conjuguées sont réversibles et participent à la régulation du taux en ABA dans les tissus. La dégradation de l’ABA se fait par oxydation de la molécule d’ABA qui forme l’acide phaséique, suivie d’une réduction du groupement cétone sur le cycle, ce qui donne l’acide dihydrophaséique. 39  Figure : Schéma de la dégradation oxydative de l'acide abscissique. 3- Propriétés physiologiques de L'ABA - Il accélère le processus d'abscission des fruits et des feuilles, c'est de là qu'il tire son nom. - L'ABA est considéré comme une antigibbérelline car il exerce une inhibition sur la croissance et le développement, c’est pour cette raison que l'ABA est très souvent considéré comme un inhibiteur de croissance. Il retarde la croissance des rameaux, dont les entrenœuds ne s'allongent plus. Il prolonge la dormance des bourgeons. - La teneur en ABA augmente lors de la maturation des graines. Figure : Evolution de la teneur en acide abscissique dans les grains de Blé Masse et teneurs rapportées à un grain (d’après KING et coll., 1979). - L’ABA stimule positivement les gènes de la maturation des graines. Il stimule la croissance des jeunes embryons et la synthèse de protéines de réserve, mais inhibe ceux de la germination. Il empêche ainsi la viviparité ç.à.d. une germination précoce 40  (prématurée) qui survient avant que l’embryon n’ait atteint sa maturité ou que la graine ne soit disséminée. - l’ABA inhibe la synthèse d’α-amylase induite par les gibbérellines. - L'ABA est synthétisé activement en cas de déficit hydrique (jusqu’à 40 fois son taux initial en 4 heures) et provoque la fermeture des stomates, « c’est son rôle essentiel ». L'ABA semble être synthétisé chaque fois que la plante est en condition de stress (manque d'eau, blessure, excès de chaleur…). Ce serait un des moyens dont les plantes disposent pour se mettre en position de défense. En ralentissant leur activité, ce ralentissement pouvant être passager si le stress est de courte durée ou bien pouvant conduire à l'entrée en dormance si les mauvaises conditions se prolongent. 41  L’ETHYLENE 1- Mise en évidence On savait depuis longtemps que les bananes mûres affectaient les fruits de leur entourage immédiat. En 1923, RIDLEY a démontré qu'une substance dégagée par les bananes mûrissantes accélérait la maturation des fruits verts, qui fût appelée gaz X. En 1934, GANE a montré que ce gaz était l'éthylène CH2=CH2. 2- Biosynthèse Le développement des techniques d'analyse notamment la chromatographie en phase gazeuse a permis de détecter l'éthylène à l'état de traces. A partir de là, il a été prouvé que toutes les parties de la plante étaient capables de produire l'éthylène. Ce sont les fruits qui lors de leur maturation qui en excrètent une quantité importante à l'exception des agrumes. Les traumatismes provoquent ou intensifient la production d'éthylène. Le précurseur de l'éthylène chez les végétaux supérieurs est un AA : la méthionine. La biosynthèse de l’éthylène débute par l’activation de la méthionine par l’ATP qui forme le S-adénosylméthionine « SAM ». Réaction catalysée par la méthionine adénosyltransférase (figure). Sous l’action d’une ACC synthase, le SAM donne l’acide 1-aminocyclopropane1- carboxylique ACC et du CH3-S-adénosine. Le CH3-S-adénosine sera recyclé en méthionine. Le taux de l’ACC synthase régule la synthèse de l’éthylène. En effet, son taux augmente par les concentrations élevées de l’AIA, les blessures et les stress (ex: hydrique). L’ACC est converti en éthylène sous l’effet d’une ACC oxydase, avec libération du CO2 et HCN. La réaction nécessite de l’oxygène. En condition d'anaérobiose la biosynthèse cesse. L’ACC peut donner aussi du MACC (acide 1-malonylaminopropane-1-carboxylique) qui serait un moyen pour réguler le taux d’éthylène dans les tissus. 42  Figure : Biosynthèse de l’éthylène. 3- Principales propriétés physiologiques a - La maturation des fruits : L'éthylène est produit par les fruits en maturation et en plus il a un effet accélérateur sur la maturation en stimulant certaines enzymes hydrolytiques : accélère l'hydrolyse de l'amidon (saccharose), transforme les pectines insolubles de la paroi (responsable de la dureté) en pectines solubles, régresse la teneur en chlorophylle (chlorophyllase)…synthèse d’arômes. b- Abscission des feuilles : Elle est provoquée par l'éthylène dont le taux augmente quand la feuille vieillit, alors que le taux de l'auxine inhibitrice de l'abscission s'abaisse. L'éthylène agit dans la zone d'abscission en inhibant les mitoses et en induisant un grandissement 43 isodiamétrique des cellules. Il stimule la synthèse des cellulases et des pectinases (action sur la transcription) qui dégradent les parois des cellules dans la zone d’abscission. c - Elongation : L'élongation est inhibée en particulier dans les racines en faveur d'une croissance radiale et de la prolifération cellulaire. d - Floraison : l’éthylène stimule la floraison chez les Bromeliaceae (ex : l’ananas). e- Migration de l'AIA : L'AIA stimule la production de l'éthylène qui en retour ralenti sa migration. Ceci pourrait expliquer l'épinastie des feuilles caractérisée par une croissance plus rapide de la face supérieure par rapport à la face inférieure induisant la courbure des feuilles vers le bas, l'éthylène agirait en ralentissant la migration de l'auxine vers le bas. 44  LES AUTRES REGULATEURS DU DEVELOPPEMENT On regroupe dans cette catégorie différentes molécules aux actions plus ponctuelles sur la croissance et le développement des plantes. On distingue : les brassinostéroïdes, les polyamines, les jasmonates, l’acide salicylique et les oligosaccharides. 1 - Les brassinostéroïdes Ce sont des stéroïdes appartenant au groupe des terpènes (triterpènes), ils ont comme précurseur l’acide mévalonique. Cette classe compte environ 40 molécules. La première molécule identifiée dans ce groupe (en 1979) est le brassinolide (figure), extrait à partir du pollen du colza Brassica napus. Brassinolide (BR1) Figure : Structure chimique du Brassinolide (=BR1) (Brassinostéroïdes). Ces composés se rencontrent dans toutes les parties de la plante, principalement dans le pollen et les graines. Certains brassinostéroïdes se trouvent sous forme conjuguée avec le glucose. Propriétés physiologiques : Stimulent l’élongation (ex : le coléoptile de maïs). Stimulent la division. Augmentent la résistance aux stress (en particulier le froid) et aux maladies parasitaires. Augmentent la production de l’éthylène. Inhibent la rhizogenèse. Inhibent la croissance des racines. Favorisent l’apparition de la floraison. Jouent un rôle clé dans la fertilité mâle. En effet un pollen déficient en brassinostéroïdes est viable mais incapable de former le tube pollinique. 45 2 - Les polyamines Les polyamines (figure) sont caractérisées par la présence de plusieurs fonctions amines dans leur molécule. Elles ont le plus souvent comme précurseur des acides aminés polyaminés (arginine, lysine, ornithine). Spermidine Spermine Figure : Exemples de polyamines. Il existe des formes conjuguées avec des acides aromatiques : exemples l’acide caféique, acide cinnamique ou l’acide férulique. La teneur en polyamines des tissus augmente dans le cas de stress (salinité, froid, sécheresse, excès de chaleur). Propriétés physiologiques : Il existe une corrélation positive entre la teneur en polyamines et la vitesse de croissance. Le blocage de leur synthèse conduit à un arrêt de la croissance et du développement. L’administration de polyamines retarde la sénescence des organes végétaux. Ils participeraient à la régulation du pH dans la cellule et à protéger et stabiliser les membranes (ex : cas de la sécheresse). 3 - Les jasmonates Environ 30 composés qui dérivent de l’acide jasmonique (figure). Figure : Structure chimique de l’acide jasmonique. Le précurseur de l’acide jasmonique est l’acide linolénique (AG). L’acide jasmonique est présent dans tous les tissus et abondant dans les tissus en voie de croissance : apex des tiges et racines, jeunes feuilles et fruits immatures. 46 Il présente des formes conjuguées avec des acides aminés (valine, leucine …) ou des glucides (glucose). Il migre dans le xylème et le phloème. Sa concentration augmente en cas de stimulus externe (blessure, stress, attaque parasitaire fongique, insecte …). Propriétés physiologiques : - Le développement du pollen. - Il induit la synthèse de protéines de réserve lors de la maturation des graines. - Il intervient principalement dans la défense des plantes en induisant la synthèse de protéines de défense (antibactériennes et antifongiques) en cas de stress. 4 - L’acide salicylique L’acide salicylique (figure) est un composé phénolique qui a comme précurseur la phénylalanine (AA). C’est un analgésique. Figure : Structure chimique de l’acide salicylique. On en trouve dans toutes les parties de la plante. Sa teneur augmente dans les tissus ayant subi une attaque parasitaire. Propriétés physiologiques : Inhibe la synthèse de l’éthylène. Induit la synthèse de protéines antipathogènes (rôle de défense). Chez les Aracées, il déclenche les phénomènes de thermogénèse qui se manifestent lors de la floraison. 5 – Les oligosaccharides Ils proviennent de la dégradation de certains constituants de la paroi par des enzymes spécifiques (polygalacturonase, glucanase…) (figure). 47  (XXFG) (XXLG) Figure : Structures de deux oligosaccharides. Propriétés physiologiques : Ce sont des antiauxines : s’opposent à l’effet de l’auxine sur l’élongation et la rhizogenèse. Stimulent la production de l’éthylène. Provoquent la réaction de défense dans la plante en cas d’attaque par un pathogène. 48  MODE D’ACTION DES HORMONES Une hormone est perçue par un récepteur, ce qui engendre une cascade d’événement. On parle de voie de signalisation ou d’une cascade de transduction. Elle se traduit le plus souvent par une modification de l’expression de différents gènes, pour aboutir à une ou des réponses cellulaires coordonnées. La réponse d’une cellule à une stimulation hormonale comporte 3 étapes : 1- La perception du signal. Elle implique la liaison de l’hormone avec un récepteur. 2- Transduction du signal par des messagers secondaires dont le rôle est la transmission et l’amplification du signal. 3- La réponse physiologique. 1- Les récepteurs Le récepteur est une protéine capable de reconnaître une hormone (ligand) et se lier avec elle (avec des liaisons non covalentes). Le récepteur doit avoir une forte affinité et une forte spécificité vis-à-vis de l’hormone. Les récepteurs sont localisés dans différents compartiments cellulaires : noyau, cytosol, paroi, plasmalemme. La liaison hormone-récepteur activerait le récepteur de manière à ce qu’il puisse assurer la transduction du signal. Cette activation correspond généralement à un changement de la conformation du récepteur. Les récepteurs de l’auxine Les sites de fixation de l’auxine sont des protéines appelées ABP (= auxin binding protein). La mieux caractérisée est l’ABP1 qui se compose de deux sous unités. Elle a été localisée dans la membrane plasmique, la paroi et le réticulum endoplasmique. Les récepteurs des cytokinines Le site de fixation des cytokinines le mieux caractérisé est la protéine CBF-1 (cytokinin binding factor) isolée à partir de germes de blé. Le CBF-1 est lié aux ribosomes, ce qui suppose que le complexe CBF-1-cytokinine joue un rôle de régulation dans la synthèse des protéines. Les récepteurs de l’éthylène L’éthylène est perçu par une famille de protéines de type histidine-kinases membranaires. Le premier récepteur de l’éthylène identifié est la protéine ETR1 (EThylène Receptor), localisé dans la membrane plasmique. 49  2- La transduction du signal Généralement la fixation de l’hormone sur le récepteur conduit à la production de messagers secondaires. Généralement la chaîne des messagers secondaires n’aboutit pas directement à la réponse. Le plus souvent elle déclenche des processus physiologiques qui eux provoqueront ou contribuent à provoquer la réponse, exemples : ouvertures des canaux ioniques permettant l’échange entre compartiments, l’activation d’enzymes. Les messagers secondaires Les protéines fixant la guanosine-triphosphate (GTP) (appelées aussi GTPase) Exemple des protéines G comprenant trois sous unités : α, β et ᴕ. La fixation d’une hormone sur un récepteur transmembranaire permet l’activation de la protéine G, qui hydrolyse le GTP et produit un messager secondaire. Le phosphatidylinositol : Le phosphatidylinositol (PI) est un phospholipide qui par deux phosphorylations successives (2 ATP) donne le phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PIP2) (figure). Figure : Structure du méso-inositol et des phosphatidylinositols. La liaison de l’hormone au récepteur active une enzyme du plasmalemme la phospholipase C (PLC) qui hydrolyse le (PIP2) pour former l’inositol-1,4,5-triphosphate (IP3) et le diacylglycérol (DAG) (figure). Le DAG et l’IP3 se comportent comme des messagers secondaires. l’IP3 stimule la libération du calcium (Ca2+) de la vacuole. Le DAG active la protéine kinase C. 50  Figure : Schéma de l’intervention des phosphoinositols dans la régulation par le Ca2+. Les nucléotides cycliques : cAMP (adénosine monophosphate cyclique) active une protéine kinase. cGMP (guanosine monophosphate cyclique) régule l’activité de protéine kinases et de canaux ioniques. cADPR (adénosine-diphosphate-ribose cyclique) intervient dans la mobilisation du calcium. Les protéines kinases interviennent dans la phosphorylation réversible des protéines. Les protéines phosphatases interviennent dans la déphosphorylation des protéines. Les MAP Kinases (mitogen activated protein kinases) impliquées dans des réactions de phosphorylations. L’ion calcium Ca2+ L’ion calcium est connu pour contrôler de nombreux processus physiologiques (division cellulaire, élongation, l’activité de nombreuses enzymes…). La concentration du calcium est élevée dans la vacuole, le réticulum endoplasmique et les mitochondries, par contre elle est faible dans le cytosol. La faible concentration dans le cytosol est dû à l’action d’ATPases membranaires calcium-dépendantes qui stockent le Ca2+ dans la vacuole, le R.E. et les mitochondries. L’activité des ATPases et donc la concentration 51 du calcium dans le cytosol sont contrôlées par des facteurs externes comme la lumière ou par les hormones. De nombreuses protéines fixent le calcium dont la principale est la calmoduline. Lorsque la calmoduline est liée au calcium, elle active plusieurs protéines comme Ca2+-ATPases ou des protéines. 3- La réponse Elle peut être : Une simple modulation des activités cellulaires impliquées dans un processus physiologique déjà engagé. Un nouveau programme accompagné de l’arrêt du programme en cours. 4- Cas de l’ABA et l’ouverture des stomates L’ouverture des stomates est le résultat de la turgescence des cellules de garde par entrée d’eau dans la vacuole. Cette entrée d’eau est due de l’augmentation de la pression osmotique de la vacuole qui est le résultat de la synthèse de malate, une augmentation de la teneur en ions K+ et accessoirement de celle d’anions (Cl- et autres). La fermeture des stomates est le résultat d’une baisse de la pression osmotique vacuolaire qui a trois causes : Fermeture des canaux d’influx du potassium (K+i) (le K+n’entre plus dans la vacuole). Ouverture des canaux d’efflux du potassium (K+e) (le K+sort de la vacuole). Ouverture des canaux d’efflux anioniques (An-) (les anions sortent de la vacuole). Il existe deux voies de transduction du signal ABA (figure) : Une voie Ca2+ dépendante : Le cADPR est vraisemblablement l’intermédiaire entre la perception de l’ABA et l’augmentation de la teneur en Ca2+ cyt. Le Ca2+ va activer une phosphatase PP2B qui bloquera l’activité du canal (Ki) Le Ca2+ pourrait aussi activer les canaux anioniques d’efflux. La deuxième voie Ca2+ indépendante : qui agit via une phosphatase ABI1 (du type phosphatase PP2C) en activant le canal d’efflux du K+ et les canaux anioniques d’efflux. 52  Figure : Régulation de l’ouverture des stomates par l’ABA. Les traits avec une flèche correspondent à une activation, et ceux avec une barre à une inhibition. Les ? traduisent une hypothèse plausible, mais à vérifier (d’après LUAN, Trends in Plant Sciences, 1998, 3, figure 1, p. 273). 53  5- Voie de signalisation de l’éthylène La plupart des expériences ont été réalisées sur des mutants d’Arabidopsis thaliana (figure). En absence d’éthylène : Le récepteur ETR1 et les autres protéines ERS1, ETR2 ET EIN4 (qui seraient des récepteurs de l’éthylène) stimulent l’activité de CTR1, une cascade MAP kinase se met en route ayant pour conséquence le blocage de la réponse au niveau de EIN2. En présence d’éthylène : L’activité du récepteur est inhibée et par conséquent celle de CTR1 et donc EIN2 n’est plus inhibé. EIN2 est alors capable de déclencher la chaine qui conduit à la réponse. Figure : Chaîne de transduction du signal éthylène. Les traits avec flèche correspondent à une activation et ceux avec une barre à une inhibition (d’après CHAO et coll. 1997). 54  LE PHYTOCHROME Les organismes photosynthétiques captent la lumière par des photorécepteurs : Ceux qui captent la lumière comme source d’énergie (photosynthèse) (chlorophylles, carotènes…) dans ce cas l’énergie nécessaire est de l’ordre de 100 à 2000 µmol.m-2.s-1. Ceux qui captent la lumière en tant que signal, dans ce cas des énergies très faibles de l’ordre de 0,1 µmol.m-2.s-1 sont suffisantes. Dans ce groupe on trouve le phytochrome. 1- Découverte du phytochrome En 1935, Flint et McAlister ont montré que la germination des akènes de laitue dépend de la nature de la lumière rouge utilisée. Fig a : Stimulation par le rouge clair (RC) et inhibition par le rouge sombre (RS) de la germination des semences de Laitue (Figure). Le rouge clair (RC en anglais red : R) stimule la germination des graines avec un maximum d’effet à 660 nm où l’énergie incidente est la plus faible (Figure b1). Le rouge sombre (RS ou rouge lointain, en anglais far red : FR, fr) inhibe la germination des graines (supprime l’effet du RC) avec un maximum d’effet à 730 nm où l’énergie incidente est la plus faible (figure b2). Dans une séquence d’éclairement, c’est la qualité du dernier éclairement qui prédomine pour la germination des semences de Laitue. Obs réponse négative (= pas de germination) FR réponse négative R réponse positive R, FR réponse négative R, FR, R réponse positive 55  Figure : a. Spectre d’action de la lumière visible sur la germination des semences à photosensibilité positive. b. Spectre d’action de la lumière rouge sur la germination des semences de Laitue, après 16 heures d’imbibition. Energie incidente nécessaire pour obtenir 50% de germination (1) ou 50% d’inhibition (2) (d’après Borthwick et coll. 1954). En 1946, Borthwick et Hendricks ont observé le même antagonisme entre le R et le FR sur la floraison de la lampourde, plante de jour court. Ils ont montré que les effets de la lumière sur la floraison et la germination ont des caractéristiques identiques : 56  - Même spectre d’action, - Même antagonisme R/FR et - Même faiblesse des énergies mises en jeu. En 1952, Borthwick et Hendricks ont suggéré qu’il s’agit d’un seul pigment, qu’ils ont nommé phytochrome, qui existe sous deux formes photoconvertibles : Pr (r : red) sensible au rouge clair et l’autre Pfr (fr : far red) sensible au rouge sombre. R Pr Pfr réponse physiologique FR La forme Pfr est la forme active Cette hypothèse a été confirmée en 1959 par Butler. 2- Structure et propriétés physicochimiques Le phytochrome est une chromoprotéine constituée d’une partie protéique (apoprotéine) sur laquelle se fixe par des liaisons covalentes un chromophore (groupement prosthétique). Un phytochrome est un homodimère, c'est-à-dire constitué de deux monomères identiques. Figure : Représentation schématique du phytochrome sous forme dimérique. Chaque monomère comprend deux domaines distincts. Le domaine N-terminale sur lequel se fixe le chromophore et la partie C terminale possédant les domaines de dimérisation (PAS) ainsi qu’un domaine kinase (site catalytique). 57  Le chromophore est un composé tétrapyrrolique à chaine ouverte (figure). Sa liaison à l’apoprotéine s’effectue par une liaison thioester entre le noyau A et un résidu cystéine de la protéine. Figure : Structure du chromophore lié à la cystéine de l’apoprotéine. Le phytochrome peut prendre deux conformations spectrophotométriquement distinctes (figure). Figure : Spectre d’absorption du Pr et Pfr. Le spectre de la forme Pr présente un maximum d’absorption à 660 nm et celui de la forme Pfr un maximum à 730 nm. Pr présente aussi une absorption vers 370 nm et Pfr vers 400 nm. Les deux spectres d’absorption se chevauchent. Il est donc impossible de convertir 100% du pigment d’une forme à l’autre, ce qui conduit à un équilibre entre les deux formes, appelé équilibre photostationnaire. A la lumière naturelle, Le Pfr représente, suivant la plante et les conditions, de 80 à 90% du phytochrome total. 58  La photoconversion du Pr en Pfr implique une isomérisation du chromophore d’une forme cis vers une forme trans (Figure). Les photoréactions commandées par le phytochrome nécessitent des énergies faibles de l’ordre de 20 à 100 J/m2. Le phytochrome est soumis à un turnover : dégradation enzymatique et renouvellement par synthèse sous forme Pr (figure). La forme Pfr peut se transformer en Pr par voie enzymatique à l’obscurité. 3- Diversité des phytochromes En réalité, il n’existe pas un seul phytochrome, mais une famille de cinq photorécepteurs dont les propriétés générales sont proches mais dont les rôles physiologiques peuvent être différents ou complémentaires. L’apoprotéine n’est pas identique chez tous les phytochromes, elle peut être codée par des gènes différents appartenant à une même famille désignée par PHY. Exemple chez la tomate 5 gènes PHY différents ont été isolés (PHYA, PHYB1, PHYB2, PHYE et PHYF). 4- Rôles biologiques du phytochrome Germination des semences. Le RC stimule la germination des graines à photosensibilité positive. Floraison des plantes. Le dé-étiolement des plantes. Une lumière rouge clair pendant quelques minutes permet le dé-étiolement des plantes. 59  La stimulation de la croissance par exemple des cotylédons et des jeunes feuilles des dicotylédones. La rotation des chloroplastes d’algues pour prendre une position perpendiculaire à la lumière. Induction de la transcription de nombreux gènes. 60