Physiologie végétale - Chapitre 1 : Absorption et assimilation de l'azote - PDF
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Ce chapitre porte sur l'absorption et l'assimilation de l'azote par les végétaux. Il détaille les mécanismes de l'absorption et de la régulation de l'absorption de l'azote minéral (nitrate et ammonium), ainsi que les différents aspects liés à cette assimilation.
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hysiologie végétale P Chapitre 1_Absorption et assimilation de l’azote Chapitre 1 : Absorption et assimilation de l’azote Introduction ’azote estun des minéraux les plus importants dansla plante(excepté C, O et H). L Il entre dans la compositio...
hysiologie végétale P Chapitre 1_Absorption et assimilation de l’azote Chapitre 1 : Absorption et assimilation de l’azote Introduction ’azote estun des minéraux les plus importants dansla plante(excepté C, O et H). L Il entre dans la composition de nombreuses molécules biologiques : fonction amine des acides aminés, donc on trouve beaucoupd’azote dans les protéines bases puriques et pyrimidiques→ briques élémentairesde la formation des acides nucléiques cofacteurs(NAD, NADP, FAD, …) pigments à noyau pyrrole, comme les chlorophylles(= hétérocycles chargés qui permettent de piéger au centre un ion Mg) composés secondaires(alcaloïdes, …) ’azote est présent dans le sol sous différentes formes minérales :ammonium(NH4+) ounitrate(NO3- ). L L’azote est lecomposé le plus important dans l'atmosphère,sous forme de N2 ou lié à de l’oxygène au cours des orages (NO2, N2O ). ’est un élémentlimitant pour la croissance des plantes→ on fertilise le sol avec des engrais qui C contiennent un mélange d’azote, de potassium et de phosphore (fertilisant NPK) es végétaux chlorophylliens sont autotrophes pour le carbone puisqu’ils le prélèvent sous forme minérale. L Il en est de même pour l’azote. I. Absorption de l’azote minéral 1. Mise en évidence des besoins azotés d’une plante Il existe deux moyens d’évaluer les besoins en azote d’une plante :l’incinération ou la culture hydroponique. L’incinération d’une plante permet de minéraliser toute la matière organique. On peut alors doser l’azote minéral et savoir la part d’azote qu’il y a dans la plante. La culture hydroponiqueest une culture en milieucontrôlé hors sol en alimentant la plante uniquement avec une solution nutritive. L’azote minéral peut être dosé dans la solution au cours du temps. On sait donc ce qu'absorbe la plante. 2. Absorption des ions a. Localisation Expérience :immersion des racines dans une solutiond’eau minéralisée surmontée d’une solution d’huile. Si les racines de la plante trempent dans l'huile, il n’y a pas d’absorption d’azote Si les racines de la plante trempent dans l'eau, il y a une absorption d’azote ⇒ Ce sont donc les racines qui permettent l’absorption de l’azote. e sont surtout lesjeunes racines qui ont un rôledans l'absorption, car les vieilles racines se lignéfient C (lignine et suber) et deviennent alors imperméables. 1 hysiologie végétale P Chapitre 1_Absorption et assimilation de l’azote es poils absorbants vontmultiplier la surface racinaire, et donc les zones d’échange avec le sol. L Poils absorbants =une cellule qui a eu une extensionvers extérieur (= unicellulaire) Ils sont recouverts d’une paroi polysaccharidique et d’une membrane plasmique. Pour rentrer, tous les composés doivent traverser cette barrière, et le plus souvent l’utilisation de transporteurs est nécessaire pour traverser la membrane. oie symplastique =voie de transport à travers lescellules V → Les composés passent de cellules en cellules par des plasmodesmes oie apoplastique =voie de transport en dehors descellules, entre les cellules V → Ce transport sera forcément à un moment couplé à un transport transmembranaire Il faut un transport transmembranaire pour rentrer dans une cellule. u niveau de la racine, il y a la présence de l’endoderme → jonctions qui empêchent de passer entre les A cellules. C’est donc la fin du transport apoplastique, et on a forcément un transport transmembranaire ⇒ L’endoderme permet de réguler le flux Il peut y avoir des améliorations de l’absorption par différents mécanismes : Certaines plantes font dessymbioses avec des champignonsqui forment un réseau autour des jeunes racines pour augmenter surface d’échanges Cluster roots =bouquets de racines Certaines plantes font dessymbioses avec des bactériesqui fixent l’azote gazeux Exsudats racinaires→ les racines excrètent des polysaccharides,ce qui permet de faire des échanges avec des micro-organismes qui aident à la fixation de l’azote minéral ou organique b. Mécanisme d’absorption es études physiologiques où on a fait varier la concentration en NO3 d’une part et d’autres facteurs D externes (la température, la lumière, …) ont montré que le nitrate absorbé par la plante dépend plus de ses besoins que de la disponibilité dans le milieu. Il y a donc unerégulation de l'absorption de cetion ⇒ transport actif. xpérience :des plantes cultivées sans nitrate sonttransférées sur un milieu riche en nitrate E On a mesuré l’absorption dans le temps. → On a une augmentation linéaire de l'absorption dans une première phase puis une courbe d'absorption qui devient exponentielle. Si on ajoute un inhibiteur de la transcription, il n’y a pas cette seconde phase. ⇒ Il y a donc deux types de transporteurs qui participent à l’absorption du nitrate : Au début, on a desprotéines de transport constitutives, Puis, on a desprotéines de transport additionnelles(= protéines inductibles) qui permettent une absorption plus forte. Il existe beaucoup de transporteurs qui ne fonctionnent pas tous de la même manière : Les HATS (High Affinity Transporters) =protéinescapables de piéger et de transporter de l’azote même s’il n’y a pas beaucoup d’azote dans le milieu Les LATS (Low Affinity Transporters) =protéines capablesde fonctionner que s’il y a de fortes concentrations en composés azotés (nitrate, ammonium) 2 hysiologie végétale P Chapitre 1_Absorption et assimilation de l’azote es plantes disposent donc de plusieurs types de transporteurs membranaires pour le nitrate et L l’ammonium : Les transporteurs dehaute affinité (HATS) Les transporteurs debasse affinité (LATS) Les transporteurs constitutifs =la transcription du gène codant pour le transporteur se fait de manière constante Les transporteurs inductifs =la transcription dugène codant pour le transporteur se fait grâce à un promoteur induit par la présence du composé c. De la racine au xylème e nitrate (= ion négatif) va devoir rentrer dans les cellules avec un ion positif (= proton) pour ne pas créer L de différence de charge⇒ cotransport du nitrate etdes protons (= symport) Le nitrate est ensuite réduit par la nitrate réductase pour donner du nitrite qui sera encore réduit en ammonium dans le plaste. L’ammonium est ensuite intégré dans des acides aminés. Il y a 3 devenirs du nitrate : Réduction en ammoniumdans le plaste → deux enzymes: la nitrate réductase (NR), puis la nitrite réductase (NiR) Exportationdans le xylème → la diffusion simple pardes plasmodesmes s’effectue le long d’un gradient radial du cortex, puis un transport actif s’effectue pour entrer dans le xylème Accumulationdans la vacuole → participe à l’abaissementdu potentiel osmotique e nitrate peut aussi rentrer en antiport avec des OH-. L L’Ammonium rentre en antiport avec des protons. ’est lenitrate qui est majoritairement absorbé,car on en trouve plus de façon libre dans le sol. C L’ammonium est très réduit et donc chargé, il est donc prêt à former des AA. Les organismes se battent donc pour récupérer l’ammonium. a plupart du temps,les anions sont complexés à descations pour former des sels→ exemple : le nitrate L est annexé avec du K+ pour donner du nitrate de potassium. i on a un symport, on a unflux de protonset doncuneacidification de la racine.On a donc uneATPase S qui va consommer de l’ATP pour expulser les protons. 3. Absorption de l’ammonium H4 est la forme potentiellement la plus économiqued'azote pour la plante car il est déjà sous forme N réduite. L’ammonium entre en antiport avec une excrétion de protons. Cependant, cette forme peut affecter la physiologie du végétal par deux effets principaux : L'acidification du milieu racinaire La perturbation de la nutrition hydrominérale regroupée sous le terme desyndrome ammoniacal. a. Acidification du milieu racinaire ’absorption de NH4 entraîne une accélération de lasortie de H+ dans le milieu extérieur. L Cette acidification est de peu d'ampleur dans le sol en raison de son pouvoir tampon mais peut être significative dans le cas d'une nutrition hydroponique → si le milieu est très acide, lesprotons vont entrer 3 hysiologie végétale P Chapitre 1_Absorption et assimilation de l’azote n compétition avec certains cationscomme potassium. Donc les protons vont rerentrer dans la plante au e détriment d’autres cations dont la plante a besoin. ulture en hydroponie =fait de cultiver des plantessur un sols totalement inerte → pas d'échanges de C minéraux avec la plante, juste un rôle de structure ou d’éponge. On fait couler un liquide nutritif dilué et on peut mesurer le pH. b. Syndrome ammoniacal i une plante est arrosée uniquement avec de l’ammonium, elle va avoir le syndrome ammoniacal. S → Syndrome ammoniacal =la plante va grandir moinsvite, les feuilles sont jaunissantes, il y a moins de matière fraîche produite. Cela est dû à : Une baisse de cations → NH4+ utilise les mêmes canauxioniques que le K+, il y a donc compétition. Une fois entré, on a une intégration rapide de l'ammonium dans les acides aminés et donc il disparaît rapidement en tant que cations, d'où un déficit en cations. Un déficit en acide organique ○ les acides organiques sont utilisés avec l'ammonium pour former des acides aminés ○ l'absence de nitrate empêche la formation d'acides organiques. L'absorption de nitrate conduit à une sortie de OH-. Or ces OH- peuvent secombiner avec du CO2 pour faire des carbonates (HCO3) qui peuvent former des acides organiquesen réagissant avec R-COO-. Une augmentation des acides aminés par assimilation de l'ammonium et une baisse des sucres. c. Nutrition mixte a nutrition mixte montre quele nitrate facilitel'absorption de l'ammonium.En effet, le nitrate entreen L symport avec des H+, et l'ammonium entre en antiportavec des H+. Par ailleurs, le nitrate migre facilement dans les feuilles et induit une augmentation de la photosynthèse. Une nutrition mixte est favorable à la plante.Cecise traduit par une production de matière fraîche plus ⇒ importante. Par l'absorption des deux ions (ammonium et nitrate), la plante résout les problèmes : De l'acidification de la rhizosphère Du maintien de l'osmoticum→ le nitrate est absorbéet mis en réserves dans les vacuoles D’une photosynthèse meilleure→ migration du nitratevers les feuilles, réduction dans les feuilles en échanges d'assimilats vers la racine. Le nitrate d’ammonium est le sel préférentiellement utilisé dans les engrais chimiques. d. Adaptations à la nutrition ammoniacale ans la nature, l'ammonium qui provient de la dégradation de l'azote organique est rapidement oxydé en D nitrate par les bactéries nitrificatrices. Cependant ces transformations peuvent être inhibées par une température trop basse un pH trop bas un manque d'oxygène Il existe aussi desmécanismes d'adaptations. Les conifères ont souvent des ectomycorhizes qui permettent à la plante d'oxyder l'ammonium en nitrate. Ceci permet de rétablir la balance ammonium/nitrate dans la plante Les plantes en C4 produisent plus d'acides organiques grâce à la carboxylation du PEP par la PEPcase or ce PEP provient du pyruvate donc du glucose. Ces acides organiques peuvent donc piéger plus facilement l'ammonium pour faire des acides aminés et là aussi absorber le surplus d’ammonium. 4 hysiologie végétale P Chapitre 1_Absorption et assimilation de l’azote D ’autres plantes comme le riz, qui a un aérenchyme, émet de l'oxygène au niveau de ses racines facilitant la présence de bactéries nitrificatrices qui vont oxyder l’ammonium en nitrate. 4. Origine de l’azote minéral a. L’humidification ar une triple action mécanique, chimique et biologique, les animaux du sol interviennent dansles P processus de décomposition de la matière organique. Cette décomposition conduit àl’humus(matière organique)par l'action des microflores humidifiantes, ou à des éléments minéraux si l’humus est réduit en éléments plus simples par une microflore minéralisante. ’action mécanique : L Les animaux dans le sol fragmentent les matières organiques. Les vers de terre les fragmentent grossièrement. Puis, dans l'ordre, les myriapodes, les collemboles, les acariens et enfin les nématodes procèdent à une fragmentation de plus en plus fine. Cette fragmentation a pour effet d'augmenter considérablement la surface d'attaque des matières organiques par les bactéries et les champignons du sol. e passage de la matière organique dans le tube digestif de ces animaux a pour effet de la mélanger à L diverses sécrétions intestinales, formant des colloïdes humiques. Il s'ensuit la formation d'agrégats stables dont les plus remarquables sont ceux que laissent les lombrics. ous ces animaux participent au transport actif de la matière organique dans les horizons du sol. En outre, T en fouissant, ces animaux améliorent l'aération du sol ainsi que la circulation de l'eau. On estime que les vers de terre assurent à eux seuls plus de 50 % de la macroporosité dans le sol quand le travail mécanique (labour) n'en assurerait qu'à peine un quart ’action chimique : L Les vers de terre ne se contentent pas de répartir les matières organiques dans le profil d'un sol. Parce que le calcium est indispensable à leur métabolisme, les vers de terre circulent aussi cet élément. On estime que ces animaux, en remontant cet élément vers les couches supérieures, s'opposent au lessivage et par voie de conséquence, à la décalcification des sols. es déjections des vers de terre sont très riches en potassium, en ammoniaque, en phosphore et en L magnésium. Ces éléments sont surtout mieux échangeables et mieux assimilables quand ils ont transité par leur tube digestif que lorsqu'ils sont adsorbés sur les colloïdes argilo-humiques. La faune du sol joue un rôle fondamental d'intermédiaire entre le sol et la plante. ’action biologique : L Tous les animaux dans le sol sont nécessairement microphytophages. La raison en est que les aliments que ces animaux consomment sont obligatoirement couverts de bactéries, de mycéliums ou de cyanobactéries. Il est certain qu'un bon nombre de ces microorganismes sont détruits par les processus digestifs (bactéries saprophytes surtout). Mais il est probable aussi que d'autres de ces organismes, non détruits, sont stimulés au cours de ce transit. C'est probablement le cas des organismes de la microflore humidifiante puisque l'on constate que l'humus se forme plus rapidement à partir des déjections animales qu'à partir des débris végétaux n'ayant pas subi de transit intestinal. ‘ou l’intérêt du lombricomposteur n résumé : E Les microflores vont fragmenter la MO (ils la digèrent) jusqu’à ce que des bactéries finissent le travail = action mécanique 5 hysiologie végétale P Chapitre 1_Absorption et assimilation de l’azote es vers de terre additionnent des sécrétions à cette MO qui vont l’hydrolyser =action chimique L Toute cette microflore se nourrit de la fragmentation de cette MO, et elle se renouvelle donc elle participe aussi à la production de MO =action biologique Schéma cycle de l’azote b. Minéralisation de l’humus A mmonisation :C’est la première étape de minéralisationde l’azote qui conduit à la libération d’ammonium (NH4+) , ammoniac (NH3) ou ammoniaque (NH4O H)suivant le pH. Cette minéralisation fait suite à une protéolyse (l'azote organique provient surtout de la dégradation des protéines). Deux types de réactions sont réalisées par des bactéries ammonifiantes commeBacillus subtilis→ la bactérie va dégager du CO2 et produire de l’ammonium. → pas besoin de connaître les réactions N itrification : Cette étape conduit à la formationde nitrates par nitrosation et nitratation. Cette oxydation est très exergonique et dégage de l’énergie. II. Assimilation des ions nitrates et ammoniacaux 1. La réduction des nitrates a. Généralités xpérience :Des plants de tomate sont cultivés quelquesjours sans azote, puis on les arrose avec du E nitrate. Au bout de 24H, on a une majorité de nitrate dans feuilles Au bout de 36H, on a une majorité de nitrite Au bout de 48H, on a une majorité d’asparagine (AA) On a doncune réduction qui se fait de manière séquentielle: nitrate → nitrite → ammonium puisque ⇒ l’ammonium est intégré dans l’AA asparagine. itrate réductase (NR) : N On observe une compétition entre respiration et réduction des nitrates → la nitrate réductase fonctionne plus rapidement en absence d’O Le NADH viendrait donc de l'activité respiratoire (Cycle de Krebs = formation de cofacteurs réduits). → les cofacteurs qui donnent le pouvoir réducteur sont produits pendant la respiration cellulaire itrite réductase (NiR) : N On observe une compétition entre activité photosynthétique et réduction du nitrite → la nitrite réductase fonctionne plus rapidement sans CO2 Le NADPH viendrait donc de la photosynthèse. → C’est une enzyme qui fonctionne avec des cofacteurs issus de la photosynthèse a réduction de l'azote s'effectue donc en deux étapes : la NR est située dans le cytosol alors que la NiR L est située dans le plaste. 6 hysiologie végétale P Chapitre 1_Absorption et assimilation de l’azote 'activité de chacune est liée à des transporteurs qui permettent aux nitrates et nitrites de traverser la L membrane plasmique, le tonoplaste ou l'enveloppe chloroplastique. Schéma réduction du nitrate en ammonium → (NO3- etNO2- ) b. Structure et fonction de la nitrate réductase a nitrate réductase est uneenzyme homodimérique.Chaque monomère est constitué de 3 domaines L fonctionnels. A chaque domaine est associé un cofacteur. Les 3 domaines permettent le transfert des électrons provenant du NADH au nitrate. Cette enzyme est une petite cascade d'oxydo-réductions 'étude in vitro de cet enzyme a permis de mettre en évidence des donneurs et des accepteurs artificiels L d'électrons. Ces molécules ont permis de caractériser la sous-unité dysfonctionnante chez des mutants. Par ailleurs, la caractérisation de ces mutants a été réalisée par la mesure d'activité enzymatique partielle et par la reconnaissance par un anticorps. → Il est important d’avoir des mutants pour étudier le fonctionnement d’une protéine. c. Régulation de la nitrate réductase L'étude de la régulation d'une enzyme s'effectue généralement par 3 voies : Le clonage des gènes et l'étude des activités enzymatiques correspondantes L’expression des gènes caractérisés dans des plantes transgéniques L'étude de mutants déficients pour ce gène omment isoler des mutants ? C Des mutants déficients en nitrate réductase (NR-) ont été isolés par traitement mutagène sur graines. Une plante sauvage est capable d’absorber le nitrate et le chlorate. Si la nitrate réductase fonctionne, il y a la production de nitrite et de chlorite. La chlorite entraîne la mort des cellules → les graines ne germent pas Une plante mutée sur la nitrate réductase ne peut pas assimiler le nitrate et le chlorate. Les cellules ne vont donc pas mourir. De plus, l’ajout d’ammonium permet la production d’acides aminés (comme la glutamine) et donc la croissance de la plante. ⇒ Seul les mutants poussent omment étudier l’expression d’un gène ? C (Southern Blot = ADN) L’expression d’un gène était initialement étudiée grâce à la technique duNorthern Blot (ARN).=quantifier (ou semi-quantifier) la production d’un ARNm particulier Blot =transfert des ARNm qui ont sur le gel sur unpapier particulier (nitrocellulose) On baigne ensuite la feuille dans une sonde complémentaire de l’ARN qu’on veut mettre en évidence → cette sonde complémentaire va s’hybrider spécifiquement avec l’ARN qu’on souhaite étudier ène de ménage =gène qui est exprimé de manière constantedans n’importe quel conditions, il permet G de calibrer pour savoir si les deux extractions ont été bien réalisées → Exemple : L’ATP synthase est un gène de ménage e clonage et la connaissance de la séquence codante de la NR permet de faire des sondes pour des L Northern blot, et permet, après extraction des ARNm, de faire une réverse transcription pour obtenir des 7 hysiologie végétale P Chapitre 1_Absorption et assimilation de l’azote DNc. Ces ADNc peuvent être utilisés comme matrices avec des amorces spécifiques pour l'amplification A par PCR de la séquence codant pour la NR. T-PCR =on fait un traitement avec une Reverse transcriptase(= enzyme qui permet de refaire le R deuxième brin des ARNm) → double brin =ADN complémentaire On peut désigner des amorces sur l’ADN complémentaire qui sont spécifiques pour amplifier un gène ⇒ Forte amplification du gène codant pour la nitrate réductase(même résultat que le northern blot) RT-PCR quantitative =on fait une PCR et on mesurel’amplification à chaque cycle de PCR q → Les fluorochromes viennent s’intercaler à chaque cycle d’amplification (fluorescence) e gène de la nitrate réductase est très exprimé lorsque la plante est arrosée avec de l’azote. L’expression L du gène est faible ou nulle quand la plante est arrosée avec de l’eau. ⇒ Régulation transcriptionnelle estern Blot =Mesurer la quantité de protéines W → transfert sur de la nitrocellulose, puis hybridation avec un anticorps qui va s'attacher spécifiquement sur la protéine nitrate réductase. xpérience :chez des plantes mutantes pour le gènede la nitrate réductase (NR-), on a réalisé des E transformations pour réintroduire ce gène soit avec son promoteur, soit avec un promoteur constitutif, donc non régulé (= plante témoin) (Diapo 11b → Schéma : vert = promoteur constitutif / bleu = promoteur inductible) Ces plantes sont cultivées au départ en absence de nitrate. Chez la plante témoin, on retrouve en abondance des transcrits du gène NR, des protéines NR et une activité enzymatique (AE) de cette enzyme. Chez la plante portant le gène natif avec son promoteur, on observe aucune présence de transcrits, ni de protéines. La transcription du gène NR est donc initié par la présence du substrat de l’enzyme ⇒ Contrôle transcriptionnel ans un second temps, l’addition de nitrate induit de manière cinétique la production d’ARNm, puis la D traduction de protéines correspondantes et enfin la présence de protéines actives. Une seconde carence de nitrate entraîne d’abord la disparition de protéines actives, alors que le gène correspondant est toujours fortement exprimé ⇒ Contrôle post-traductionnel xpérience :on a pris une plante sauvage et un mutantpour le phytochrome (= pigment qui capte la E lumière rouge même en basse intensité). À l'obscurité, on obtient aucune synthèse d’ARNm du gèneNRchez les deux plantes. En lumière rouge, on a la production d’ARNm de NR chez la plante sauvage. Le phytochrome est donc un photorécepteur impliqué dans l’induction de la transcription du gèneNR. ⇒ Contrôle transcriptionnel du gèneNRpar la lumière. e passage de la lumière à l’obscurité induit très rapidement une chute de l’activité enzymatique et de la L traduction, alors que la transcription reste plus longtemps active. ⇒ Contrôle post-transcriptionnel 8 hysiologie végétale P Chapitre 1_Absorption et assimilation de l’azote lusieurs facteurs jouent un rôle dans la régulation de la NR et de la NiR : P (Diapo 12b → pas besoin d’apprendre le schéma) La présence d’AA joue un rôle négatif sur la transcription → si la plante a beaucoup d’azote sous forme d’AA libres, il n’y a pas besoin d’assimiler de l’azote S’il y a beaucoup de sucres, on a beaucoup d’acides organiques → il y a donc plus d’activité de la nitrate réductase (effet positif) Cytokinine = hormone impliquée dans la division cellulaire (impliquée dans la croissance) → effet positif Acide abscissique = hormone de stress (impliquée dans le ralentissement du métabolisme) → effet négatif a régulation de l’activité enzymatique s’effectue par phosphorylation→ la protéine phosphorylée est L inactive, et sa déphosphorylation entraîne un changement de conformation et de son activité. S’il n’y a plus de nitrate, la protéine est phosphorylée et donc elle est inactive (= contrôle post-traductionnel) 2. L’assimilation de l’ammonium a. Sources d’ammonium Il existe 4 sources d’ammonium disponibles pour la plante : La réduction des nitratesd’abord en nitrite, puisen ammonium La fixation symbiotique de l’azote atmosphérique→la symbiose entre une bactérie du sol (Rhizobium) et une plante de la famille des Fabacées (pois, haricot, lentille, luzerne, …) permet de capter le diazote pour le réduire en NH3 par une enzyme,la nitrogénase. La photorespiration→ voie de remobilisation de l’ammonium(deux glycines peuvent conduire à une sérine avec la libération d’un ion ammonium) Photorespiration =processus qui implique 3 compartiments→ résultat de la double fonctionnalité de la rubisco Le catabolisme des protéines→ dans des feuilles âgées,il permet de libérer des acides aminés et/ou des fonctions amines qui peuvent être utilisées dans la synthèse de nouveaux acides aminés. b. Mécanisme d’assimilation ’assimilation de l’ammonium s’effectue en deux étapes. L Une glutamine synthase (GS) permet de fixer un ion ammonium sous la forme d’une fonction amine sur du glutamate pour donner la glutamine (deux fonctions NH3). Cette fonction amine est transférée sur de l’α-cétoglutarate (acide organique) pour redonner deux glutamates. L’enzyme est la GOGAT (Glutamine OxoGlutarate AminoTransférase). Un des glutamates va retourner dans le cycle, alors que l’autre devient un glutamate libre. 3. La glutamine synthase (GS) Isoforme =forme quasiment identique d'une protéineà certaines configurations géométriques près. 'isolement d’organes et d'organismes a conduit à caractériser différentes ARNm très proches codant pour L des isoformes de la même enzyme. → Il existe doncun gène GS spécifiquement exprimédans les racines.Il existe aussideux gènes GS dans les feuillesconduisant à deux isoformes, l’une adresséedans le plasteet l’autredans le cytosol. 9 hysiologie végétale P Chapitre 1_Absorption et assimilation de l’azote Il y a donc un peptide signal qui permet d’adresser la protéine au chloroplaste avec une étape de transition par une fixation du peptide sur l’enveloppe chloroplastique. La partie adressage n’intervient pas dans la fonctionnalité de l’enzyme. Utilisation d’un gène rapporteur : Le gène Gus n’existe pas chez les plantes, on prend donc le promoteur du gène dont on veut étudier l’expression et on le met en amont du gène rapporteur Pour voir l’expression, on cuve avec un substrat, et on obtient une coloration bleue si le gène est exprimé La GFP → lorsque la plante est excitée par une lumière bleue, elle va émettre une lumière verte si le gène est exprimé Facteurs de régulation du gène et de la protéine GS : L’apport de NH4+ et/ou de NO3- augmentent l’activitéla transcription et l’activité enzymatique de la GS Les lumières rouge (phytochrome) et bleue (cryptochrome) augmentent la transcription de la GS2 La photorespiration (par abaissement [CO2]) augmentela libération de NH4, et par conséquent confirme que le substrat de la GS augmente sa transcription 4. Du nitrate à la glutamine – la GDH e nombreux transporteurs sont nécessaires pour traverser la membrane plasmique et les différents D compartiments intracellulaires (vacuole, plaste, …) a glutamate déshydrogénase (GDH)est impliquée dansl’assimilation de l’ammonium en glutamate. L Cette voie est peu exprimée, mais elle permet de générer du glutamate pour amorcer le cycle (glutamate/glutamine). e cycle du glutamate ne fonctionne que s’il y a un équilibre entre le glutamate et l’α-cétoglutarate. Or, du L glutamate va pouvoir s’échapper du cycle pour former de la glutamine dans le cytosol en utilisant de l’ammonium. → Cette GDH peut doncfonctionner dans les deux sens,permettant d’équilibrer la quantité de glutamate et d’α-cétoglutarate pour une bonne assimilation de l’ammonium par le cycle GS/GOGAT. Il existe deux voies d’assimilation de l’ammonium(une plastidiale et une cytosolique) ⇒ L’assimilation de l’ammonium conduit à deux acides aminés (= glutamate et glutamine) 5. Biosynthèse des acides aminés a biosynthèse des autres acides aminés à partir du glutamate et de la glutamine s’effectue principalement L partransamination. Les transaminases catalysent letransfert d’un groupementα-aminé d’un AA au carbone α d’un acide organiqueproduisant ainsi un nouvel AA et un autreacide organique. L’action des transaminases estréversible, elle fonctionnedans les 2 sens. Les transaminases sontrégulées par le pH du milieuet les concentrations en substrats et produits. Les transaminases jouent un rôle extrêmement important dans la synthèse des AA et redistribuent ⇒ l’azote du glutamate à d’autres acides organiques. 10 hysiologie végétale P Chapitre 1_Absorption et assimilation de l’azote ’asparagineest un AA particulier, c’est celui qui circule le plus dans le phloème de nombreuses plantes. L Il existe plusieurs voies de biosynthèse de l’asparagine : Amidation de l’aspartate Transamidation (un peu comme une transamination), mais elle implique deux acides aminés comme substrat et deux autres comme produit. Cette enzyme nécessite de l’ATP (Diapo 17a → schéma vue d’ensemble de la biosynthèse des acides aminés) a synthèse des acides aminés n’est pas toujours une simple transamination → exemple de la synthèse L des acides aminés aromatiques : tyrosine et phénylalanine. Cyclisation à partir du PEP et de l’érythrose, obtention en plusieurs étapes du shikimate qui est ensuite phosphorylé, puis du PEP vient se condenser, et enfin perte d‘un OP. Transfert de l’énol pyruvate sur un autre carbone. Transamination puis réduction ou décarboxylation pour obtenir tyrosine et phénylalanine (Diapo 17b → pas besoin d’apprendre les schémas) La transamination est toujours nécessaire pour introduire la fonction amine, mais la biosynthèse d’un AA ⇒ est pas toujours aussi simple→ la construction dusquelette hydrocarbonée est un peu plus compliquée Conclusion M ajoritairement, les AA sont synthétisés à partir de composés minéraux azotés (sels) → les plantes sont donc aussi autotrophes pour l’azote. Une biosynthèse des acide aminés qui coûte de l’énergie (réduction du NO3 en NH4) La diversité des acides aminés issus de transamination → on ne peut pas dissocier métabolisme des acides organiques issus de la photosynthèse et métabolisme de l’azote et des acides aminés Symbiose et carnivorie = deux voies alternatives d’améliorer une nutrition azotée 11
