biologie vegetale - E

Préambule
Cette version du cours de Biologie du développement des plantes constitue un cadrage
général, qui reprend des éléments acquis en licence, les complète et les développe.
Elle peut être considérée comme une base indispensable pour assimiler des données plus
approfondies présentées en cours ou procéder à des recherches bibliographiques personnelles
dans le cadre des travaux dirigés.
Cette articulation du cours est complétée par un fascicule de figures qui pour le moment n’est
pas disponible en version électronique mais sera communiqué dès le commencement du
module aux étudiants.
Bonne lecture, Bon travail !
BIOLOGIE DU DEVELOPPEMENT DES
PLANTES
CHAPITRE I : INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE II - LE DEVELOPPEMENT VEGETAL : CROISSANCE ET
DIFFERENCIATION
II – A - LA CROISSANCE :
II-A1- Les deux composantes de la croissance :
II-A1-a- La division cellulaire :
II-A1-b- Grandissement cellulaire :
II –A 2 -Relations entre croissance et métabolisme (besoin énergétiques et en
matériaux de base)
II –A 2-a- Besoins en molécules de base :
II –A 2-b Besoins énergétiques :
II-A3-Mesure de la croissance :
II-A3- a-La croissance de l’organisme ou d’un organe :
II-A3- b- Mesure des composantes individuelles de la croissance sur l’ organe
donné
II-A4- Localisation de la croissance dans l’espace et dans le temps
II-A4-a- Dans l’espace : les Méristèmes
II-A4-b- Dans l’espace : les zones d’élongation
II-A4-c- Localisation de la croissance dans le temps :
II-A5- Cinétique de la croissance – Vitesse de croissance :
II-A6- Vitesse de croissance
II-A6 – a- Relation avec l’efficacité photosynthétique :
II-A6 – b- Vitesse de croissance et choix des espèces cultivées :
II-A6 – c- Croissance végétale et associations symbiotiques :
CHAPITRE III : LES HORMONES VEGETALES
III-A -LES FACTEURS QUI CONTROLENT LE DEVELOPPEMENT ET LEURS
INTERACTIONS :
III-B-GENERALITES SUR L’HORMONOLOGIE VEGETALE :
III-B- a - Notion d’hormone et comparaison hormones végétales – hormones
animales :
III-B– b- Les différents types d’hormones végétales :
III-B–c- Méthodes d’études des hormones végétales et de leurs mécanismes
d’action :
III-B –d- Notion de récepteur hormonal :
III-B- e- Un exemple d’approche biochimique pour la caractérisation de récepteur
hormonal : le marquage par photoaffinité
III-B- f- Un exemple d’approche génétique pour la caractérisation de récepteur
hormonal : le cas des récepteurs de l’éthylène
III–C- L’ACIDE ß INDOLACETIQUE ET LES AUXINES
III–C– a- Nature chimique des auxines :
III–C- b- Répartition et évolution dans la plante
III–C- c- Facteurs intervenants dans la régulation du taux d’auxine – Biosynthèse
– Dégradation – Transport – Inactivation :
III–C- d- Diversité des effets biologiques. Exemple particulier de la croissance
des fruits :
III–C- e- Mécanismes d’action dans le phénomène de grandissement cellulaire :
III–C- f- Les récepteurs d’auxine :
III–C- g- L’auxine et le contrôle de l’expression des gènes :
III–D- LES GIBBERELLINES :
III–D– a – Historique – Découverte :
III–D– b-Nature Chimique et Diversité des Gibbérellines Naturelles :
III–D– c– Biosynthèse et Métabolisme des Gibberellines :
III–D- d- Les Gibberellines dans la plante – Répartition- Transport :
III–D– e–Effets Physiologiques :
III–D– f- Mécanismes Moléculaires d’action des Gibbérellines :
III–D–g– Modification des taux de Gibberellines chez les plantes par génie
génétique :
III–E - LES CYTOKININES
III–E– a- Historique et découverte :
III–E– b- Nature chimique :
III–E– c- Biosynthèse – Métabolisme
III–E– d- Cytokinines dans la plante :
III–E– e- La perception et la transduction du signal cytokinine :
III–E– f- Ingénierie de la production des cytokinines :
III–F - L’ETHYLENE
III–F– a- Découverte du rôle hormonal :
III–F–b– Production par la plante :
III–F–c– Voies de biosynthèse et régulation de la synthèse :
III–F–d– Effets physiologiques :
III–F–e– Mécanismes d’action de l’éthylène :
III–F–f– Applications biotechnologiques :
III–G – L’ACIDE ABCISSIQUE
III–G– a– Historique – Découverte :
III–G– b– Nature chimique –Biosynthèse :
III–G– c– Effets physiologiques et mécanismes d’action :
III–H - LES BRASSINOSTEROIDES
III–H– a- Découverte , Historique :
III–H– b- Structure et Biosynthèse des Brassinostéroïdes :
III–H– c- Effets physiologiques des brassinostéroïdes :
III–H– d- La perception et la transduction des brassinostéroïdes :
CHAPITRE IV - LES PHOTORECEPTEURS CHEZ LES VEGETAUX
IV–A - INTRODUCTION :
IV–B – LE PHYTOCHROME :
IV–B1– Découverte du phytochrome :
IV–B2– Généralisation des résultats : Universalité du Phytochrome – Diversité des
effets :
IV–B3 –Méthodes d’étude du phytochrome :
IV–B4 –Structure du phytochrome :
IV–B5 - Photoréversibilité
IV–B6 –Propriétés du phytochrome « in vivo » :
IV–B7 –La multiplicité des phytochromes :
IV–B8 -Mécanismes d’action et chaîne de transduction du signal lumière :
IV–C- LES CRYPTOCHROMES :
IV–D-LES PHOTOTROPINES :
CHAPITRE V - LE DEVELOPPEMENT VEGETATIF A L’ECHELLE
DE LA PLANTE ENTIERE
V–A- LES CORRELATIONS DE CROISSANCE
V–A1 –Interactions système radiculaire –système aérien :
V–A2 –Les corrélations entre bourgeons – la dominance apicale :
V–A2- a–Mise en évidence :
V–A2- b- Mécanisme de la dominance apicale :
V–A2- c - Autres phénomènes influençant la forme, l’architecture des végétaux :
V–B- LA DORMANCE DES BOURGEONS UN EXEMPLE DE PERIODICITE
SAISONNIERE :
V–B- a- Notion de vie ralentie et de vie active
V–B– b- Les deux types de vie ralentie :
V–B– c- La dormance des bourgeons :
V–B– c-1- Signification biologique de la dormance en relation avec
l’adaptation aux conditions de vie défavorables :
V–B– c-2- L’entrée en dormance :
V–B– c-3- La levée de dormance :
V–B– c-4- Contrôle hormonal de la dormance :
V–B– c-5- Variabilité de la profondeur des dormances :
CHAPITRE VI : LES PRINCIPALES ETAPES DU CYCLE DE
DEVELOPPEMENT
VI – A – PHYSIOLOGIE DE LA GERMINATION :
VI-A1- Introduction – Problème de terminologie concernant la germination :
VI-A2- Conditions de formation et viabilité des graines :
VI-A3- Aspects biochimiques de la germination
VI-A4- Aspects Physiologiques de la germination :
VI-A5- L’industrie des semences en France :
VI-A6- La graine organe cible pour les transformations génétiques :
VI-B- PHYSIOLOGIE DE LA FLORAISON
VI-B1- Conditions de la floraison :
VI-B2- La Vernalisation :
VI-B2- a- Mise en évidence :
VI-B2- b- Classification des espèces :
VI-B2- c- Caractéristiques du phénomène de vernalisation :
VI-B2- d- Mécanisme hypothétique de la vernalisation :
VI-B3- Le photopériodisme : Exigences photopériodiques :
VI-B3- a- Mise en évidence de l’influence de la photopériode sur l’initiation
florale :
VI-B3- b- Classement des espèces suivant leurs exigences photopériodiques :
VI-B3- c- Etudes physiologiques des mécanismes induisant la floraison en
réponse à la photopériode
VI-B3- d- Intervention du phytochrome et d’autres photorécepteurs dans
le contrôle de la floraison – problème de la mesure du temps
VI-B3- e- Photopériodisme et répartitions des espèces :
VI-B3- f- Aspects moléculaires de la différenciation florale :
VI-C- PHYSIOLOGIE DE LA SENESCENCE
VI-C1- Modalités de la sénescence selon les types de végétaux :
VI-C2- Modifications liées à la sénescence :
VI-C3- Les causes de la sénescence
VI-C4- La sénescence foliaire une étape de remobilisation des éléments
nutritifs pour le remplissage des graines.
VI-C5- Approches Biotechnologiques visant à différer la sénescence :
VI-C6 – L’abcission :
VI-C6- a- Description du phénomène :
VI-C6- b- Mécanismes :
CHAPITRE I : INTRODUCTION GENERALE
Ce cours porte sur les mécanismes et les facteurs influençant le développement des végétaux,
l’acquisition de leur taille, de leur forme et de leurs fonctions.
Notre anthropomorphisme conduit souvent à considérer ces problèmes comme secondaires.
Cela se traduit par l’effort de recherche consacré aux organismes animaux qui est 10 à 20 fois
plus élevé que celui consacré aux plantes. Il est vrai que le débouché dans le cas de la biologie
animale est la santé et la longévité humaine.
Pourtant les plantes, producteurs primaires dans la biosphère, sont la source directement ou
indirectement de nos aliments, matériaux, sources d’énergie, substances thérapeutiques et sont
indispensable au fonctionnement des écosystèmes.
Toutes ces propriétés sont liées à l’autotrophie des végétaux par rapport au carbone à travers
la photosynthèse, à l’émission d’oxygène qui en résulte et à l’extraordinaire potentiel de
synthèse chimique des plantes conduisant à des molécules très diversifiées.
L’évolution qui a conduit aux 240 000 espèces de plantes à fleurs actuellement recensées,
s’est accompagné de différentes stratégies adaptatives aux plans morphologiques et
biochimiques et aux plans de tolérance ou de lutte contre les stress biotiques et abiotiques.
Ces stratégies très efficaces indispensables pour un organisme immobile comme la plante sont
de plus en plus décryptées dans le cadre de ce qu’on appelle parfois l’écologie biochimique
pour ce qui est des interactions avec les facteurs biotiques.
Ces aspects adaptatifs peuvent être illustrés ici de façon simple à 2 niveaux
1. le rôle de polymères dans l’acquisition du port dressé des végétaux (lignines) et de
l’homéohydrie (cutine).
Les lignines polymères phénoliques déposées dans les parois qui sont apparues chez
les plantes vasculaires il y a 350 millions d’années ont conféré aux cellules végétales
une rigidité compatible avec le développement de végétaux de grande taille et
secondairement un système vasculaire (passage des bryophytes aux ptéridophytes).
La cutine revêtement de surface des feuilles de nature lipidique empêchant
l’évaporation de l’eau a contribué au maintien contrôlé de l’état hydrique des tissus,
les échanges ne se produisant plus de façon extrêmement régulée qu’au niveau des
stomates.
2. la production par les plantes de substances attractives ou répulsives vis-à-vis des
insectes selon des stratégies sophistiquées faisant même intervenir des
communications chimiques entre plantes.
Toutes ces adaptations font des plantes terrestres un grand succès évolutif puisqu’elles ont
colonisé toutes les latitudes sous tous les climats.
Dans ce contexte évolutif il faut souligner que la photosynthèse est un événement ancien (3
milliard d’années chez les bactéries procaryotes) par rapport à l’invasion par les plantes du
milieu terrestre 400 millions d’années.
D’une façon générale, la plante dispose d’une panoplie de différentes variantes de
programmes d’expression génétique. Elle se développe dans un environnement fluctuant et
agressif. Face à chaque type de contraintes la plante est capable de sélectionner dans cet
ensemble des programmes génétiques de rechange dont la réalisation permet une meilleure
adaptation aux nouvelles conditions.
Cette aptitude à utiliser des signaux environnementaux pour piloter l’expression du génome
est une spécialité du monde végétal connue sous le nom plasticité phénotypique.
La biologie du développement chez les plantes en différentes étapes :
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
émergence de la discipline 1870 Julius Sachs
1870-1970 Approche corrélative relevant de la physiologie traditionnelle
1970-2000 Approche mécanistique impliquant de façon croissante la biochimie, la
biologie et la génétique moléculaire
2000Approches intégrées exploitant les données de la génomique (microarray, high
throughput biology)
Les conclusions de ce dernier type d’études démontrent l’existence de réseaux d’interactions
extrêmement complexes entre les gènes et leurs produits d’expression pour le contrôle du
développement.
Les démarches mécanistiques et intégrées font appel aux techniques suivantes :
= clonage et identification de gènes
= expression spatio-temporelle des gènes
= expression hétérologues des gènes et production de protéines
recombinantes pour l’étude des relations structure/fonction
= obtention de mutants, de plantes transgéniques
= phénotypage par techniques biochimiques et physiologiques
= étude des réactions croisées entre gènes (cross-talk) et de l’expression
globale du génome.
En Biologie du développement des plantes malgré des projets rapides de nombreux
mécanismes restent mal compris ou seulement en partie expliqués, le déterminisme de la
floraison par exemple.
Comment expliquer ces insuffisances, ces retards qui vous apparaîtrons parfois décevants.
1. les végétaux que nous allons considérer sont des pluricellulaires donc présentent un
fonctionnement beaucoup plus complexe que des bactéries ou des unicellulaires
(relations transport entre cellules).
2. les végétaux ont par rapport aux animaux un fonctionnement parfois plus complexes et
surtout au niveau du rôle de l’environnement sur la physiologie. L’intégration des
fluctuations de l’environnement représente ainsi une dimension supplémentaire
particulièrement complexe.
3. l’effort de recherche sur le fonctionnement des végétaux est récent et quantitativement
est beaucoup moins important que celui consacré à l’étude du fonctionnement des
animaux comme cela a été dit plus haut.
Les retombées pratiques des études de Biologie du développement.
L’amélioration des rendements et de la productivité agricole est classiquement due pour
l’essentiel à 3 facteurs :
ƒ
l’amélioration génétique
ƒ
ƒ
les engrais
les pesticides
Dans un contexte de développement durable et d’agriculture raisonnée ou la réduction des
« intrants » devient maintenant une obligation, la progression des connaissances en Biologie
du développement autorise des avancées dans des domaines associés à l’amélioration
génétique ou des domaines associés à la production :
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
identification des gènes utilisés pour la sélection génétique ou la
transgénèse
maîtrise de la culture « in vitro »
régulateurs de croissance utilisés en agriculture inspirés des effets des
hormones naturelles
meilleure exploitation des facteurs du milieu dans le cadre des cultures
en serres ou enceintes climatiques.
Retombées pratiques d’une meilleure connaissance du déterminisme et
contrôle des étapes du développement germination, floraison,
sénescence.
Définitions
Le terme de développement tel que nous l’utiliserons représentera l’ensemble des
modifications d’ordre quantitatif et qualitatif qui se déroulent au cours de la vie de la plante.
En effet lorsque l’on examine un organisme végétal en fonction du temps on peut observer
des différences à chaque examen.
En considérant uniquement les variations irréversibles (une plante peut passer d’un état de
flétrissement à un état turgescent il s’agit alors d’une modification réversible), celles-ci
peuvent être d’ordre quantitatif. Elles correspondent alors à la croissance. Une tige pourra être
plus haute, un tronc plus épais, etc… On définit la croissance d’un organisme comme
l’augmentation irréversible de ses dimensions (hauteur, diamètre, longueur) ou d’une
grandeur liée à une de ses dimensions (masse, volume, surface…). Grossièrement la
croissance est un accroissement de taille il s’agit d’une variation toujours mesurable.
Les modifications observées peuvent également être d’ordre qualitatif on parle alors de
différenciation. Ces modifications se traduisent par l’acquisition de propriétés nouvelles
morphologiques ou fonctionnelles à l’échelon cellulaire ou de l’organe qui faut parfois
franchir au végétal une étape bien particulière de sa vie (ex : la floraison).
La différenciation peut être considéré comme un accroissement en complexité, pas toujours
mesurable mais décelable.
Le fait de rassembler croissance et différenciation sous le terme de développement comprend
plusieurs avantages.
‘ Cela correspond au sens commun de développement, se développer
(s’accroître mais
se transformer)
‘ On retrouve cette idée dans l’expression cycle de développement
On regroupe sous un seul terme 2 types de phénomènes qui se déroulent le plus souvent
simultanément.
Un autre terme plus rarement utilisé est
Morphogénèse (parfois synonyme de
développement) qui au sens éthymologique signifie acquisition de la forme. Le terme a été
souvent retenu dans l’expression photomorphogénèse.
Ce cours considérera les problèmes de développement chez les spermatophytes ou plantes à
graines et plus particulièrement chez les angiospermes qui représentent la grande majorité des
plantes cultivées.
La vie d’une angiosperme qui débute avec la germination d’une graine par exemple peut se
dérouler selon des modalités qui sont parfois très différentes dans le temps (quelques mois à
nombreuses années) ou dans l’espace (la taille et la forme peuvent être différentes), mais dans
tous les cas la plante vise à atteindre l’état reproducteur, c'est-à-dire à assurer la perpétuation
de l’espèce, par la production des fleurs, puis de fruits et de graines.
Les agriculteurs, horticulteurs parlent du temps où les conditions nécessaires pour mener une
plante de graine à graine. Cette idée de boucle fermée se retrouve dans la notion de cycle de
développement c'est-à-dire la succession des différentes étapes de la vie d’une plante qui dans
le cas le plus simple des espèces monocarpiques annuelles se déroule au cours d’une même
année (quelques mois).
CHAPITRE II - LE DEVELOPPEMENT VEGETAL :
CROISSANCE ET DIFFERENCIATION
Le développement d’une plante c'est-à-dire l’acquisition de sa taille de sa forme et de son
architecture finale résulte d’une série d’événements élémentaires qui schématiquement
correspondent comme nous l’avons dit :
ƒ
ƒ
A la croissance de l’individu : une augmentation irréversible de la taille et de sa
masse.
A sa différenciation : une augmentation de complexité et une diversification des types
cellulaires.
II – A - LA CROISSANCE :
II-A1- Les deux composantes de la croissance :
La croissance des végétaux supérieurs provient au niveau cellulaire à la fois
D’une augmentation du nombre de cellules (croissance par mérèsis de
méristein : partager)
D’un agrandissement de cellules préexistantes (croissance par auxésis de
anxein : croître)
ƒ
ƒ
Les deux phénomènes ne se produisent pas dans les mêmes territoires de l’individu et
interviennent simultanément ou séquentiellement.
II-A1-a- La division cellulaire :
Elle comprend :
ƒ
ƒ
La caryokinèse ou mitose (formation de 2 noyaux)
La cytokinèse qui correspond à la séparation de 2 cellules filles suite à la
formation d’une paroi.
Nous parlerons ici uniquement de la cytokinèse, la mitose étant classiquement bien connue.
La cytokinèse suit généralement la mitose mais dans certains cas peut être décalée dans le
temps. On peut avoir également plusieurs divisions du noyau sans formation de nouvelles
parois. On aboutit alors à des structures coenocytiques (comme l’albumen des graines),
cependant transitoires car un cloisonnement intervient secondairement.
Le premier événement de la cytokinèse consiste en l’agrégation de vésicules provenant du RE
et de l’appareil de Golgi autour du reste du fuseau achromatique (le phragmoplaste) pour
constituer la plaque cellulaire qui s’étend de façon centrifuge (à la différence des animaux ou
la division cellulaire résulte d’un pincement de la cellule par un anneau contractile). Les
vésicules fusionnées vont donner les 2 membranes plasmiques des 2 cellules filles et à
l’extérieur vont se mettre en place les nouvelles parois et la lamelle moyenne.
Des interruptions dans la plaque cellulaire vont permettre la formation de plasmodesmes
éléments de communication entre cellules. Les plasmodesmes représentent des structures
intéressantes qui ont été bien étudiées au cours des dernières années. Le cylindre membranaire
associant 2 cellules est appelé desmotubule il est en continuité avec les membranes
plasmiques et laisse passer l’eau et les substances dissoutes. Des études avec des sondes
fluorescentes non perméantes à travers les membranes ont montré qu’une limite d’exclusion
de 1 Kda caractérisait les plasmodesmes. Cependant, au-delà d’un transport passif, un
transport actif sélectif de certaines protéines intervient à travers le desmotubule (facteur de
transcription, protéines de mouvement des virus..). En réponse à certains stress (blessures) un
dépôt de callose intervient pour « boucher » le plasmodesme et éviter des fuites du contenu
cellulaire.
Par ailleurs, certaines cellules dont le fonctionnement exige un isolement et une étanchéité ne
possédent pas de plasmodesmes (cas des cellules de garde des stomates qui ne communiquent
pas avec les cellules épidermiques voisines).
Enfin si pour l’essentiel des plasmodesmes primaires sont mis en place au niveau de la plaque
cellulaire lors de la division cellulaire, des plasmodesmes secondaires peuvent être formés
dans des situations particulières (greffes entre tissus).
D’une façon générale, la circulation de l’eau, des substances dissoutes et des macromolécules
se réalise chez les plantes dans deux espaces :
ƒ
ƒ
Le symplaste qui correspond à l’ensemble des cytoplasmes en communication
via les plasmodesmes
L’apoplaste qui correspond au réseau de parois en contact les unes avec les
autres
Les plasmodesmes sont importants car ils permettent dans un système pluricellulaire végétal
la transmission de métabolites et stimulus hormonaux d’une cellule à une autre, le
plasmalemme procurant cependant une isolement suffisant pour assurer un devenir
relativement indépendant de chaque cellule.
Le processus de division cellulaire ne modifie pas la structure générale des cellules filles qui
demeurent isodiamétriques de petite taille 10-20µ de côté avec un fort rapport nucléocytoplasmique et une vacuole de petite taille. Après chaque division la taille de la cellule
s’accroît pour atteindre celle de la cellule mère avec une synthèse nouvelle de matériaux des
parois et du cytoplasme.
Si la cytokinèse présente de nombreuses particularités chez l’organisme végétal on observe de
grandes analogies dans les mécanismes de la mitose au niveau des différents règnes. Des
études approfondies sur le cycle cellulaire chez les végétaux ont montré l’existence des
déterminants communs dans le contrôle du cycle cellulaire (en particulier de protéines
Kinases).
L’utilisation de systèmes de cultures cellulaires en suspension, où les divisions sont
synchronisées (apport d’hormones, température, blocage du cycle par un inhibiteur suivi de
son élimination) est largement exploitée pour étudier les événements moléculaires associés à
la cytokinèse.
De nombreux composés déterminent un dérèglement de la mitose chez les végétaux.
ƒ Agents mitodépresseurs bloquent la prophase
ƒ Agents mitoclassiques : inhibent le fonctionnement du fuseau achromatique et
entraînent le doublement du stock chromosomique, sans séparation des 2
noyaux, ex : colchicine, alcaloïde de colchicum autumnale, vinblastine
alcaloïde de catharanthus, c’est le cas également d’un herbicide : la trifluraline.
Le clivage des chromosomes s’opère mais leur répartition en deux lots équivalents est rendue
impossible par l’absence de fuseau : le noyau devient polyploïde. Ces agents mitoclassiques
se combinent fréquemment avec la tubuline et empêchent sa polymérisation.
L’utilisation de substances mitoclassiques a été envisagée par les généticiens pour créer des
races tétraploïdes d’intérêt agricole (Betterave) ou horticole (œillets).
Si on traite de jeunes bourgeons par des solutions de colchicine les mitoses en cours sont
bloquées et des noyaux tétraploïdes se forment. Ces noyaux peuvent se diviser normalement
après le traitement et s’ils sont nombreux dans le méristème, la tige qui est construite par la
prolifération des cellules méristèmatiques peut être entièrement tétraploïde.
Au niveau des techniques de culture « in vitro » il s’agit d’un moyen de passer de l’état
haploïde à l’état diploïde : c’est l’haplodiploïdisation des plantes haploïdes obtenues par
culture d’anthères ou d’ovules. Cette technique est utilisée en pratique par les semenciers en
vue d’obtenir plus rapidement des lignées pures (cf cours de Biotechnologie végétale).
II-A1-b- Grandissement cellulaire :
Evénements cytologiques : Le grandissement des cellules peut être très important. Il est par
exemple fréquent qu’une cellule de parenchyme palissadique voit son volume multiplié par
200 par rapport à la cellule initiale dont elle dérive.
Comme l’accroissement en longueur est souvent beaucoup plus important que l’accroissement
en largeur on parle souvent d’élongation cellulaire (l’accroissement en longueur peut être de
100 alors que l’ accroissement en largeur seulement de 2 à 5).
La cause de ce grandissement est essentiellement une arrivée importante d’eau dans la cellule
qui se traduit par la formation de plusieurs vacuoles qui fusionnent pour donner une grande
vacuole (80-90 % du volume de la cellule). La paroi de la cellule doit devenir suffisamment
extensible pour permettre cette entrée d’eau qui se fait par osmose.
Evénements biochimiques : Lors de l’accroissement de volume la paroi cellulaire ne devient
pas plus mince on n’assiste pas un simple étirement, la paroi conserve son épaisseur. Ces
phénomènes impliquent un remaniement de structure de la paroi et une synthèse active des
polysaccharides qui la constituent.
En dehors de cette entrée d’eau et de cette synthèse d’éléments des parois, il y a également
une synthèse de petites molécules pour maintenir constante la concentration en solutés des
liquides intracellulaires (acides aminés, oses, sels minéraux), synthèse de macromolécules
constitutives du cytoplasme (protéines – acides ribonucléiques) on constate également une
augmentation du nombre d’organites (mitochondries, chloroplastes, dictyosomes, ribosomes).
Ainsi, même si le cytoplasme ne constitue, généralement pour la cellule ayant atteint sa taille
maximale, qu’une zone étroite entre la vacuole et la paroi il y a une synthèse active de
constituants cytoplasmiques au cours du grandissement cellulaire.
En conclusion il faut souligner que :
En opposition aux cellules animales pour lesquelles la migration des cellules après leur
formation est un important aspect du développement, les cellules végétales ne migrent pas et
conservent leur position relative toute leur vie.
La morphogénèse de la plante est donc pour une importante proportion dépendante d’un
contrôle spatial et temporel précis de la division cellulaire et de l’expansion cellulaire.
II –A 2 -Relations entre croissance et métabolisme (besoin énergétiques et en
matériaux de base)
Toute croissance s’accompagne de synthèses nouvelles qui exigent de l’énergie et des
molécules élémentaires, la croissance ne pourra donc se dérouler qu’associée à un
métabolisme actif.
Cette énergie et ces molécules proviennent de la photosynthèse pour les organes autotrophes
ou de l’utilisation de réserves lors des premières phases du développement (germination) ou
d’un développement à l’obscurité (réserves des tubercules, bulbes)
II –A 2-a- Besoins en molécules de base :
Qu’il s’agisse de division ou d’élongation cellulaire on retrouve sur un plan biochimique la
synthèse de polysaccharides constitutifs des parois végétales.
Les végétaux possèdent une paroi primaire présente dans toutes les cellules et qui est la seule
concernée dans les phénomènes de croissance et une paroi secondaire qui vient s’ajouter à
l’intérieur de la précédente à la fin du grandissement de la cellule.
La paroi primaire est constituée essentiellement de molécules polysaccharidiques.
‘ Cellulose – enchaînement linéaire d’unités glucose liaison ß₁-₄
‘ Hémicelluloses –hétéroglycanes – associations de divers oses (glucose, xylose,
galactose)
‘ Composés pectiques – lamelle moyenne et paroi primaire (ac. Galacturonique
et glucuronique + divers oses)
‘ En plus faible proportion la paroi renferme de nombreuses protéines : protéines
structurales = extensine, protéines fonctionnelles = péroxydase…
Au-delà des composants de la paroi on assiste à d’autres synthèses :
ƒ
ƒ
Synthèse des protéines enzymatiques et structurales
Synthèse d’acides nucléiques DNA et RNA dans le cas de la division cellulaire
RNA dans le cas du grandissement cellulaire.
Toutes ces synthèses exigent donc des unités de base (oses, ac. aminés, bases puriques et
pyrimidiques) qui proviennent de la photosynthèse et de la respiration.
II –A 2-b Besoins énergétiques :
•
Dans la synthèse des polysaccharides et des protéines les unités monomères
sont initialement activées ex : aminoacylAMP, GDP glucose avec
consommation d’ATP ou d’autres donneurs de groupements phosphates (GTP).
Pour la synthèse d’acides nucléiques les nucléotides phosphatés ou
désoxynucléotides sont à la fois donneurs d’énergie et d’unités de base.
La croissance exige donc une fourniture d’énergie importante qui est confirmée par le fait que
la respiration est particulièrement importante dans les tissus en croissance par élongation. Par
ailleurs, la charge énergétique (paramètre utilisé) pour mesurer l’état énergétique d’un tissu ou
d’un organe, doit dépasser une certaine valeur (80 %) pour que la croissance se produise.
II-A3-Mesure de la croissance :
II-A3- a-La croissance de l’organisme ou d’un organe :
En fonction de la définition que nous avons donné de la croissance différents critères de
mesure liés à une dimension linéaire apparaissent utilisables.
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Hauteur (tige)
Diamètre (tronc)
Surface (feuille)
Volume (fruit)
Masse fraîche ou sèche
Constituant cytoplasmique comme protéine
On procède donc à des mesures à des temps échelonnés et on apprécie l’augmentation du
critère considéré.
Les méthodes retenant la mesure des dimensions présentent l’avantage de ne pas être
destructives et donc de pouvoir être répétées sur le même individu.
Le critère masse fraîche est à considérer avec réserve étant donné les fluctuations des entrées
d’eau dans la plante.
La mesure des teneurs en protéine est longue destructive mais reflète bien la croissance
active.
II-A3- b- Mesure des composantes individuelles de la croissance sur l’ organe
donné
La division cellulaire peut être apprécié par numération cellulaire, après dissociation et
comptage des cellules :
Quantité de DNA : Une autre manière d’apprécier la division cellulaire réside dans le dosage
du DNA. La quantité de DNA est en principe proportionnelle au nombre de cellules mais la
relation est en fait souvent perturbée en raison de la polyploïdie de certaines cellules végétales
(en particulier à la suite du phénomène d’endomitose = division des chromosomes sans
séparation en deux noyaux).
ƒ
Le grandissement cellulaire :
Il peut être apprécié par des observations microscopiques ou par des mesures de volume
cellulaire : connaissant le volume total d’un échantillon (fragment de tissu) et le nombre de
cellules par échantillon on peut obtenir le volume cellulaire moyen.
Les déterminations indépendantes des deux composantes de la croissance sont utilisées pour
situer dans l’espace et le temps les deux phénomènes mais aussi pour apprécier l’effet de
traitements ou de substances chimiques (hormones) retardant de croissance sur ces
phénomènes considérés individuellement.
Chez les animaux l’embryon est une version miniaturisée de l’organisme adulte puisqu’il
possède la plupart des organes et tissus sous une forme simplifiée qui subiront seulement une
augmentation de taille et une maturation lors du développement post-embryonnaire.
Chez les végétaux la morphogenèse se poursuit pendant toutes les phases de la vie de la plante
et l’embryon très rudimentaire ne présage pas de la taille, forme et organisation de la plante
adulte.
Cet embryon est en fait très comparable d’une espèce à l’autre même si la taille finale des
individus est très différente.
Le développement post-embryonnaire est donc très important chez les végétaux, il assure la
complexification de l’organisme et se révèle flexible en fonction des conditions
d’environnement. Il dépend de petits massifs de cellules indifférenciées qui conservent une
capacité à se diviser, les méristèmes et qui sont responsables de la formation des cellules à
l’origine de l’édification de la plante adulte.
Il existe différents types de méristèmes mais le mieux connu et le plus important est le
méristème apical caulinaire qui produit des tiges, des feuilles, contrôle la disposition spatiale
des feuilles et des bourgeons sur la tige (phyllotaxie – le temps qui sépare l’apparition de deux
feuilles successives sur la tige est le plastochrome).
Les autres méristèmes qui assurent la croissance en longueur de la plante sont pour la partie
aérienne les méristèmes axillaire et les méristèmes adventifs et pour la partie souterraine les
méristèmes racinaires.
Les méristèmes axillaires sont issus du méristème caulinaire et sont situés à l’aisselle des
feuilles. Ils sont souvent au repos (dominance apicale) et constituent pour la plante une
réserve de méristèmes en cas de blessure, décapitation, du méristème apical.
Les méristèmes adventifs correspondent à des néoformations résultant d’une phase de
dédifférenciation puis de redifférenciation de tissu déjà différenciés (limbe foliaire). Ils
peuvent se mettre en place spontanément sur certains tissus de plantes intactes phénomène
d’épiphyllie sur les feuilles de Kalanchoé mais sont plus fréquents en réponse à des blessures
ou lors de la culture in vitro de végétaux où ils représentent une voie de régénération de tissus
déjà différenciés. On a pu induire la formation de méristème axillaire ou le phénomène
d’épiphyllie par transformation génétique du tabac avec le gène IPT (synthèse de
Cytokinines) ou le gène Kn1 impliqué dans le fonctionnement du méristème.
Les méristèmes racinaires assurent seulement une production de nouvelles cellules et une
élongation de la racine sans production de nouveaux organes à la différence des méristèmes
caulinaires. Les méristèmes racinaires latéraux ne sont pas issus du méristème apical racinaire
mais d’une différenciation de tissus déjà en place.
Au-delà, une deuxième catégorie de méristème à propriétés complètement différentes assure
la croissance en épaisseur en particulier des espèces pérennes et des arbres ce sont les
méristèmes latéraux ou cambium, anneaux de quelques cellules d’épaisseur à l’intérieur des
tiges et des troncs. Les cellules issues de ces méristèmes se différencient en phloème à
l’extérieur et en xylème à l’intérieur de l’axe vertical.
Ces cambium comprennent deux types cellulaires :
1. longues cellules à l’origine des vaisseaux et des fibres du bois ce sont les
initiales fusiformes
2. cellules de type isodiamètrique à l’origine des rayons ligneux (parenchyme
ligneux du bois) : initiales radiales.
Les méristèmes apicaux caulinaires sont organogènes ils engendrent des tiges et des feuilles
puis des fleurs lors de la transition méristème végétatif – méristème floral.
Les méristèmes latéraux sont seulement histogènes ils produisent de nouveaux tissus.
Structure, fonctionnement, caractéristiques du méristème apical caulinaire
Le méristème se situe à l’apex des tiges et comprend différents zones qui se distinguent selon
la structure des cellules et surtout leur devenir. D’une manière générale, les cellules
méristèmatiques sont de petites tailles, cubiques, avec un fort rapport nucléo-cytoplasmique et
peu ou pas de vacuoles.
•
•
•
Zone centrale : cellules relativement grandes, avec quelques vacuoles se divisant
moins que les cellules de la zone périphérique, maintiennent une population de
cellules indéterminées
Zone périphérique : cellules plus petites se divisant rapidement et conduisant à la
formation de primordia foliaires
Zone support ou (rib. zone) à la base du méristème fournissent les tissus de la tige.
Une autre distinction au sein du méristème correspond aux appellations :
‘ tunica pour les cellules de la couche extérieures du méristème qui se divisent de façon
perpendiculaire à la surface (divisions anticlinales) de façon à accroître la surface du
méristème
‘ corpus pour les cellules des couches intérieures du méristème qui se divisent de façon
parallèle à la surface (divisions périclinales)
l’émergence d’un primordium foliaire correspond à un changement dans 1 plan de division au
niveau tunica
anticlinal
périclinal
indication d’un nouveau primordium
avec
formation
d’une
protubérance
première
Fonctionnement des méristèmes à l’échelle moléculaire
Les résultats ont été essentiellement obtenus à la suite d’analyse de mutants (principalement
chez A. Thaliana) affectés dans le fonctionnement du méristème.
Plusieurs des gènes ainsi identifiés ont la particularité de coder des protéines à
homéodomaines qui contiennent une séquence de 61 ac. Aminés très conservée et se
retrouvent chez les mammifères impliqués dans le contrôle du développement. Les gènes
renferment une séquence conservée de 180 bp appelée homebox on retrouvera l’intervention
de ce type de gène dans le contrôle de la floraison.
Exemples de gène :
‘ Stm (shoot meristem less) mutant incapable de conserver son méristème
‘ Knotted 1 (Kn1). Chez le mutant on empêche la formation du méristème,
localisé par hybridation « in situ » dans la zone centrale. Le gène code pour un
facteur de transcription jouant un rôle de répresseur de différenciation
‘ Clavata. Le mutant présente 1 méristème anormalement grand (mille fois la
taille du méristème normal) avec une augmentation du nombre de feuilles.
Clavata serait donc un répresseur du développement du méristème.
D’autres gènes peuvent être cités comme MGOUN impliqué dans la formation
des primordia foliaires la mutation réduit leur nombre ou CUC impliqué dans
la séparation des organes son extinction entraîne la fusion des organes floraux.
Un travail intéressant (2003) a été publié par le groupe de Sarah Hake ; il
concerne le gène BREVIPEDICELLUS un gène à homebox de la famille de
Kn1(Knox genes).
Ce gène a été démontré agir comme un répresseur de la lignification processus
de différenciation cellulaire très marqué, antagoniste du maintien de la cellule
méristèmatique indifférenciée.
Le fonctionnement du méristème implique donc un ensemble de gènes
activateurs et répresseurs en interactions complexes. Ce problème est
maintenant de comprendre comment ces informations sont intégrées au sein du
méristème qui doit répondre à une double exigence
ƒ
ƒ
s’autoentretenir
évoluer dynamiquement mais de façon régulée avec la production de primordia
foliaire
L’existence de domaines à l’intérieur du méristème suggère des fonctionnements spécifiques,
les cellules de l’ensemble du méristème étant en contact à travers les plasmodesmes et
l’expression de gènes en interactions conduisant finalement à des profils hormonaux
spécifiques de sous ensembles du méristème.
Au total on doit souligner que chez la plante la croissance est continue grâce au
fonctionnement des méristèmes (croissance indéterminée). Elle ne s’arrête qu’avec la
floraison chez les monocarpiques ou chez les espèces pérennes ligneuses à la mort de
l’individu après des dizaines ou des centaines d’années.
II-A4 –b- Dans l’espace : les zones d’élongation
Elongation : les zones d’élongation sont souvent nettement différenciées des zones de
multiplication. C’est le cas classique de la croissance des racines pour lesquelles la zone
d’élongation sous méristématique est facilement reconnaissable. Chez les tiges l’élongation se
fait au niveau des entre-nœuds (nœud : niveau d’insertion des feuilles sur la tige).
En revanche, chez les feuilles et les fruits les zones d’auxésis et de mérésis sont beaucoup
plus mal délimitées et leur localisation varie avec les espèces.
Organes à croissance définie – organes à croissance indéfinie : En raison de l’existence
des méristèmes apicaux et latéraux les tiges et les racines ont une croissance dite indéfinie.
Ce terme est peut être un peu exagéré mais il est retenu pour opposer cette croissance à la
croissance définie des feuilles, des fruits et des fleurs. Pour ces derniers organes la croissance
se poursuit pendant une certaine durée puis cesse. Si au départ l’organe est initié à partir de
cellules méristématiques, les zones méristématiques disparaissent, seul le grandissement
cellulaire permet la croissance puis l’organe atteint sa taille définitive. En revanche, les tiges
et les racines ont une croissance limitée par la mort de la plante mais potentiellement
indéfinie. Des extrémités de racine de tomates sont conservées en culture stérile depuis plus
de 40 ans et continuent à se diviser (repiquage hebdomadaire). Une branche d’arbre (Saule)
espèce particulièrement apte au bouturage prélevée sur un arbre de plusieurs dizaine d’années,
mise en terre, donnera un arbre identique au précédent. Ces exemples tendent à justifier
l’expression « croissance indéfinie » et à démontrer l’immortalité des méristèmes.
II-A4-c- Localisation de la croissance dans le temps :
•
Localisation dans le cycle de développement de la plante :
Plantes annuelle : Si l’on considère le cycle complet depuis l’œuf
jusqu’à la fructification on peut distinguer :
o Une phase active de croissance qui conduit de l’œuf à
l’embryon, c’est l’embryogénèse. Nous étudierons plus
tard cette phase qui est mal connue, l’embryon en raison
de sa taille et de sa position à l’intérieur de la graine
n’ayant pas servi de modèle pour l’étude de la
croissance.
o Après cette embryogénèse la croissance peut être
interrompue pendant des délais très variables parfois
plusieurs années. Elle reprendra avec la germination
phase de croissance très active. La croissance se ralentit
ensuite. Elle peut reprendre de façon spectaculaire lors
de la formation du fruit. – Corrélative de la formation de
l’embryon.
•
Séparation temporelle des phases de division et d’élongation
Dans de nombreux organes en particulier les feuilles, les fruits, la séparation
entre division cellulaire et élongation cellulaire est plutôt temporelle que
spatiale.
Ce comportement est fréquent dans de nombreux fruits (concombre, tomates)
mais n’est pas universel. Un exemple à retenir est celui du coléoptile d’avoine.
Si on fait germer à l’obscurité des caryopses de graminées, on observe autour
des premières feuilles une graine : le coléoptile capable d’atteindre 4 à 5 cm en
quelques jours. Tant que sa longueur n’excède pas 1 cm sa croissance se réalise
uniquement par allongement des cellules déjà formées. C’est au cours de cette
phase de croissance uniquement par grandissement que l’on utilise le coléoptile
comme matériel d’étude dans les recherches sur l’auxine (action sur une seule
composante), un autre exemple de séparation temporelle est représenté par la
croissance du spadice d’Arum maculatum (voir figure).
II-A5- Cinétique de la croissance – Vitesse de croissance :
Les différentes méthodes de mesure de la croissance que nous avons examinées ont permis
d’accumuler de nombreuses informations sur la cinétique de la croissance et les vitesses de
croissance.
Quelle que soit la méthode et l’organe étudié les courbes donnant l’évolution du critère retenu
(masse, longueur, etc…) en fonction du temps ont une grande analogie. Ce sont des courbes
dont l’allure générale est toujours une sigmoïde (courbe en S).
II-A6- Vitesse de croissance
La vitesse de croissance d’une espèce est bien sûr dépendante des conditions nutritives,
climatiques mais dans des conditions comparables les différentes espèces présentent des
vitesses de croissance plus ou moins rapides
ƒ
ƒ
Bambou
Maïs
60 cm/24h
13 cm/24h
Ces valeurs sont des valeurs extrêmes mais de nombreuses espèces ont pendant la période
active de croissance des vitesses d’allongement des tiges de 1 à 4 cm/24h.
II-A6 – a- Relation avec l’efficacité photosynthétique :
Ces caractéristiques de croissance sont liées à des potentiels génétiques différents, cependant
d’une manière générale, on a pu montrer une relation entre vitesse de croissance et efficacité
de la photosynthèse.
•
La vitesse d’assimilation nette = vitesse d’accroissement de masse sèche par unité de
surface foliaire est un reflet direct des capacités photosynthétiques. Il y a toujours
correspondance entre cette valeur et la vitesse relative de croissance.
Taux d’assimilation
CO2 g/m²/semaine
Vitesse relative de
croissance mg/g/semaine
Herbacées
Zea mays (C4)
Hordeum vulgare (C3)
152
68
2310
920
Feuilles caduques
Fraxinus excelsior
33
300
Feuilles persistantes
Pinus abies
20
58
On peut déduire de ce tableau que les herbacées ont généralement des vitesses relatives de
croissance plus élevées que les espèces arborescentes et les arbres à feuilles caduques un
meilleur rendement que les résineux. Parmi les herbacées les plantes les plus performantes sur
le plan photosynthétique ont la croissance la plus rapide. Ces comparaisons entre espèces C3
et C4 sont valables dans des conditions de culture identiques, il faut cependant penser que la
croissance végétale est comme d’autres phénomènes physiologiques soumise à la loi du
facteur limitant (eau, nutrition minérale).
II-A6 – b- Vitesse de croissance et choix des espèces cultivées :
Lorsque l’on examine la productivité des espèces cultivées deux cas sont à considérer :
ƒ Les végétaux dont on exploite l’appareil végétatif
ƒ Les végétaux dont on exploite l’appareil reproducteur (graines, fruits) en fait les
plus nombreux.
Dans le premier cas sylviculture, plantes annuelles : tabac, potagères…il faut donc privilégier
la croissance de l’appareil végétatif et rechercher des espèces à croissance rapide (Peuplier,
Eucalyptus).
Dans le 2ème cas un aspect très important réside dans la distribution des assimilats selon le
principe de la relation organe source (feuille) organe puit (fruits, graines), c’est à dire un
transfert des produits de la photosynthèse et de leurs dérivés des feuilles aux parties récoltées.
Comparaison portant sur différentes variétés de blé
Triticum boeticum (diploïde)
Triticum aestivum (hexaploïde)
Index de récolte (1)
33.8
49.3
Taux d’assimilation (2)
45.7
31.4
(1) index de récolte =poids sec grains / poids sec plante entière
(2) taux d’assimilation = mg CO2 fixe / dm² / heure
Avec une meilleure efficacité photosynthétique Triticum boeticum est moins productif que
Triticum aestivum une variété cultivée, car ce dernier présente une meilleure capacité à
orienter les photosynthétats vers les graines.
Les paramètres de sélection pourront donc porter sur la distribution des assimilats.
Par ailleurs si dans les cas précédents une croissance maximale est souhaitée dans d’autres
c’est au contraire une croissance lente qui est recherchée.
ƒ
ƒ
Certains arbres d’ornement
Arbres fruitiers (permettant une cueillette directe) chaque individu
produit moins mais la production à l’hectare est comparable.
II-A6 – c- Croissance végétale et associations symbiotiques :
La croissance des plantes cultivées est liée à la constitution génétique des espèces et au
conditions de milieu que vont conditionner la vitesse de croissance potentielle.
Il faut ici insister sur le fait que pour une constitution génétique donnée la nutrition carbonée
est rarement limitante mais la nutrition minérale (azote, éléments minéraux) et l’alimentation
en eau sont plus souvent les facteurs limitants.
L’agriculteur peut pallier les insuffisances du milieu par le biais de la fertilisation et de
l’irrigation qui peut régulariser les rendements en évitant les aléas de la sécheresse.
Des recherches importantes ont portés ces dernières années sur des associations symbiotiques
entre plantes et microorganismes qui naturellement facilitent la nutrition minérale des plantes,
il s’agit des associations :
+
Plantes bactéries
+
Plantes champignons
légumineuses – rhizobium
Alnus – frankia
champignons mycorhiziens
Ce dernier cas recouvre des associations entre champignons (Basidiomycètes et Ascomycètes)
et les racines de végétaux supérieurs on distingue
‘ les ectomycorhizes qui se développent à la surface des racines et concernent 10
% des plantes y compris les essences forestières les plus importantes
(Fagacées, Bétulacées, Salicacées, Abiétacées…)
‘ les endomycorhizes qui concernent 90 % des espèces végétales et se
développent à l’intérieur des racines.
La mycorhization stimule la croissance
•
•
en améliorant la nutrition minérale (phosphore, azote)
en protégeant les plantes contre les agents pathogènes par la production de
substances de type antibiotiques.
Le champignon bénéficie des excrétions racinaires de la plante au plan nutritif et facilite la
nutrition minérale en augmentant la surface de contact entre le sol et plante et en réalisant un
certain nombre de réaction chimiques intermédiaires facilitant l’absorption des éléments
minéraux.
CHAPITRE III : LES HORMONES VEGETALES
III-A -LES FACTEURS QUI CONTROLENT LE DEVELOPPEMENT ET LEURS
INTERACTIONS :
Le développement d’une plante ne se déroule pas au hasard mais à la fois de façon :
Ξ
Ξ
Ξ
Harmonieuse
Coordonnée
Reproductible
Harmonieuse : une plante est généralement équilibrée dans ses proportions , la taille relative
des différents organes est proportionnée le rapport surface aérienne / surfaces parties
souterraine demeure relativement constant.
Coordonnée : apparition séquentielle d’organes. Une semence lors de sa germination émet
d’abord une radicule qui pénètre dans le sol et fixe la jeune plantule qui va développer sa
partie aérienne. (les fleurs apparaissent après les feuilles)
Reproductible : pour une espèce donnée, si les conditions sont identiques les dimensions de
l’individu arrivé à maturité sont comparables, les périodes de floraison ou de fructification se
retrouvent à des époques comparables.
Le développement comprend une série d’événements au niveau cellulaire : division,
élongation, différenciation, mort cellulaire qui sont intégrés à l’échelle du tissu et de l’organe
via des interactions cellulaires générant en particulier des gradients morphogénétiques.
Le développement se déroule donc selon un plan propre à chaque espèce qui dans les
conditions normales correspond à la mise en place séquentielle de programmes génétiques de
développement se recouvrant partiellement. Par exemple, dans la floraison les gènes d’identité
du méristème floral comme « leafy » interviennent dans la conversion méristème végétatif –
méristème floral mas activent également l’activation des gènes d’identité d’organes floraux
intervenant plus rapidement.
Dans le cas du développement végétal l’environnement a un poids particulier, une très forte
influence sur le développement. Il s’agit des contrôle externes.
Contrôles externes
Les facteurs de l’environnement peuvent agir selon des effets que nous qualifierons de
trophiques en conditionnant l’intensité du métabolisme cellulaire (T°, lumière,etc…), parfois
selon des effets mécaniques (exemple vent).
Et enfin selon une 3ème catégorie d’effets beaucoup plus subtile que nous appellerons effets
signaux, une modification du milieu extérieur correspondant pour la plante à un signal qui va
influencer son développement.
Ces effets signaux peuvent faire intervenir les hormones comme intermédiaires ou agir après
avoir été enregistré au niveau de la plante par des récepteurs capable de percevoir ces signaux
et de les transformer en information utilisable par la plante.
Les photorécepteurs comme le phytochrome représentent un exemple typique de perception
de l’environnement lumineux et de contrôle de développement.
Les contrôles internes :
Ils sont directement liés à la constitution génétique des individus, à leur génome qui contient
une information de base (protéines enzymes facteur de transcription) et une information
d’organisation susceptibles de percevoir, d’intégrer les signaux externes et de coordonner
leurs effets.
III-B-GENERALITES SUR L’HORMONOLOGIE VEGETALE :
III-B- a - Notion d’hormone et comparaison hormones végétales – hormones
animales :
La notion d’hormone (du grec hormao : exciter le terme fait son apparition en 1905)
s’applique à des substances organiques biologiquement actives et fait intervenir 3 idées
essentielles :
1. activité à de très faibles concentrations (aucun rôle énergétique ni nutritif)
2. synthèse par l’organisme lui-même
3. transport du site de synthèse au site d’action où elle influence spécifiquement des
cellules cibles.
Hormones végétales : composés organiques synthétisé par la plante qui à de très faibles
concentrations ont une action sur le métabolisme et le développement généralement dans des
tissus différents du lieu de production.
Les hormones végétales comme les hormones animales sont impliquées dans les
communications intercellulaires.
Certaines substances qui ont des effets analogues à ceux des hormones mais qui ne sont pas
synthétisées par les végétaux sont appelées régulateurs de croissance. Ce sont généralement
des substances chimiques de synthèse qui sont abondamment utilisées en agriculture et
horticulture.
L’étude des hormones, messagers chimiques agissant sur le métabolisme et le développement,
est très avancée chez les animaux, où on a pu montrer que :
des structures chimiques variées jouaient le rôle d’hormone : stéroïdes, peptides
comme : l’insuline, protéines comme l’hormone de croissance, dérivés d’acides
aminés (adrénaline), gaz comme le monoxyde d’azote
les hormones agiraient par le biais de récepteurs membranaires ou cytosoliques
la production d’hormones était souvent cyclique (cycle d’ovulation chez la femme,
hormone de croissance produite la nuit..)
les avancées du génie génétique ont conduit à la production d’hormones (protéines)
recombinantes à des fins thérapeutiques : insuline, hormone de croissance,
érythropoïétine…
-
-
Les hormones végétales tout en présentant un certain nombre de points communs avec les
hormones animales (perception, voies de transduction…) s’en distinguent sous différents
aspects.
-
Molécules de faibles PM < 500 lié aux difficultés de translocation de cellules à
cellules
Structures chimiques généralement différentes à l’exception des brassinostéroïdes
voisins des stéroïdes animaux
Produites dans différentes régions de l’organisme (même si une zone de production
majoritaire est fréquente) et active à la fois au lieu de synthèse et à distance. Ceci à la
différence des hormones animale, où la distinction site de production (ex : glande
endocrine) et site d’action est plus claire.
Enfin les hormones végétales agissent fréquemment de façon additive, antagoniste, ou
en synergie sur divers phénomènes physiologiques (action moins ciblée que les
hormones animales).
-
-
Ce dernier point met l’accent sur la difficulté des études d’hormonologie végétale. Une
hormone n’agit généralement pas seule sur un phénomène mais en présence d’autres hormone
qui agissent dans le même sens ou en sens contraire.
III-B– b- Les différents types d’hormones végétales :
La véritable mise en évidence d’une hormone végétale remonte à 1926 il s’agit des travaux de
WENT sur l’auxine. Jusqu’en 1950 on considéra que l’auxine représentait la seule
phytohormone mais après cette date d’autres hormones végétales ont été découvertes, dont
l’importance s’est confirmée avec les années. Chronologiquement il s’agit des gibberellines
(1950), des cytokinines (1955), de l’éthylène (1960), de l’acide abcissique (1965) et des
brassinostéroïdes (1995).
A l’heure actuelle on connaît donc 6 types d’hormones végétales pour lesquels on peut
distinguer :
Des hormones
physiologique) :
-
stimulatrices
(qui
induisent
ou
stimulent
un
phénomène
Auxines
Gibberellines
Cytokinines
Brassinostéroïdes
pour ces hormones on observe des familles de molécules actives
En parallèle on distingue des hormones à effets mixtes comme
-
l’éthylène
l’acide abcissique
dans ce cas une seule structure active a été identifiée.
D’autres molécules à rôle de « médiateur chimiques » chez les végétaux comme les
polyamines, le jasmonate, le salicylate, les oligosaccharides …n’ont pas encore obtenu le
statut d’hormone végétale vraie.
III-B – c- Méthodes d’études des hormones végétales et de leurs mécanismes
d’action :
a
Approches biochimiques
Elles sont utilisées pour le dosage des hormones, la mesure d’activité des
enzymes des voies de synthèse, caractérisation biochimique des récepteurs…
Examen du cas particulier du dosage des hormones. Historiquement 3
méthodes ont été retenues
1. les tests biologiques sensibles, peu spécifiques parfois complexes à
mettre en œuvre
2. les méthodes physico-chimiques sensibles et spécifiques mais
demandant une instrumentation lourde (HPLC –GC – spectro de masse)
3. les test immunochimiques ou radioimmunoessais ultrasensibles et très
spécifiques exigeant des anticorps vis-à-vis des hormones et une
hormone sous forme radioactive (expériences de compétition).
b Approches de biologie moléculaire et de génie génétique, elles sont utiles pour
la :
-
-
c
Caractérisation des gènes impliqués dans les voies de biosynthèse des
hormones, des gènes qui répondent à l’application d’hormones
(Northern blot, RT – PCR, hybridation in situ…)
Analyse des promoteurs des gènes répondant aux hormones :
éléments cis / facteurs trans
Recherche de gènes par la technique de « promoteur trapping »
Modulation des taux d’hormones par génie génétique aspects
fondamentaux et appliqués, y compris l’utilisation de promoteurs
spécifiques
Approche génétique
Caractérisation de mutants de sensibilité aux hormone
de mutants de production d’hormones
d Approche pharmacologique
Basée sur l’apport de drogues, inhibiteurs y compris par microinjection pour
disséquer les étapes des voies de transduction du signal hormonal.
III-B – d- Notion de récepteur hormonal :
La reconnaissance d’un signal chimique (hormone) par une cellule et sa transformation en
information utilisable ne peuvent se réaliser que si la cellule contient au moins un constituant
qui est capable de se lier initialement à l’hormone : le récepteur doit ainsi avoir une forte
affinité et une forte spécificité vis-à-vis de l’hormone.
Les seules molécules qui présentent assez de variations dans leur composition et leur structure
pour répondre à ces exigences de spécificité sont les protéines il est donc admis que les
récepteurs hormonaux sont généralement des protéines .
La liaison hormone-récepteur activerait le récepteur de façon à ce qu’il puisse assurer la
transduction du signal hormonal.
Cette activation correspond généralement à un changement de conformation qui stimule une
activité enzymatique sur la molécule de récepteur (ex : protéine kinase) ou induit une capacité
nouvelle d’interaction avec une autre protéine.
Cette première étape est suivie d’une série d’événements moléculaires, la chaîne de
transduction, qui aboutit finalement à des modifications « décisionnelles »
-
Transcription de nouveaux gènes
Degré d’ouverture de canaux ioniques
etc
Le récepteur (son abondance) peut se révéler un facteur limitant dans l’action hormonale. On
a parlé d’état de compétence d’un tissu selon la plus ou moins grande abondance de
récepteurs.
Enfin étant donné les effets pléiotropiques des hormones végétales (effets diversifiés) il a été
envisagé une pluralité de récepteurs affectés à des effets cibles spécifiques ( ex : cas de
l’éthylène).
III-B- e- Un exemple d’approche biochimique pour la caractérisation de
récepteur hormonal : le marquage par photoaffinité
Technique utilisée pour la caractérisation de protéines fixatrices de l’acide abscissique (ABA)
sur le plasmalemme des cellules de garde au niveau des stomates de Vicia Faba.
Les stomates jouent le rôle fondamental dans la régulation des échanges gazeux et des
échanges d’eau entre la plante et son environnement. Il s’agit d’un ensemble cellulaire,
l’appareil stomatique (cellules de garde – pore stomatique souvent entouré de cellules
épidermiques différentes par leur taille et leur forme des autres cellules épidermiques
voisines- les cellules subsidiaires).
Ces stomates peuvent être ouverts ou fermés et dans ce dernier cas les échanges gazeux et
l’évapotranspiration sont alors très réduits. Le mécanisme de fermeture des stomates repose
sur une fuite d’agents osmotiques au niveau des cellules de garde les faisant passer d’un état
turgescent à un état moins turgescent ou semi-plasmolysé déterminant ainsi le resserrement du
pore stomatique.
Lors du stress hydrique les stomates se ferment en réponse à l’ABA, un stimulus hormonal,
dont la concentration augmente dans les feuilles (supposé être libéré ou synthétisé « de novo »
au niveau du mésophylle foliaire) et plus spécifiquement au niveau des cellules de garde.
L’ABA entraîne une fuite de K+ au niveau des cellules de garde.
Le gros problème de l’étude des interactions hormone / récepteur réside dans le caractère
labile des liaisons chimiques faibles qui s’établissent entre les 2 partenaires. Une approche
pour résoudre ce problème réside dans le marquage par photoaffinité.
Le principe du marquage de protéines, de récepteurs par photoaffinité est le suivant : certaines
molécules comportent des groupements chimiques qui par photoactivation deviennent très
réactifs et peuvent former des liaisons covalentes irréversibles. Si la molécule est par ailleurs
radioactive, ou fluorescentes on peut ainsi marquer de façon stable la protéine réceptrice.
L’ABA contient un groupement cétone qui peut être photoactivé par irradiation par des
longueurs d’onde de 330 nm. Ceci peut fournir un moyen de marquer irréversiblement des
récepteurs protéiques potentiels de l’ABA sans utiliser d’hormones modifiées.
Quand l’hormone naturelle ne contient pas de groupement photoactivable on peut travailler
avec des dérivés d’hormones sur lesquels on a greffé des groupements photoactivables
(groupement azido dans le cas de l’auxine) avec bien sûr conservation de l’activité
biologique.
Protocole expérimental :
On prépare des protoplastes d’épiderme de fève en pelant les épidermes de Fève et en les
mettant en contact avec des enzymes de digestion des parois ce qui libère le protoplaste
entouré par la membrane plasmique.
Par un procédé de centrifugation différentielle on peut même obtenir spécifiquement des
protoplastes de cellules de garde.
Les protoplastes sont ensuite incubés avec de l’ABA tritié ³H-cis(S)-ABA. La forme active de
l’ABA sur la fermeture des stomates…..
On irradie la suspension de manière à provoquer le marquage par photoaffinité d’éventuels
sites récepteurs.
Des contrôles sont effectués
1. avec l’énantiomère cis(R) ABA qui est biologiquement inactif
2. avec une protéine banale l’albumine de sérum de bœuf pour évaluer la possibilité de
fixations aspécifiques.
L’interprétation des différents résultats montre qu’il existe une fixation spécifique et
aspécifique de l’ABA physiologiquement actif au niveau des protoplastes de cellules de
garde.
Cette fixation est moins importante au niveau des protoplastes de mésophylle foliaire.
La fixation de l’hormone radioactive sur son site de fixation obéit à une cinétique de
saturation et peut être déplacée par de l’hormone froide non radioactive de façon très
spécifique (isomère physiologiquement actif seul efficace pour le déplacement).
Des traitements ménagés des protoplastes des cellules de garde par une protéase, la trypsine
supprime complètement la fixation de l’ABA en conservant l’intégrité du protoplaste. Les
sites de fixation seraient donc des protéines. Ces expériences ne démontrent cependant pas le
caractère fonctionnel du récepteur, la protéine ayant liée l’ABA pouvant être un transporteur
ou une enzyme de dégradation.
III-B- f- Un exemple d’approche génétique pour la caractérisation de récepteur
hormonal : le cas des récepteurs de l’éthylène
Le récepteur de l’éthylène est un des récepteurs les mieux caractérisés au plan moléculaire et
génétique. Sa caractérisation repose sur l’étude de mutants de sensibilité à l’éthylène dont le
mutant ETR1 d’Arabidopsis qui ne présente plus le phénomène de triple réponse lors
d’application d’éthylène.
Le clonage positionnel du gène muté et l’analyse du produit du gène a montré une analogie
marquée avec une famille de protéines « senseurs » de l’environnement chez les bactéries : les
systèmes à deux composantes constitués d’un domaine de perception du signal et de
transmission du signal : une histidine Kinase et d’un domaine receveur : le régulateur de
réponse.
La perception du signal entraîne généralement une autophosphorylation dans un domaine
conservé de l’histidine Kinase la phosphate étant ensuite transféré à un résidu aspartate du
receveur.
Ce type de système à double composante se retrouve chez les bactéries dans la perception de
la lumière, de l’oxygène et chez les plantes a été aussi impliqué dans la réponse à la lumière et
aux cytokinines.
Dans ces différents exemples on retrouve le domaine conservé des histidines Kinases
HNGFG. D’autres caractéristiques communes entre le gène ETR1 et des gènes bactériens
suggère une origine évolutive à partir des bactéries.
Le gène ETR 1 a été exprimé dans des levures ce qui leur confère l’aptitude à fixer l’éthylène.
Il s’agit donc bien d’un récepteur d’éthylène car on associe ici les preuves génétiques et
biochimiques.
Un ion cuivre est nécessaire pour la fixation de l’éthylène sur le récepteur d’Arabidopsis et le
cuivre est co-purifié avec la protéine récepteur. Une cystéine en position 65 est par ailleurs
indispensable pour l’interaction entre le cuivre et la protéine. Au total le récepteur qui est un
dimère interagit avec l’éthylène ce qui résulte en un changement conformationnel de site de
liaison propagé en suite au domaine transmetteur.
Par analyse du génome, plusieurs gènes ETR ont été caractérisés chez Arabidopsis (au moins
une famille de 5 membres) qui comprennent des domaines communs mais aussi des
spécificités.
Ceci permet de les classer en 2 sous familles ETR1 et ERS1 qui ont en commun le domaine
conservé de l’histidine Kinase, ETR2, EIN4, ERS2 qui ne l’ont pas.
Ces différents gènes pourraient coder des récepteurs affectés à des réponses spécifiques ou à
des tissus spécifiques.
Il faut noter cependant qu’il n’existe qu’une redondance fonctionnelle partielle entre les
différents gènes de récepteurs car les mutants insensibles à l’éthylène au niveau de la triple
réponse n’auraient pu sinon être obtenus.
III – C- L’ACIDE ß INDOLACETIQUE ET LES AUXINES
Rappelons tout d’abord les étapes essentielles dans la connaissance de l’AIA.
Darwin
1880 observation du phototropisme chez les coléoptiles de graminées
excitation perçue au sommet et transmise vers la base
Went
1926 récupération par diffusion d’une substance active sur la croissance
appelée auxine, d’auxein = croître. Mise au point d’un test biologique
permettant d’apprécier les teneurs en substance active
Kögl
1934 identification chimique de l’auxine à l’acide ß indolacétique (isolé
initialement à partir d’urine humaine) puis caractérisation de cette
structure dans les tissus végétaux (Zea mays) par Haagen – Smith en
1942
1925-1970
recensement des différentes réponses des plantes à l’action de l’AIA.
Caractérisation de substances naturelles ou synthétiques à action
auxinique.
1970-1990
études sur le mode d’action de l’AIA au niveau moléculaire en
particulier dans le phénomène de grandissement cellulaire
développement des substances à action auxinique en agriculture.
1990-2005
perception / transduction du message auxinique. Exploitation de la
génomique et de mutants pour la compréhension de la production et des
mécanismes d’action de l’AIA.
III –C– a- Nature chimique des auxines :
Nous utilisons le terme auxine au pluriel car au-delà de l’identification chimique de l’acide ß
indolacétique d’autres substances se sont révélées actives sur les tests biologiques initialement
définis pour quantifier l’AIA. Ces tests ne sont pas en fait absolument spécifiques de l’AIA
mais d’une famille de composé à action biologique commune : les auxines.
Auxines naturelles : il s’agit de structure à noyau indole très voisine de l’AIA.
Il faut cependant noter que la plupart de ces substances sont impliquées dans les voies de
synthèse de l’AIA, en tant qu’intermédiaires, et il n’est pas clairement établi si elles ont une
action auxinique par elles mêmes ou si leur effet résulte de leur conversion rapide en AIA lors
du test biologique (effet de précurseurs).
D’autres substances non indoliques comme l’acide phénylacétique ont une action auxinique
cependant plus faible, à même concentration, que l’AIA.
Auxines de synthèse : il s’agit de molécules qui miment les effets des auxines naturelles. Ce
sont généralement des structures de type indolique ou bien :
¾ de type phénoxycarboxylique
¾ de type naphtalène acétique
¾ de type benzoïque
Les plus connues de ces molécules sont le NAA et le 2-4 dichlorophénoxyacétique qui à de
fortes concentrations sont utilisées comme herbicide (effet hyperauxinique toxique car la
molécule qui n’est pas dégradée s’accumule).
Des études importantes ont été réalisées dans une optique relation structure-fonction pour
dégager des points communs entre toutes ces structures actives.
La plupart de ces molécules ont un noyau insaturé et un groupement carboxylique. Une
théorie intéressante a été proposée par Thimann (1969). Elle fait apparaître des analogies
marquées dans la répartition des charges dans l’espace (charge positive à 5,5 Ǻ de la charge
négative portée par le carboxyle).
Ces observations suggèrent la fixation de l’hormone sur un récepteur selon un processus de
complémentarité de charges. Par exemple la charge positive de l’azote de l’indole et la charge
négative du carboxyle dans le cas l’AIA seraient associées à deux sites de charges
complémentaires sur le récepteur.
La spécificité de la reconnaissance est confirmée par le fait que de légères modifications
d’une molécule peuvent supprimer son activité, le 2-4 D est actif mais le 2-6 D est inactif.
Par ailleurs des molécules à structures proches des auxines inhibent compétitivement l’auxine.
Ce sont des anti-auxines : exemple 2-4-6 trichlorophénoxyacétique. Ces substances
occuperaient les sites récepteurs de l’AIA ou un site particulier du récepteur sans induire la
suite des événements et la chaîne de transduction du signal auxine.
III – C- b- Répartition et évolution dans la plante :
Initialement caractérisée dans les coléoptiles de graminées, l’AIA et les autres auxines
semblent présentes chez toutes les plantes vasculaires. Chez les formes végétales inférieures
(Bryophytes, algues, champignons) la répartition et l’action biologique sont très limitées.
L’AIA est également produit par les bactéries Agrobacterium tumefaciens, Pseudomonas
syringae mais par des voies de synthèse différentes. Le rôle de la molécule pour la bactérie
n’est pas clair mais elle intervient dans l’interaction plante/bactérie.
Chez les plantes les sites de synthèse maximum sont souvent les sites d’accumulation (apex,
jeunes feuilles) mais il faut aussi noter comme nous le verrons plus loin que l’AIA à un
transport polarisé qui conduit à sa migration de l’apex vers la base.
D’une manière générale les racines sont plus pauvres en auxine que les parties aériennes (les
concentrations dans les tissus végétaux varient de 10 à 300 µg/kg matériel frais).
La fig. ( ) donne une évolution des teneurs en différentes auxines dans les différents rangs
foliaires de plantes de tabac à la suite d’une séparation des molécules par chromatographie en
phase gazeuse.
III–C- c- Facteurs intervenants dans la régulation du taux d’auxine –
Biosynthèse – Dégradation – Transport – Inactivation :
L’auxine comme les autres hormones doit pour jouer son rôle de messager chimique ne pas
demeurer à une concentration constante dans les tissus mais voir ses teneurs fluctuer. C’est la
« vague auxinique » qui va déterminer une réponse dans le temps, adaptée au contexte de
morphogenèse et de la différenciation.
Le taux d’auxine active dans un tissu qui va contrôler l’intensité des réponses physiologiques,
en parallèle avec la sensibilité de ce tissu à l’auxine peut être potentiellement régulé par
différents facteurs qui relèvent du métabolisme de l’auxine ou de son transport.
+
+
+
+
+
Biosynthèse
Dégradation
Inactivation réversible
Transport
Compartimentation
Ces mécanismes qui sont particulièrement bien connus dans le cas de l’ »AIA peuvent
intervenir pour l’ensemble des hormones nous les étudierons particulièrement dans le cas de
l’AIA.
Biosynthèse : Le tryptophane est un précurseur de l’AIA ceci a été clairement démontré par
des expériences d’apport de tryptophane marqué dans le cas de plantes obtenues en conditions
stériles (pour éviter des effets de contamination bactérienne).
Cependant selon les végétaux les voies de conversion du tryptophane en AIA différent et on a
pu identifier au moins 3 séquences principales de conversion.
ƒ
ƒ
ƒ
La voie de l’indoleacétonitrile
La voie de la tryptamine
La voie de l’acide indole pyruvique
On n’a pas jusqu’à présent caractérisé de mutants déficients en AIA (mutants de synthèse)
soit parce que la déficience est léthale soit parce que l’AIA est synthétisé par plusieurs routes.
Effectivement en dehors des voies passant par le tryptophane il existerait une (des) voie(s) ne
faisant pas intervenir cet acide aminé.
Ainsi le mutant orp de maïs (pour orange péricarpe) comporte une mutation dans la voie de
synthèse du tryptophane. Les graines germent mais les plantules meurent après le stade 4
feuilles si il n’y a pas de supplémentation en tryptophane. Or ces plantules contiennent de
l’AIA.
Le précurseur serait dans ce cas un dérivé indolique antérieur au tryptophane. Pour un même
plante la contribution des voies dépendante ou indépendante du tryptophane pourrait varier en
fonction du développement (ex : chez Arabidopsis).
Le transport :
Transport polarisé de l’AIA : (Rubery – Raven – Goldsmith)
En effet il s’agit d’un transport polarisé de l’apex vers la base. Des expériences simples qui
sont représentées sur le schéma ( ) ont permis de confirmer ce phénomène. Ce transport est
donc suppose être unidirectionnel.
Par ailleurs il s’agit d’un transport actif de cellules à cellules stimulé par l’ATP, dépendant de
la T°, de la présence d’O2 et sensible aux inhibiteurs métaboliques (cyanure, azide de
sodium).
La vitesse de transport est de 10 à 20 mm/heure.
La polarité diminue à mesure que l’on s’éloigne de l’apex et au niveau des racines les
résultats obtenus sont contradictoires.
Ce transport de l’auxine qui conduit l’auxine des sites de synthèse principaux : les apex, vers
le reste de la plante peut être artificiellement perturbé par des analogues d’auxine du type
TIBA : acide triiodo-benzoïque (inhibiteur) ou des composés fluorène (morphactines) qui
entraînent des morphologies anormales.
•
•
•
Raccourcissement des tiges
Ramification désordonnée des rameaux
Nanisme
La théorie proposée pour le transport polarisé est appelée théorie chimiosmotique de la
diffusion polaire.
Cette théorie implique que la cellule végétale dépense de l’énergie pour maintenir un gradient
de pH de part et d’autre du plasmalemme de telle manière que l’espace pariétal est acide par
rapport à l’intérieur de la cellule. Ce sont des ATPases qui expulsent les protons vers la paroi.
Puisque les membranes sont plus perméables aux molécules non ionisées l’auxine sous sa
forme non dissociée pénètre facilement de la paroi vers le cytoplasme par simple diffusion.
Une fois dans le cytoplasme la plupart de ces molécules se dissocient en raison du pH
cytoplasmique plus élevé et ce phénomène permet une accumulation de l’auxine dans le
cytoplasme par déplacement de l’équilibre, la membrane étant relativement imperméable à la
forme ionisée.
La théorie implique en outre que la portion basale du plasmalemme est plus perméable à
l’anion auxine ou possède une plus grande proportion de transporteurs d’efflux que la partie
apicale.
En fonction de ces différents éléments on peut concevoir le transport polarisé de l’AIA.
Il a été effectivement localisé par des techniques d’immunofluorescence, un transporteur
d’auxine à la partie basale de parenchyme de tiges de pois. Les gènes codant le transporteur
d’efflux, les gènes PIN sont au nombre de 8 chez Arabidopsis thaliana.
Des travaux récents ont remis en cause le dogme du transfert unidirectionnel de l’auxine.
Ainsi a été démontré un changement de localisation de certains gènes PIN au cours du
développement et le rôle de ces gènes dans l’établissement d’un axe apico-basal lors de
l’embryogénèse : Nature 13 novembre 2003 Vol 426 – p 147 Friml et al.
La mise en place de cet axe est commune aux plantes et aux animaux. La première étape chez
les plantes consiste en la division du zygote en deux cellules distinctes. Chez Arabidopsis par
exemple la cellule apicale est plus petite que la cellule basale. La cellule apicale se divise
ensuite verticalement et la cellule basale continue à se diviser horizontalement pour produire
le suspenseur.
Il a été montré que dans les premiers stades la cellule basale transporte l’auxine et que la
cellule apicale répond à l’auxine.
Cette complémentarité est liée à l’intervention d’une protéine impliquée dans l’efflux de
l’auxine à l’apex de la cellule basale : PIN 7.
PIN 7 est localisé par immunoréaction dans la cellule basale immédiatement après la division
du zygote dans le système endomembranaire et sur la membrane plasmatique à l’interface
avec la cellule apicale.
Jusqu’au stade 32 cellules PIN 7 continue à être localisé au sommet du suspenseur à
l’interface avec l’embryon en développement.
Après le stade 32 cellules la localisation asymétrique de PIN 7 évolue se déplaçant vers la
partie basale des cellules du suspenseur.
Il existe un redondance entre les différents gènes PIN et des mutants simples n’aboutissent
pas à 1 phénotype particulier, en revanche des quadruples mutants (pin1, pin3, pin4, pin7)
montrent des défauts profonds dans l’établissement d’une polarité apico-basale.
Ces résultats montrent :
ƒ
ƒ
ƒ
Le polymorphisme génique des gènes PIN
Leur redistribution spatiale / polarisée au cours du développement précoce de l’embryon
Leur rôle dans la création de gradients d’auxine important pour la création d’un pôle
apico-basal et pour la morphogenèse.
Inactivation :
ƒ
L’AIA peut être converti en formes conjuguées inactives par associations avec des
métabolites présents dans les cellules.
ƒ
ƒ
ac. aminés
oses
- liaisons peptidiques ex : indolyl aspartate
- liaisons esters
ex : indolyl glucose
indolyl inositol
Ces formes conjuguées peuvent être mise en évidence à la suite de l’apport d’AIA radioactif à
une plante : 50 % de l’AIA est parfois retrouvé sous forme conjuguée après 3 heures. On peut
également montrer par identification et dosage que l’AIA conjugué représente 50 à 90 % de
l’AIA total (dans les feuilles de pois de 2 semaines). Ces formes conjuguées sont souvent
présentes à des concentrations supérieures aux formes libres et elles sont très répandues dans
les graines, où elles semblent participer à la libération d’AIA libre (par hydrolyse de liaisons
esters alors que les liaisons peptidiques sont stables).
Ainsi chez les semences de maïs les formes conjuguées diminuent lors de la germination alors
que l’AIA libre augmente, on caractérise la présence d’une enzyme qui hydrolyse l’AIA
inositol.
Ces formes conjuguées peuvent contribuer à maintenir une certaine homéostasie des teneurs
en AIA. Ainsi chez les mutants tryp 5-1 chez Arabidopsis l’anthramilate synthase est
insensible au tryptophane son effecteur allostérique normal. On observe ainsi une forte
augmentation des teneurs en tryptophane mais une stabilité de l’AIA libre avec une
augmentation des teneurs en AIA conjuguées.
La dégradation de l’auxine :
L’AIA peut être dégradé par des oxydase de type péroxydase (l’AIA oxydase) selon
cependant un mécanisme atypique des péroxydases ne consommant pas d’H2O2.
Les produits de dégradation correspondent à une voie catabolique sans décarboxylation
produisant de l’ acide oxindole 3-acétique ou à une voie catabolique avec décarboxylation :
dans ce cas le méthylène oxindole et l’indolaldéhyde sont les produits caractéristiques.
Les tissus âgés sont généralement riches en AIA oxydase ainsi que les racines, ce qui
contribue à un faible taux d’AIA libre dans ces organes.
Le catabolisme auxinique bien étudié dans les années 1950 à 1980 est actuellement peu
abordé dans les recherches.
III–C- d- Diversité des effets biologiques. Exemple particulier de la croissance
des fruits :
Nous avons dis précédemment qu’une même hormone avait des effets multiples sur le
développement des plantes. On parle d’effets pléiotropiques. Ces réponses multiples
dépendent du tissu étudié, du stade de développement et correspondent à ce que nous avons
appelé un certain état de compétence des tissus lié à la proportion de récepteurs et à leur
nature.
Les effets pléiotropiques pourraient compenser le faible nombre de messagers hormonaux
chez les plantes (6) en comparaison avec les systèmes animaux (40). Ceci sous toute réserve,
étant donné la complexité supérieure des animaux au plan fonctionnel.
Ces effets multiples sont mis en évidence par :
ƒ
ƒ
Apport d’hormones exogène sur les tissus
Par l’étude de corrélations entre l’accumulation d’hormones dans l’espace et le temps
et les réponses physiologiques observées.
Cette multiplicité d’action est particulièrement bien illustrée dans le cas de l’auxine qui
intervient sur :
▫
▫
▫
Division
Elongation
Différenciation
≡
≡
≡
cambium
action typique sur les coléoptiles
action rhyzogéne classique en interaction
avec les cytokinines
L’effet sur le grandissement cellulaire est classique. Il est à noter :
1. que généralement l’auxine est sans effet lorsqu’on l’apporte sur des apex de plantes
intactes. La plante disposant alors de ses centres producteurs d’auxines aurait une
concentration optimale et un apport exogène est sans influence. En revanche l’auxine
est active sur les tiges dont les apex ont été décapités ou sur des parties isolées
d’organes.
2. que la sensibilité des différents organes varie considérablement
tiges 10⁶ M
racines 10¹⁰ M
Au-delà de ces concentrations, l’auxine exerce un effet inhibiteur sur la croissance – effet
hyperauxinique.
L’auxine intervient dans des phénomènes plus complexes à l’échelle de la plante entière
faisant intervenir des interactions entre différentes hormones et dont nous reparlerons : rôle
dans la dominance apicale, l’abscission ou le retard de sénescence.
Nous détaillerons ici le problème de la croissance des fruits. La formation des fruits
correspond chez le végétal à une période de croissance souvent rapide par division et
élongation cellulaire. D’une manière générale les fruits résultent de la croissance des parois de
l’ovaire de la fleur ou du réceptacle floral qui se produit dès la pollinisation et se poursuit à la
fécondation et pendant la formation des graines (l’ovaire est une partie de la fleur femelle qui
renferme les ovules où se produira la double fécondation conduisant à l’embryon et au tissu
de réserve).
Nous avons dit que la croissance du fruit pouvait commencer dès la pollinisation, ceci se
produit par exemple chez l’Orchidée et chez cette espèce on a pu montrer que des extraits de
pollen pouvaient déterminer la croissance des parois de l’ovaire. Ces extraits contenaient de
l’AIA et le pollen est ainsi une source d’auxine. D’une manière plus générale, il semble donc
très probable que ce soit l’AIA qui, produit par le pollen ou les graines en formation, soit
responsable de la croissance du fruit. Si on élimine les graine de certains fruits en formation
(fraise) on arrête la croissance du fruit. Par ailleurs, on a pu également montrer que l’embryon
et l’albumen tissu de réserve de la graine produisaient de l’AIA au cours de leur formation.
On peut ainsi observer l’obtention de fruits sans pollinisation ni fécondation par simple
application d’AIA sur la fleur femelle (Tomates, Figue), on obtient alors des fruits sans
graines : parthénocarpiques.
On peut également citer les expériences de NITSCH sur la Fraise ou les akènes sont la source
d’auxine, leur ablation sur le jeune fruit empêche son développement normal. La forme du
fruit peut ainsi être affectée par l’élimination spécifique de certains akènes mais l’addition
d’auxine peut remplacer les akènes manquants. La production naturelle de fruits sans pépins
(agrumes) correspond à d’autres situations ou certains mutants ont été sélectionnés.
III–C- e- Mécanismes d’action dans le phénomène de grandissement
cellulaire :
Avant d’aborder l’étude d’un mécanisme d’action de l’auxine dans le grandissement
cellulaire, rappelons les conditions du grandissement cellulaire. Ce grandissement est
conditionné par une entrée d’eau dans la cellule.
Ainsi quatre types d’évènements se produisent chronologiquement au niveau de la paroi lors
de la croissance de la cellule.
1. accroissement des propriétés d’extensibilité de la paroi
2. entrée d’eau résultant de la diminution de la pression de turgescence
3. extension des parois et grandissement de la cellule
4. synthèse de nouveaux éléments des parois.
Les mouvements de rentrée d’eau dans la cellule qui se font par osmose sont conditionnés par
la concentration saline du contenu cellulaire (pression osmotique). Mais la cellule est entourée
par un cadre rigide la paroi qui va lors de l’entrée d’eau opposer une résistance (pression de
turgescence).
L’attraction réelle que subissent les molécules d’eau va donc être égale à la différence entre
pression osmotique et pression de turgescence.
Pression de succion = Pression osmotique – pression de turgescence.
Il apparaît donc qu’un élément déterminant dans l’entrée d’eau peut être la diminution de la
pression de turgescence, résultat de l’accroissement des propriétés d’extensibilité des parois.
De nombreux arguments sont en faveur d’un rôle de l’auxine sur le grandissement cellulaire
via une action sur l’extensibilité de la paroi.
Les facteurs intervenants dans le relâchement pariétal :
1. rôle du pH
Les mécanismes de modification de la structure pariétales au cours de l’élongation ont été
étudiés sur des fragments d’épicotyles, hypocotyles ou coléoptiles, organes dont la croissance
est due uniquement à de l’élongation cellulaire (Figure). Placés dans une solution additionnée
d’auxine, ces organes subissent une élongation plus importante.
Les études des facteurs capables de remanier les parois ont montré que l’élongation de
coléoptiles sous contrôle de l’auxine était associée à une acidification du milieu dans lequel
était effectuée l’expérience. Il a ensuite été observé que la même élongation était obtenue
par l’incubation des coléoptiles dans une solution acide. Rayle et coll. ont alors proposé
que les échantillons traités à l’auxine acidifient leur parois et que cette acidification (pH=5,5)
pourrait permettre l’activation d’enzymes capables de remanier la paroi (Rayle and Cleland,
1992). C’est l’hypothèse de la croissance acide.
Des expériences complémentaires de mesure de potentiels électriques sur des protoplastes
traités par une auxine (NAA) ont permis de montrer une hyperpolarisation des protoplastes
liés à une excrétion de protons en dehors de la membrane plasmique et une inhibition de cette
hyperpolarisation par des anticorps anti-ATPase.
Ces résultats suggèrent fortement que l’auxine augmenterait l’activité ATP-ase via une action
sur la transcription, la traduction ou le transport de la protéine vers la membrane plasmatique.
Comment l’acidification agit-elle sur l’extensibilité de la paroi ?
Sans rappeler la structure et la composition chimique de la paroi en détail on peut préciser que
la paroi I est un composite formé de plusieurs polymères associés par différents types de
liaison
-
cellulose
-
hémicellulose
matières pectiques
protéines
Ce sont surtout les interactions entre cellulose et hémicelluloses (2 composants majeurs) par
l’intermédiaire de liaisons H qui ont été considérés.
Ces liaisons H stabilisent le composite et leur suppression le fragilise en le rendant plus
malléable, plus extensible.
3 modes d’action de l’acidification sur l’extensibilité de la paroi ont été envisagés :
1. Hypothèse d’une action chimique d’une concentration accrue de H⁺ sur la rupture de
liaisons hydrogènes – Hypothèse peu confirmée par l’expérimentation.
2. Hypothèse de l’optimisation en milieu acide de l’activité d’enzymes de dégradation
des polysaccharides type glucanases. Certains arguments plaident en faveur de leur
intervention = blocage de l’expansion par des anticorps antiglucanases, l’auxine
induit par ailleurs certains glucanases (chez la tomate).
3. Hypothèse de l’intervention d’autres protéines.
2. Rôle des expansines :
La paroi contient de nombreuses enzymes hydrolytiques (actives sur les polysaccharides, Fry,
1995) : glycosylhydrolases catalysant soit des hydrolyses au milieu des chaînes
(endoglycosylases comme les ß-,4- endoglucanases) ou à leur extrémités (exoglycosylases
comme les xylosidases). Par ailleurs, des transglycosylases spécifiques des xyloglucanes
(xyloglucane transglycosylases hydrolases ou XTH, anciennement XET, voir §3) ont été
identifiées. Néanmoins, aucune de ces enzymes n’apparaît plus active à pH acide, et aucune
n’induit une élongation in vitro quel que soit le pH.
Par contre, la purification d’extraits pariétaux d’hydrocotyle de concombre a permis
d’identifier des protéines, appelées Ex29 et Ex30 pour expansines, sans activité catalytique
détectable, capables d’induire une importante élongation cellulaire à pH acide
(McQueen-Mason et al., 1992). Le clonage des gènes correspondant a conduit à
l’identification d’une famille multigénique subdivisée en expansines α et expansines ß
conservées chez les Dicotylédones et les Monocotylédones (Cosgrove, 1999). Récemment,
grâce au séquençage complet du génome d’Arabidopsis thaliana, une nouvelle classe est
également distinguée : les expansines γ ou « expansin-like proteins » (Li et al., 2002).
L’ensemble des expansines comporte, d’une part une domaine similaire au domaine
catalytique d’endoglucanases mais sans acides aminés catalytiques, d’autre par un domaine
similaire aux CDB (Cellulose Binding Domains) de cellulases microbiennes (Figure).
Les expansines forment une famille de 38 gènes chez Arabidopsis thaliana
(www.bio.psu.edu/expansins/). Elles sont largement exprimées dans tous les organes, et en
particulier dans les tissus en élongation (Cosgrove, 1999 ; Cosgrove, 2000 ; Li et al., 2002).
On peut noter en particulier différentes observations en faveur de leur rôle majeur dans le
relâchement pariétal (revue par Cosgrove, 2000) : en particulier : les expansines Ex29 et Ex30
ne sont présentes que dans des zones en élongation de l’hypocotyle.
3. Rôle des XTH (ou xyloglucanes transglycosylases hydrolases) :
Malgré leur incapacité à induire « in vitro » un relâchement pariétal plusieurs enzymes
hydrolytiques sont exprimées spécifiquement dans les tissus en expansion.
Les XTH peuvent couper une molécule de xyloglucane et rattacher un des fragments sur une
seconde molécule. Dans certains cas le transfert peut avoir lieu sur une molécule d’eau
résultant en un clivage simple comme celui réalisé par une endoglucanase.
Les XTH sont exprimés dans des tissus en élongation et induites par des traitements
inducteurs de l’élongation (auxine).
Par ailleurs, des fragments courts de xyloglucane (oligosaccharides) induisent une élongation
cellulaire mais les longs fragments l’inhibent. Les résultats suggèrent que le métabolisme des
xyloglucanes contrôle l’élongation.
33 gènes de XTH ont été identifiées chez Arabidopsis associés à des profils d’expression
tissus –spécifiques mais aussi à des spécificités de substrats.
4. Rôle des endoglucanases :
Elles sont incapable d’induire l’élongation in vitro mais des arguments plaident en faveur de
leur intervention comme l’induction par IAA de la glucanase CEL 7 chez la Tomate.
III–C- f- Les récepteurs d’auxine :
Des protéines de liaisons (Auxin binding proteins : ABP) pour l’auxine ont été caractérisés
initialement par des techniques chimiques du type photoaffinité.
Les expériences ont conduit à la caractérisation d’anticorps vis-à-vis de ces protéines et à
l’identification de gènes correspondants.
Une difficulté d’interprétation a porté sur la localisation majoritaire d’ABP sur le reticulum
endoplasmique, seule une faible proportion d’ABP étant situé au niveau de la membrane
plasmique (en contradiction avec la localisation théorique des récepteurs sur la M. P. et sur
l’effet biologique d’auxines non perméantes).
La protéine est un dimère de 44 Kd correspondant à 2 sous-unités de 22 Kd.
Son rôle fonctionnel est démontré par quatre types d’arguments :
1. L’apport d’ABP1 de maïs purifié à des protoplastes de tabac, augmente la
réponse d’hyperpolarisation en présence de NAA
2. Au contraire l’apport d’anticorps ABP supprime cette réponse
3. Un mutant d’insertion dans le gène ABP1 a été identifié chez Arabidopsis
thaliana. A l’état d’homozygote le mutant meurt dans la phase globulaire de
l’embryogénèse démontrant le caractère essentiel de ce gène.
4. La surexpression du gène ABP1 chez le tabac (associé à un promoteur
inductible par la tétracycline) amplifie certaines réponses à l’AIA.
Ces différents résultats ne préjugent pas de l’existence d’autres récepteurs au-delà d’ABP1.
III–C- g- L’auxine et le contrôle de l’expression des gènes :
L’impact de l’auxine sur le grandissement cellulaire via une acidification de la paroi n’est
qu’une des réponses biologiques à l’AIA. Cette action biochimique sur une ATPase
s’accompagne par ailleurs d’un effet positif sur l’expression de gènes dans le cas du
grandissement cellulaire ou d’autres phénomènes. En clair, l’apport d’AIA entraîne
l’augmentation d’expression d’un grand nombre de gènes (le plus souvent dans le sens d’une
surexpression). Bien qu’on connaisse mal la chaîne de transduction du signal auxine on a
approfondi au cours des dernières années certains des mécanismes impliqués au niveau du
contrôle de la transcription par l’AIA.
•
Les promoteurs des gènes sensibles à l’AIA possèdent en commun des
séquences (simples ou composites) communes qualifiées d’auxine
responsive éléments AUX-RE. Cette situation est expérimentalement
démontrée par des expériences de délétion du promoteur ou par un
couplage d’un promoteur minimum contenant ces éléments avec le gène
GUS, qui est ainsi exprimé et réponse à l’AIA. Cette présence de
séquences spécifiques dans les promoteurs des gènes dont l’expression est
contrôlée par les hormones est générale pour l’ensemble des hormones.
Au-delà, des facteurs de transcription capables de reconnaître les séquences AUX-RE ont été
caractérisés : les ARF1 (auxine response factor) et 23 gènes ARF1 ont été caractérisés chez
A. thaliana (pour des protéines de 67 à 129 Kd).
Cette multiplicité de facteur de transcription qui peut correspondre à des voies de transduction
spécifiques se complique encore par l’intervention d’une autre classe de gènes la famille
AUX/AIA pour laquelle on a démontré l’existence de 25 gènes. Ces gènes répondent très
rapidement à l’auxine et comportent dans leur séquence des éléments très comparables à la
séquence de gènes ARF1 (dans la partie C terminale).
Cette identité de domaine (domaine III et IV) facilite l’interaction des protéines AUX/AIA et
ARF1 et cette liaison avec ARF1 module sa capacité d’activation de la transcription. Les
protéines AUX/AIA ont des demi-vies très courtes de 8 à 10 minutes et leur dégradation
contrôlée par le système protéasome ubiquitine dépendant est stimulée par l’AIA.
Une complexité du système réside dans le fait que selon les situations le complexe
AUX/AIA/ARF1 stimule ou inhibe la transcription (le cas plus fréquent est l’inhibition).
Des mutants manquant de certains facteurs ARF présentent des anomalies de développement
ainsi que certains mutants des gènes AUX/AIA. Récemment un travail sur la tomate
impliquant la sous expression selon la stratégie anti-sens d’un gène AUX/AIA, le gène DR4, a
montré l’apparition de phénotypes caractéristiques d’une hyperauxinie telle que par exemple
l’apparition de fruits parthénocarpiques, AUX/AIA serait dans ce cas un régulateur négatif et
d’une manière générale le système AUX/AIA pourrait représenter un système de rétrocontrôle
par l’AIA des phénomènes induits par l’AIA (empêchant que la machine « s’emballe »).
On a ici une démonstration de la complexité des facteurs qui interviennent dans la régulation
de la nature et de l’intensité des mécanismes transcriptionnels contrôlés par l’AIA.
-
Spécificité des gènes et protéines ARF1 et AUX/AIA.
Teneurs en protéines ARF1 et AUX/AIA.
Dans le cas des gènes AUX/AIA la teneur en protéines correspondantes résulte à la fois de
l’intensité de la transcription et de la vitesse de dégradation, toutes deux contrôlées par l’AIA.
III–D- LES GIBBERELLINES :
Les gibbérellines constituent un deuxième groupe de substances de croissance qui paraissent
actuellement avoir une importance peut être aussi grande que les auxines dans le
développement de la plante. Si les premières observations relatives à la découverte de
l’auxine étaient liées à une réponse physiologique normale de la plante (les tropismes), les
gibbérellines ont été mises en évidence à la suite de l’observation d’un fonctionnement
pathologique. Elles ont en effet été caractérisées à la suite de l’étude d’une maladie du riz.
III–D– a – Historique – Découverte :
Dès le début du siècle, des fermiers japonais avaient constaté que certains plants de riz étaient
atteints de gigantisme. Ces plants cependant ne fructifiaient pas et ne présentaient donc pas
d’intérêt pour la production. Il fut établi que cette anomalie dans la croissance résultait de
l’infection par un Ascomycète parasite appelé Gibberella fujikuroi (KUROSAWA, 1926) ou
Fusarium moniliforme quand le champignon est cultivé in vitro = un extrait de son milieu de
culture provoque les mêmes symptômes d’élongation, et vers 1938 on arriva à isoler de ces
milieux de culture un mélange de substances actives appelées gibbérellines.
Ces travaux ne furent pendant longtemps connus qu’au Japon et ce n’est qu’après la deuxième
guerre mondiale que des recherches furent entreprises dans le monde occidental.
Vers 1956, à partir d’une souche de Gibberella ne produisant qu’une seule gibbérelline on put
isoler et caractériser chimiquement l’acide gibbérellique ou GA3 (travaux de CROSS).
Pendant ce temps, les physiologistes démontraient les effets spectaculaires des gibbérellines
isolées des filtrats de cultures de champignons sur la croissance de végétaux (à très faibles
doses ces substances stimulent en particulier la croissance des espèces naines : haricot, pois,
maïs) qui sont souvent des mutants de production de GA. Une dose de 0,1 µg par plant permet
de doubler la hauteur de pois nains.
Parallèlement on démontrait la présence des gibbérellines dans les tissus végétaux (non
infectés) (PHINNEY et WEST en 1956 chez le concombre).
Avec la mise en évidence de la répartition générale des gibbérellines il apparaissait donc que
l’on était en présence d’un nouveau groupe d’hormones végétales.
III–D– b-Nature Chimique et Diversité des Gibbérellines Naturelles :
Nous avons parlé de ces substances au pluriel car la caractérisation de la première gibbérelline
GA3 a été suivie de la mise en évidence de nombreuses autres gibbérellines dans les tissus
végétaux puisqu’on connaît plus d’une centaine de gibbérellines (130) à l’heure actuelle
caractérisées chez les végétaux supérieurs et les champignons (certaines étant présentes dans
les deux sources). Ces différentes structures possèdent en commun un squelette carboné le
squelette gibbane qui constitue un système de cycles pratiquement unique dans la chimie des
substances naturelles. Les substituants carbonés portés en 7 et 9a du noyau C étant réunis par
une liaison pour donner un 4ème cycle.
Définition des gibbérellines :
Substances synthétisées par les plantes possédant le squelette gibbane et actives vis-à-vis de
tests biologiques spécifiques tels que la croissance de mutants nains (Maïs) ou la production
d’αamylase par des albumens d’orge.
Les différentes gibbérellines se différencient par :
ƒ
Le nombre total d’atomes de carbone (gibbérellines en C19, ex :
GA3 et en C20, ex : GA18).
ƒ
La présence ou non de doubles liaisons
ƒ
Le nombre de carboxyles
ƒ
Le nombre et la position des substituants (OH ou CH3 en
particulier).
Différentes remarques à propos de cette multiplicité de gibbérellines naturelles :
•
•
•
•
•
La progression dans le nombre des gibbérellines connues est liée à l’utilisation des
techniques très efficaces de chromatographie en phase gazeuse associée à la
spectrométrie de masse (ce qui permet à la fois séparation et analyse de la structure
des molécules).
Les gibbérellines sont affectées d’un nombre qui correspond à la chronologie de leur
découverte (exception GA3, la première mise en évidence).
Un même végétal ne contient au maximum que 8 à 10 formes différentes (nous
verrons l’exemple du maïs).
Ces différentes formes ont des activités différentes vis-à-vis des tests biologiques ou
même peuvent être inactives.
GA3, GA4, GA7, GA14 ont le plus grand spectre d’activité.
Cette diversité de structures actives pose un problème au niveau de la finalité. S’agit-il
de substances hormonales voisines mais plus particulièrement affectées à une fonction
particulière ? ou d’intermédiaires dans la synthèse d’une seule forme active.
L’exemple du maïs permet de conclure en retenant la 2ème hypothèse. Chez le maïs 8
gibbérellines ont été identifiées GA53, GA44, GA20, GA29, GA19, GA17, GA1,
GA8. Chez cette espèce où de très nombreux mutants sont disponibles différents
mutants nains ont été étudiés en particulier d1 et d5 (d pour dwarf) dont nous verrons
les caractéristiques après la description de la voie de biosynthèse des gibbérellines.
Pour conclure à propos de cette diversité il faut noter que l’on retrouve cette pluralité de
structures pour les hormones stéroïdes chez les vertébrés qui présentent par ailleurs des
analogies de structure avec les gibbérellines.
Sur un plan pratique des mélanges commerciaux de GA4 et GA7 sont produits à partir de
cultures de Gibbérella fugikuroi.
III–D– c– Biosynthèse et Métabolisme des Gibberellines :
Alors que les gibbérellines ont une structure assez complexe on a une bonne idée de leurs
voies de synthèse. Travaux initiaux de WEST (1965-1970) aux USA.
Les gibbérellines appartiennent au groupe des terpénoïdes composés résultant de la
condensation d’unités isoprène elles-mêmes provenant d’unités acétate.
Acétate
isoprène
terpènes (mono –sesqui – diterpènes)
Appartiennent à ce groupe une autre hormone végétale l’acide abcissique et des constituants
végétaux importants comme les stérols végétaux, les caroténoïdes, le caoutchouc polymère de
milliers d’unités isoprènes.
Sur un premier schéma où est représenté une voie de biosynthèse simplifiée des gibbérellines
vous pouvez voir : l’origine métabolique de différents terpènes, le niveau d’intervention de
certaines substances (régulateurs de croissance) comme l’AMO16-18 ou le CCC qui sont des
antigibbérellines car elles bloquent la synthèse des gibbérellines (ce sont des retardants de
croissance).
Sur un deuxième schéma plus complet on peut voir que la voie de biosynthèse des
gibbérellines se déroule à 3 niveaux à localisation subcellulaire distincte : chloroplaste,
réticulum endoplasmique, cytoplasme.
Toutes les enzymes de la voie de synthèse ont été caractérisées ainsi que la plupart des gènes
correspondants. Certaine de ces enzymes sont multifonctionnelles (elles catalysent plusieurs
réactions séquentielles sur la chaîne) et certaines sont codées par de petites familles
multigéniques dont les membres sont régulés indépendamment par des facteurs endogènes ou
exogènes (stade de développement, lumière, hormones…). Voir figure.
La copalyl phosphate synthase est très fortement exprimée dans les tissus en croissance. La
kaurène synthase est la première étape spécifique de la synthèse des gibbérellines il s’agit
vraisemblablement d’une enzyme régulatrice.
Des cytochromes monooxygénases transforment le kaurene en GA 12 aldéhyde.
Des GA 20 oxydases transforment GA12 en GA 20.
Finalement 2 classes d’hydroxylases sont importantes :
Les 3ßhydroxylases conversion
de GA 20 en GA 1
ou de GA 9 en GA4 les formes actives.
les 2ßhydroxylases qui transforment GA1 en GA8 en l’inactivant en participant ainsi
à l’homéostasie du pool de gibbérellines actives en limitant l’accumulation excessive de GA1.
Plusieurs commentaires sont à faire à propos de cette voie de synthèse
- L’accumulation de gibbérellines entraîne par un phénomène de feedback la répression
des gènes de GA20 oxydases et 3ßhydroxylases.
- Diverses expériences de génie génétique ont montré le rôle in vivo de ces gènes et
enzymes ex : la surexpression de la 2ßhydroxylases entraîne le nanisme des plantes
par inactivation des gibbérellines. Un mutant de pois muté sur cet enzyme conduit au
contraire à un phénotype de réponse « exagérée » aux gibbérellines.
La multiplicité des gibbérellines une ou plusieurs formes actives ? Si l’on revient
maintenant aux mutants nains de maïs d1 et d5 on a pu montrer que le mutant d5
voyait sa croissance rétablie par addition de Kaurène : le gène muté est celui de la
Kaurène synthase. En revanche pour le mutant d1 seul l’apport de GA1 permet la
reprise de croissance toutes les autres gibbérellines en particulier GA20 sont
inefficaces. Ces résultats permettent donc de conclure, qu’au moins chez le maïs, une
seule gibbérelline GA1 est active et que toutes les autres gibbérellines sont des
précurseurs ou des formes d’inactivation/ dégradation. Le gène muté correspond dans
ce dernier cas à l’enzyme de conversion de GA20 en GA1.
- Les gibbérellines existent également sous forme liées avec des oses (glucosides
inactifs) dont le rôle physiologique est peu clair. Rôle dans le transport, réversibilité de
la liaison ?
III–D- d- Les Gibberellines dans la plante – Répartition- Transport :
Les gibbérellines sont présentes chez toutes les plantes supérieures, elles sont synthétisées
également par certains champignons.
Comme nous l’avons dit on ne retrouve que quelques gibbérellines chez une espèce donnée, et
les gibbérellines détectées varient selon le stade de développement.
On pense que les sites de synthèse sont les organes contenant les concentrations les plus
élevées en gibbérellines, apex des tiges et des racines, jeunes feuilles, mais aussi embryon et
tissu de réserve des graines en développement, fruits…
Les concentrations habituelles sont de 0,1 à 100 ng / g de tissu frais mais de 1 à 10 µg au
niveau des graines.
Les gibbérellines ne présentent pas de transport polarisé à la différence de l’auxine.
Appliquées à un niveau quelconque de la plante, elles peuvent avoir des effets régulateurs sur
toutes les autres parties. Elles ont été retrouvées dans la sève brute et la sève élaborée et leur
vitesse de transport (5 cm/h) analogue à celle des sucres laisse supposer qu’elles sont
transportées passivement dans les flux de sève dans le xylème et le phloème.
Un transport de cellules à cellules de type symplastique est également probable, on constate
en effet une réduction du transport par des inhibiteurs métaboliques de type azide.
III–D– e–Effets Physiologiques :
Au niveau cellulaire comme les auxines, les gibbérellines ont à la fois une action sur la
division, l’élongation et la différenciation. Parmi les effets observables on peut citer :
- L’action sur la croissance des tiges (au niveau des racines et feuilles on observe de très
faibles réponses) – Cette action est particulièrement spectaculaire sur des :
1) Mutants nains qui dans la majorité des cas ont perdu la faculté de synthétiser des
gibbérellines, par blocage génétique. Les retardants de croissance peuvent déterminer
également un nanisme chez des espèces comme Chrysanthemum et leur effet est levé
par apport de gibbérellines exogènes.
2) Espèces en rosette bisanuelles – choux, laitue dont les entre-nœuds sont très courts
pendant la 1ère année de végétation et les feuilles sont accolées les unes aux autres.
Dans la nature, chez ces espèces les tiges s’allongent la deuxième année. Un
traitement par les gibbérellines (0,1 mg / semaine) peut conduire rapidement à des
croissances spectaculaires (3 m de haut). Cependant, les gibbérellines ont un effet sur
la croissance de nombreuses plantes normales et intactes comme la Tomate (qui ne
posséderaient donc pas des concentrations optimales pour leur croissance). Le plus
souvent on assiste à un accroissement des entre-nœuds existant par des phénomènes
d’élongation essentiellement).
Croissance des fruits
Effet commun avec les auxines, mais les gibbérellines agissent sur des espèces pour lesquelles
l’auxine n’a pas d’action (Rosacées, Pêcher, Pommier, Raisins). La parthénocarpie peut être
obtenue avec des gibbérellines.
Levée de dormance
L’application de gibbérellines à des bourgeons dormants permet la levée de dormance et leur
débourrement. Même effet sur la levée de dormance des graines.
Initiation de la floraison
Pour des espèces ayant des exigences photopériodiques ou de vernalisation pour fleurir, la
transformation d’un méristème végétatif en méristème floral peut être obtenue dans de
nombreux cas par application de gibbérellines. Sans que l’on sache si ces hormones sont
directement impliquées dans le processus physiologique normal.
III–D– f- Mécanismes Moléculaires d’action des Gibbérellines :
Nous l’avons vu les gibbérellines déterminent un nombre important de réponses mais leur
mode d’action au niveau moléculaire a été, comme dans le cas de l’auxine, essentiellement
étudié en détail vis-à-vis d’un seul phénomène : l’induction des enzymes d’hydrolyse de
l’amidon dans les graines de céréales.
Exposition du problème
L’embryon des graines de céréales est entouré d’un tissu de réserve : l’albumen qui est luimême entouré d’une fine couche de cellules riches en protéines (grains d’aleurone) appelée
couche d’aleurone.
Quand la germination débute, sous l’influence de l’humidité par exemple, les cellules de la
couche d’aleurone libèrent des enzymes qui hydrolysent l’amidon, les protéines et le RNA de
l’albumen, les produits solubles formés étant ensuite utilisés pour le développement de
l’embryon.
En 1958, YOMO au Japon et PALEG en Australie trouvèrent que des graines d’Orge privées
de leur embryon et placées à l’humidité ne produisaient pas d’amylase. Si les grains et les
embryons étaient placés en suspension dans une même fiole, les grains présentaient alors une
activité amylasique comme des semences normales. YOMO montra de plus que des extraits
purifiés d’embryon appliqués sur les graines déterminaient l’apparition de l’activité amylase.
Ceci suggère, bien que l’embryon fournit normalement à la couche d’aleurone une substance
qui lui permet de libérer l’α amylase. Il s’agit d’une hormone la gibbérelline qui a été isolée
des grains d’Orge sous la forme GA3 et qui peut remplacer l’action de l’embryon.
Les étapes suivantes ont permis de montrer que l’augmentation de l’activité α amylase
provenait d’une synthèse de novo de l’enzyme (expériences de marquage en densité D₂O ou
avec des acides aminés ¹⁸0 suivi d’une centrifugation à l’équilibre) et que cette synthèse
provenait elle-même de la production de nouveaux ARN messagers spécifiques (expérience
de Northern, inhibiteurs de la transcription).
De nombreuses études ont ensuite porté sur la chaîne de transduction du message gibbérelline.
Si diverses expériences démontrent la présence de récepteurs de GA sur le plasmalemme
(action d’hormone non perméante, inefficacité de la micro–injection de GA) la nature
moléculaire du récepteurs n’est pas connue.
En revanche, de nombreux messagers secondaires et éléments de la chaîne de transduction ont
été proposés dans le mécanisme d’action des gibbérellines avant la stimulation de la
transcription :
L’ion Ca⁺⁺
Le pH cytosolique
La calmoduline
Le GMP cyclique
Ces différents paramètres augmentent séquentiellement lors du traitement de protoplastes de
cellules d’aleurone par GA. Par exemple, GA3 accroît la teneur en calcium cytosolique via
l’ouverture de canaux calciques, le retour à des concentrations « normales » de calcium serait
du à des Ca⁺⁺ ATPases de la membrane plasmique et à un influx de calcium vers le RE. Des
protéines G hétérotrimèriques sont également impliquées dans les premières étapes de la
transduction : le MAS 7 qui stimule l’échange GDP/GTP stimule la production d’α amylase.
Au niveau terminal de la chaîne de transcription il faut souligner dans le promoteur du gène
d’α amylase l’existence d’un « Gibberellic acid responsive complex » GARC avec 3 régions
essentielles dont une le GARE (gibberellic acid responsive element). Par ailleurs, un cDNA
codant une protéine de 60 Kda (GAB1) avec un domaine en doigt de Zinc répété a été
caractérisé ainsi qu’un gène GAMyb (facteur myb) stimulant la production d’α amylase en
l’absence de GA.
GA stimule, par ailleurs, la production de GAMyb. La réponse finale dépend d’un équilibre
entre GAB1 inhibiteur de la transcription et GAMyb activateur.
Enfin il faut souligner que l’α amylase est une glycoprotéine sécrétée à l’extérieur des cellules
d’aleurone (pour qu’elle puisse migrer ensuite vers l’albumen). Des inhibiteurs de
glycosylation bloquent donc cette sécrétion.
III–D– g– Modification des taux de Gibberellines chez les plantes par génie
génétique :
Une amélioration de la productivité des céréales a reposé sur l’obtention de variétés seminaines chez lesquelles l’utilisation de l’azote des amendements était plutôt utilisé pour la mise
en place du grain que de la tige.
De ce point de vue on peut rappeler que deux gènes dits de la « révolution verte » le gène de
blé Rht et le gène de riz Sd1 sont impliqués dans la signalisation associé à GA et à sa
biosynthèse respectivement.
Par génie génétique plusieurs approches peuvent être envisagées pour réduire les taux de GA
1. réduire la biosynthèse
2. augmenter le catabolisme
1. Par exemple des constructions anti-sens du gène de GA 20 oxydase
réduisent les taux de gibberellines chez Arabidopsis
2. Surproduction de GA2 oxydase une enzyme du catabolisme de GA. Un
groupe Japonais (2003) vient d’obtenir des résultats intéressants selon cette
approche en transformant une variété de riz par une construction associant
le gène de GA2 oxydase au promoteur (la synthèse de GA chez le riz est
dépendante des organes) d’un gène de biosynthèse de GA dans les tiges.
Les plantes transformées ont un phénotype semi-nain mais une floraison et
un développement du grain normal contrairement à des plantes où le gène
était associé à un promoteur constitutif (actine).
III–E - LES CYTOKININES
La troisième catégorie d’hormones que nous abordons aujourd’hui les cytokinines présentent
comme les précédentes AIA, gibberellines des effets biologiques multiples mais l’effet
initialement mis en évidence porte sur la division cellulaire, plus particulièrement sur la
cytokinèse d’où le nom de cytokinines.
III–E– a- Historique et découverte :
La découverte des cytokinines a été associée à la recherche des exigences hormonales des
cultures d’organes ou de tissus végétaux in vitro. Ces tissus ou organes isolés de la plante
exigent en effet pour se développer des éléments divers dans le milieu et en particulier des
hormones.
1941 Van Overbeek met en évidence les propriétés actives du lait de noix de coco* vis-à-vis
de la croissance de jeunes embryons de Datura stramonium. Ce milieu est toujours utilisé en
culture de tissus végétaux.
* endosperme liquide de la noix de coco qui se solidifie par la suite et qui est très riche en
acides nucléïques.
1954 Le groupe de SKOOG montre que la croissance in vitro des tissus de moelle de tabac
ne peut se faire avec la seule présence d’auxine (faible croissance pas de division, seulement
grandissement cellulaire). La recherche de substances actives conduit à mettre en évidence
l’action positive
• Du lait de noix de coco
• D’extrait de levure
• De DNA autoclavé
1955 Miller obtient à partir de sperme de Hareng autoclavé (très riche en ac. nucléïques)
une substance capable d’induire la division cellulaire des tissus de moelle de tabac à de très
faibles concentrations 1 µg/litre.
Cette substance a été identifiée il s’agit de la 6-furfurylaminopurine ou kinétine actuellement
encore utilisé comme régulateur de croissance.
D’autres substances synthétiques de nature voisine et des dérivés de l’adénine isolés des
végétaux ont une action comparable. L’ensemble de ces substances est regroupé sous le terme
de cytokinines : Adénines substituées ayant une action sur la croissance et la différenciation
des tissus végétaux en culture « in vitro »
III–E– b- Nature chimique :
A côté de la kinétine d’autres substances synthétiques à activités cytokinine existent dont la
plus connue est la benzyladénine disponible commercialement très utilisée en culture « in
vitro ».
Des activités cytokinines ont été initialement caractérisées dans divers extraits végétaux : lait
de noix de coco, extraits de divers fruits mais sans identification des structures actives.
En 1964, 9 ans après la découverte des cytokinines LETHAM identifie dans les endospermes
laiteux de maïs (Zea Mays) la 4-hydroxy-3méthyl-2butényl amino purine ou Zéatine.
Depuis cette molécule a été caractérisée dans de nombreuses plantes ; elle est responsable de
l’activité biologique du lait de noix de coco.
Par la suite on a abouti à la caractérisation chez les végétaux de l’isopentenyladénine libre ou
sous forme de riboside qui semble la plus largement répandue. Ces cytokinines naturelles sont
plus efficaces que les cytokinines synthétiques.
Relations structure activité : De nombreuses substitutions sont possibles au niveau du
groupement NH2 de l’adénine tout en conservant l’activité.
Substitution sur les cycles : perte d’activité à l’exception de la
substitution en 9 d’un hydrogène par un groupement ribose ou
ribose phosphate.
III–E– c- Biosynthèse – Métabolisme :
La voie de Biosynthèse est très simple. Les cytokinines sont des adénines substituées,
l’adénine est une base purique, constituant naturel des végétaux qui intervient dans la
synthèse des acides nucléiques. Les cytokinines naturelles connues résultent de la substitution
d’un hydrogène du NH2 (en 6) par une chaîne, à 5 atomes de carbone correspondant à une
unité isoprène de type pyrophosphate d’isopentényle (Cf synthèse Gibb-ABA).
Cette origine a été démontrée par des incorporations de mévalonate marquée dans les
cytokinines. Une enzyme réalisant le couplage 5’AMP + pyrophosphate d’isopentenyle est
l’isopentenyltransférase IPT (cytokinine synthase) cette enzyme n’accepte pas l’adénine ou
l’adénosine comme substrats elle a été caractérisée initialement ainsi que son gène chez les
microorganismes et c’est La caractérisation récente du gène chez les végétaux qui conclut
définitivement le débat polémique relatif à la production des cytokinines non pas par la plante
mais par la flore épiphyte qui la colonise.
Les cytokinines existent et sont actives à la fois à l’état libre à l’état de nucléosides et de
nucléotides. Curieusement on trouve des structures de type cytokinine dans les ARN de
transfert (tRNA). Les t RNA après avoir fixé un ac. aminé vont le transférer et permettre son
incorporation dans une chaîne polypeptidique en voie de formation au niveau des ribosomes.
Chaque t RNA possède 2 régions de sa molécule particulièrement typiques
ƒ
ƒ
celle où se fixe l’ac. Aminé
celle appelée anticodon (correspondant à une séquence de 3 nucléotides) qui lui
permet de s’apparier avec le codon correspondant du RNA messager et donc de
contribuer à la traduction de cet ARN messager en introduisant au bon endroit le bon
ac. aminé.
Les ARN de transfert qui ont une structure secondaire en feuille de trèfle en raison de liaisons
hydrogénes entre bases complémentaires comportent de nombreux nucléotides rares ou
inhabituels : natures des bases méthylées, addition, substitution
type de liaisons entre base et sucre
et parmi ces nucléotides rares on trouve des structures de type cytokinine comme les adénines
substituées.
ƒ
ƒ
ƒ
Ces cytokinines occupent une position spécifique adjacente à l’anticodon se terminant
par un A.
Cette présence des cytokinines dans les t RNA se retrouve donc chez les végétaux
mais aussi chez les animaux et bactéries.
On a envisagé que les cytokinines proviendraient de la dégradation des t RNA
végétaux mais les études réalisées sur le renouvellement (turn over) des t RNA
végétaux semblent indiquer que celui-ci n’est pas suffisamment rapide pour maintenir
une quantité de cytokinines compatible avec les exigences pour la croissance.
Par ailleurs c’est la forme isomèrique cis-zéatine qui est présente dans les t RNA alors que la
forme trans-zéatine est la forme prédominante et la plus active dans les tissus, il existe
cependant une cis-trans isomérase dans les tissus végétaux.
Au final on pense que les cytokinines ont une double origine : synthèse via l’IPT et via la
dégradation des t RNA.
Les cytokinines lorsqu’elles sont apportées de façon exogène subissent 3 types de
transformation.
ƒ
Formation de nucléotides mono-di-triphosphates qui sont actifs au même titre que les
cytokinines bases et qui pourraient même être les formes actives les plus générales.
ƒ Formation de glucosides O-cytokinines glucosylés sur la chaîne latérale – ces
réactions sont réversibles et les glucosides constituent donc des formes de réserves
inactives.
N-cytokinines glucosylés sur les N en 7, 9, 3 ; il s’agit
dans ce cas d’une désactivation réversible (le glucose est dans ce cas lié à un atome
d’azote du noyau purique).
ƒ Dégradation par élimination de la chaîne latérale et perte d’activité sous l’action d’une
cytokinine oxidase. Cette enzyme maintiendrait l’homéostasie du taux de cytokinines
(elle est ainsi inhibée par la diphénylurée qui mime, par effet indirect, les effets de
l’apport de cytokinines exogènes).
La réaction catalysée est du type : isopentenyladénosine
adénosine.
III–E– d- Cytokinines dans la plante :
Il est classiquement admis que les cytokinines sont produites de façon préférentielle dans les
racines, bien que les embryons, les jeunes fruits, les bourgeons aient aussi une autonomie de
production.
™ Elles sont présentes dans les racines en grande quantité et sont synthétisées à partir de
précurseurs radioactifs.
™ On retrouve des cytokinines dans les exsudats racinaires de certaines plantes (Maïs)
™ Les feuilles sont dépendantes des racines pour la production de cytokinine
Exemple : Phaseolus vulgaris lorsque l’on sectionne une tige feuillée et si on la
maintient en survie dans l’eau le taux de cytokinines diminue mais recommence à
augmenter lors de la formation de racines adventives.
Les cytokinines seraient transportées dans le xylème. Appliquées de façon exogène au niveau
des feuilles elles migrent peu.
ƒ
Division cellulaire :
Un des effets des cytokinines est de permettre la cytokinèse c'est-à-dire la formation d’une
paroi transversale assurant la séparation de deux cellules filles. C’est en raison de cette action
spécifique sur cette phase de la division cellulaire que le nom de cytokinine a été donné à ces
hormones.
Il faut également remarquer que dans les conditions des essais biologiques les cytokinines
seules sont sans action sur la division cellulaire mais qu’elles ne peuvent agir qu’en présence
d’auxine.
Ceci est un exemple de complémentarité d’action entre deux substances de croissance =
synergie qui doit vraisemblablement se retrouver dans de nombreux cas.
Si l’on considère l’intervention des cytokinines dans les conditions naturelles on peut faire
référence aux tissus tumoraux pour lesquels on a montré une nette activation de la synthèse
des cytokinines et on peut penser que dans les zones méristématiques des tissus normaux ces
systèmes de synthèse sont particulièrement actifs.
ƒ
Différenciation
Les cytokinines permettent la différenciation de bourgeons sur des tissus en culture leur action
est contrebalancée par celle des auxines qui favorisent la production de racines, la
différenciation du tissu dépendant en fait de l’équilibre auxine
.
cytokinines
ƒ
Levée de dormance : les semences de diverses graines Tabac, Laitue, voient leur
germination stimulée par les cytokinines. Cet effet peut avoir des répercussions
écologiques. Aux USA les graines d’une plante parasite des cultures Striga asiatica ne
germent qu’au contact des sécrétions racinaires de la plante-hôte Maïs. Au-delà de
cette observation il est possible que les cytokinines aient un rôle plus général dans la
germination des semences dans les conditions naturelles.
ƒ Effet sur la mobilisation des métabolites
MOTHES (1961) a découvert que des applications localisées de cytokinines à des
feuilles entraînait une mobilisation de métabolites apportés de façon exogène des
zones de dépôt vers la zone traitée ou une rétention de métabolites au niveau du
traitement (sels minéraux – acides aminés).
Cet effet actuellement inexpliqué peut être en partie à l’origine des deux autres
manifestations de l’action des cytokinines que nous développerons plus tard
•
•
L’action sur la dominance apicale
L’action anti-sénescence
Les cytokinines produites par les bactéries : différentes bactéries pathogènes ou colonisatrices
des plantes produisent des cytokinines ce qui entraîne au niveau des végétaux des
phénomènes tumoraux par multiplications cellulaires anarchiques.
Agrobacterium tumefaciens avec transfert du gène IPT à la plante
Pseudomonas savastanoi sans transfert de gène mais excrétion de cytokinines
Rodococcus fascians producteur de cytokinines produit un phénotype particulier que
nous verrons à propos de la levée de dominance apicale : les balais de sorcière.
On ne connaît pas de mutants affectés dans la synthèse des cytokinines ni d’inhibiteurs de la
synthèse des cytokinines. Cependant la transformation génétique des plantes par différents
génotypes d’Agrobacterium tumefaciens a apporté des conclusions intéressantes.
En culture de tissus les tissus tumoraux résultant de l’action de cette bactérie se révèlent
autotrophes par rapport aux hormones suggérant que le transfert de TDNA entraîne une
surproduction d’hormones (ils n’ont pas besoin d’apport d’hormones exogènes contrairement
aux tissus normaux).
Trois gènes ont été ainsi identifiés dans le TDNA. Deux impliqués dans la production d’AIA.
Le gène 1 code une enzyme de formation d’indole acétamide.
Le gène 2 code une enzyme hydrolysant l’indole acétamide en tryptophane.
Le 3ème gène correspond à l’IPT enzyme de synthèse des cytokinines.
Des expériences de mutagenèse par insertion de transposons (transposon TN) chez
agrobacterium tumefaciens ont conduit à des souches affectées dans certains de ces gènes.
La transformation des plantes par ces souches modifiées a conduit à des phénotypes
tumoraux spécifiques qui on conduit à associer le locus affecté à l’allure de la tumeur.
tms
tmr
pour
pour
tumour
tumour
shooty
rooty
Les mesures de teneurs en hormones de ces tissus tumoraux ont montré une réduction des
quantités en auxine chez tms, une réduction des quantités en cytokinines chez tmr.
Les locus ont été ensuite associés à des gènes codant des enzymes de synthèses de ces
hormones mais ces expériences ont surtout montré l’impact des balances hormonales sur la
différenciation.
La corrélation observée confirme les résultats décrits à l’origine pas Skoog et Miller pour les
tissus de tabac en culture.
Formation de tiges favorisée par un rapport
racines favorisée par un rapport
élevé
cytokinines
auxine
faible
cytokinines
AIA
III–E– e- La perception et la transduction du signal cytokinine :
Un des systèmes les plus conservés pour la transduction des signaux extracellulaires est la
voie des protéines G liant le GTP. Ce sont les protéines G qui en changeant de conformation
lors de l’échange GDP-GTP se lient à des protéines effecteurs et les activent (enzymes,
canaux ioniques).
De nombreuses évidences démontrent l’existence de ce système chez les plantes.
♦ Systèmes affines pour ³²P GTP
♦ Systèmes réagissant aux anticorps contre les unités G α, G β mais pas G γ
Il est vraisemblable que le système des G protéines existe donc chez les plantes. Ces
observations suggèrent que des récepteurs membranaires à 7 domaines transmembranaires
(qui sont couplés aux protéines G) existent donc également chez les plantes. Ces récepteurs
sont très nombreux 1 % du génome chez les animaux et sont capables de reconnaître des
messages aux structures aussi variées que les photons, les ions, des effecteurs chimiques…
En 1998 le groupe de Hooley à Bristol en exploitant les homologies de séquence aux niveaux
des EST de Arabidopsis, riz, pin a pu trouver des séquences présentant des homologies avec
les 7 TM receptors.
A partir de ces informations on est arrivé au clonage d’un gène chez Arabidopsis : GCR1 qui
est exprimé à un faible niveau dans différents organes de la plante. La transformation de
plantes avec des constructions antisens (promoteur 35 S) conduit à des transformants à
phénotype modifié analogue à celui de plantes manquant de cytokinines ou à celui d’un
mutant CVR1 insensible aux cytokinines.
Par ailleurs, le transformant est moins sensible à l’apport exogène de benzyladénine.
ƒ
Arguments en faveur d’un système à double composante dans la perception /
transduction du signal cytokinine
Ces systèmes comprennent comme cela a été mentionné précédemment :
une partie récepteur
une partie transmetteur (histidine kinase)
une partie régulateur de réponse
Une approche par Activation TDNA Tagging a consisté à transformer un grand nombre de
plantes (50 000 cals d’A. thaliana) par une construction comprenant un tétramère du domaine
enhancer du promoteur 35S. L’insertion au hasard de cette séquence dans un promoteur
quelconque va amplifier la transcription du gène correspondant et permettre également de
localiser le promoteur interrompu (par hybridation).
Le crible de sélection a porté sur la recherche de plantes présentant un phénotype comparable
à celui résultant d’un apport de cytokinines (prolifération de tiges, verdissement accéléré,
inhibition de la formation de racines…).
Le gène CKI1 a été caractérisé, il code pour un système à deux composantes et sa
surexpression donne un phénotype correspondant à l’apport de cytokinines exogènes (pas
encore de liaison entre la protéine et les cytokinines démontrée).
Enfin un screening de mutants par rapport à la perte de sensibilité aux cytokinines en cultures
de tissu a conduit à isoler le mutant Cre1-1 cytokinine
.
Le mutant ne répond pas à l’apport exogène de kinétine, zéatine, IPA.
Le gène correspond à une histidine kinase et la mutation correspond au changement d’une
Glycine 467 par Asparagine 467.
Cependant le mutant ne présente pas d’anomalie au niveau du système aérien sur la plante
entière mais seulement des altérations du système vasculaire des racines suggérant le
fonctionnement majoritaire de CRE 1 dans les racines, d’où l’idée de récepteurs tissus
spécifiques.
III–E– f- Ingénierie de la production des cytokinines :
Deux démarches ont été envisagées à des fins soit fondamentales ou appliquées.
La surexpression du gène IPT. Ce gène a été associé à différents promoteurs.
-
un promoteur constitutif fort comme le 35 S entraîne une surproduction de
cytokinines avec les symptômes associés classiques :
¾ perte de dominance apicale
¾ réduction du système racinaire
¾ augmentation du nombre de chloroplastes.
Cependant la plante a un développement général perturbé par excès de cytokinines.
Le gène IPT a donc été associé à des promoteurs inductibles ou exprimés de façon spécifique
dans le temps.
¾ gène de protéine de heat shock induit par un élévation de T°
¾ gène exprimé lors de la sénescence
Dans ces conditions la surproduction de cytokinines modérée ou limitée dans le temps se traduit par
des effet positifs, antisénescence en particulier.
La deuxième approche consiste à inhiber par une stratégie antisens ou RNAi le gène de cytokinines
oxydase. Cette approche potentiellement intéressante a été encore peu utilisée.
III–F - L’ETHYLENE
III–F– a- Découverte du rôle hormonal :
La démarche qui a conduit à la découverte du rôle hormonal de l’éthylène est tout à fait
différente de celle que nous avons évoquée pour les autres hormones.
En effet, l’action de l’éthylène exogène est connue depuis longtemps sur les végétaux et ce
n’est qu’à la suite de la démonstration de la présence naturelle de l’éthylène chez les plantes
que l’on a conclu à son action hormonale.
Dès 1886 une jeune Botaniste russe NELJUBOW observait l’effet du gaz d’éclairage sur la
morphologie de plantules de pois : raccourcissement et épaississement des tiges, perte du
géotropisme négatif : ensemble de réponses regroupées sous le terme de triple réponse.
Parmi les différents effets de l’éthylène ce sont cependant les observations relatives à la
maturation des fruits qui ont été décisives dans la découverte de son rôle hormonal.
ƒ
ƒ
1924 :
1937 :
DENNY : l’éthylène permet le jaunissement et la maturation des citrons
GANE : montre que les émanations gazeuses de pommes
mûres initient la maturation des fruits verts et que l’éthylène
constituait le gaz actif (première démonstration de la production d’éthylène
par un végétal). A partir de ce moment on attribue un rôle à l’éthylène dans
la maturation des fruits et l’on montre que de nombreux fruits émettent de
l’éthylène.
ƒ
1955-1960 :
le développement de chromatographie en phase gazeuse fit
franchir une nouvelle étape car cette méthode très sensible et
particulièrement adaptée à la détection de ce gaz permet de montrer que
l’éthylène était présente dans toute les parties de la plante.
Parallèlement on démontrait au-delà de la maturation les actions diverses
de l’éthylène sur le développement des végétaux et en 1969 ce composé
était finalement rangé parmi les hormones végétales.
ƒ
Produite par les végétaux, active à faible dose et à distance du lieu de
synthèse l’éthylène répond tout à fait à la définition d’une hormone.
Elle représente cependant des caractéristiques particulières au niveau du
transport : on observe en effet une diffusion gazeuse à l’intérieur de la
plante mais aussi à l’extérieur d’où la possibilité d’action sur d’autres
individus. Cette propriété suggère une analogie avec les phéromones
animales.
Son caractère gazeux la fait, par ailleurs, comparer à un autre gaz l’oxyde
nitrique (NO) molécule gazeuse impliquée dans la signalisation chez les
animaux (les végétaux produisent aussi de l’oxyde nitrique).
III–F– b– Production par la plante :
En raison de la sensibilité et de la spécificité de l’analyse chromatographique en phase gazeuse
on ne retient pratiquement pas de test biologique pour estimer les quantités d’éthylène dans la
plante (sensibilité 10¹² mole - 10⁶ µl).
Les fruits, les fleurs et différents organes de la plante produisent de l’éthylène. On distingue
généralement :
ƒ
ƒ
La teneur interne (TI)
L’émission dans l’atmosphère (EAth)
Exemple pour la Poire Williams :
TI= 80 µl/g
EAth = 200 µl/g/24h
Aux USA, ABELES a estimé que la production d’éthylène par les plantes était de 2.10⁴
tonnes par an. Cette production peut être comparée à celle provenant des véhicules et des
industries 15.10⁶ tonnes par an. Ces concentrations pourraient être toxiques pour les plantes
mais l’éthylène est soit transformé par oxydation par l’ozone par réaction avec les oxydes
d’azote à la lumière ou utilisée par les microorganismes du sol.
Il est à noter :
1) Que la production d’éthylène est très sensible aux facteurs de l’environnement :
lumière, température, différents types de « stress » (blessures, radiations, sécheresse,
attaques par les microorganismes, etc…). Dans le cas de ces agressions cette synthèse
accrue d’éthylène s’accompagne de la formation de composés phénoliques, les
enzymes de synthèse PAL ou d’oxydation (peroxydase) de ces composés étant
nettement activées. L’éthylène déclenche ainsi des réactions de la plante qui peuvent
être assimilées à des sortes de réactions de défense de la plante (cicatrisation,
protection…) d’où l’appellation d’Hormone de Stress.
2) Que la production d’éthylène est stimulée par les auxines (naturelles ou synthétiques).
Les travaux d’ ABELES et de BURG (1968-1972) ont montré que de nombreuses
réponses obtenues chez les plantes lors de l’application d’auxine pouvaient être
reproduites par l’exposition des plantes à l’éthylène. Ainsi de nombreuses réponses
attribuées à l’auxine aux fortes concentrations se produiraient par l’intermédiaire de
l’éthylène (inhibition de l’élongation). Cette interaction pourrait fournir un contrôle
naturel lors de la production excessive d’auxine.
III–F– c– Voies de biosynthèse et régulation de la synthèse :
Depuis longtemps il avait été démontré que la méthionine (ac. aminé) était un précurseur de
l’éthylène. En effet, si on apporte de la méthionine marquée à des tranches de pommes ou de
bananes on observe une incorporation de la radioactivité dans l’éthylène.
L’éthylène dériverait des carbones 3 et 4.
Les étapes intermédiaires ont été ensuite caractérisées selon la séquence :
Méthionine
S-adenosyl méthionine
Acide cyclopropane carboxylique (ACC)
Ethylène
L’enzyme de synthèse de S-adenosyl méthionine la SAM synthase n’est pas spécifiquement
impliquées dans la synthèse de l’éthylène car son produit est majoritairement utilisé comme
donneur de méthyle dans d’autres synthèses : lignines, polyamines…
Les autres enzymes plus en aval ont un rôle plus spécifique. L’enzyme de synthèse de l’ACC
semble jouer un rôle régulateur important dans la production de l’éthylène. C’est une ACC
synthase enzyme comportant un groupement prosthétique pyridoxal – phosphate dont
l’activité est bloquée par des inhibiteurs, des enzymes à pyridoxal-P.
L’ACC synthase a été purifiée et clonée. C’est un exemple d’une famille multigénique dont
chaque membre est différemment exprimé en réponse à des facteurs du développement, de
l’environnement ou des facteurs hormonaux. Avec des sondes spécifiques une expression
différentielle des différents gènes a été évaluée par exemple :
Une forme augmente lors de la maturation
Une autre forme augmente en réponse à des blessures
Une dernière forme augmente en réponse à l’auxine
L’ACC oxydase qui transforme l’ACC en éthylène est une dioxygénase qui demande du fer et
de l’ascorbate et fonctionne en présence d’O2. Elle correspond également à une famille
multigénique et subit également une augmentation de son activité lors du stress.
Plusieurs observations tendent à montrer que la stimulation de la production d’éthylène à la
suite du stress procède d’une néosynthèse d’ACCsynthase qui jouerait un rôle limitant dans la
production d’éthylène. En effet, le système de conversion de l’ACC en éthylène apparaît
constitutif dans la plupart des tissus car l’apport d’ACC à une large variété de plantes ou de
tissus détermine un accroissement très important de production d’éthylène.
ƒ
ƒ
L’auxine, le « wounding », le « flooding » stimulent la synthèse d’ACC synthase et la
production d’ACC et d’éthylène.
Certains mutants de tomate « rin » sont incapables de mûrir en raison d’un défaut dans la
production d’éthylène. L’apport d’ACC
maturation.
La mutation concerne le gène de l’ACC-synthase l’effet négatif de l’apport de différents
précurseurs de l’ACC.
L’épinastie constatée au niveau des feuilles lors de la croissance sur sols inondés est due au
transport vers les parties aériennes d’ACC non transformé au niveau des racines en raison de
l’absence d’O2.
Enfin l’ACC peut être transformé en une forme conjuguée de manière irréversible : le
malonyl ACC. Il a été proposé de façon « humoristique » que la quantité de malonyl ACC
retrouvée chez une plante soit un indicateur des situations de stress vécues par la plante.
Au-delà des voies de biosynthèse naturelle un certains nombre de composés chimiques
exogènes sont utilisés comme précurseurs d’éthylène il s’agit de l’ethephon ou de l’ethrel.
La dégradation de l’éthylène essentiellement à l’extérieur de la plante implique une
conversion en oxyde d’éthylène ou en éthylène glycol.
III–F – d– Effets physiologiques :
L’éthylène peut être considéré comme une hormone mixte avec des effets positifs : initiation
de la floraison, et des effets négatifs sur le développement : inhibition de la croissance,
abscission, sénescence.
Elle exerce une influence sur toutes les phases du développement de la germination à la
sénescence souvent en interaction avec d’autres hormones.
Maturation des fruits :
Le phénomène de maturation englobe des changements biochimiques profonds qui conduisent
à des modifications de texture, du goût, de la couleur du fruit et le rendent apte à la
consommation.
Sans entrer dans le détail de ces modifications il faut signaler qu’elles sont précédées chez de
nombreux fruits par un accroissement très net de l’intensité respiratoires que l’on appelle crise
climactérique, la période antérieure ou phase pré climactérique étant une période d’activité
métabolique ralentie (voir figure).
Changements biochimiques lors de la maturation :
Hydrolyse des composés pectiques
Hydrolyse de l’amidon
Disparition des acides organiques
pectine soluble
sucres
oses
Disparition des substances astringentes (tannins)
1. on a pu montrer que l’apport de l’éthylène déclenche la crise climactérique et les
phénomènes de maturation qui s’en suivent.
2. des mesures de la production d’éthylène dans le fruit révèlent que la quantité de gaz
s’accroît avec la crise climactérique.
3. enfin l’utilisation d’inhibiteur de la production d’éthylène « la rhizobitoxine » retarde
la maturation des pommes.
Selon les fruits on constate que la production d’éthylène est parallèle à la montée de la crise
climactérique ou la précède en revenant à sa valeur initiale lors de la montée (Banane).
On considère donc que l’éthylène est l’hormone de maturation naturelle des fruits. Le contrôle
de la production éthylène a des applications commerciales dans le contrôle de la maturation
des fruits.
La maturation des fruits peut être considérée comme une étape précoce de la sénescence qui
est définie par rapport à des critères de consommation. L’éthylène de façon plus générale,
induit la sénescence chez d’autres organes comme les fleurs ou les feuilles.
III–F – e– Mécanismes d’action de l’éthylène :
L’éthylène est sans doute l’hormone végétale dont les mécanismes moléculaires d’action
(perception, transduction du signal…) sont les mieux connus.
Ces résultats sont liés à une exploitation extensive de mutants d’Arabidopsis thaliana
insensibles à l’éthylène au niveau de la réponse physiologique classique de la triple réponse.
Le mutant ETR1 (éthylène résistant) a permis l’isolement du récepteur d’éthylène. Ce gène
isolé par clonage positionnel code une protéine qui comporte des homologies avec les
systèmes régulateurs bactériens à deux composantes :
ƒ
ƒ
ƒ
Domaine senseur
Domaine histidine kinase (transmetteur)
Domaine receveur (régulateur de réponse).
La protéine récepteur existe sous forme de dimères les 2 sous unités étant liée par 1 pont
disulfure.
La protéine recombinante est capable de fixer l’éthylène au niveau de sa région N terminale
hydrophobe. La cystéine 65 est impliquée dans cette fixation.
D’autres mutants de sensibilité ont été caractérisés tels que CTR1, EIN2, EIN3, ETR2, EIN4,
ERS.
Certains des gènes correspondants (ETR2, EIN4) correspondent peut être à une redondance
des récepteurs, d’autres codent pour des intermédiaires de la chaîne de transduction.
CTR1 code pour une protéine répresseur, car la mutation entraîne une triple réponse
constitutive.
La liaison du récepteur ayant fixé l’éthylène avec CTR1 désactive ce dernier. L’ordre
d’intervention de ces différentes protéines le long de la cascade perception transduction a
commencé à être identifié : ETR1
CTR1
EIN2
EIN3
ERF1
Réponses
Le domaine cytoplasmique de ETR1 interagit avec le domaine régulateur de CTR1(protéine
kinase de type RAF).
EIN2 protéine membranaire, EIN3 et ERF1 (Ethylene response factor) qui sont pour les deux
derniers des protéines nucléaires à rôle de facteur de transcription se situent plus en aval.
ERF1 est rapidement induit en réponse à l’éthylène et déclenche un ensemble de réponses
physiologiques quand il est exprimé ectopiquement.
L’intervention de ces gènes sur une même voie de transduction a été ordonnée par des tests
génétiques d’épistasie qui permettent par croisement de 2 mutants suivie d’une
autofécondation de déterminer par analyse du phénotype le gène qui agit avant l’autre sur la
chaîne (le gène qui agit en 1er donne le phénotype).
III–F– f– Applications biotechnologiques :
Le métabolisme de l’éthylène a fait l’objet de manipulations génétiques en vue de contrôler la
maturation. De nombreuses pertes de fruits résultent en effet de phénomènes de maturation /
sénescence non contrôlés après la récolte.
ƒ
Les interventions ont porté sur la sous-expression des gènes d’ACC
synthase ou d’ACC oxydase ou sur la surexpression d’un gène
bactérien d’ACC désaminase du genre Pseudomonas qui réalise la
conversion (ACC
acétobutyrate)
Par ces différentes stratégies on a pu obtenir des plantes à maturation différée (tomate,
melon…).
La maturation peut être déclenchée par apport d’éthylène (comme c’est le cas industriellement
pour la banane récoltée verte).
Une amélioration du procédé consiste en l’utilisation de promoteurs spécifiques associés à ces
gènes.
ƒ
ƒ
Fruit spécifique pour éviter des effets pléiotropiques
Ou inductibles par des conditions particulières
Lumière inductible et transfert à l’obscurité par exemple pour initier la
maturation.
III–G – L’ACIDE ABCISSIQUE
Des inhibiteurs de croissance ont depuis longtemps été caractérisés chez les plantes il s’agit
souvent de composés phénoliques sécrétés ou excrétés souvent actifs après leur oxydation.
Ces composés sont impliqués dans les phénomènes d’allélopathie c'est-à-dire l’inhibition de
croissance d’une plante par une autre plante à proximité.
Au-delà de ces phénomènes une substance à effet inhibiteur de la croissance qui a une
répartition générale et une fonction hormonale est l’acide abcissique.
III–G– a– Historique – Découverte :
La découverte de l’acide abcissique est intéressante car elle a été réalisée simultanément par
des chercheurs travaillant dans des laboratoires différents sur des problèmes physiologiques
distincts.
Dans les années 1960, WAREING et ses collaborateurs au Pays de Galles recherchaient la
cause de l’arrêt de la croissance des arbres en automne et le facteur qui provoque la formation
des bourgeons dormants. Ils obtinrent à partir des feuilles d’Acer pseudoplatanus un extrait
acide qui était un puissant inhibiteur de la croissance et qui appliqué aux apex des tiges
feuillées était capable d’induire la formation de bourgeons dormants. Ils appelèrent la
substance active encore inconnue : la dormine.
ADDICOT et ses collaborateurs à l’Université de Californie DAVIS s’intéressaient au
problème de l’abcission des feuilles et obtinrent à partir du cotonnier deux substances
abcissine I et abcissine II capables d’accélérer l’abcission des feuilles de jeunes plants de
coton. Parallèlement était caractérisé un inhibiteur de croissance du Lupin par WAIN en
Angleterre.
L’isolement de la dormine par CORNFORTH et al. (1966) permet sa caractérisation chimique
et fut suivie par des travaux qui montrèrent que dormine inhibiteur de croissance du Lupin et
abcissine II étaient en fait la même substance qui fut définitivement appelée acide abcissique
en 1967 (ABA).
III–G– b– Nature chimique –Biosynthèse :
L’ABA est un sesquiterpène, molécule en C₁₅ résultant de l’association de 3 molécules
d’isoprène.
L’ABA présente 2 types d’isomérie lié d’une part à la présence d’un carbone assymétrique (le
composé naturel est dextrogyre, le produit commercial est un racémique mélange des 2
isomères optiques) et d’autre part à l’existence d’une double liaison sur la chaîne latérale
isomérie cis-trans.
Le cis ABA est le seul actif dans le cas de l’action de l’ABA sur la fermeture des stomates.
Deux voies de biosynthèse ont été successivement proposées pour l’ABA, la première dite
voie en C₁₅ correspondrait à la condensation de 3 molécules d’isopentenyl pyrophosphate
selon un mécanisme analogue à celui de la synthèse des gibberellines.
La 2ème voie dite en C₄₀ a été caractérisée plus récemment elle correspond à une coupure de
caroténoïdes en C₄₀ du type zeaxanthine selon la séquence :
Zéaxanthine
(C₄₀)
Violaxanthine
(C₄₀)
Xanthoxine
(C₁₅)
ABA aldéhyde
(C₁₅)
ABA
(C₁₅)
Divers mutants ont permis de caractériser cette voie de synthèse à travers des études qui sont
de bons exemples de combinatoire d’approches génétiques, moléculaires et biochimiques.
Des mutants de tabac déficients en ABA (mutants ABA₂) sont altérés au niveau de la
zéaxanthine époxydase (cette enzyme possède en fait 2 activités conversion de la zéaxanthine
en antheraxanthine puis en violaxanthine).
La zéaxanthine qui est non détectable chez la plante sauvage est bien représentée chez le
mutant alors que la violaxanthine présente chez la plante sauvage n’est pas caractérisable.
D’autres mutants chez la tomate comme flacca (phénotype à flétrissement permanent) sont
affectés dans des étapes terminales comme la conversion de ABA aldéhyde en ABA.
Différents mutants dits vivipares chez le maïs (les graines germent sur le pied mère par défaut
d’ABA) sont bloqués à différents niveaux de la chaîne de synthèse du ß-carotène (Vp1, Vp2,
Vp5, Vp9, Vp7) Vp7 par exemple est bloqué au niveau de la conversion lycopène en
carotène.
Au total il est maintenant admis que la voie en C₁₅ n’est pas opérationnelle chez les plantes
mais chez certains champignons, la totalité de l’ABA venant de la voie en C₄₀ chez les
organismes chlorophylliens où la synthèse de l’ABA a d’ailleurs lieu dans les chloroplastes
riches en caroténoïdes (la zéaxanthine epoxydase correspond à un cDNA présentant une
séquence d’adressage vers le chloroplaste).
Le catabolisme de l’ABA procède via une hydroxylation pour donner le 8 hydroxy ABA
ensuite converti en acide phaséïque, l’ABA 8 hydroxylase est une monooxygénase à
phytochrome P₄₅₀. Cette dégradation intervient, par exemple lors du retour à un état hydrique
normal après une période de sécheresse pour réduire le taux d’ABA.
L’ABA peut également être converti en formes conjuguées inactives :
ABA glucosyl ester sur le COOH
ABA glucoside sur l’OH du carbone assymètrique.
Au cours de la période hivernale on assiste chez certaines espèces à une interconversion entre
formes libres et formes conjuguées.
III–G– c– Effets physiologiques et mécanismes d’action :
Action sur la fermeture des stomates : il s’agit d’un phénomène très important au plan
physiologique puisqu’il permet de contrôler les pertes d’eau de la plante et de maintenir
l’homéohydrie.
C’est un exemple de réponse rapide à une hormone de l’ordre de quelques minutes (lors de
l’apport d’ABA exogène).
Harris et coll (1990) en utilisant un radio immuno essai (extrêmement sensible) pour l’ABA
ont été capables de quantifier l’ABA dans une seule cellule de garde. A la suite d’un stress
hydrique on observe un accroissement du taux d’ABA par un facteur 20.
La production d’ABA se ferait en 1er au niveau des racines stressées qui perçoivent le stress et
l’ABA serait transporté vers les apex.
Le mécanisme d’action de l’ABA sur la fermeture des stomates a été étudié via des mesures
électrophysiologiques au niveau de canaux ioniques. On a montré que l’ABA active un canal
calcique du plasmalemme ce qui entraîne un accroissement en calcium cytoplasmique qui
secondairement induit l’ouverture d’un canal potassique sortant, de canaux anioniques et la
fermeture canal K⁺ entrant. Le résultat global est une fuite de K⁺ et la fermeture des stomates.
Le mécanisme fin est plus complexe faisant intervenir des phénomènes de phosphorylation /
déphosphorylation. Certains mutants insensibles à l’ABA et présentant une tendance au
flétrissement ont permis l’isolement d’un gène muté qui est une phosphatase.
De plus différentes études pharmacologiques à l’aide d’inhibiteurs de Kinases ou de
phosphatases ont montré l’importance d’étapes de phosphorylation et de déphosphorylation
dans la régulation de l’activité des canaux ioniques impliqués dans la fermeture des stomates.
A l’inverse des autres cellules végétales, les cellules de garde ne comportent pas de
plasmalemmes et sont donc isolées de leurs voisines. Il s’agit d’un système clos adapté aux
techniques électrophysiologiques et aux micro-injections.
Une approche originale ayant confirmé l’intervention de l’ABA dans la fermeture des
stomates repose sur l’expression ectopique, obtenue par transgénèse, d’anticorps contre
l’acide abcissique, ARTSAENKO et al, 1995. Un anticorps monoclonal présentant une forte
spécificité et affinité pour l’ABA a été caractérisé et le cDNA correspondant cloné puis
introduit dans une construction avec un promoteur fort pour la transformation du tabac. Le
gène étranger est exprimé dans le tabac et son expression conduit à un phénotype flétri
analogue aux mutants à phénotype flétri de tomate (flacca).
Différents travaux déjà décrits ont montré que le récepteur à l’ABA était sur la face extérieure
de la membrane plasmique (voir partie du cours concernant les récepteur d’hormones) mais la
structure moléculaire de récepteur n’est pas connue.
Formation des graines et dormance :
L’ABA intervient comme nous le verrons ultérieurement dans le contrôle de l’expression de
gènes qui correspondent à des protéines de réserve des graines et à des protéines permettant
sans dommage la déshydratation des tissus (les déhydrines). Parmi ces protéines une classe
particulière a été spécialement étudiée ce sont les LEA protéines (late embryogenesis
abundant) produite durant les phases tardives de l’embryogénèse. Leur expression est associée
à l’acquisition de la tolérance à la déshydratation et elles sont censées protéger les structures
cellulaires des effets de la perte d’eau (protection de protéines ou de membranes). L’ABA est,
par ailleurs, nécessaire à l’entrée en dormance des graines et des bourgeons.
L’ABA est d’une manière générale un antagoniste des gibbérellines dans des phénomènes
comme la dormance ou la production d’α-amylase par les cellules d’aleurone.
Abcission :
Bien que l’hormone ait été initialement caractérisée en relation avec l’abcission. Ce sont des
doses supraphysiologiques qui sont actives et on pense que ces doses entraîneraient la
surproduction d’éthylène véritable hormone responsable de l’abcission. En conclusion le nom
de dormine aurait été beaucoup plus adapté pour ce que nous appelons aujourd’hui l’acide
abcissique.
III–H - LES BRASSINOSTEROIDES
Les Brassinostéroïdes (BR) représentent une classe d’hormones végétales présentant en
commun des structures de stéroïdes qui ont de multiples effets sur le développement :
germination des graines, élongation des tiges, expansion des feuilles, différenciation du
xylème.
Le rôle des Br a été clairement démontré par l’étude de mutants soit déficients, soit
insensibles aux brassinostéroïdes qui présentent différentes anomalies de développement. Des
phénotypes comparables peuvent être obtenus par des inhibiteurs de biosynthèse des Br
comme le brassinazole (Brz).
III–H– a- Découverte , Historique :
Ces molécules ont été initialement isolées en 1970 du pollen de Brassica majus sous le terme
de brassines, une molécule particulière appelée brassinolide étant caractérisée en 1979. Ces
molécules appliquées sur divers systèmes expérimentaux à des concentrations nanomolaires
présentent un effet marqué sur l’élongation cellulaire ou sur la prolifération cellulaire. Ceci
indépendamment des effets induits par d’autres hormones comme l’auxine, les cytokinines ou
les gibbérellines.
Une quarantaine de structure actives ont été actuellement caractérisées les Brs étant présents
chez les algues, fougères, gymnospermes, angiospermes mais pas chez les microorganismes.
Le brassinolide est le plus actif biologiquement et le plus répandu.
Les preuves génétiques, démontrant que les Brs étaient essentiels pour le développement
normal des plantes, ont été très récemment apportées par l’étude de mutants ainsi que des
informations sur les mécanismes d’action des brassinostéroïdes.
III–H– b- Structure et Biosynthèse des Brassinostéroïdes :
Le brassinolide (Br type) est un stéroïde présentant un squelette cholestane qui possède un
cycle B-7oxalolactonique et 2- hydroxyles adjacents sur le cycle A(C₂α et C₃α) et sur la
chaîne latérale C₂₂ et C₂₃.
Des analyses de structure fonction des Brs ont montré que les structures actives devaient
présenter un certain nombre de caractéristiques qui sont retrouvées dans le Br type le
Brassinolide.
Les différents Brs se distinguent par le nombre et la nature des substituants sur les cycles A et
B et sur la chaîne latérale.
La voie de synthèse du Brassinolide à partir du campestérol, un stérol végétal de répartition
très générale a été établie au cours des dernières années. Elle comprend une série de
réductions, d’oxydation et d’épimérisation (voir figure).
Différents mutants ont été caractérisés sur les nombreuses étapes de la chaîne de synthèse.
Le mutant nain det₂ est un mutant déficient en BR qui est complémenté par l’apport de Br
exogène. La mutation concerne une stéroïde réductase assurant la conversion du campestérol
en campestanol. L’auxine et les gibbérellines ne complémentent pas la mutation au plan
fonctionnel.
Le fait que le gène det₂ est nécessaire à la biosynthèse des Brs et que la perte de fonction
entraîne des modifications profondes du développement : nanisme mais aussi d’autres
manifestations sur la dominante apicale, la sénescence… démontre sans ambiguïté le rôle
hormonal des Brs.
Un autre mutant nain appelé CPD a été étudié, le gène a été cloné et séquencé. Les analogies
de séquence observées montrent que ce gène code pour une étape d’hydroxylation dans la
chaîne de synthèse des Brs. Les apports de teasterone, thyphastérol, castastérone
« complémentent » la mutation. L’apport de casthastérone est sans effet.
La protéine correspondant au gène muté catalyse la conversion de casthastérone en teasterone.
C’est une hydroxylase a cytochrome P₄₅₀ (appelée CYP 90) qui présente des analogies avec
les stéroïdes hydroxylases. Le phénotype sauvage est retrouvé par transformation génétique
avec le cDNA de cette hydroxylase.
Mutants insensibles aux Brs :
Des mutants de sensibilité au Br ont été caractérisés par un crible de sélection simple :
absence d’inhibition de la croissance racinaire par des doses élevées de Br. Un excès de Br
comme dans le cas de l’AIA, entraîne en effet, une inhibition de croissance.
Un de ces mutants BRI1 (Brassinosteroid insensitive) correspond à ces critères. A maturité il
est nain et présente d’autres altérations phénotypiques. Il demeure sensible aux autres
hormones : l’auxine, cytokinines, AIA, éthylène. La caractéristique du gène a permis
l’identification du récepteur aux Brs (voir plus bas).
III–H– c- Effets physiologiques des brassinostéroïdes :
Les brassinostéroïdes ont des effets pléiotropiques sur les systèmes végétaux. Nous avons déjà
parlé de leur action sur la division et l’élongation cellulaire. Ils interviennent également dans
la différenciation des tissus vasculaires qui est supprimée par apport d’uniconazole inhibiteur
de la synthèse des stéroïdes mais rétablie par apport de Brassinolide.
Ils accélèrent la sénescence dans des systèmes simplifiés (feuilles, cotylédons isolés) par des
effets antagonistes des cytokinines.
Les effets sur l’élongation cellulaire présentent des cinétiques différentes de ceux induits par
l’AIA dont les premières manifestations s’observent après 15’ et le maximum après 30 à 45’.
Les premiers effets des Brs se manifestent, en effet, après 45’ et peuvent se prolonger et
augmenter pendant plusieurs heures.
III–H– d- La perception et la transduction des brassinostéroïdes :
Trends in Plant Science Vol 9 Feb 2004.
Une première remarque concerne le lieu de perception des hormones stéroïdes qui est
différent dans le règne animal et le règne végétal. La plupart des réponses aux stéroïdes chez
les animaux impliquent la perception du message par des récepteurs nucléaires alors que la
perception se fait par un récepteur plasmalemmique chez les végétaux.
Des études sur des mutants de sensibilité au Br chez Arabidopsis qui sont des mutants nains
ont conduit à l’identification d’un récepteur et d’éléments de la chaîne de transduction.
Le récepteur a été appelé BRI1 pour « Br insensitive » c’est un leucine rich repeats LRR
receptor like kinase : LRR-RLK.
BRI1 a un domaine extracellulaire contenant 25 LRR, un domaine transmembranaire et un
domaine cytoplasmique qui porte une activité sérine / thréonine Kinase. La fixation de Br sur
le récepteur provoque son autophosphorylation et des mutations sur le domaine extracellulaire
suppriment la fixation de Br et l’activation de la Kinase.
La situation est cependant plus complexe avec l’intervention potentielle de deux autres
composants BAK1 qui pourrait former un hétèrodimère avec BRI1 et une sérine
carboxypeptidase BRS1 qui réaliserait le processing d’une partie extracellulaire de la protéine
BRI1 (voir figure).
Divers composants de la voie de transduction ont été caractérisés BIN2 est un régulateur
négatif dont l’effet est levé par l’activation du récepteur.
BZR1 et BES1 sont des protéines nucléaires régulateurs positifs en aval de BIN2.
Au total l’activation du complexe BRI1 – BAK1 inhibe BIN2 à travers un mécanisme
inconnu, ce qui permet l’accumulation des formes non phosphorylées de BZR1 et BES1 qui
sous cette forme activent les gènes cibles des Br.
En l’absence de Br la kinase BIN2 inhibe les réponses en phosphorylant BZR1 et BES1 et en
les orientant vers la voie de dégradation impliquant le protéosome 26S.
Cette voie de transduction présente de nombreuses analogies avec des voies impliquées pour
d’autres signaux chez les animaux et les végétaux (par exemple l’auxine ou l’éthylène).
De façon surprenante le récepteur BRI1 de tomate a deux fonctions : la fixation de Br mais
aussi de systèmine, une hormone peptidique qui induit des réponses à la blessure chez la
tomate via la production d’acide jasmonique. Les fixations se produisent sur 2 sites différents,
se pose alors le problème de la spécificité de la réponse en aval et du choix de ce récepteur
commun parmi les centaines de LRR-RLKcaractérisés chez les plantes (210 chez
Arabidopsis).
Une situation comparable a été trouvée chez la Drosophile avec le récepteur Toll, à la fois
important pour le patterning dorsoventral et pour l’acquisition de l’immunité innée aux
bactéries et aux champignons. Dans ce cas les 2 phénomènes sont temporellement séparés
lors du développement ce qui n’est pas le cas chez la tomate pour BRI1.
Les Brs contrôlent l’expression génique :
Il a été montré par des expériences d’apport de Brs à des systèmes végétaux et de suivi de la
synthèse protéique, et de la transcription et par des analyses de criblage différentiel (transcrits
produits uniquement ou stimulés en présence de Br) que les Brs favorisent la transcription de
certains gènes.
Chez le soja un gène a été caractérisé appelé BRU1 (brassinosteroid upregulated) dont les
transcrits augmentent 2h après l’apport de Br mais non lors de l’apport d’auxine de
cytokinine, de gibbérelline ou d’acide d’abcissique.
La séquence de ce gène BRU1 présente des analogies fortes avec celle du gène connu codant
pour la xyloglucane endotransglycosylase (XET).
L’augmentation du message BRU1coincide avec l’accroissement d’extensibilité de la paroi et
il est probable que les Brs agissent sur l’élongation cellulaire par l’intermédiaire de la
production de XET (gène appelé aussi TCHU). L’activation de la transcription se faisant par
l’intermédiaire d’un facteur de transcription TCH4-BF1 qui se lie au promoteur du gène
TCH4.
CHAPITRE IV - LES PHOTORECEPTEURS CHEZ LES
VEGETAUX
IV – A - INTRODUCTION :
Les végétaux qui ont évolué dans un environnement dont la lumière est un facteur
prépondérant ont mis en place au cours de l’évolution des systèmes de perception de lumières
de différentes longueurs d’onde qui sont capables d’avoir un effet sur différentes phases du
développement.
Le phytochrome est le plus anciennement connu de ces photorécepteurs. Il faut noter que cette
capacité des végétaux à lire et à exploiter des signaux lumineux de leur environnement pour
réguler leur développement double une autre caractéristique retrouvée très tôt chez les
organismes photosynthétiques la capacité à utiliser l’énergie lumineuse pour créer de l’énergie
chimique via le processus de photosynthèse.
Plusieurs points sont à noter :
-
-
Cette action de la lumière n’est pas limitée au fonctionnement des végétaux. Chez les
animaux, la vision ainsi que le développement sexuel, certaines migrations sont contrôlées
par la lumière. Cependant la lumière contrôle une gamme d’effets beaucoup plus large
chez les végétaux que chez les animaux.
On regroupe sous le terme de photomorphogénèse le contrôle du développement des
plantes par la lumière indépendamment de la photosynthèse. La distinction fondamentale
ƒ est d’ordre énergétique ; dans la photomorphogénèse de très faibles
énergies sont mises en jeu
ƒ concerne la nature des photorécepteurs impliqués chlorophylle et
pigments accessoires dans le cas de la photosynthèse, autres
photorécepteurs dans le cas de la photomorphogénèse.
La lumière varie par sa quantité, sa qualité (longueur d’onde) et son rythme de distribution
(photopériode) et on peut distinguer dans la photomorphogénèse plusieurs aspects et aboutir à
des définitions plus restrictives.
Stimulus lumineux
unilatéral
(1) phototropisme
Photorécepteurs impliqués:
phototropine
non périodique
non unilatéral
(3) photomorphogénèse
proprement dite
périodique
(2) photopériodisme
phytochromes
(1) – croissance unidirectionnelle en réponse à un stimulus unilatéral (– caractère
adaptatif : recherche d’une lumière maximale)
(2) – étapes du développement en réponse à un stimulus lumineux périodique (– entrée et
sortie en dormance : contrôle de la floraison)
(3) – réponses non directionnelles à un stimulus non unilatéral et non périodique ex :
photocontrôle de la germination
Dans la réponse d’un organisme vivant à la lumière on peut généralement envisager la
séquence d’évènements suivante :
-
absorption d’un rayonnement d’une certaine longueur d’onde par un photorécepteur
modification de ce photorécepteur (activation)
action primaire du photorécepteur modifié
différentes étapes de la chaîne de transduction conduisant à l’effet observé.
Ces étapes sont très comparables à celles intervenant lors de la liaison d’une hormone à son
récepteur.
Les première études de photobiologie chez les végétaux ont porté sur un photorécepteur le
phytochrome, puis on s’est aperçu qu’il existait plusieurs phytochromes, que d’autres
catégories de photorécepteurs intervenaient et que ces différents photorécepteurs agissaient de
façon concertée et en interactions ce qui complexifie fortement la situation.
Pour des raisons pédagogiques on abordera tout d’abord les étapes initiales de la découverte
du phytochrome considéré à l’origine comme unique photorécepteur.
Avant de terminer cette introduction présentons une expérience simple qui illustrera tout
d’abord l’intervention de la lumière indépendamment de la photosynthèse.
Trois plantules étiolées de moutarde de même constitution génétique sont placées, éclairement
excepté, dans des conditions identiques de culture.
La première reste à l’obscurité
La deuxième reçoit de la lumière blanche
La troisième reçoit de la lumière rouge lointain (730 nm).
Au bout de 72 heures l’aspect des plantules est très différent. Les tiges des spécimens restés à
l’obscurité sont plus longues et les cotylédons sont plus petits (c’est le port des plantes
étiolées) (figure).
Ces différences ne sont pas dues à la photosynthèse en effet les plantules qui ont poussé à la
lumière blanche sont identiques à celles qui ont poussé à la lumière rouge lointain, or ces
dernières radiations ne permettent pas la photosynthèse. Le phénomène observé est donc bien
un phénomène pur de photomorphogénèse lié à la présence des radiations rouge lointain.
IV–B – LE PHYTOCHROME :
IV–B1– Découverte du phytochrome :
Au-delà d’observations initiales isolées sur l’impact de la lumière deux types de résultats ont
permis de progresser :
-
D’une part, le fait que de nombreuses photoréponses chez les plantes et les graines ont
pratiquement le même spectre d’action (énergie nécessaire pour obtenir une réponse
donnée en fonction des longueurs d’onde).
D’autre part, la découverte du caractère réversible des photoréponses.
Ainsi, BORTHWICK, en 1952, étudiant la germination des laitues sous l’action de bandes
passantes de longueurs d’ondes de 10 à 20 nm obtint les spectres d’action représentés sur la
figure.
On remarque un effet inducteur maximum au voisinage de 660 nm (lumière rouge = rouge
clair = red). Si sur ces semences qui ont acquis la potentialité de germer on fait agir des
longueurs d’onde dans l’extrême rouge on constate une inhibition de la germination avec un
effet maximum à 730 nm (lumière rouge lointain = rouge sombre = far-red).
Sur ces figures sont également représentés les effets des lumières rouge et rouge lointain sur
l’induction ou l’inhibition de l’initiation florale de Xanthium saccharatum plante de jour
court. On peut constater la similitude des spectres d’action. Dans les deux cas les énergies
mises en jeu restent très faibles.
La figure 3 démontre clairement le caractère réversible de l’action de la lumière. En
soumettant les semences à une série d’expositions aux lumières rouge et rouge lointain on
peut obtenir l’induction ou l’inhibition de la germination : le résultat dépendant de la nature
du dernier éclairement. Si une période d’obscurité est intercalée entre les lumières rouge et
rouge lointain le pourcentage de germination obtenu dépend de la durée de la phase obscure
(figure 4). Au bout d’un certain temps, le phénomène étant déclenché, une nouvelle
irradiation ne modifie plus son expression.
Le caractère réversible de l’action de la lumière s’est avéré être commun aux différentes
photoréponses prouvant ainsi l’identité de l’acte photochimique initial dans le contrôle de
réponses variées.
A la suite de ces expériences, BORTHWICK et HENDRICKS ont proposé l’existence de
deux formes d’un même photorécepteur, l’action de la lumière correspondant à la conversion
d’un système dans l’autre, d’une forme inactive en une forme active ou inversement, ce
pigment fut appelé : phytochrome.
Rc
P660
P730
Rs
P660 absorbe dans le rouge avec un maximum d’absorption à 660 nm et se transforme en
P730 forme physiologiquement active dont le maximum d’absorption est déplacé vers le
rouge lointain.
Pr = P660 = forme inactive du phytochrome
Pfr = P730 = forme active du phytochrome
IV–B2– Généralisation des résultats : Universalité du Phytochrome – Diversité des
effets :
Depuis ces premiers résultats de très nombreuses observations ont montré la généralité de la
présence de phytochrome chez les plantes vasculaires et ont également permis d’observer la
diversité de réponses physiologiques contrôlées par la lumière (rouge) :
-
Germination des semences
Croissance des feuilles et des cotylédons (stimulée)
Synthèse de pigments : flavonoïdes, chlorophylles
Mouvements d’organes (photonasties chez le Mimosa pudica ou l’Albizzia
julibrissin)
Mouvements d’organites (chloroplastes chez l’algue verte Mougeotia)
-
Induction de la transcription de nombreux gènes et de la synthèse des protéines
correspondantes.
Croissance des tiges (inhibée)
IV–B3 – Méthodes d’étude du phytochrome :
Le pigment n’est jamais apparent, en raison de sa très faible concentration, même dans les
germinations étiolées, où il n’est pourtant pas masqué par les chlorophylles.
Historiquement différentes techniques ont été utilisées pour l’étude du phytochrome dont la
spectrophotométrie in vivo qui mettait en jeu un spectrophotomètre différentiel mesurant des
différences de densité optique entre 2 longueurs d’onde prédéterminées 660 à 730 nm sur du
matériel végétal étiolé soumis à différentes irradiations ce qui donnait une estimation de la
quantité de phytochrome réversible.
La purification à partir de quantités importantes de matériel végétal (plusieurs Kg) selon des
techniques de la biochimie des protéines (300mg de phytochrome à partir de 20 Kg de jeunes
plantules étiolées de seigle).
Ultérieurement des techniques de purification par immunoaffinité, plus rapides ont été mises
au point.
La biologie moléculaire a permis par la suite d’obtenir le gène du phytochrome et de plus
grandes quantités de la protéine recombinante.
IV–B4 – Structure du phytochrome :
Il s’agit d’une chromoprotéine (association entre un groupement chromophore responsable de
la coloration et une protéine) de couleur bleue (P660) ou bleu-vert (P730) selon la forme sous
laquelle elle se trouve. Une telle modification de couleur peut être obtenue in vitro en
irradiant une solution de phytochrome purifié.
Le phytochrome est un dimère résultant de l’association de 2 monomères d’environ 120 KDa
portant chacun une molécule de chromophore. La caractérisation au plan structural du
chromophore est difficile car il représente une faible proportion de la molécule de
phytochrome et est fortement associé à la protéine par des liaisons covalentes.
Le chromophore présente des propriétés voisines de certaines biliprotéines et de la
phycocyanine, pigment accessoire des algues bleues intervenant dans la photosynthèse. Il
s’agit d’une structure tétrapyrrolique ouverte (fermée dans le cas de la chlorophylle).
Différents modèles structuraux ont été proposés celui de Rüdiger et Corell (1969) est reporté
sur la figure ( ) et fait intervenir des interactions avec la protéine au niveau d’un groupement
propionyl et du groupement hydroxy-éthyle.
Quand P660 est converti en P730 on assisterait à une élimination d’un proton du cycle 1 qui
deviendrait alors chargé négativement mais pourrait être stabilisé par interaction avec la
protéine.
Le clonage et la caractérisation de l’ADNc correspondant au phytochrome ont permis de bien
progresser dans la caractérisation structurale de la protéine. Chez l’avoine il s’agit d’une
protéine de 1128 ac. aminés et d’une masse moléculaire de 125 Kda. La région N terminale de
fixation du chromophore est très conservée et fait intervenir la cystéine en position 322 dans
une interaction directe avec le phytochrome. La région C terminale est moins conservée elle
est responsable de la dimérisation du phytochrome et est impliquée dans la transduction du
message lumière. On trouve dans cette région C terminale un domaine présentant des
similarités avec les histidines Kinases et un domaine « PAS » (per, arnt, sim) impliqué dans
les interactions protéine- protéine dont la mutation entraîne la perte de l’activité biologique.
IV–B5 - Photoréversibilité :
Nous avons déjà vu que le phytochrome pouvait être converti d’une forme dans l’autre par
action de lumière Rc ou Rs. La réaction ne nécessite pas de cofacteurs et la transformation
peut être réalisée pour des éclairement très brefs de faible énergie.
Il a pu être montré qu’après irradiation par la lumière rouge P660 disparaissait en un temps
inférieur à 10⁻⁵ s et P730 apparaissait en 0,15 s (ce temps est considérablement plus long que
celui nécessaire à l’excitation d’une mole de chlorophylle (inférieur à 10⁻⁹ seconde)).
Ces résultats suggèrent qu’une réaction obscure lente fait donc suite à la phase photochimique
de la phototransformation.
HENDRICKS donne un schéma de la phototransformation (figure) qui fait apparaître
l’existence d’intermédiaires entre les deux formes P660 et P730 (les deux formes les plus
stables). On voit que le chromophore reste constamment lié à la protéine et que cette dernière
change de configuration au cours de la transformation, à l’appui de cette dernière hypothèse,
la sensibilité différente des deux formes vis-à-vis des agents dénaturants tels que : urée, les
composés thiols, les protéases.
La première action de la lumière rouge clair 660nm détermine la transformation en un premier
intermédiaire (transformation qui dure quelques millionièmes de seconde). L’action s’arrête là
si la température est < à110 °C (ces études ont été faites à de très basses températures dans le
glycérol pour apprécier les différentes étapes intermédiaires. A ces basses températures la
molécule peut être reconvertie dans sa forme initiale par action de la lumière. A des
températures supérieures à 110 °C plusieurs formes intermédiaires apparaissent qui se
différencient par leur maximum d’absorption avant l’apparition de la forme finale, P730.
La lumière rouge lointain détermine la réaction inverse mais avec de nouveaux intermédiaires.
Il existe donc deux types de réactions : photochimiques pouvant se produire à très basses
températures, et sombres se réalisant à des températures plus élevées. Il faut environ trois ou
quatre fois plus de quanta pour réaliser la réaction P730
P660 que la réaction inverse.
Cette différence d’exigence quantique explique en partie que la lumière blanche puisse avoir
les mêmes effets que la lumière rouge clair (elle est par ailleurs plus riche en longueur d’onde
660nm).
Il faut signaler une analogie tout à fait remarquable entre ces transformations et celles
intervenant dans le mécanisme de la vision. Dans ce cas le chromophore, le cis- rétinal,
(aldéhyde de la vitamine A) est aussi associé à une protéine l’opsine pour former la
rhodopsine. Quand le système est excité par la lumière il y a conversion du rétinal d’une
forme cis en une forme trans puis transformation de la protéine avec une série
d’intermédiaires à maximum d’absorption caractéristiques.
Notion d’équilibre photostationnaire :
Lorsque l’on irradie un végétal par de la lumière dont les proportions relatives en longueurs
d’onde 660 nm et 730 nm sont différentes il s’établit ce que l’on définit comme un équilibre
photostationnaire qui correspond au rapport P 730 / P total qui dépend des proportions de
lumières rouge et rouge lointain et de la durée d’éclairement. La valeur de l’équilibre
photostationnaire peut varier entre 0,8 et 0,02.
IV–B6 –Propriétés du phytochrome « in vivo » :
La synthèse du phytochrome et sa stabilité dépendent comme nous le verrons ultérieurement
des types de phytochrome mais on peut signaler que le phytochrome voit un contrôle
transcriptionnel de son propre gène s’exercer positivement par la lumière et négativement par
le produit lui-même (la protéine).
Conversion enzymatique P730 – P660 à l’obscurité :
Dans les tissus étiolées ou dans les graines à l’obscurité on ne trouve généralement que du
phytochrome P660. La forme P730 n’apparaît qu’après exposition à la lumière rouge clair.
Si l’on suit l’évolution de la teneur en P730 après avoir replacé le végétal à l’obscurité elle
diminue progressivement et parallèlement la proportion de P660 augmente. Cette
reconversion dépend de la température (rapide à 27 °C, nulle à 3°) elle est sensible à la
présence d’inhibiteurs, on pense qu’il s’agirait d’une transformation enzymatique.
Localisation cellulaire :
Le phytochrome est présent dans tous les organes de la plante et particulièrement dans les
organes jeunes. Sa localisation cellulaire étudiée par différentes techniques (fractionnement
cellulaire, immunocytochimie…) a conduit à proposer une localisation multiple : membranes,
cytoplasme, noyaux, mitochondries…. Une observation intéressante plusieurs fois rapportée
concerne la conversion d’un Pr soluble dans le cytoplasme en un Pfr lié aux membranes. Chez
le coléoptile d’avoine un traitement par la lumière rouge conduit à un accroissement
considérable de la quantité de phytochrome sédimentable (insoluble) de 5 à 60 %.
La sédimentabilité du phytochrome induite par la lumière a été interprétée comme une
interaction entre le phytochrome et un récepteur membranaire ce qui représenterait une étape
initiale dans le mode d’action. Plus récemment on a montré que l’activation du phytochrome
s’accompagnait d’une migration du photorécepteur du cytoplasme vers le noyau.
Deux théories sont en présence pour rendre compte de l’action du phytochrome en réponse à
la lumière.
1. le contrôle de la perméabilité cellulaire :
Il existe, en effet, chez de nombreuses plantes des photoréponses physiologiques qui ne
peuvent être expliquées par la théorie de l’activation des gènes parce qu’elles sont soit trop
rapides (mouvements d’organes, mouvements d’organites, 1à 10 minutes) soit très étroitement
associées aux membranes cellulaires.
L’effet primaire du phytochrome pourrait alors s’expliquer par un « effet de membrane ». Le
changement de forme du phytochrome son association aux membranes modifierait leur
perméabilité ce qui pourrait se répercuter sur diverses fonctions de la cellule.
2. le contrôle de la transcription que nous allons détailler par la suite.
IV–B7 – La multiplicité des phytochromes :
Des observations initiales avaient montré qu’il n’y avait pas toujours de corrélations entre la
teneur en Pfr mesurable par spectrophotométrie in vivo et l’intensité des réponses
physiologiques.
Le clonage des gènes de phytochrome chez différentes espèces : pois, avoine et surtout
Arabidopsis a conduit à la mise en évidence de 5 gènes codant pour 5 apoprotéines
différentes : PhyA
à PhyE avec le même chromophore.
Les homologies de séquence entre les gènes de ces différents phytochromes sont relativement
faibles 50 à 90 %.
Certains mutants affectés dans la voie de synthèse des tétrapyrroles linéaires (chromophore)
manquent de l’ensemble de phytochrome : mutants hy1, d’autres que nous examinerons plus
tard manquent de certains phytochromes spécifiques.
Ces différences ont permis d’obtenir des anticorps spécifiques de chaque forme (en particulier
anticorps monoclonaux) et de les quantifier dans différentes conditions.
PHYA
PHYB
(valeur exprimée en ng/individu)
Embryon de pois
obscurité
0,2
0,05
Très jeunes plantules de pois
lumière
0,01
0,05
Conclusion PHYA et PHYB coexistent :
PHYA majoritaire à l’obscurité
PHYA dégradé à la lumière
PHYB stable à la lumière ou à l’obscurité.
Les 5 phytochromes sont regroupés en 2 catégories en fonction
-
de leur expression dans les organes
de leur stabilité après conversion de Pfr
de certaines réponses spécifiques.
Type 1 comprenant PhyA rapidement dégradé à la lumière
Type 2 comprenant PhyB, PhyC, PhyD, PhyE
Relativement stable à la lumière après conversion en Pfr.
La dégradation de PhyA sous la forme Pfr est médiée par un système de protéolyse ubiquitine
dépendant. Il s’agit d’un moyen de prévenir la « persistance » des effets de la lumière lorsque
la plante est replacée en conditions d’obscurité. Ce mécanisme est commun à la signalisation
hormonale ou intervient la notion de « vague hormonale » augmentation transitoire du taux
d’hormones.
Les mutants affectés dans la production de Phytochromes spécifiques :
Les études ont surtout porté sur A. thaliana et mis en jeu 2 types de cribles
-
recherche de plantes présentant un phénotype étiolé à la lumière
recherche de plantes « deétiolées » à l’obscurité
0. mutants (hy1, hy2, hy6) sans phytochromes mutés dans la chaine de synthèse
de chromophore (phytochromes non fonctionnels)
1. mutants PhyA hypocotyle long sous FR
mutants PhyB hypocotyle long sous R
mutants PhyA chez la tomate (mutant aurea) PhyB est au même niveau
2. mutants dans la chaine de transduction : DET, COP, FUS présentent un
phénotype lumière à l’obscurité, les gènes codent, en effet, pour des
répresseurs.
Il n’existe pas de mutants pour PhyC mais la surexpression du gène indique une implication
dans le phénomène d’expansion des feuilles.
Au-delà d’une sensibilité commune aux longueurs d’onde spécifiques du phytochrome ces
différentes formes se distinguent par leur réponse à différentes quantités d’énergie.
On parle de
VLF très faible fluence
LF faible fluence
HIR radiation à forte intensité
Nb de photons
≈1
1 à 1000
> à 1000
Si l’on considère par exemple l’inhibition de la croissance de l’hypocotyle il y aurait au moins
trois niveaux de contrôle
VLF
LF
HIR
PhyA
PhyB
PhyA
Cette 3ème réponse étant amplifiée par la formation de Pfr B. On peut donc conclure que les
différentes réponses régulées par le phytochrome sont souvent dues à l’action combinée de
différents phytochromes intervenant de façon redondante en synergie ou de façon antagoniste
ce qui rend l’établissement d’un schéma de synthèse global extrêmement difficile.
PhyA présente une propriété unique parmi les différents phytochromes, celle d’être activé, à
la fois, par les radiations VLF et HIR. Les réponses à la lumière VLF impliquent par exemple
l’expression de différents gènes, la germination des graines.
Les réponses de type HIR comprennent par exemple l’inhibition de l’élongation de
l’hypocotyle, l’expression des cotylédons, l’accumulation des anthocyanines.
Le dogme central de la photoréversibilité (Pfr forme active) s’applique en fait essentiellement
aux réponses LF médiée par PHYB-PHYE et aux réponses VLF médiée par PHYA.
La localisation subcellulaire des phytochromes :
Les premiers résultats ont abouti à un panorama assez confus, le phytochrome étant associé à
différents compartiments cellulaires dont une localisation membranaire. Une percée intervient
en 1996 quand des chercheurs japonais ayant fusionné la région C terminale de gène de
Phytochrome B avec le gène GUS ont montré que la protéine de fusion était associée avec le
noyau.
Des expériences complémentaires ont démontré la translocation induite par la lumière rouge
de Phy B du cytoplasme vers le noyau (Low fluence response) (translocation complète en à
peu près 4h).
Le même type d’expérience avec le gène de protéine GFP associé au gène de Phytochrome A
a permis de montrer l’import nucléaire de PhyA sous l’action de VLF et HIR, les deux
phytochromes majeurs présentent ainsi des localisations subcellulaires et des dynamiques de
translocation qui dépendent fortement de la qualité et de la quantité de lumière. Il semble en
revanche que les Phyto C à E sont constitutivement nucléaires.
IV–B8 - Mécanismes d’action et chaîne de transduction du signal lumière :
Le phytochrome est-il une protéine phosphorylée ? Il s’agit d’une question abondamment
débatue.
Le phytochrome de mousse : Ceratodon purpureus est codé par un gène codant pour une
protéine de 145 Kd alors que le Phyto classique est une protéine de 120 Kda. On aurait fusion
entre le phytochrome et un domaine de 300 aa avec des homologies substantielles avec des
protéines kinases. Le phytochrome de ceratodon a une activité kinase et s’autophosphoryle.
Hypothèse envisagée chez les plantes supérieures au cours de l’évolution on aurait assisté à la
séparation des 2 systèmes. Chaque forme de phytochrome aurait sa propre kinase associée.
Plus récemment on a pu montrer que des préparations purifiées de phytochrome A
recombinant chez Saccharomyces cerevisiae possèdent une activité de phosphorylation
dépendante de la lumière, cette activité Kinase a été trouvé intrinsèque du phytochrome et
proposée comme étant parti du mécanisme d’action. Il s’agit d’une activité sérine/thréonine
Kinase.
La voie de transduction du phytochrome sous l’action de la lumière surtout connue pour PhyA
comprend donc initialement la translocation de PhyA vers le noyau et l’activation de sa
composante kinase.
Le contrôle de l’expression génique par PHYA :
L’utilisation de microarrays a permis de montrer que la lumière via PHYa contrôlait un très
grand nombre de gènes.
Les effets interviennent chronologiquement sur des gènes codant des facteurs de transcription
et plus tardivement de gènes correspondant à des enzymes. On est donc dans un cas classique
de cascade transcriptionelle avec des cibles primaires et des cibles secondaires indiquées sur
la Figure.
Le Phytochrome nucléaire qui possède une activité Kinase (sérine – thréonine Kinase) est
capable de s’autophosphoryler et de phosphoryler différentes protéines substrats par exemple
les « phytochromes interacting factor » comme PIF3 mais aussi d’autres protéines comme
CRY1 et CRY2 dont nous parlerons plus tard, ainsi que des AUX/IAA protéines. Cependant
la signification physiologique de ces interactions n’est pas encore très claire.
PIF 3 est un régulateur transcriptionnel et le fait que le phytochrome puisse interagir avec
PIF3 est un indice d’une activation relativement directe de la transcription. Il a été montré que
PHYB pouvait spécifiquement et photoréversiblement se lier à PIF3 déjà associé à ses sites de
liaison au niveau de l’ADN (la G box CACGTG sensible à la lumière). Les gènes portant ces
Gbox codent des facteurs de transcription de type MYB (CCA 1, LH4) qui secondairement
activeraient des cibles secondaires.
L’intervention de la protéolyse dans la signalisation associée à PhyA :
-
PhyA sous sa forme Pfr est rapidement dégradé par un mécanisme ubiquitine dépendant.
L’activation de PhyA entraîne également une diminution de la dégradation des facteurs de
transcription en aval dans la chaîne de transduction comme HY5.
La dégradation de HY5 à l’obscurité implique une protéine COP1 (un régulateur négatif de la
photomorphogénèse) COP1 interagit à l’obscurité avec HY5 et l’oriente vers la dégradation
via un processus médié par le protéasome. COP1 fonctionne vraisemblablement en tant
qu’ubiquitine ligase. D’autres gènes (9) tels que COP9/DET/FUS fonctionnent comme des
répresseurs de la photomorphogénèse.
Des études réalisées avec une protéine de fusion COP1-GUS indiquent une réduction de
l’abondance de COP1 à la lumière dans le noyau mais les mécanismes ne sont pas encore
clairs. La lumière aurait donc un effet sur les photoréponses via la dégradation de molécules à
effet répresseurs et l’activation de molécules à effets promoteurs.
La transduction du signal lumière par le phytochrome : un exemple d’interactions complexes
en réseau :
Tout d’abord on doit souligner l’intervention de plusieurs compartiments cellulaires dans le
processus. La base simplifiée du mécanisme implique la translocation de PHYA et PHYB
vers le noyau et l’activation de différentes protéines pouvant réagir avec l’ADN et contrôler
l’expression génique.
Quels sont les mécanismes qui contrôlent l’intensité des réponses ?
La vitesse de translocation vers le noyau
Le fonctionnement des systèmes de dégradation protéolytique
L’intensité de production de facteurs de transcription à effets promoteurs
L’intervention de facteurs cytosoliques et chloroplastiques qui interagissent avec les voies de
signalisation.
En conclusion la signalisation liée aux Phytochromes en réponse à la lumière est extrêmement
complexe et fait intervenir de multiples interactions entre facteurs protéiques y compris
l’intervention d’autres photorécepteurs tels que les cryptochromes dont nous allons
maintenant parler.
IV–C- LES CRYPTOCHROMES :
⁺
Les réponses à la lumière bleue sont nombreuses chez les plantes on peut citer par
exemple le phénomènes suivants :
-
Phototropisme
Inhibition de l’élongation de l’hypocotyle
Ouverture des stomates
Production d’anthocyanes
Expression de gènes spécifiquement régulés par la lumière bleue.
-
Certaines de ces réponses sont par ailleurs également induites par les phytochromes
activés. L’inhibition de l’élongation des hypocotyles fait en effet intervenir 3
photorécepteurs :
ƒ
ƒ
ƒ
Phytochrome
Cryptochrome
photorécepteur sensible aux UVA
Le photorécepteur cryptochrome n’a été caractérisé que tardivement, d’où le nom de
cryptochrome « caché ». On supposait initialement qu’il s’agissait d’un caroténoïde en raison
de la nature du spectre action.
L’isolement du photorécepteur CRY1 chez Arabidopsis thaliana a été réalisé par les
techniques de la génétique moléculaire.
Des mutants à long hypocotyle sous lumière blanche ont été caractérisés. Parmi ces mutants
on peut citer le mutant HY4 insensible à la lumière bleue caractérisé chez une collection de
mutants taggés avec du TDNA chez Arabidopsis. Le gène muté identifié, a été appelé CRY1
et code une protéine de 681 acides aminés. Il s’agit d’une chromoprotéine de 75 Kd. Les 500
premiers acides aminés, extrémité N-terminale, montrent une forte homologie avec les
photolyases de l’ADN de type 1 microbiennes, une classe de flavoprotéines qui catalysent la
réparation lumière dépendante de dimères de pyrimidine de l’ADN endommagé par la lumière
d’UV.
Cependant CRY1 se distingue par une extension de 200 acides aminés au-delà de la région
d’homologie. Le chromophore est une ptérine (méthényltétrahydrofolate) avec pour la
chromoprotéine une absorption maximale à 450 nm. Le gène CRY1 est exprimé dans tous les
tissus et la protéine, qui ne présente pas de domaines hydrophobes, n’a pas vraisemblablement
de localisation membranaire mais une localisation nucléaire démontré grâce à une
transformation génétique avec un gène codant pour une protéine de fusion avec GFP.
La surexpression de CRY1 chez des plantes transgéniques entraîne une hypersensibilité à la
lumière bleue dans le cadre de réponses du type élongation de l’hypocotyle et production
d’anthocyanines. Un mutant HY4 dépourvu de cryptochrome ne présente plus ces réponses en
conservant toutefois la réponse phototropique qui contrôlée par la lumière bleue n’implique
donc pas le cryptochrome.
-
Les réponses contrôlées par CRY1 ne se produisent pas en l’absence de phytochrome
(doubles mutants manquant de Phya et Phyb). L’expression des réponses à la lumière
bleue (via CRY1) requiert donc les phytochromes dans la voie de signalisation.
On a observé une multiplicité de formes de cryptochromes avec au moins 2 membres
CRY1 et CRY2 sans doute en partie redondants.
-
Questions demeurant ouverte ?
o comment un récepteur à la lumière bleue a-t-il pu évoluer à partir d’une
enzyme de réparation de l’ADN
o quelle est la modification moléculaire induite par la lumière au niveau du
cryptochrome
o quelle est la 1ère cible moléculaire de l’action du cryptochrome et la chaîne de
transduction.
Des résultats indiquent que le cryptochrome interagit avec d’autres protéines et que
l’absorption de lumière bleue contrôlerait ces interactions.
IV–D-LES PHOTOTROPINES :
Comme nous l’avons dit un certain nombre de réponses physiologiques chez les plantes sont
contrôlées par la lumière bleue indépendamment de l’intervention du cryptochrome.
Ainsi
⁺
les hypocotyles se courbent vers la lumière pour maximiser la photosynthèse dans les
cotylédons (phototropisme)
⁺
les chloroplastes
- se déplacent vers la lumière pour la capture maximale de l’énergie
- s’éloignent de trop fortes intensités lumineuses pour éviter les photodommages.
les stomates
⁺
-
s’ouvrent le jour pour passage des gaz
se ferment la nuit pour éviter perte d’eau
Dans ces différents contextes la lumière bleue est la plus efficace et les phototropines sont les
récepteurs à la lumière bleue contrôlant ces mouvements.
La phototropine est une protéine de 120 Kda soumise à phosphorylation dépendant de la
lumière bleue. Elle a été découverte à la suite de l’étude de mutant Nph1 (non phototropic
hypocotyl) ce qui a initialement permis de caractériser la phototropine 1 (Phot1).
Ce gène code pour une protéine de 996 ac. aminés comprenant deux domaines LOV
(caractéristiques des protéines régulées par la lumière, l’oxygène ou le voltage).
La protéine se lie de façon non covalente à 2 flavines mononucléotide et comporte sur son
extrémité C terminale une activité sérine / thréonine kinase.
Deux phototropines ont été caractérisées phot1 et phot2. Des doubles mutants sont affectés
dans l’ensemble des 3 fonctions contrôlées par la lumière bleue évoquées plus haut alors que
le simple mutant pour Phot 1 ne l’est pas pour certaines réponses. Ce qui implique une
redondance de fonctions.
Transduction du signal lumière bleue via les phototropines :
Phot 1 est localisé dans la membrane plasmique. Un élément de la chaîne de transduction est
codé par le gène nph 4 qui correspond à un facteur de transcription de la famille ARF. On
assiste donc à ce niveau à un cross-talk entre la lumière et l’auxine qui est également
impliquée dans le phototropisme.
D’autres voies de signalisation impliquent une augmentation des teneurs en Ca⁺⁺ par la
lumière bleue démontrée par utilisation d’aequorine. Cette augmentation est très atténuée chez
le mutant nph1 mais pas chez les mutants Cry1 et Cry2.
La phototropine 1 pourrait catalyser la phosphorylation de transporteurs de Ca⁺⁺ au niveau de
la membrane plasmique.
Perspectives – Conclusion :
Dans ce domaine des photorécepteurs « mineurs » la progression a été grandement facilitée
par les études de génétique sur Arabidopsis mais la nature des photoréactions pour le
cryptochrome n’est pas bien connue alors que dans le cas des phototropines elle est mieux
appréciée.
En effet, la lumière bleue semble faciliter via les phototropines la phosphorylation de
différentes protéines de la membrane plasmique ce qui secondairement contrôle les
mouvements d’ions et de molécules.
Les protéines concernées sont potentiellement des ATPases, canaux calciques, transporteurs
d’auxine.
CHAPITRE V - LE DEVELOPPEMENT VEGETATIF A
L’ECHELLE DE LA PLANTE ENTIERE
A) Les corrélations de croissance
B) La dormance des bourgeons
Au-delà d’une approche à un niveau d’analyse cellulaire et moléculaire et d’observations
réalisées au niveau de tissus ou d’organes spécifiques (coléoptiles, stomates, cellules
d’aleurone) nous allons maintenant considérer des phénomènes plus globaux à l’échelle de la
plante. La plante est « un tout » avec des interactions entre ses différentes parties dont le
développement est fortement contrôlé par l’environnement, ce sont donc ces phénomènes
intégrés avec des chaînes d’évènements complexes entre stimulus et réponse que nous allons
aborder dans ce chapitre.
Cette notion d’interactions en particulier entre organes peut être illustrée en comparant la
situation représentée par un cal ensemble de cellules indifférenciées nécessitant la présence de
nutriments et d’hormones pour se développer et une jeune plantule dont le schéma
d’organisation résulte d’interactions entre tissus et organes de l’établissement de gradients
hormonaux et de la perception et du « décodage » de signaux de l’environnement.
V–A- LES CORRELATIONS DE CROISSANCE
Les végétaux à la différence des animaux ont peu d’organes spécialisés (tiges, racines, feuilles
pour l’appareil végétatif) et chacun de ces organes est particulièrement adapté à une fonction.
La feuille est le siège de la photosynthèse, les racines sont le siège de l’absorption minérale.
Il existe donc une complémentarité entre ces organes. Par ailleurs, les organes d’une plante
s’ils sont peu nombreux sont présents pour chacun d’eux en un très grand nombre
d’exemplaires.
Entre organes de types variés et entre organes de même type s’établissent des relations
réciproques à effets régulateurs (corrélations) qui vont intervenir dans le déterminisme de la
taille de l’individu : aspect quantitatif, et le déterminisme de la forme de l’individu : aspect
qualitatif.
Nous allons prendre deux exemples :
ƒ
ƒ
Les interactions entre système radiculaire et système aérien
Les interactions entre bourgeons
qui vont faire à la fois apparaître la nature trophique (concernant des éléments nutritifs) et
hormonale de ces interactions.
V–A1 – Interactions système radiculaire –système aérien :
Elles s’illustrent par des observations très simples :
Quand on taille un jeune arbre sévèrement au niveau de sa partie aérienne on constate après
un certain temps que son système radiculaire est plus chétif que celui des arbres du même âge
non taillés.
Inversement, quand on maintient une plante dans un pot trop petit on empêche le libre
développement des racines et cela retarde la croissance de la partie aérienne (Bonsaï : arbres
nains japonais).
RICHARDSON a apporté des preuves expérimentales objectives à l’appui de ces interactions
en étudiant l’influence de l’intensité lumineuse sur la vitesse de croissance des racines chez
Acer saccharinum.
Une diminution de l’intensité de l’éclairement de 5000 à 200 lux provoque une douzaine
d’heures plus tard un ralentissement très marqué de la croissance radiculaire. Le retour aux
conditions premières ayant un effet inverse (figure).
Ces interactions s’expriment essentiellement par une complémentarité dans la production des
éléments indispensables à une bonne nutrition d’ensemble.
La croissance des végétaux se réalise à l’interface de deux environnements le sol et l’air. Les
racines et les parties aériennes exploitent ces 2 environnements au bénéfice du développement
de la plante et dans les conditions naturelles la plante tend à réaliser un équilibre entre le
développement de ces 2 systèmes en raison de leur rôle complémentaire (le rapport surface
foliaire / surface des racines peut rester dans certains cas d’une grande stabilité).
Nature des éléments échangés :
1. Eléments nutritifs :
eau, sels minéraux (en provenance des racines)
Photosynthétats, vitamines (produits par les feuilles)
La thiamine, la pyridoxine, l’acide nicotinique sont des
vitamines produites par les feuilles indispensables à la
croissance des racines dont le développement « in vitro » est
impossible en l’absence de vitamines.
2. Hormones en particulier auxine produite par l’apex caulinaire et cytokinines produites
par les racines
Exemple : une partie aérienne d’une plantule de tomate maintenue dans une solution
nutritive équilibrée ne se développe que lorsque des racines adventives sont apparues.
Ces dernières ont un effet même si elles apparaissent en dehors de la solution nutritive
et n’ont alors aucun rôle de conduction d’éléments nutritifs.
Les corrélations entre systèmes radiculaire et aérien proviennent donc d’échanges portant sur
des aliments minéraux ou organiques et sur des éléments catalytiques (vitamines, cofacteurs,
hormones).
Applications pratiques - La greffe : opération qui consiste à réunir 2 végétaux par la mise en
contact de leurs tissus dans des conditions permettant leur soudure au cours de la cicatrisation,
c’est donc une symbiose entre 2 plantes dont l’une, le greffon, fournit l’appareil aérien,
l’autre, le porte-greffe l’appareil souterrain. L’objectif est de propager un appareil aérien
intéressant en profitant des qualités de vitesse de croissance, de robustesse, de résistance à des
maladies du porte-greffe (vigne française greffée sur des pieds américains résistant au
phylloxéra.
V–A2 –Les corrélations entre bourgeons – la dominance apicale :
La dominance apicale est l’exemple le mieux étudié des nombreuses corrélations de
croissance qui ont leur siège dans la plante. Elle se manifeste sous l’influence du bourgeon
terminal par l’inhibition de croissance des bourgeons latéraux. Il faut ici remarquer qu’une
caractéristique du développement de nombreuses plantes réside dans la formation d’un
nombre de méristème apicaux très largement supérieur au nombre de méristèmes se
développant réellement (réserve de méristème – adaptation à valeur de survie pour remplacer
l’apex éliminé par le vent ou les animaux).
V–A2- a–Mise en évidence :
Sur une jeune tige de Pois en croissance seul le méristème terminal est en activité, il engendre
les feuilles et les entre-nœuds. A l’aisselle des feuilles l’évolution des méristèmes axillaires
est imperceptible.
Si on décapite l’extrémité d’une tige de Pois en enlevant le sommet de l’épicotyle, le
bourgeon axillaire situé le plus près de la section et qui était alors inactif va se développer. Si
on enlève ce nouveau rameau c’est le bourgeon immédiatement en dessous qui prendra le
départ. La période de latence entre l’élimination du bourgeon terminal et les premiers
changements au niveau du bourgeon en dessous est d’environ 6h.
C’est donc l’extrémité en voie de croissance active qui maintient au repos les bourgeons
situés au-dessous, on dit qu’il y a dominance apicale, ou encore inhibition corrélative.
Il faut ici remarquer :
1. que le bourgeon terminal n’inhibe pas perpétuellement les bourgeons axillaires. Quand
la tige principale a atteint une certaine longueur l’inhibition ne s’exerce plus ou
s’exerce moins et les bourgeons de la base donnent quelques rameaux.
2. que la dominance apicale n’est pas générale chez toutes les plantes (forte chez le
tournesol Helianthus anuus, faible chez la Tomate, inexistante chez des espèces à port
buissonnant (Kochia trichophylla).
3. que la dominance apicale est en partie responsable du port des arbres. Si elle est faible
toutes les branches se développent sensiblement de la même façon et on a un port en
boule. Si elle est importante il existe une flèche comme chez certains conifères ou des
feuillus comme le Peuplier.
V–A2- b- Mécanisme de la dominance apicale :
Il s’agit d’un problème complexe qui malgré de nombreuses recherches n’est pas encore à
l’heure actuelle complètement élucidé.
Deux types de théorie se sont initialement opposées :
La théorie dite nutritive selon laquelle le bourgeon apical croît préférentiellement car il
détourne à son profit les aliments venant des racines et des feuilles. Il serait privilégié car le
premier formé et cela lui conférerait un avantage initial dans la compétition pour les
composés nutritifs.
La théorie hormonale selon laquelle il y aurait transmission d’un inhibiteur du bourgeon
apical vers les axillaires.
Chez Vicia Faba, l’AIA peut remplacer l’apex décapité. Ce phénomène a été retrouvé chez de
nombreuses espèces. Il est suggéré que l’auxine pourrait être l’inhibiteur qui s’accumulerait
dans les bourgeons axillaires et créerait une situation hyperauxinique.
En fait les expériences récentes de dosage d’AIA montrent qu’on ne trouve que peu d’AIA
dans les bourgeons axillaires, d’où explication abandonnée. Les 2 théories se sont maintenant
rejointes et on pense que les 2 types d’influence trophiques et hormonales interviennent
conjointement.
Causes trophiques :
1. la dominance apicale s’exprime d’autant mieux que le milieu nutritif est pauvre, elle
est levée sur sols riches en particulier en azote cas du lin – linum usitatissimum
2. l’étude de la répartition d’un métabolite marqué confirme le pouvoir attractif de l’apex
(voir figure).
3. l’auxine peut sur un apex décapité reproduire en partie ce pouvoir attractif.
Ceci donne lieu à une hypothèse sur l’action indirecte de l’auxine via un détournement des
métabolites dont le mécanisme est inexpliqué (effet comp. au cytok.).
Causes hormonales :
Par ailleurs, d’autres types d’arguments sont en faveur d’interventions hormonales. Les
apports exogènes d’hormones ou de composés perturbant le transport des hormones modifient
les réponses observées.
a) TIBA ou MORPHACTINES qui inhibent le transport de l’AIA entraînent 1 départ des
bourgeons axillaires
b) Apport d’AIA rétablit la dominance apicale. Les expériences d’hormones exogènes
sont toujours critiquables mais une transformation génétique par le gène IaaH codant
la tryptophane monooxygénase amplifie la dominance apicale.
c) La benzyladénine appliquée sur bourgeons axillaires entraîne leur départ de croissance
ainsi que la surexpression du gène IPT.
Conclusions :
1. l’AIA constitue un signal transmissible vers les parties inférieures de la plante et n’agit
pas uniquement au niveau de l’apex par détournement des métabolites.
2. les cytokinines sont impliquées dans la croissance des bourgeons axillaires. La
condition de bourgeon inhibé semble liée a une déficience en cytokinines et
initialement la levée de dominance apicale est liée à une reprise des mitoses sous
l’action des cytokinines.
Il est intéressant de noter la relation entre cet effet des cytokinines et les phénomènes
de fasciation provoqués chez les plantes par corynebacterium fascians. Le symptôme
de la maladie est une perte de dominance apicale qui se traduit par une prolifération de
tiges pour donner ce que l’on appelle des balais de sorcière (chez le Saule par
exemple). Le symptôme peut être reproduit par application de kinétine, ce qui suggère
l’intervention des cytokinines dans ce phénomène. Ceci a d’ailleurs été confirmé par
l’identification dans les extraits de la bactérie d’isopentényladénine.
L’apex grâce à sa haute teneur en auxine mais aussi en cytokinines et gibberellines, car on a
montré que l’apport de ces substances de croissance sur la tige sectionnée en présence d’AIA
augmentait le maintien de la dominance apicale assurerait l’attraction de composés nutritifs et
de composés hormonaux et en diffusant vers le bas l’AIA empêcherait les bourgeons latéraux
de recevoir ou de synthétiser les substances hormonales sans lesquelles ils ne sauraient
évoluer.
Le phénomène est donc complexe impliquant plusieurs hormones et au-delà des interactions
entre bourgeons, des interactions potentielles entre bourgeons et feuilles ou racines. On
conçoit donc qu’une multitude d’équilibres puissent exister ce qui rend compte des divers
degrés de dominance apicale selon les espèces et de l’évolution de l’intensité de la dominance
apicale avec le développement chez une même espèce.
Applications pratiques :
Pincement : l’opération consiste à supprimer l’extrémité d’une jeune pousse herbacée en voie
d’allongement, elle stoppe son expansion et provoque la naissance de nouvelles ramifications
moins vigoureuses situées plus bas.
Taille : même principe mais sur végétation au repos : taille formative, taille fruitière.
Contrôle génétique de la dominance apicale chez la pomme de terre :
Rosin et al, avril 2003.
Les gènes à boîte MAD (Mads box genes) sont des gènes de type homéotique contrôlant de
nombreux aspects du développement. Chez la pomme de terre, le gène POT M1 (pour potato
Mads box 1 gene) est exprimé activement dans les tissus à croissance rapide, par exemple,
dans les zones tunica et corpus des méristèmes caulinaires.
ƒ
ƒ
La réduction d’activité de POT M1 (stratégie antisens) active la croissance du méristème
axillaire avec un port ramifié de la plante (et surproduction de cytokinines). On observe
chez ces plantes un phénotype similaire à celui de transformants qui surproduisent des
cytokinines par introduction gène ipt.
Ce rôle du gène POT M1 est encore hypothétique.
POT M1 peut être impliqué dans la régulation de la balance de croissance entre
méristèmes apicaux et axillaires.
La suppression de POT M1 modifierait le rapport auxine/cytokinine en stimulant la
production de cytokinines et en diversifiant les centres de croissance par un effet indirect
sur mobilisation des nutriments.
V – A – 2- c - Autres phénomènes influençant la forme, l’architecture des
végétaux :
Au-delà de la dominance apicale qui peut avoir un rôle important sur la forme des végétaux
d’autres phénomènes peuvent chez certaines plantes jouer également un rôle.
•
•
•
Le gravimorphisme
Les dormances inégales
Les mouvements.
V–B- LA DORMANCE DES BOURGEONS UN EXEMPLE DE PERIODICITE
SAISONNIERE :
Il existe une périodicité saisonnière très marquée de la croissance chez les plantes pérennes
des zones tempérées. Habituellement les arbres cessent leur croissance dès la fin de l’été ou
au début de l’automne (ils entrent en état de vie ralentie) ils la reprennent au printemps avec
des températures plus favorables et des jours plus longs (reprise de la vie active).
V–B- a- Notion de vie ralentie et de vie active
L’exemple de vie ralentie fourni par les bourgeons des arbres pendant l’hiver va nous
permettre de définir cet état comme un état physiologique normal et réversible qui se
caractérise par une réduction des activités métaboliques et des échanges avec l’extérieur, cet
état ne s’applique pas uniquement aux bourgeons mais est également caractéristiques des
organes de dissémination et de conservation des espèces : graines, tubercules, bulbes.
Pour les bourgeons et les graines qui sont les organes en vie ralentie les plus importants on
peut noter des caractères communs :
•
•
Faible teneur en eau
Présence d’organes protecteurs (écailles des bourgeons,
téguments des graines)
Ces caractéristiques sont à la fois une cause de la réduction des
activités métaboliques (pas d’eau, réduction des échanges gazeux)
et en même temps constituent une adaptation aux conditions
climatiques défavorables (froid en particulier).
• Réserves pour permettre le démarrage du métabolisme lors du
retour à la vie active.
Pour les bourgeons les réserves sont localisées à distance dans les rayons ligneux du bois.
Par opposition à la vie ralentie, la vie active est la période de retour aux activités métaboliques
normales et à une croissance active.
V–B– b- Les deux types de vie ralentie :
ƒ Le repos imposé ou quiescence – cet état de vie ralentie se caractérise
par un retour immédiat à la vie active dès que les conditions favorables sont réalisées. C’est le
cas général de tous les organes qui n’ont pas de croissance active en raison des températures
trop basses de l’hiver mais qui dès que la température s’élève commencent à croître (la
sécheresse, le manque d’oxygène peuvent aussi empêcher la croissance).
Dans ce type de repos imposé on peut également inclure le cas des bourgeons axillaires
soumis à des inhibitions corrélatives et qui reprennent leur croissance dès que l’apex
dominant est supprimé.
ƒ
La dormance :
Le deuxième type de vie ralentie est plus complexe il s’agit de l’état de dormance. Un organe
dormant placé dans des conditions favorables de croissance n’évolue pas. Les causes de la vie
ralentie ne sont plus à rechercher dans les conditions de l’environnement mais dans l’organe
lui-même. La dormance est définie comme une inaptitude interne au retour à la vie active (un
bourgeon dormant ne pourra éclore même si ses voisins sont supprimés et s’il est placé dans
une serre convenablement climatisée). (une graine dormante ne germera pas même si les
conditions de température, humidité sont tout à fait favorables). La dormance comme nous le
verrons est cependant réversible.
Dans le cadre de cette étude de la périodicité de la croissance nous allons développer ici le
problème de la dormance des bourgeons. Nous examinerons le problème de la dormance des
graines lors de l’étude de la physiologie de la germination.
V–B– c- La dormance des bourgeons :
La dormance des bourgeons est essentiellement une caractéristique des espèces ligneuses des
régions tempérées.
De nombreuses espèces herbacées par exemple croissent chaque fois que la température le
permet et sont donc dépourvues de dormance. Ainsi des espèces vivaces des prairies croissent
pendant l’hiver ne cessant leur croissance que si la température est inférieure à 5° C. Parmi les
plantes ligneuses certaines comme la Bruyère Calluna vulgaris sont dans le même cas et leur
allongement reprend en hiver dès qu’il ne fait pas trop froid. Parmi les arbres l’Eucalyptus est
un exemple d’espèce n’entrant pas en dormance.
Alors que c’est l’approche de l’hiver qui induit le plus souvent la dormance dans les zones
tempérées, dans les régions chaudes les fortes sécheresses peuvent également induire l’entrée
en dormance.
V–B– c-1- Signification biologique de la dormance en relation avec
l’adaptation aux conditions de vie défavorables :
Pour survivre dans un environnement variable et souvent hostile la plante organisme
immobile si elle interrompt ses activités physiologiques dans des conditions défavorables doit
se préparer à l’avance pour survivre à ces conditions défavorables.
Exemples : Des géraniums laissés au froid meurent car ils n’ont pas de bourgeons dormants.
En revanche, un arbuste ou un arbre un Marronnier par exemple se prépare à la mauvaise
saison en développant des bourgeons dormants protégés de différentes manières du monde
extérieur.
Adaptations :
A l’intérieur du bourgeon – présence de matériel cotonneux isolant provenant d’une
modification des feuilles du bourgeon donnant des sortes de poils qui entourent le point
végétatif.
A la place des feuilles produites au niveau des nœuds, formation d’écailles protectrices ; qui
s’assemblent pour donner une protection particulièrement efficace. De plus, les écailles sont
couvertes par une sécrétion visqueuse qui rend le bourgeon imperméable : le propolis.
Anticipation :
Pour que ces adaptations morphologiques contre la mauvaise saison soient efficaces il faut
qu’elles soient mises en place avant l’arrivée du froid, la plante a donc du développer des
systèmes permettant de prévoir et d’anticiper sur l’approche de la période défavorable.
Durée :
Une autre caractéristique importante de la dormance réside dans la durée du phénomène
lorsqu’il est installé. Une durée suffisante (quelques mois) est en effet nécessaire pour que la
finalité de protection du processus soit atteinte.
V–B– c-2- L’entrée en dormance :
ƒ
Causes internes, les entrées en dormance autonomes :
Chez de nombreuses espèces l’entrée en dormance est « autonome ». Le Lilas débourre fin
mars et son allongement cesse obligatoirement en mai juin quelles que soient les conditions
de culture (température, longueur du jour). De nombreux arbres en particulier les arbres âgés
ont également une période de croissance relativement brève 1 à 2 mois pendant laquelle se fait
l’allongement et le grandissement des feuilles. L’arrêt de croissance dont on ne connaît pas le
déterminisme (épuisement des métabolites, équilibres hormonaux) est ensuite suivi par un état
de dormance caractéristique. Généralement une entrée en dormance par année.
Un cas plus complexe est celui du Chêne dont les bourgeons éclosent en avril, évoluent durant
2 à 3 semaines puis passent par une période de repos (formation d’écailles sur le bourgeon
apical). Un deuxième éveil à lieu en juin qui donne naissance à de nouvelles pousses (pousses
de la St Jean). Puis, après cette période de croissance on assiste à une nouvelle entrée en vie
ralentie suivie d’un nouveau départ en août (pousses d’août). Ainsi le bourgeon terminal se
recouvre d’écailles 2 à 3 fois au cours de la période de végétation à des moments où les
conditions externes sont très différentes. De plus, maintenus en chambre climatisée dans des
conditions constantes de jeunes chênes présentent de la même manière des vagues successives
de croissance. En revanche, les racines croissent dans les mêmes conditions de manière
continue.
Ces arrêts de croissance des bourgeons attribués initialement à des phénomènes de dormance
sont en fait dus à des phénomènes d’inhibition corrélative exercés par les jeunes limbes dont
l’ablation supprime le phénomène, les limbes devenant plus grands, leur pouvoir inhibiteur
diminue. En septembre en revanche on assiste à une entrée en dormance typique des
bourgeons.
ƒ
Causes externes :
A ces entrées en dormance autonomes on peut opposer celles qui sont étroitement liées à une
variation d’un facteur du milieu.
La durée des jours : des expériences très précises portant sur diverses espèces ont démontré en
chambre climatisée ou au champ que l’allongement des nuits induit l’arrêt de croissance et la
formation d’un bourgeon terminal écailleux qui devient dormant (Robinia pseudoacacia –
Populus sp. – Larix decidua – Salix repens, ce dernier maintenu au tiède en jours longs pousse
indéfiniment).
Donc dans les zones tempérées où l’approche de l’hiver est annoncé par une diminution de la
longueur des jours, la préparation à l’état de dormance résulte de la perception d’un
changement de photopériode. La dormance peut selon les espèces être induites (Populus),
accélérée (Acer) ou non contrôlée (Malus) par la photopériode.
Autres facteurs dont l’efficacité a été démontrées :
ª La sécheresse
ª Le refroidissement des nuits
V–B– c-3- La levée de dormance :
Le principal facteur du milieu efficace dans la nature est le froid. Les températures les plus
efficaces se situent entre 3 et 7 °C et la période de froid requise varie selon les espèces de 250
à 1500 heures (dormance plus ou moins forte). Il est surprenant de noter que le facteur contre
lequel les plantes cherchent à lutter en se mettant en état de dormance soit celui-là même qui
permet la levée de la dormance. L’hiver n’est donc pas un simple inhibiteur de croissance, il a
un rôle positif. Il est nécessaire au développement des végétaux. Vous verrez qu’il est
également indispensable pour préparer certaines floraisons (vernalisation).
La plante a donc mis au point des systèmes qui lui permettent de mesurer l’intensité et la
quantité du froid nécessaire à la levée de dormance.
On doit remarquer que chez la plupart des espèces la dormance est levée par le froid bien
avant que la croissance reprenne dans les conditions naturelles, en raison même des
températures trop basses qui maintiennent la plante en état de repos imposé (mais ces espèces
placées en conditions favorables en salles conditionnées verraient leur croissance reprendre
immédiatement).
Autres facteurs naturels :
Jours longs : chez certaines espèces comme le Bouleau, le Hêtre, le transfert en jours
longs élimine la dormance des bourgeons alors que l’influence de la température est nulle. Les
bourgeons perçoivent ici eux-mêmes le stimulus lumineux.
Sécheresse : à la suite d’un automne particulièrement sec, certains arbres peuvent
débourrer après une forte pluie.
Substances chimiques et hormones : les vapeurs d’éther de monochlorydrine du glycol
(CH₂Cl- CH₂OH) peuvent se substituer aux facteurs du milieu. Leur effet est strictement local
(forçage du Lilas). On aboutit ainsi à l’idée qu’un phénomène identique peut être induit ou au
contraire supprimé par différents facteurs.
V–B– c-4- Contrôle hormonal de la dormance :
Les preuves expérimentales de l’intervention des hormones dans la dormance peuvent être
groupées en 3 catégories :
1- observations indiquant qu’un stimulus transmissible est impliqué dans l’entrée
ou la levée de dormance
2- variations des taux de certaines hormones au cours des phénomènes d’entrée
en dormance et de levée de dormance.
3- Effets d’hormones exogènes sur l’entrée et la levée de dormance.
En ce qui concerne le premier type de preuve nous avons vu que la dormance pouvait être
provoquée par les jours courts chez de nombreuses espèces ligneuses, ce sont les feuilles qui
perçoivent le stimulus lumineux.
Il y aurait soit une production d’une substance au niveau des feuilles qui serait transmises vers
les bourgeons soit l’arrêt de production d’une substance (voir : Expériences sur Cornus
florida).
2ème type de preuve : de nombreux résultats ont montré une augmentation des taux
d’inhibiteurs de croissance (ABA) avec l’entrée en dormance et corrélativement une
diminution des gibberellines.
A l’opposé lors de la levée de dormance on constate un enrichissement progressif des teneurs
en gibberellines (chez Acer pseudoplatanus au cours de l’hiver) et une diminution de l’ABA.
3ème type de preuve :
Apports d’ABA exogènes induisent la dormance des bourgeons chez Betula pubescens, Ribes
nigrum, Salix.
Apports de GA 3 lèvent la dormance chez certaines espèces par exemple : le Pêcher, le
Bouleau.
Des apports simultanés des deux hormones montrent que les effets dépendent de leurs
proportions relatives.
Ces expériences sont donc en faveur de l’hypothèse selon laquelle la dormance des bourgeons
serait régulée par une interaction entre hormones stimulatrices et inhibitrices dans les
conditions naturelles.
Caractéristiques cytologiques et métaboliques de l’état de dormance :
Dormance et arrêt des cycles en phase G₀-₁ : 95 % des noyaux des bourgeons
dormants de peupliers sont bloqués dans une phase particulière du cycle cellulaire, appelée
G₀-₁, déjà rapportée par de nombreux auteurs pour des situations d’arrêt de croissance, telles
que celles observées dans des graines et des bourgeons. D’après CLOWES (1967), les cellules
en G₁ sont les plus aptes à préserver l’intégrité de leur ADN et les plus susceptibles de
reprendre une activité mitotique après une phase de quiescence.
La dormance est un état pour lequel les activités métaboliques sont ralenties d’une manière
générale, des expériences classiques de TUAN et BONNER en 1964 ont montré plus
précisément que la dormance correspondait à un état de répression généralisée du génome.
Ces auteurs ont extrait la chromatine de bourgeons dormants et de bourgeons en activité et fait
agir cette chromatine in vitro sur un ensemble de nucléotides et de cofacteurs nécessaires à la
synthèse d’ARN en présence d’ARN polymérase on obtient les résultats suivants :
Synthèse ARN
Bourgeons non dormants
Bourgeons dormants
+
̴0
Ce type de résultat a été confirmé par un groupe de français COUDUROUX (ClermontFerrand) qui a réalisé des mesures de l’intensité de transcription in situ (incorporation
d’adénosine ¹⁴C) sur des tubercules de Topinambour soit dormants soit après traitement par
l’acide gibberellique ou par le froid.
V–B– c-5- Variabilité de la profondeur des dormances :
Le génotype a une grande influence sur la dormance. On le montre en cultivant différentes
variétés d’une même espèce dans les mêmes conditions de milieu. Ce fait a des incidences
pratiques : planter des pommiers dont la dormance exige trop de froid pour être levée sous un
climat à hivers trop doux perturbe fortement leur ramification et leur production.
Planter des conifères qui entrent en dormance tardivement dans une région à gelées précoces
est une erreur irrémédiable.
Dans les régions tropicales ou équatoriales où les facteurs T° et lumière varient peu on
considère que quelques plantes ont une croissance continue mais la plupart des plantes ont des
phases de vie ralentie. En effet, on constate pour de nombreuses plantes des croissance
rythmique (anglo saxon – type flush) analogue à celle du chêne. Il s’agit de causes internes
mal élucidées.
En outre, pour certains arbres on a sur un même individu des bourgeons dormants et non
dormants.
Cas des espèces des zones tempérées transférées dans des zones chaudes : le Hêtre planté à
Java continue à perdre ses feuilles périodiquement une fois par an à une époque quelconque
de l’année. Plusieurs hêtres poussant dans une même localité ne perdent pas forcément leurs
feuilles en même temps en l’absence du mécanisme régulateur que constitue le cycle des
saisons.
Les périodicités biologiques résultent donc au moins dans certains cas de la conjonction de
fluctuations endogènes et de variations cycliques du milieu.
En conclusion la périodicité de croissance des végétaux pérennes qui se caractérise par des
périodes de vie ralentie associées à la dormance est directement liée à des facteurs
saisonniers : longueur des jours, froid hivernal.
Ces facteurs au-delà de leurs effets trophiques, agissent en tant que signaux perçus par la
plante et transformés en information utilisable par le biais de modifications du taux
d’hormones.
Facteurs saisonniers
niveaux hormonaux
état de répression du génome
Le lien entre facteurs climatiques et teneurs en hormones n’est pas encore clair.
En fait, les phénomènes sont souvent encore plus complexes impliquant des facteurs
génétiques relatifs à l’intensité des dormances (durée), l’influence des facteurs du milieu,
l’existence de corrélations entre organes et de rythmes internes.
CHAPITRE VI : LES PRINCIPALES ETAPES DU CYCLE DE
DEVELOPPEMENT
VI – A – PHYSIOLOGIE DE LA GERMINATION :
La multiplication végétative et la multiplication sexuée :
La germination que nous allons approfondir dans ce chapitre est associée à un des moyens mis
en jeu par les végétaux pour assurer leur propagation : la multiplication sexuée qui comprend
séquentiellement la formation de fleurs, de gamètes, la fécondation, la formation de graines et
la germination.
Parallèlement les végétaux peuvent se reproduire par l’intervention de la multiplication
végétative, c'est-à-dire le développement d’un nouvel individu autonome à partir d’une
portion d’appareil végétatif de la plante mère.
Cette deuxième voie de propagation des végétaux se rencontre chez différentes formes
végétales dont les plus évoluées (monocotylédones par exemple) et est beaucoup plus
développée que chez les animaux où elle intervient seulement chez des espèces inférieures
(vers, spongiaires…).
Chez les végétaux la multiplication végétative est soit naturelle soit se fait par l’intervention
humaine. Cette multiplication végétative a une grande importance en horticulture et
agriculture.
La multiplication végétative naturelle :
On peut distinguer la fragmentation pure et simple de l’intervention de mécanismes
spécialisés.
-
Fragmentation :
Chez les végétaux qui ont une ramification abondante de leurs axes aériens ou
souterrains au niveau du sol, on peut constater une différenciation de ces axes
(enracinement des parties aériennes par exemple) suivie d’une séparation
ultérieure.
De nombreuses graminées (chiendent) forment des racines à partir des
axes aériens.
Iris, Sceau de Salomon, Bambou produisent des tiges feuillées à partir
d’organes souterrains ex : rhizomes
-
Intervention d’organes spécialisés :
Stolons : (Fraises – Ronces) tiges grêles horizontales susceptibles d’enracinement.
Drageons : Peuplier, racines horizontales susceptibles de bourgeonner.
Bulbilles : Bourgeons charnus en vie ralentie capables de repasser rapidement en
vie active (lieu de formation variable), à l’aisselle des feuilles : Ranunculus ficaria,
sur le limbe foliaire : Bryophyllum et de donner un individu autonome.
La multiplication végétative artificielle :
La multiplication végétative artificielle est pratiquée par l’homme en mettant en jeu diverses
techniques pour répondre aux motivations suivantes :
-
Multiplication d’espèces dont la reproduction sexuée est impossible.
Espèces qui ne fructifient par en dehors de leur climat d’origine (espèces exotiques
en climat tempéré).
Espèces dioïques ou 1 seul sexe a été implanté (élodée).
Espèces dont on a sélectionnée des variétés sans graines ou dont la constitution
génétique interdit la multiplication sexuelle : bananier.
Accélération de la production (exemple de la pomme de terre : graines – 4 ans,
tubercule – 1 an). La multiplication végétative accélère le cycle de développement
par rapport au semis (palmier dattier).
Maintien de la constitution génétique et obtention d’un clone dans le cas de plante
à propriétés intéressantes.
Les techniques utilisées sont classiques le bouturage (Peuplier, Vigne, Hortensia), le
marcottage, la greffe.
Des régulateurs de croissance sont utilisés pour faciliter la rhizogénèse dans le cas du
bouturage, ce sont des composés auxiniques aux noms évocateurs : exubérone, rootone.
VI-A1- Introduction – Problème de terminologie concernant la germination :
Plusieurs aspects de la germination se révèlent particulièrement intéressants. Pour la plante il
s’agit d’une étape très importante du cycle de développement, c’est le départ d’une nouvelle
vie, la perpétuation de l’espèce.
Pour le chercheur il s’agit d’une transition vie ralentie vers vie active facile à étudier sur le
plan métabolique et biochimique.
Pour l’économie, les graines sont à la fois un élément de compétition économique
(industrie des semences) et ont une grande importance dans l’alimentation de l’homme et des
animaux. Le contrôle de la germination est un élément essentiel de l’obtention des plantes
cultivées en Agriculture.
Quelques problèmes de termes : la graine est un élément caractéristique des spermaphytes
(plantes à graines : angiospermes, gymnospermes) qui assure la propagation des espèces.
Le terme graine a une signification botanique bien précise. Il s’agit de l’organe résultant de la
double fécondation de l’ovule, contenant l’embryon, un tissu de réserve et des téguments.
La propagation des espèces n’est cependant pas assurée par des graines uniquement, on parle
plus généralement de semences : il s’agit de l’organe ou de la partie de l’organe que l’on
sème : graine le plus souvent mais aussi fruit (le caryopse est un fruit), groupe de graines ou
de fruits (betterave). Par extension, le terme de semences concerne les tubercules (de pomme
de terre) ou les bulbes.
Germination : Processus physiologique qui permet à l’embryon contenu dans la graine de
donner une jeune plantule.
- Conception courante : la germination recouvre la séquence des événements
allant de la graine au repos jusqu’à l’obtention d’une plantule autotrophe
(viable).
- Conception des physiologistes : la germination commence avec
l’imbibition de la graine et finit avec la percée des téguments par la radicule
ou par l’hypocotyle s’il sort le premier, les étapes ultérieures étant des
étapes de croissance.
D’une manière générale la séquence d’événements intervenant est la suivante :
1. imbibition des éléments vivants déshydratés et gonflement de la graine.
2. démarrage de la digestion des réserves.
3. grandissement des cellules de la radicule déjà formée dans l’embryon puis
prolifération des cellules du méristème radiculaire.
4. éclatement des téguments et sortie de la radicule.
5. développement de la partie aérienne et libération des téguments
VI-A2- Conditions de formation et viabilité des graines :
La double fécondation caractéristique des Angiospermes (voir par ailleurs rappel sur
l’anatomie et la cytologie des tissus concernés) conduit à la formation de la graine. L’œuf
principal donnant l’embryon avec des ébauches de gemmule et de radicule, l’œuf accessoire
(initialement triploïde et syncitial mais redevenant rapidement diploïde) aboutissant à la
formation de l’albumen ou tissu de réserve. Les téguments de l’ovule donnent pour leur part
les téguments de la graine alors que la paroi de l’ovaire donne la chair du fruit.
On distingue généralement :
-
Les graines à albumen (céréales)
Les graines à cotylédon (légumineuses)
pour lesquelles les cotylédons ont digéré l’albumen
Les graines à périspermes peu nombreuses (caféier) dans lesquelles le
nucelle tissu entourant l’ovule persiste.
La maturation des semences se produit généralement sur la plante mère associée à une
déshydratation très poussée (les graines ne renferment que 10 % d’eau) ce qui entraîne leur
entrée en vie ralentie.
Les graines sont maintenues dans les fruits au niveau de la plante mère ou rapidement
dispersées par déhiscence des siliques par exemple. Un niveau important de l’amélioration des
plantes cultivées a porté sur le blocage de cette dispersion spontanée afin de préserver la
récolte sur pied.
Les graines sont très variables dans leurs dimensions, une des plus volumineuses est celle
d’une variété de Palmier (Lodoicea maldivica) qui se forme pendant environ 7 ans et pèse
environ 10 kg.
D’autres graines sont de véritables poussières (Orchidées) ou sont de très petite taille sans
relation avec la taille finale de l’individu (Carotte, tabac).
En résumé, une graine est toujours fondamentalement constituée d’un embryon élément
essentiel, d’un tissu de réserve à rôle nourricier et d’enveloppes (téguments ou autre :
péricarpe).
Le problème des réserves sera développé ultérieurement mais on peut dire que l’on connaît
très mal la façon dont les éléments nutritifs sont transportés des organes assimilateurs :
feuilles vers les organes de réserves, comme les graines, ceci rejoint le problème dont je vous
ai déjà parlé de la distribution des assimilats.
Il est évident qu’il est intéressant de mieux connaître ces phénomènes pour mieux les orienter.
Ce qui est assez remarquable c’est que l’information génétique pour certaines protéines ne va
pas s’exprimer que dans les tissus de la graine ou vont s’accumuler un nombre très limité de
protéines dont la synthèse est très active pendant un temps très court (exemple globuline) .
La déshydratation et la nature des téguments souvent durs, sclérifiés, résistants et
imperméables peuvent conférer aux graines une résistance tout à fait remarquable aux
conditions défavorables : froid – chaud (des semences sèches peuvent survivre après avoir été
plongées dans azote liquide vers -180 °C).
La viabilité des semences varie selon les espèces. Elle dépasse souvent 15 ans et peut
atteindre une centaine d’années (graines viables retrouvées dans les herbiers).
Exemples de viabilité :
ƒ
ƒ
Mimosa glomerata 221 ans
Lupinus articus 10 000 ans à l’état gelé dans le Yukon.
A l’opposé certaines graines ont une viabilité limitée comme le Peuplier ou Acer saccharinum
et meurent en quelques semaines à la T° ambiante (les basses T°, l’atmosphère sèche
prolongent la survie).
La péroxydation et l’oxydation des acides gras insaturés des lipides provoquent des radicaux
libres hautement réactifs, des hydroperoxydes, et des produits secondaires qui accélèrent le
vieillissement via des dégâts causés aux membranes, aux enzymes et à la chromatine.
VI-A3- Aspects biochimiques de la germination
- Caractéristiques biochimiques des graines, Nature biochimique des réserves :
Ces réserves ont une grande importance car elles assurent l’alimentation du jeune embryon en
cours de germination ce qui lui permet d’atteindre l’autotrophie. Même dans de petites graines
comme celles de Laitue (Lactuca sativa) pesant seulement quelques mg les réserves peuvent
autoriser la croissance de l’embryon pendant plusieurs jours. Chez des graines comme la fève
pesant jusqu’à 1 g les réserves sont suffisantes pour plusieurs semaines.
Ces réserves concentrées à un niveau jamais atteint dans les autres parties de la plante sont
également importantes pour la nutrition de l’homme et des animaux. Les céréales sont une des
bases de l’alimentation humaine. D’autres graines : Tournesol, Colza, Soja, Sorgho, Féverole,
Pois, Haricot ont un rôle économique important. On peut rappeler l’impact provoqué il y a
une vingtaine d’années par l’arrêt des exportations de Soja par les USA (alimentation des
animaux). Parmi les graines celles contenant une forte proportion de protéines sont
particulièrement recherchées et actuellement on cherche à réduire notre dépendance par
rapport à l’importation de semences protéagineuses par le développement en France d’espèces
comme le pois protéagineux, la fèverole dont les graines sont riches en protéines.
Les protéines :
On définit 4 groupes de protéines basée sur des différences de solubilité ce qui représente une
définition opérationnelle.
-
Albumine : hydrosolubles
Globulines : solubles dans des solutions salines
Glutélines : solubles dans des acides ou bases faibles
Prolamines : solubles dans alcool
Les céréales contiennent
des prolamines : zéine (maïs), hordéine (orge)
des glutélines : gluténines du blé qui interviennent en donnant
une structure au pain.
Les légumineuses contiennent des globulines : légumine, viciline.
Ces protéines sont stockées dans ce qu’on appelle des corps protéiques, (appellation ancienne
grains d’aleurones) généralement répartis dans tout l’organe de réserves, ou concentrés à la
périphérie de la graine chez les céréales par exemple (couche de cellules à aleurone).
Ce sont des organelles cellulaires bordés par une membrane qui proviendraient de la
transformation de vacuoles avec déshydratation.
Ces corps protéiques ont un diamètre de 0,1 à 25 µ. Ils ont une structure variable avec ou sans
inclusions (globoïde et cristalloïde)
La composition moyenne des corps protéines est la suivante :
 Protéines : 70-80 %
 Phytine : 10 %
 Enzymes : Protéase, Phosphatases, glycosidases, ribonucléases.
La principale forme de réserve de phosphate dans les grains de céréales et les graines
oléagineuses est constituée par l’acide phytique (myo-inositol hexa phosphate). Le phosphate
de l’acide phytique peut constituer jusqu’à 90 % du phosphate total de la graine, dans le cas
du maïs notamment. L’acide phytique forme de plus un sel complexe de K, Mg, Ca, Zn, et Fe
appelé phytine et qui représente une réserve importante de minéraux dans la graine. Pour
permettre l’utilisation du phosphate et des cations minéraux contenus dans la phytine, celle-ci
doit être hydrolysée par des phosphatases spécifiques appelées phytases. L’activité phytase est
généralement très faible dans les graines en cours de maturation ou dans les graines sèches.
Cette activité augmente considérablement en début de germination.
En alimentation animale, la phytine contenue dans les graines utilisées pour la
nutrition des animaux monogastriques est considérée comme l’un des principaux facteurs
limitants de la valeur nutritive des graines. En effet, la phytine des graines ne contenant pas de
phytase à l’état sec (ce qui est le cas du maïs) n’est pas digérée dans le tube digestif de ces
animaux et elles est rejetée intacte dans les excréments, causant de graves problèmes
d’eutrophisation des eaux dans les régions d’élevage intensif. En l’absence d’hydrolyse de la
phytine, les minéraux fortement chelatés sont de plus inutilisables par l’animal, d’où la
nécessité paradoxale d’ajouter du phosphate inorganique et des cations minéraux aux aliments
à base de graines dépourvues de phytase, bien que ces graines possèdent déjà des teneurs
élevées en ces éléments.
La présence dans les grains secs de maïs d’une phytase endogène (comme cela est le
cas pour le blé dont le son possède une activité phytase élevée), serait particulièrement
intéressante. De nombreux travaux ont envisagé le transfert par génie génétique des gènes de
phytase fongique ou végétale associés à des promoteurs graines spécifiques et plus
particulièrement spécifiques de compartiments de la graine qui ne contiennent pas de phytine
(cas de l’albumen chez le maïs). Une phytase « latente » serait alors mise au contact de la
phytine au cours des phases de mastication et de prédigestion (par décompartimentation) et
devrait permettre d’améliorer la qualité nutritive des grains et de diminuer les pollutions liées
à l’excrétion de la phytine non digérée par les animaux.
Les glucides :
L’amidon constitue la forme principale des réserves glucidiques, notamment chez les
Graminées dont il forme presque tout l’albumen. Il représente le composé glucidique le plus
important de notre régime alimentaire.
Les hémicelluloses constituent les albumens cornés ou indurés type datte (polymères
de pentoses et hexoses).
Les sucres solubles sont en petites quantités dans la graine au repos (saccharose chez
l’Amande ou le Ricin).
Les lipides :
Si la notion de réserve des graines est souvent associée aux glucides en raison de leur
rôle dans l’alimentation humaine, ce sont les lipides qui constituent la forme de réserve la plus
répandue, dans 9/10 des plantes. La plus grande partie de ces réserves est constitué d’ester, de
glycérol et d’acides oléique et palmitique, présents en gouttelettes de différentes tailles
appelées oléosomes.
Phénomènes biochimiques de la germination :

Le premier phénomène réside dans une inhibition de la graine c'est-à-dire une phase
d’hydratation du protoplasme qui amène la teneur en eau à environ 50 à 60 % du
poids frais.
Cette phase d’hydratation permet la reprise des activités métaboliques qui se
manifeste très rapidement dès le début de l’inhibition. La synthèse de nucléotides est
détectable 15 minutes après le début de l’imbibition chez la graine de laitue.
Cette reprise d’activités métaboliques est liée à l’augmentation du niveau d’activité
de certaines enzymes.
A) Les enzymes d’hydrolyse des réserves qui vont donner les métabolites nécessaires à
la synthèse des constituants des nouvelles cellules ou utilisés comme substrats
respiratoires.
Nous avons déjà parlé de ces phénomènes à propos de l’action des gibberellines sur
la germination de l’Orge. Il est à noter que chaque catégorie de graines possède des
enzymes en relation avec son contenu en réserve (voir tableau).

Réserves amylacées : amylase, maltase, phosphorylase
amidon + P1
glucose 1 phosphate

Réserves lipidiques :
Les triglycérides sont d’abord hydrolysés par des lipases
qui donnent du
glycérol et des acides gras. Les acides gras sont ensuite oxydés en acétyl CoA
puis transformés en glucides par le cycle glyoxylique ou intégrés dans le cycle
de KREBS.

Réserves protéiques
Protéases
peptides, ac. aminés utilisés dans la synthèse protéique ou
intégrés dans le cycle de KREBS après transamination.
B) Les enzymes du cycle respiratoire qui vont fournir de l’ATP à partir de substrats
libérés par les enzymes d’hydrolyse. L’intensité respiratoire s’accroît très fortement
au cours des premiers stades de la germination et s’accompagne parfois d’un
dégagement de chaleur.

Mode de formation de ces enzymes :
Soit ces enzymes sont déjà présentes dans la graine et l’inhibition et la
réhydratation des tissus permet leur activité (cas d’enzymes de la respiration).
Soit encore on peut assister à une activation d’enzymes préexistantes sous une
forme inactive (action de protéases par exemple). Cependant dans le cas le plus
fréquent les enzymes sont synthétisées « de novo » dès le début de la germination.
Dans cette synthèse d’enzymes deux mécanismes ont été mis en évidence qui
peuvent d’ailleurs intervenir séquentiellement.
Stimulation de la transcription avec synthèse de nouveaux mRNA (cf
amylase chez l’Orge).
¾ Stimulation de la traduction par une transition monosomes
polysomes
(l’activité de traduction est beaucoup plus importante quand plusieurs
ribosomes se déplacent sur une même molécule de RNA formant plusieurs
copies du polypeptide dans un même temps).
¾
Dans ce second cas il faut considérer que des ARN préexistants sont dans les
graines pour permettre la reprise rapide de la synthèse protéique (on a utilisé le
terme d’informosomes pour les caractériser)
Contrôle hormonal de la transcription :
Les interactions hormonales entre embryons et tissus de réserves que nous avons
examinées dans l’action des gibberellines sur la germination du grain d’orge sont
certainement très répandues. Par exemple chez le Pois l’ablation de l’embryon
empêche la synthèse de protéases au niveau des cotylédons.
VI-A4- Aspects Physiologiques de la germination :
•
Conditions de la germination :
La germination de la graine dépend :
ƒ
ƒ
•
Des conditions externes liées aux facteurs de l’environnement
Des conditions internes liées à l’état physiologique et aux caractéristiques de la
graine.
Conditions externes :
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Eau : nécessaire à l’hydratation de la graine et à la reprise des activités
métaboliques (trop d’eau empêche cependant la germination : asphyxie).
O2 : nécessaire à la respiration.
Température : convenable pour les activités métaboliques.
Lumière : 3 catégories :
germination induite par la lumière 70 %
germination inhibée par la lumière
germination indifférente
Ces dernières exigences sont plus théoriques que réelles car elles se manifestent pour des
semences fraîchement récoltées et à des t° élevées alors que la germination dans les régions
tempérées se produit dans un contexte de températures fraîches.
•
Conditions internes :
Lorsque des graines arrivées à maturité sont placées dans des conditions optimales de
température, d’humidité et d’oxygénation pour leur croissance et qu’elles ne germent pas,
plusieurs types de causes sont à envisager : la dormance de l’embryon ou les inhibitions de
germination.
On peut d’ailleurs souligner que les caractéristiques de germination des espèces cultivées
résultent d’une sélection très poussée qui a contribuée à éliminer un grand nombre de
mécanismes de contrôles naturels et qui conduit à une germination rapide et uniforme
nécessaire dans le cas des plantes cultivées.
•
Inhibition de germination (tout phénomène qui s’oppose à la germination d’un
embryon non dormant) :
a. Inhibition tégumentaire : les téguments assurent normalement la protection des
graines mais dans de nombreux cas ils peuvent empêcher la germination en jouant un
rôle de :
Barrière physique = résistance mécanique, imperméabilité à l’eau
Barrière chimique = piégeage de l’oxygène par des composés phénoliques,
présence d’inhibiteurs de germination dans les téguments.
Certaines graines ne germent qu’après de très fortes pluies et l’on pense que c’est un
lessivage d’inhibiteurs de germination qui autorise le phénomène au-delà d’une simple
réhydratation.
Dans les différents cas évoqués on peut démontrer effectivement le rôle des téguments
en réalisant leur ablation qui permet la germination.
Dans les conditions naturelles le gel de l’hiver (craquèlement, putréfaction partielle),
les pluies peuvent altérer l’intégrité des téguments. Cette inhibition par les téguments
joue un rôle adaptatif car dans les conditions naturelles elle demande une période
correspondant à l’hiver pour être levée et diffère ainsi d’une germination précoce
pouvant se produire dans de mauvaises conditions.
Au laboratoire ou lors de la réalisation de semis par des horticulteurs ou pépiniéristes
différents traitements sont utilisés pour fragiliser ou altérer les téguments :
- Abrasions : papier de verre
- Incisions : scarification
- Traitements chimiques : H₂O₂, solvants, SO4H2 dilué.
b. La dormance de l’embryon :
Par définition on dit que la dormance est d’origine embryonnaire quand la graine étant
débarrassée de ses téguments et placée dans des conditions convenables ne germe pas.
L’embryon peut être dormant au moment de la récolte de la semence on parle alors de
dormance I.
Dans d’autre cas l’embryon des semences fraîchement récoltées est parfaitement
capable de germer mais il perd cette aptitude sous l’influence de différents facteurs
externes (T°, privation d’O2), on parle de dormance II.
Différents traitements peuvent lever la dormance au plan expérimental :
- Traitement par le froid : le traitement généralement utilisé, la stratification, consiste
à placer les graines dans du sable en couches superposées à basses températures. Dans
les conditions naturelles c’est le froid de l’hiver qui réalise la levée de dormance
- Traitement par la lumière : avec le froid, la lumière est le facteur de l’environnement
actif, avec une portée cependant moins importante que le froid (voir remarque
précédente).
•
Contrôle hormonal de la levée de dormance des semences :
En particulier dans les levées de dormance par le froid il semble que l’on soit en présence
d’un équilibre entre ABA et gibberelline analogue à celui décrit pour la dormance des
bourgeons. L’acide abcissique semble être l’inhibiteur fondamental, il est présent dans de
nombreuses graines et il présente un puissant effet inhibiteur sur la germination quand il est
apporté de façon exogène. Par ailleurs, il existe des corrélations entre degré de dormance
d’espèces voisines dans un même genre et la teneur en acide abcissique.
Le froid pourrait intervenir en diminuant le taux d’ABA des graines. De plus, des stimulateurs
comme l’acide gibberellique semblent impliqués dans la germination. Ce point est confirmé
par l’inaptitude de nombreux embryons dormants de céréales à synthétiser des gibberellines,
les potentialités de synthèse reprenant avec la levée de dormance. D’autre part, l’acide
gibberellique exogène favorise la germination des graines dormantes chez le Noisetier, et le
froid a un effet favorable chez ce même végétal dans la production d’acide gibberellique.
On retrouve donc le même type de mécanisme que celui déjà mentionné pour la dormance des
bourgeons un équilibre entre inhibiteurs et stimulateurs qui serait sous la dépendance des
conditions de l’environnement.
Enfin, le rôle de l’acide gibberellique est clairement démontré par le comportement de
mutants déficients en GA qui ne germent pas sans apport exogène de GA.
Au-delà de variations dans l’équilibre entre hormones stimulatrices et inhibitrices pour le
contrôle de la dormance, on a noté des changements de sensibilité aux hormones chez, par
exemple, l’embryon de Tournesol.
Il s’agit ici de variations se produisant au cours du développement (à distinguer des mutants
de sensibilité qui induisent des variations irréversibles).
Ainsi la sensibilité à GA décroîtrait lors de l’entrée en dormance et augmenterait dans les
conditions favorisant la levée de dormance (ce qui entraîne des réponses variables pour une
même concentration en GA).
Parallèlement des mutants de synthèse de l’ABA n’entrent pas en dormance (mutants
vivipares de maïs germent sur le pied mère, mutants de tomates rin avec des graines germant
dans le fruit…). Un autre argument en faveur du rôle de l’ABA est la suppression de l’entrée
en dormance par la Fluridone inhibiteur de synthèse de l’ABA.
Un mutant vivipare de maïs Vp1 ou (AB1 3) correspond à la perte d’un gène cloné et étudié
en détail. Ce gène code une protéine présentant des caractéristiques de facteurs de
transcription extrémité acide aminé terminale acide et trois domaines basiques B1, B2, B3.
Des études biochimiques et moléculaires ont montré que la protéine VP1 a 2 fonctions
séparées. Elle active la transcription du promoteur EM (embryo maturation specific protein),
elle réprime la transcription du promoteur d’α-amylase dans les couches d’aleurones. Cette
double action permet le contrôle de deux processus qui doivent s’exclure :
1. maturation
2. germination
Des homologues de VP 1 ont été clonés chez différentes espèces avec un haut degré
d’homologie.
D’une façon générale : Développement de la graine et germination sont 2 processus opposés –
2 stades physiologiques qui présentent des évolutions inverses et sont séparées par une
période de vie ralentie pendant laquelle la graine est fortement déshydratée.
Développement de la graine
• Mise en place des réserves
• Déshydratation
• Acquisition de la tolérance à la
déssication
Germination
• Réhydratation
• Utilisation des
réserves
L’ABA est un signal de la mise en place des réserves protéiques des graines : hélianthine,
crucifèrine et de polypeptides de protection contre la déssication (dehydrines).
L’ABA intervient donc à plusieurs niveaux : il joue un rôle stimulateur dans les étapes de
formation et de déshydratation de la graine et inhibe de façon générale, la germination
précoce qui est ensuite empêchée par la déssication. Son taux peut ensuite décroître pendant la
période de conservation. Ainsi l’ABA n’est pas à son maximum dans les graines dormantes
où il a au préalable fixé la dormance.
Des équilibres multiples entre teneurs en hormones, variations de sensibilité aux hormones,
taux de facteurs régulateurs peuvent expliquer les différents comportements observés au
niveau de la dormance.
VI-A5-L’industrie des semences en France :
Les travaux de recherche des sélectionneurs conduisent constamment à de nouvelles variétés
qui procurent à l’agriculteur un produit de haute qualité en fonction de leurs objectifs et de
leur environnement.
Au-delà de la création variétale l’industrie des semences s’intéresse au contrôle, au tri, au
traitement et au conditionnement des semences.
La France est le premier producteur Européen de semences, le 2ème producteur mondial
derrière les USA et le 3ème exportateur mondial.
Quelques chiffres
au niveau national
- Production des semences en tonnes
- Chiffres d’affaires
- Exportations
1 300 000
1,7 milliard d’€
500 millions d’€
La répartition des espèces dans le chiffre d’affaires est la suivante :
Maïs et sorgho
35 %
Céréales à paille
15 %
Potagères et florales 18 %
Fourragères, gazon
et protéagineux
Oléagineux et fibres
Betteraves
Pommes de terre
9%
8%
8%
7%
On assiste d’une manière générale à un développement de l’utilisation des semences certifiées
par opposition « aux semences de ferme ».
L’industrie des semences où la compétition est très vive entre firmes concurrentes en raison
d’un marché de taille limitée (surfaces cultivées constantes) voit des évolutions fréquentes
dans le périmètre des sociétés (rachats, absorption).
Biogemma en France, Syngenta à l’international sont des exemples de sociétés semencières.
VI-A6- La graine organe cible pour les transformations génétiques :
L’expression de gènes a été souvent ciblée vers la graine dans des expériences de génie
génétique dans le cadre de deux objectifs majeurs.
1. une meilleure valorisation du contenu de la graine.
Ex : phytase mais aussi glucanase pour améliorer la mobilisation des glucanes chez l’orge,
lipase pour favoriser directement la production de diester (biocarburant) sans hydrolyse
chimique des triglycérides.
2. une accumulation de molécules à intérêt pharmaceutique – molecular pharming
peptides / proteins (exemple : lipase gastrique pour le traitement de la mucoviscidose
produite dans le grain de maïs par la firme Meristem therapeutics).
VI-B- PHYSIOLOGIE DE LA FLORAISON
Après la germination et le développement végétatif la floraison représente une transition
particulièrement complexe du cycle de développement. Les approches utilisées dans l’étude
de la floraison ont exploité des méthodes de la physiologie puis plus récemment des outils
moléculaires.
La fleur est l’organe le plus complexe de la plante avec des parties stériles – sépales (rôle de
protection), pétales (rôle d’attraction) – et des parties fertiles – étamines (pollen), pistil
(ensemble de carpelles contenant ovaires/ovules).
 Près de 70 % des angiospermes sont des hermaphrodites vrais portant les 2 sexes ♂ et ♀
sur un même individu (espèces monoïques). Environ 5 % ne portent qu’un seul sexe
(espèces dioïques : chanvre, peuplier, kiwi, asperge, mercuriale…).
 La floraison comprend schématiquement 3 phases :
1. l’initiation florale ou évocation florale qui correspond à l’étape de transition
méristème végétatif
méristème floral avec formation de primordia
d’organes floraux.
2. la formation des ébauches florales (bourgeons floraux)
3. l’anthèse ou épanouissement des fleurs qui peut intervenir un temps assez long
après la phase 2.
La formation des fleurs correspond à une étape typique de différenciation associée à la mise
en place de protéines et de métabolites spécifiques. Les plus apparents de ces métabolites sont
les pigments floraux (flavanoides, caroténoïdes) qui donnent leur couleur aux fleurs. Toutes
les cellules contiennent les gènes correspondants mais ceux-ci ne vont s’exprimer souvent
massivement que lors de la formation des fleurs.
Pour terminer cette introduction rappelons que :
1. l’apparition des angiospermes ou plantes à fleurs a représenté un succès évolutif, les
angiospermes colonisant tous les biotopes. Différents types d’innovations ont en effet
émergés
− formation d’un fruit entraînant une amplification des possibilités de dissémination
des graines par les animaux
− phénomènes d’autoincompatibilité entraînant un brassage génétique
− l’accumulation des réserves plus efficace que chez les gymnospermes.
2. la floraison représente une transition importante pour la plante
− c’est un préalable à la reproduction sexuée
− c’est l’arrêt de la croissance et du développement végétatif chez les plantes
monocarpiques (plantes à floraison unique).
3. la production florale est une activité économique importante d’un chiffre d’affaires de
l’ordre d’un peu moins d’un milliard d’Euros en France, avec une forte focalisation
sur un nombre limite d’espèces : roses 40 %, œillets 20 % et une localisation
géographique sur le VAR et les Alpes Maritimes.
La production s’effectue en serres pour l’essentiel et il s’agit d’un secteur fortement
déficitaire au plan de la balance commerciale avec une forte pénétration des produits
Hollandais. La connaissance et le contrôle de la floraison sont importants pour ces
activités ainsi qu’au niveau de l’arboriculture fruitière.
En conclusion rappelons que la finalité de la fleur c'est-à-dire la double fécondation
des angiospermes (aggeion, receptacle – sperma-graines) plantes ayant des graines
« cachées » est une spécificité des végétaux par rapport à tous les autres êtres vivants
l’œuf principal donnant l’embryon, l’œuf accessoire le tissu de réserve comme nous
l’avons déjà vu.
VI-B1- Conditions de la floraison :
Les Botanistes ont été de tout temps intrigués par le fait que certaines espèces (Muguet de
mai, Chrysanthème, pour donner des exemples concrets) fleurissent à une période bien précise
de l’année souvent de façon très reproductible. On connaît maintenant certaines conditions
requises pour la floraison, se sont des conditions internes : maturité de floraison, et des
conditions externes : action de la lumière – photopériodisme, de la température –
vernalisation.
A) Conditions internes :
1. Maturité de floraison :
Pour qu’une plante puisse fleurir il faut qu’elle ait atteint un certain développement végétatif.
On appelle ce stade maturité de floraison. L’acquisition de cette maturité de floraison est de
durée très variable selon les espèces. Avant ce stade la plante est dans un état dit juvénile et ne
pourra fleurir quels que soient les traitements.
A titre d’exemple cette maturité de floraison est atteinte à des stades de développement
différents :
Seigle : 7 feuilles
Tomates : 13 entre-nœuds
Chez les arbres ce temps est beaucoup plus long : Poiriers 5 -7 ans, Chêne plusieurs dizaines
d’années.
La notion de maturité de floraison repose sur des explications empiriques. La plus
vraisemblable est de nature trophique il ne serait pas bon pour une plante de fleurir avant
qu’elle ait suffisamment développé son système végétatif (feuilles, racines) afin de permettre
l’alimentation des organes le plus souvent non chlorophylliens – fleurs, fruits, graines – qui
vont résulter de la floraison.
B) Conditions externes :
Exigences thermiques : la VERNALISATION :
Quand nous parlons ici d’exigences thermiques, il ne s’agit pas des exigences minimales
nécessaires aux activités métaboliques et à la croissance mais à des effets indirects de la T°
selon la terminologie déjà utilisée des « effets signaux ».
Définition :
C’est une transformation interne opérée par le froid qui confère à certaines plantes l’aptitude à
fleurir (aucune modification morphologique).
Il faut tout de suite différencier ce phénomène de la levée de dormance par le froid ou le
traitement thermique agit sur un phénomène de croissance.
Il faut aussi insister sur l’expression « aptitude à fleurir » car la vernalisation confère
seulement une potentialité à fleurir qui s’exprimera plus tard si d’autres conditions sont
remplies. A l’observation macroscopique ou microscopique rien ne distingue un bourgeon
vernalisé d’un bourgeon non vernalisé.
VI-B2- La Vernalisation :
VI-B2- a- Mise en évidence :
1. L’exemple du Blé :
Le Blé présente deux types de variétés :
Le Blé d’hiver (plus précoce et d’un meilleur rendement) semé à l’automne passe l’hiver à
l’état de jeune plantule fleurit fin du printemps, épiaison au début de l’été.
Le Blé de printemps : semé au printemps fleurit en été, épiaison en été. Cependant semé au
printemps le Blé d’hiver ne fleurit pas.
Semé au printemps ou en automne le Blé d’hiver présente à peu près le même état de
développement au printemps. Il semble donc que c’est la période d’hiver qui ait un effet sur sa
floraison mais non sur le développement et l’acquisition d’une certaine maturité de floraison.
En U.RS.S. et en particulier en Ukraine la culture du Blé de printemps est impossible (bonne
saison trop courte) et celle du Blé d’hiver parfois aléatoire (parfois hiver trop rigoureux), aussi
les agronomes soviétiques désiraient faire subir au Blé d’hiver un hiver artificiel pour pouvoir
le mettre en terre au printemps. L’agronome LYSSENKO montra que si dans les conditions
naturelles le froid agit sur une plantule déjà formée le froid est également susceptible d’agir
sur la graine non dormante et partiellement imbibée ; celle-ci semée au printemps germe et
donne une plante dont la floraison est aussi rapide que si la mise en terre avait eu lieu en
automne. L’action du froid a donc en quelque sorte transformé une variété d’hiver en une
variété de printemps d’où le nom de vernalisation donné au phénomène (en latin vernalis =
printemps).
La vernalisation appliquée aux semences imbibées maintenues à 2° C pendant 1 mois en
chambre froide a donné des résultats irréguliers appliquée à grande échelle (jusqu’à 2 millions
d’hectares de plantation) et n’a pu être généralisée selon l’optique initiale (on a plutôt cherché
à améliorer par sélection les variétés de printemps).
2. Le phénomène peut également être analysé chez beaucoup de plantes
bisannuelles comme le Jusquiame noire (Hyoscyamus niger), l’Oenothère
bisannuelle, la Digitale pourpre. Ces espèces maintenues à des
températures tièdes (supérieures ou égales à 16°C) demeurent indéfiniment
à l’état de rosette sans jamais fleurir. On ne peut arriver à les faire fleurir
que si les rosettes sont exposées pendant une assez longue durée de l’ordre
de plusieurs semaines à des températures froides (1 à 5 ° C). Après quoi, en
revenant à des températures tièdes et si d’autres exigences concernant en
particulier la photopériode sont remplies, les plantes fleuriront. Cette
exigence au froid explique leur caractère bisannuel.
Le terme de vernalisation qui désignait à l’origine le traitement qui confère l’aptitude à fleurir
(froid naturel de l’hiver ou froid artificiel ou encore d’autres agents) recouvre maintenant
également la transformation subie par le végétal devenu apte à fleurir et les phénomènes
physiologiques qui s’y rapportent.
Le besoin de vernalisation est une caractéristique importante dans l’amélioration et la
sélection des plantes et a conduit à l’identification de variétés d’hiver et de printemps
exploitées selon les aires géographiques de culture de différentes espèces.
VI-B2- b- Classification des espèces :
Les besoins de vernalisation sont très variables selon les espèces mais il faut tout de suite dire
qu’il s’agit là d’une exigence relativement peu répandue chez les plantes.
On peut classer les plantes en 3 groupes.
Les premières n’ont pas besoin de vernalisation elles sont appelées indifférentes. Ce sont les
plantes annuelles qui semées au printemps fleurissent dans le courant de la même année sans
avoir eu besoin de froid (céréales de printemps, tabac).
D’autres espèces sont dites préférentes, la vernalisation n’est pas indispensable mais elle hâte
la floraison, c’est le cas de la variété de seigle d’hiver (« Petkus »). Vernalisée, la floraison se
produit après production de sept feuilles, non vernalisé il faut attendre l’apparition de 25
feuilles pour que la plante puisse fleurir. Les plantes annuelles dites d’hiver se comportent de
la même façon, le Blé d’hiver dont nous avons déjà parlé voit sa floraison accélérée par le
traitement vernalisant mais si la belle saison était suffisamment longue il arriverait à fleurir
sans vernalisation.
Les plantes à vernalisation obligatoire, c’est le cas de la plupart des plantes bisannuelles,
celles que nous avons déjà citées mais aussi d’autres espèces telles que Betterave et Choux,
Carotte et Céleri, de plantes vivaces ex : Geum urbanum, Olivier.
Comme la levée de dormance essentiellement contrôlée par le froid les phénomènes de
floraison et donc de reproduction de certaines plantes sont donc limités aux climats dont les
hivers sont assez froids. L’adaptation biologique paraît ici moins nette mais il semble que ces
espèces doivent accumuler des réserves pendant la première année avant de pouvoir fleurir de
manière satisfaisante la 2ème année.
Exemples concernant les plantes vivaces dont simplement certains bourgeons sont vernalisés :
La Benoîte (Geum urbanum). Les bourgeons axillaires les plus jeunes de la
rosette perçoivent l’induction par le froid hivernal tandis que les autres bourgeons poursuivent
leur croissance végétative, assurant la pérennité de l’espèce.
Une scrofulaire (Scrofularia alata) fleurit sur la tige principale qui s’allonge
après vernalisation et les bourgeons axillaires aux aisselles des feuilles les plus anciennes
donneront des rosettes axillaires végétatives.
Un exemple particulièrement net de relation entre l’aire de répartition d’une espèce, et des
exigences thermiques et en particulier un besoin de vernalisation est donné par l’olivier :
•
L’olivier a besoin chaque année de certains abaissements thermiques durant
l’hiver sinon sa floraison est nulle (moyenne thermique de janvier inférieure à
10 ° C).
Ce besoin de froid interdit ainsi l’extension de l’aire de l’olivier vers des
régions aux hivers plus chauds que la région méditerranéenne c'est-à-dire la
région tropicale, dans ces régions l’olivier peut se montrer vigoureux mais ne
fleurit pas.
L’aire de l’olivier est donc limitée au nord par les froids excessifs et au sud par
le besoin de froid hivernal qui n’empêche pas la végétation mais interdit la
floraison.
Les espèces cultivées ont été sélectionnées pour éliminer ces barrières à la floraison.
Les espèces spontanées dont les aires de répartition à la surface du globe sont les plus larges
sont celles qui sont indifférentes.
VI-B2- c- Caractéristiques du phénomène de vernalisation :
Notion de maturité de vernalisation :
Nous avons vu dans le cas du Blé que la vernalisation pouvait être réalisée sur la graine.
Cependant, certaines plantes ne sont sensibles aux traitements vernalisants qu’à certains
stades de leur développement. C’est le cas de la Jusquiame noire plante bisannuelle qui n’est
vernalisable qu’à l’état de rosette.
L’action du froid ne peut donc être effective que sur des plantes ayant atteint un état
particulier appelé maturité de vernalisation tout à fait distinct de la maturité de floraison.
Conditions de la vernalisation :
Les températures efficaces sont comprises entre 1 et 10 ° C et la période de froid nécessaire
est variable selon les espèces.
L’action est parfois cumulative : chez le Seigle le froid peut être donné en plusieurs périodes
séparées par des retours aux températures tièdes. C’est la quantité totale de jours de froid qui
compte.
Ceci correspond à l’action des conditions naturelles - alternance périodes froides et périodes
plus douces.
La vernalisation n’est pas un phénomène de tout ou rien : sur les plantes préférentes comme le
seigle on peut obtenir l’épiaison sur des plantes de 7 à 16 feuilles selon la durée de la période
de froid.
Lieu de perception du stimulus :
Ce sont des cellules des méristèmes qui sont capables de percevoir le traitement par le froid.
L’état vernalisé peut être qualifié d’autocatalytique c'est-à-dire que tous les bourgeons
dérivant de l’apex vernalisé sont vernalisés chez les plantes annuelles. La transformation
opérée par le froid semble transmissible au cours des divisions cellulaires.
Dévernalisation :
L’état vernalisé peut être conservé pendant très longtemps : graine inhibée vernalisée puis
maintenue au sec conserve un état vernalisé pendant plus d’un an.
Jusquiame : cette plante présente pour fleurir une double exigence : froid puis photopériode.
On peut après le traitement vernalisant différer la floraison pendant 200 jours en conservant
l’état de compétence. Cependant un trop long délai, des traitements par la chaleur > à 30 ° C,
l’anaérobiose suppriment l’état vernalisé.
VI-B2- d- Mécanisme hypothétique de la vernalisation :
Une compréhension des mécanismes moléculaires de la vernalisation a résulté d’études de
génétique moléculaire chez Arabidopsis en exploitant différents mutants. En résumé le
traitement par le froid entraîne la répression du gène FLC qui code un inhibiteur de floraison.
Cette expression réduite de FLC est maintenue pendant la suite du développement (après le
traitement par le froid) par l’activité des gènes de VERNALISATION (gènes VRN). VRN1
code une DNA-binding protein et VRN2 code un homologue de l’un des gènes du groupe
Polycomb qui maintient le « silencing » de certains gènes durant le développement animal.
FLC est un régulateur transcriptionnel à boîte MAD qui fonctionne comme un répresseur de
floraison en inactivant un ensemble de gènes requis pour la transition d’un méristème
végétatif en méristème floral.
Chez les espèces qui n’ont pas d’exigences en vernalisation des gènes comme FCA
interviennent dans la répression de FLC.
Un des problèmes qui se pose est de comprendre comment après le traitement par le froid se
maintient la répression de FLC et on a suggéré dans ce contexte un mécanisme épigénétique.
On a pu récemment montrer (Bastow et collaborateurs Nature 427, 164 (2004) des
changements dans le degré de méthylation des histones (diméthylation des lysines 9 et 27 sur
l’histone H3) ce qui correspond à une chromatine « silencieuse » chez la drosophile et
l’homme. Le phénomène de diméthylation de H3 sur la lysine 27 disparaît chez le mutant
VRN2. Ce gène ou son produit au voisinage du gène FLC serait donc impliqué dans la
méthylation.
La mémoire épigénétique de l’hiver est ainsi « médiée » par un état des histones qui induit
une chromatine silencieuse, ce type de mécanisme semble conservé chez les animaux et les
plantes.
Modèle de synthèse
Répression de gènes
importants pour la
transition vers la
floraison
Froid
Diminution de la transcription de FLC
Formation d’un
complexe entre
région 5’ de FLC et
VRN2.
Mécanisme
inconnu ?
Maintien d’un bas
niveau de FLC après
retour à des
températures douces
Diméthylation de H3
sur K27 (chromatine
silencieuse dans
l’environnement du
locus FLC)
Méthodes utilisées :
— Précipitation de la chromatine par des anticorps spécifiques de différents états
(modifications chimiques)
— Transformations génétiques avec la fusion FLC-GUS montrant une forte
réduction d’expression du produit de fusion avec le traitement par le froid.
VI-B3- Le photopériodisme : Exigences photopériodiques :
A côté d’exigences thermiques qui correspondent au phénomène de vernalisation et qui
concernent un nombre assez limité de plantes, un beaucoup plus grand nombre de végétaux
présente pour fleurir des exigences photopériodiques.
Le photopériodisme désigne les réactions de certaines plantes (et de certains animaux) à une
alternance définie de lumière et d’obscurité au cours d’un cycle de 24h. Chez les végétaux la
mise à fleur constitue la réaction essentielle, mais d’autres réactions comme l’entrée en
dormance, l’abcission sont sous contrôle photopériodique.
Chez les animaux, la maturation des gonades chez les oiseaux (induction par jours longs)
l’initiation de la diapause chez les insectes, la migration des oiseaux (induction par jours
courts) sont des phénomènes contrôlés par la photopériode.
Ces phénomènes physiologiques du développement ou du comportement chez les animaux ne
sont possibles ou ne sont induits que pour des conditions d’éclairement dans lesquelles la durée
relative du jour et de la nuit au cours d’un cycle de 24 h est bien définie.
A l’Equateur, à Bornéo, la durée du jour et de la nuit est identique toute l’année. Au fur et à
mesure que l’on monte en latitude dans l’hémisphère Nord ou que l’on descend dans
l’hémisphère Sud on assiste à des variations de plus en plus importantes des durées du jour
selon les saisons. Les plantes qui ont évolué dans des conditions où l’environnement lumineux
subissait des fluctuations liées aux changements de saison se sont adaptées à ces conditions
pour mieux contrôler leur développement.
A titre de rappel à Toulouse :
¾ Le 23 janvier 11h de jour 13 h de nuit
¾ Le 24 juin 16 h de jour 8 h de nuit
Il faut noter :
•
•
Que pour une même latitude la durée relative des jours et des nuits est un paramètre de
l’environnement qui se reproduit de façon absolument reproductible d’année en année à
la même date, c’est donc 1 repère des saisons parfait.
Les exigences photopériodiques de nombreuses plantes sont extrêmement strictes ce
qui explique le calendrier de floraison précis observé : chrysanthème - fin octobre,
muguet – fin avril.
VI-B3- a- Mise en évidence de l’influence de la photopériode sur l’initiation
florale :
Les travaux de Garner et Allard en 1920 sur la variété de tabac « Maryland Mammoth »
montrent qu’à l’automne, alors que les autres variétés ont fleuri, celle-ci continue sa croissance
végétative jusqu’à ce que le froid l’arrête. Si la plante est élevée en serre elle forme ses fleurs
au début de l’hiver en jour court. Si on sème les graines tardivement au début de l’automne la
floraison se fait comme précédemment mais sur des plantes plus petites. La longue période
végétative observée dans la nature ne correspond donc pas à une maturité de floraison
particulièrement difficile à atteindre.
Garner et Allard attribuèrent la mise à fleur à l’influence des jours courts ce qu’il vérifièrent
par d’autres expériences. Si en été, on met les plantes à l’obscurité avant la tombée de la nuit
de façon à les soumettre à une journée suffisamment courte : elles fleurissent.
Inversement la floraison peut être empêchée en hiver grâce à un éclairement d’appoint donné
aux plantes à la fin de la journée. La floraison de la variété de tabac Maryland
Mammoth dépend donc de la façon absolue d’un facteur saisonnier la durée relative du jour et
de la nuit.
Des plants de Soja biloxi semés à 15 jours d’intervalle de Mai à Juillet fleurissaient tous à la
même période en septembre, malgré des différences de développement végétatif importantes ce
qui montre qu’il ne s’agit pas d’une maturité de floraison difficile à atteindre.
Depuis ces recherches sur le photopériodisme se sont multipliées et ont abouti à classer les
plantes selon leurs exigences photopériodiques.
On appelle héméropériode la période de lumière, nyctipériode la période d’obscurité et
photopériode la séquence héméropériode et nyctipériode au cours d’un cycle de 24h.
VI-B3- b- Classement des espèces suivant leurs exigences photopériodiques :
On peut classer les espèces en 4 grands groupes :
a) Espèces aphotiques : ces sont les espèces peu nombreuses qui peuvent former
leurs ébauches florales à l’obscurité c’est le cas de la Jacinthe. On remarque que
toutes ont des réserves abondantes leur permettant une longue survie sans
photosynthèse.
b) Espèces indifférentes : la floraison s’effectue quelle que soit la photopériode à
condition cependant qu’elle soit assez longue pour permettre une photosynthèse
suffisante. Cette valeur minimale qui est liée non pas à des exigences
photopériodiques mais à des exigences photosynthétiques constitue le minimum
trophique. La valeur de ce minimum est en général de 5 à 6 heures de lumière
solaire par 24 h.
c) Les plantes de jours courts : ne peuvent fleurir que si l’héméropériode est
inférieure à une certaine durée d’éclairement qui est caractéristique de chaque
espèce. Cette durée correspond à la notion d’héméropériode critique HC.
Ces espèces peuvent être absolues c'est-à-dire qu’elles ne fleurissent jamais en
présence d’une photopériode défavorable ou seulement préférentes auquel cas
une photopériode défavorable retarde seulement leur floraison qui est
néanmoins possible.
Absolues : Kalanchoe Blossfeldiana
Xanthium pensylvanicum
Préférentes : Soja biloxi
HC : 12 h
HC : 15 h
d) Plantes de jours longs : ces plantes ne peuvent fleurir que pour une
héméropériode supérieure à une hémépériode critique également caractéristique
de chaque espèce. On distingue également des espèces absolues ou préférentes.
Absolues :
Préférentes :
Hyoscyamus niger HC 10 h
Spinacea oleracea HC 13 h
Avena sativa
Beta vulgaris
Vicia faba
On peut représenter la réaction de telles plantes par un graphique où l’on porte
en abscisse l’hémépériode et en ordonnée le temps nécessaire pour obtenir la
floraison de la plante avec une telle hémépériode.
Remarque :
1. le terme de jour court ou de jour long ne signifie pas que la période
d’éclairement est courte ou longue en valeur absolue ou même par rapport à
la période d’obscurité mais simplement que la floraison n’interviendra que
pour une durée d’éclairement plus courte ou plus longue que l’ hémépériode
critique.
Par exemple le Xanthium plante de jour court ne fleurit que pour une
photopériode inférieure à l’ hémépériode critique 15 h. Il fleurira donc pour
une durée d’éclairement de 14 h 30 plus importante que la durée d’obscurité
9h30 et également plus importante que la durée d’éclairement compatible
avec la floraison de certaines plantes de jours longs Epinard HC de 11 à 13 h
selon les variétés.
2. d’une façon générale, les plantes originaires des zones tempérées qui
fleurissent à partir du milieu du printemps jusqu’à la fin de l’été sont des
plantes de jours longs préférentes ou absolues. Celles qui fleurissent plus tôt
sont des plantes préalablement vernalisées soit des plantes ayant initié leurs
ébauches florales l’année précédente et dont la dormance a été levée par le
froid. Les plantes qui fleurissent tard à la fin de l’été ou au début de
l’automne sont des plantes de jours courts.
VI-B3- c- Etudes physiologiques des mécanismes induisant la floraison en
réponse à la photopériode
Précisons tout d’abord que les végétaux utilisent des signaux de l’environnement diversifiés
pour réguler la transition vers l’état reproducteur via la floraison. Ces mécanismes visent
vraisemblablement à synchroniser la floraison de individus pour faciliter la pollinisation
croisée et les brassages génétiques et les facteurs de l’environnement efficaces sont ceux qui
présentent une variabilité saisonnière importante : T°, lumière, mais aussi secondairement
disponibilité en eau.
Ces facteurs peuvent se substituer les uns aux autres dans des cas particuliers. Pharbilis nil peut
être induit à fleurir dans des conditions de photopériode défavorable par un changement de
température ou de conditions nutritives.
Dans le cas plus spécifique du photopériodisme les mécanismes supposés convertir le stimulus
lumineux initial en réponse physiologique appartiennent à 3 catégories :
1. le rôle de facteurs hormonaux
2. la diversion des nutriments vers l’apex
3. le contrôle multifactoriel
1. Au plan historique on peut rappeler le concept de florigène, élaboré par le russe
ChailaKhyan sur la base de nombreuses expériences de greffe montrant la transmission du
stimulus de floraison. La réalité chimique du florigène n’a pu être établie. La notion de
florigène a été ensuite étendue à un ensemble d’hormones à action antagoniste dont
l’équilibre serait contrôlé par la photopériode. Chez Sinapis alba par exemple les
cytokinines peuvent déclencher la floraison en conditions non inductrices. La situation
n’est cependant pas éclaircie.
2. la diversion des nutriments (Sachs et Hackett 1983).
Il s’agit d’une théorie qui se rapproche de ce qui a été dit pour la dominance apicale. Les
conditions d’induction (bonne photopériode) entraîneraient une meilleure alimentation de
l’apex en nutriments déclenchant la transition vers l’état floral.
3. le contrôle multifactoriel. Il s’agit d’une théorie intermédiaire dans laquelle interviendraient
des hormones et des nutriments et qui a été bien illustrée par les travaux de Bernier sur
Sinapis alba.
Exemples et approches expérimentales
Sinapis alba est un système modèle intéressant. Cette plante de jour long lorsqu’elle est âgée
d’environ 2 mois peut être induite à fleurir par une exposition à un seul jour long.
La perception est effective au niveau des feuilles adultes. L’initiation de la transition
méristème végétatif / méristème floral commence 2 jours après le traitement inducteur.
L’analyse des exsudats au niveau des pétioles après exposition à un seul jour long démontre :
•
•
une augmentation de la teneur en saccharose (résultant de la dégradation de l’amidon),
ce saccharose est exporté vers le méristème apical où sa concentration augmente. Il faut
noter que des expériences de transgénèse visant à augmenter ou réduire les teneurs en
amidon ont des répercussions sur l’aptitude à la floraison.
Des modifications dans les teneurs en cytokinines au niveau racinaire appréciée par
l’analyse des exsudats racinaires (riboside de zéatine, riboside d’isopentenyl adénine).
Les cytokinines voient leurs teneurs augmenter de façon rapide et transitoire en réponse
au jour long.
Les résultats d’interruption de la circulation des sèves sont particulièrement
intéressants.
L’élimination d’un anneau de tissu contenant le phloème empêche la floraison si elle
est réalisée vers la 10ème heure de jour long mais non à la 12ème heure ou plus tard.
Ceci indique le transport rapide des feuilles vers les racines d’un signal (saccharose ?)
qui conditionne la floraison.
Des essais d’interruption du flux racine/tige ont été réalisés par la conservation des
plantes dans 100 % d’humidité. Ces conditions stoppent la transpiration et le
mouvement de sève dans le xylème. Ce traitement quand il est appliqué après le JL
abolit la réponse de floraison.
Les mouvements de sèves sont essentiels pour la floraison. Le contrôle de la transition
vers la floraison est donc multifactoriel chez Sinapis alba et fait intervenir des échanges
d’information à longue distance à l’échelle de la plante. L’induction photopériodique
cause des modifications complexes concernant au minimum le saccharose et les
hormones (cytokinines).
Toutes les parties de la plante participent à l’échange de signaux et sont rapidement
informées du changement de photopériode auquel sont soumis les feuilles.
Les signaux ne sont sans doute pas universels et peuvent changer d’une plante à l’autre
(Gibberellines pour d’autres plantes). Cependant le saccharose et les Cytokinines sont
impliqués chez d’autres plantes (xanthium). Malheureusement nous n’avons ici que des
arguments de type physiologiques basés sur des corrélations mais non des preuves
définitives et aucune précision sur les mécanismes initiaux de l’action de la lumière.
VI-B3- d- Intervention du phytochrome et d’autres photorécepteurs dans
le contrôle de la floraison – problème de la mesure du temps
L’induction photopériodique de la floraison implique de la part de la plante.
1. la capacité de distinguer lumière et obscurité (photoperception)
2. la capacité de mesurer les durées de lumière ou d’obscurité
3. la capacité de transmettre l’information reçue sous une forme utilisable (le
phytochrome est impliqué à des titres divers dans ces 3 types de phénoménes)
1. dans le cas de la photoperception le phytochrome est un des photorécepteurs.
Nous avons déjà mis en évidence dans le cours sur le phytochrome l’intervention de ce
photorécepteur dans le contrôle de la floraison. La démonstration repose sur la nature des
spectres d’action et le caractère de photoréversibilité des réponses.
Plantes jours longs HC :12h
9
Plantes jours courts HC :12h
15
9
15
végétatif
660
floraison
660
floraison
660+730
végétatif
660+730
végétatif
floraison
La floraison fait partie des photoréponses mixtes car la floraison peut être induite ou inhibée
par la forme active du phytochrome selon qu’il s’agit d’une plante de jours courts ou de jours
longs et selon le moment ou la lumière est apportée (interruption nuit).
D’autres photorécepteurs que le phytochrome peuvent être également impliqués soit
indépendamment soit en combinaison avec le phytochrome.
Démonstration de l’intervention du cryptochrome dans le contrôle de la floraison
(Korneef et al, Nature genetics 201 vol 29 p435) :
Les mécanismes semblent cependant plus complexes et impliquent plusieurs photorécepteurs
dont le cryptochrome. Les écotypes d’Arabidopsis thaliana correspondent à des individus de
la même espèce qui se développent dans des environnements et des sites géographiques très
différenciés et qui présentent parfois de profondes différences entre eux sur les plans
biochimique et physiologique. On peut parler en quelque sorte de différentes variétés de la
même espèce.
Ainsi l’écotype CV1 localisé aux Iles du Cap Vert est peu sensible à la photopériode pour sa
floraison à la différence des écotypes Columbia ou Landberg erecta (Ler) qui sont les variétés
d’Arabidopsis utilisées pour les études de laboratoires (variétés préférentes qui fleurissent
plus précocement en jour long qu’en jour court).
Des études génétiques ont montré que chez CV1 un seul locus sur le chromosome 1 est
responsable de cette sensibilité réduite à la lumière. Le gène correspondant a été caractérisé il
s’agit d’un allèle du gène CRY2 codant pour le cryptochrome.
En fait le cryptochrome avait déjà été suggéré intervenir dans le contrôle de la floraison en
jour long. L’allèle CV1 ne présente qu’une seule substitution dans la protéine CRY2 une
méthionine en position 367 remplace la valine retrouvée chez les variétés Ler ou Columbia.
Cette mutation réduit la dégradation de la protéine CRY2 en réponse à la lumière bleue. Ainsi
lors de la transition obscurité lumière il y a une perte progressive de CRY2 chez Ler mais pas
chez CV1. La relation entre ce phénomène de dégradation et le contrôle de la floraison par la
photopériode n’est pas claire mais on peut intuitivement suggérer qu’une plus grande quantité
de CRY2 demande une quantité moindre de lumière pour un effet physiologique donné et
donc une floraison pour des jours plus courts.
L’exemple décrit ici est intéressant car il représente une situation pour laquelle une mutation
sur un seul nucléotide entraînant une modification d’un seul aminé d’une protéine entraîne
une modification physiologique significative chez un variant naturel d’Arabidopsis.
2. Problème de la mesure du temps :
Les plantes sont capables d’apprécier de façon extrêmement précise la durée des périodes
lumineuses et obscures. Des différences d’une vingtaine de minutes dans la durée du jour
pourront empêcher la plante de fleurir.
Le Xanthium qui est une plante de jour court avec une HC de 15h40 ne fleurit pas pour une
héméropériode de 16h.
La plante est donc capable d’apprécier avec une extrême justesse la durée du paramètre qui
constitue l’information photopériodique. Une théorie rendant compte de cette aptitude à la
mesure du temps repose sur le concept des rythmes endogènes (la chronobiologie).
Théorie du pendule faisant appel aux rythmes endogènes :
Cette théorie suppose que la mesure du temps est reliée au degré de coïncidence
(superposition) entre conditions lumineuses externes et oscillations internes de sensibilité à la
lumière.
•
De nombreux phénomènes biologiques chez les plantes sont soumis à des
fluctuations rythmiques. Les exemples les plus fréquents concernent des
rythmes présentant une période de l’ordre de 24 heures – Rythmes circadiens :
par exemple les mouvements de repliements nocturne des feuilles de Haricot :
Phaseolus multiflorus.
Le rythme se manifeste spontanément en conditions naturelles ; il peut se maintenir pendant
un certain temps en conditions constantes de lumière ou obscurité mais s’atténue et disparaît à
la longue. En conditions naturelles le rythme est réinitié toutes les 24 h par la transition jour
nuit.
Dans le contexte de l’étude de ces rythmes circadiens Bünning suggéra l’existence d’une
alternance chez les végétaux de phase photophile et de phase scotophile.
Dans la phase photophile la lumière a un effet positif dans la phase scotophile la lumière à un
effet négatif ou pas d’effets.
Il proposa également que la réponse des plantes à la lumière dans le cadre du photopériodisme
était reliée au moment d’application de la lumière par rapport à ces phases d’un rythme
endogène.
Preuve expérimentale : Expériences de Hamner chez Soja biloxi (plante de jour court). Cette
plante fleurit normalement lorqu’elle est placée dans une alternance de 12h jour/ 12h nuit.
Elle fleurit également mais moins bien pour une alternance de 8h jour 64h nuit pour des
cycles anormaux de 72 h (7 cycles).
L’auteur interrompt la période de nuit de 64 h par des périodes de lumière de 4h situées à
différents moments (il faut ici se rappeler qu’un éclair pendant la nyctipériode d’une plante de
jour court peut empêcher la floraison).
Il constata que la suppression de la floraison n’intervient que si la lumière est apportée à
certaines périodes. La lumière apportée pendant la période ou la plante était normalement à
l’obscurité – inhibe la floraison – phase scotophile.
La lumière apportée au contraire pendant la période normalement diurne (phase photophile)
améliore la floraison.
Les résultats démontrent effectivement l’existence d’un rythme de sensibilité à la lumière
dans le cas de la floraison, avec l’existence successive de phases photophiles et scotophiles.
Lors des périodes où l’éclairement est sans action on pourrait penser à une insensibilité
générale de la plante à la lumière, en fait il n’en est rien car il suffit de changer le critère de
réponse physiologique , en mesurant par exemple l’élongation de la tige pour s’apercevoir que
la lumière via le phytochrome est parfaitement efficace : il y a donc perception du stimulus
lumineux et naissance d’un signal lequel n’est pas lu pour la réponse florale à certaines heures
du cycle photopériodique.
Dans la rythmicité et la succession des phases photophiles et scotophiles le rythme est réajusté
généralement par le signal « aube ». Si l’on prend le cas de figure d’une alternance de 12h /
12h (photophile / scotophile) il est alors simple d’expliquer le comportement d’une plante de
jour court qui aurait une héméropériode critique de 12 heures. Au-delà de cette valeur la
lumière rentrant dans la phase scotophile la plante ne fleurit plus. La situation est cependant
plus complexe si l’on considère que les plantes ont des héméropériodes critiques variables et
qu’il existe également des plantes de jour long !
Le 3ème aspect est celui de la conversion de l’action de la lumière en information utilisable
pour la floraison. Nous aborderons ces problèmes avec les aspects moléculaires de la
floraison.
VI-B3- e- Photopériodisme et répartitions des espèces :
Les espèces les plus largement distribuées à la surface du globe sont les espèces indifférentes.
On peut cependant observer comme nous l’avons vu pour Arabidopsis thaliana l’existence de
différentes variétés pour une même espèce avec différentes exigences de photopériode.
-
Boutelona curtispendula : est une espèce implantée du Canada au Mexique
12 variétés de cette espèce ont été récoltées qui présentent différentes réponses
photopériodiques. Les plantes des zones les plus au sud ne pouvaient pas
fleurir pour des héméropériodes plus longues que 14 heures tandis que les races
du nord fleurissaient normalement sous ces photopériodes.
Espèces cultivées :
Les variétés primitives d’espèces comme le soja, le sorgho, d’origine tropicale sont des
plantes de jours courts. Quand ces plantes sont transférées directement à des latitudes plus
élevées le besoin en jours courts est obtenu trop tard dans la saison pour que ces variétés
soient productrices.
L’adaptation de ces cultures a exigé la sélection de variétés moins sensibles à la longueur du
jour. Du maïs issu directement du Brésil atteint dans nos régions 3 à 4 m de haut et ne fleurit
qu’à la fin septembre lorsque les jours ont moins de 12 heures. Ceci peut avoir un intérêt dans
le cas de production de fibre (sorgho papetier) si l’on peut se procurer facilement des graines
chaque année.
Pour d’autres récoltes comme la betterave à sucre, pour laquelle la floraison réduit le taux de
sucre la sélection a été dans l’autre sens c'est-à-dire vers une sélection d’espèces très
strictement dépendantes de la longueur du jour. Souvent ces sélections ont été accomplies
avant que l’explication du processus soit connue (contrôle de la floraison par la lumière).
VI-B3- f- Aspects moléculaires de la différenciation florale :
Quand les plantes à fleurs ont atteint un certain développement des signaux de
l’environnement peuvent déclencher la transition vers le développement floral.
Le méristème apical arrête de produire des primordia foliaires et se met à produire des
primordia d’organes floraux : pétales, sépales, étamines, carpelle.
Les nombreuses études de génétique sur le développement de la fleur ont conduit à conclure
que ce processus de développement est déterminé par un réseau très complexe et conservé de
gènes opérant en cascade et qui s’expriment dans différents territoires spécifiques. La
différenciation est, en effet un problème d’expression spatio-temporelle particulière de gènes
spécifiques.
Toutes les cellules d’un végétal contiennent les mêmes gènes seuls certains d’entre eux vont
s’exprimer lors de la formation de certains organes. Les études sur des mutations qui
affectaient la durée de temps nécessaire pour fleurir ou perturbaient la nature et la structure
normale de la fleur ont permis d’identifier différents gènes que l’on peut classer dans les 4
catégories suivantes.
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Gènes impliqués dans la chronologie de floraison
Gènes d’identité du méristème floral
Gènes d’identité des organes floraux qui agissent plus tardivement dans le
développement floral.
Gènes de construction des organes floraux
Il est à signaler cependant que des mutants qui restent indéfiniment à l’état végétatif n’ont pas
été observés, ceci suggère qu’il existe certainement une redondance entre les gènes qui
induisent la floraison et que l’inactivation de l’un d’entre eux est partiellement compensée par
d’autres.
Par ailleurs, dans les études sur Arabidopsis différentes voies de promotion de l’induction
florale relativement indépendantes selon les variétés ont été mises en évidence : une induction
autonome soit une induction par l’acide gibberellique ou par les facteurs de l’environnement
(vernalisation, photopériode).
a) Gènes de chronologie de floraison :
Chez Arabidopsis la floraison est stimulée par les jours longs et chez certains écotypes par les
températures froides (vernalisation).
De nombreux mutants à floraison tardive sous conditions inductives ont permis d’identifier de
nombreux loci impliqués dans la floraison.
Mutant de type FCA : retard de floraison dans n’importe quelle condition de jour – FCA a été
cloné – il code une protéine qui contient deux domaines de liaison à l’ARN et un domaine
ww typique des interactions entre protéines suggérant qu’il s’agit d’un facteur régulateur post
transcriptionnel (2 tryptophanes séparés par un motif consensus conservé).
Par ailleurs, le mutant Co présente un retard dans la floraison en jour long et une réponse
réduite à la vernalisation.
La protéine correspondante à Co contient 2 doigts de Zinc suggérant sa capacité de liaison à
l’ADN et son implication dans la régulation de l’expression génique. Son ARN est plus
abondant en jour long. Des mutations sur les régions doigt de Zinc abolissent la fonction.
b) Gènes d’identité de méristème floral :
Le méristème apical caulinaire donne des feuilles, des entre nœuds, et des bourgeons
axillaires. Il peut après sa transformation en méristème floral donner des organes floraux.
Le méristème floral présente une activité déterminée de divisions cellulaires et
d’organogénèse résultant dans la production de 4 cercles d’organes floraux (sépales, pétales,
étamines et carpelles). Chez Arabidopsis sépales et pétales sont des organes protecteurs puis
quand la fleur arrive à maturation ces organes jouent un rôle d’attraction des insectes
pollinisateurs.
En retenant comme plante modèle Arabidopsis thaliana des études de génétique classique et
de génétique moléculaire ont permis de caractériser divers gènes associés à la transition
méristème végétatif – méristème floral.
Exemple gène Leafy = LFY. Des mutations de LFY causent un blocage de la transition
méristème végétatif / méristème floral. Les fleurs sont remplacées par des pousses feuillées.
Hypothèse : la protéine codée par LFY serait un facteur de transcription car elle contient une
région riche en proline et des régions acides et basiques caractéristiques des facteurs de
transcription.
Une fonction de Leafy serait d’agir comme déclic génétique du développement de la fleur en
régulant positivement l’expression en aval de gènes homéotiques. LFY est le 1er gène à être
activé durant la transition. L’expression du gène est détectable avant apparition des primordia
et s’arrête quand les 4 types d’organes sont en place.
c) Gènes de spécification de l’identité des organes floraux
Modèle ABC
Ces gènes interviennent en aval des gènes d’identité de méristème floral et en amont des
gènes de construction des organes floraux.
Le modèle ABC proposé par Meyerowitz, implique des gènes dont l’expression se produit
dans 3 domaines A. B. C.
Ce modèle résulte des résultats de l’analyse des pertes de fonction de certains gènes.
Gènes du domaine A
expression unique sépale
expression combinée pétale
Gènes du domaine B
expression combinée étamines
Gènes du domaine C
expression unique carpelle
Domaines
Gènes
Phénotype perte de fonction
A
B
C
Apetala 1
Apetala 3
Agamous
pas de pétale – pas de sépale
pas de pétale – pas d’étamine
pas de carpelles – pas d’étamines
1. Ces gènes correspondent à des gènes appelés homéotiques. Des mutations qui
transforment des parties de l’organisme en structures normalement associées à
d’autres positions / localisations sont appelées homéotiques.
Des mutants homéotiques ont été initialement trouvés chez la drosophile –
remplacement des antennes par des pattes – remplacement des yeux par des ailes.
Ces gènes homéotiques ont des caractéristiques communes de gènes à boîte MAD
(MAD box genes) codant des facteurs de transcription comprenant un domaine amino
terminal de fixation de l’ADN de 58 ac. aminés très conservé.
Chez ces protéines le domaine MAD fonctionne à la fois dans l’interaction avec
l’ADN et avec des protéines (protein-protein interaction) et est hautement conservé au
niveau des contrôles développementaux chez différents organismes.
2. Ces gènes sont très conservés entre les espèces (A. thaliana et Anthirinium majus par
exemple), ils discriminent les types d’organes floraux mais ne donnent pas
d’informations ou d’instructions sur le détail de la construction des organes floraux
qui implique des gènes réalisateurs en aval.
Ces gènes ont été caractérisés initialement à partir de mutations naturelles ou provoquées puis
par des expériences de gène tagging (TDNA) conduisant au même phénotype.
La disponibilité de la séquence a permis de faire des expériences d’hybridation in situ
conduisant à montrer la localisation spécifique de l’expression de ces gènes :
Apetala 2
Apetala 3
Agamous
pétale/sépale
pétale-étamine
Etamines-carpelles
L’expression tissu spécifique des gènes homéotiques est contrôlée essentiellement par des
intéractions négatives. Par exemple l’expression du gène agamous (classe C) est réprimée
dans les cercles extérieurs par le gène de classe A apetala 1. L’activation initiale des gènes
homéotiques est réalisée au moins en partie comme cela a été dit par les produits de gènes
exprimés plus précocement comme les gènes d’identité du méristème floral de type LEAFY.
Des gènes autres que les gènes d’identité d’organes doivent contrôler le nombre d’organes
dans chaque rang puisque les mutations de ces gènes n’altèrent pas le nombre d’organes mais
seulement leur identité.
Un exemple récent :
Le contrôle de la floraison, un réseau complexe d’interactions entre facteurs inducteurs et
répresseurs : cas particulier de la régulation du développement des fleurs par GA (Yu et al
PNAS – 2004 – 101 – 20 – 7827).
Chez Arabidopsis le mutant Ga1-3 déficient en gibberelline développe des fleurs dont la
croissance est nettement retardée au niveau des différents organes floraux qui conservent
cependant leur identité.
Les progrès dans la connaissance des mécanismes d’action des gibberellines conduisent à
penser que ces hormones contrôlent le développement en supprimant un groupe de protéines
nucléaires à fonction de répresseurs : les protéines DELLA qui contiennent en commun un
domaine N-terminal « DELLA » qui serait impliqué dans l’inactivation de ces protéines par le
signal GA. Il existe 5 protéines DELLA dans le génome d’Arabidopsis (GAI, RGA, RGL1,
RGL2, et RGL3). GA entraînerait la disparition de ces protéines represseurs en induisant leur
dégradation par l’intermédiaire de mécanismes ubiquitine / protéasome dépendants.
Comme ces protéines ne renferment pas de domaines typiques de liaison à l’ADN il est
supposé que ces régulateurs transcriptionnels formeraient des complexes actifs avec d’autres
facteurs de transcription pour contrôler l’expression des gènes.
Il a été montré que la suppression de RGA et de RGL2 (mutations sur les gènes de ces
protéines DELLA) restaure un développent floral normal chez le mutant ga1-3 indiquant leur
rôle de répresseur dans le développement des fleurs.
Des études ont été réalisées visant à évaluer l’impact de l’apport de GA et la surexpression de
RGA sur différents gènes de contrôle de la floraison.
LEAFY un gène en amont n’est pas affecté. En revanche les gènes homéotiques APETALA 3
et AGAMOUS sont induits par GA et réprimés par RGA.
Ces résultats montrent que la croissance des organes floraux nécessite l’expression continue
de certains gènes homéotiques.
Il faut enfin mentionner que les protéines DELLA intervenant dans le contrôle d’une large
gamme de processus du développement, leur implication dans la floraison doit faire intervenir
des régulateurs fleur-spécifique.
Schéma récapitulatif :
Mutant ga1-3
DELLA
PROTEINS
Gènes homéotiques
Fleurs à
croissance réduite
wt
DELLA
GA
PROTEINS
Schéma de synthèse :
Gènes homéotiques
Fleurs normales
Signaux de l’environnement
ou contrôles endogènes
Gènes de chronologie de floraison
emfi (répresseur)
constans (Co)
luminidependens
Gènes d’identité de méristème floral
Leafy
CAL
Gènes intermédiaires
AGL2
AGL4
AGL9
Gènes d’identité des organes floraux
modèle ABC
FCA
AP1
AP2
AP3
AG
Gènes réalisateurs
Ex :
sépales
ƒ
ƒ
AGL1
,
pétales
AGL5
(exprimés spécifiquement
dans les carpelles en
différenciation par
exemple)
étamines carpelles
Les gènes encadrés d’un rectangle sont des gènes homéotiques à boîte MAD
Plus de 80 gènes ont été impliqués dans le contrôle de la floraison chez Arabidopsis.
Ces gènes codent fréquemment des régulateurs transcriptionnels et sont en
interactions positives ou négatives dans un réseau extrêmement complexe. Les gènes
à domaines MAD ont un rôle prépondérant.
VI-C- PHYSIOLOGIE DE LA SENESCENCE
La sénescence correspond chez les végétaux à une phase normale du cycle de
développement des espèces qui se place après l’état juvénile, la maturité et l’acquisition de
l’état reproducteur et au cours de laquelle s’installent des processus de dégénérescence
irréversibles des structures et des fonctions cellulaires qui vont conduire à une détérioration
des tissus et organes et finalement à la mort de ces organes ou même de l’organisme (au cours
de cette phase la plante est en état de sénescence).
En particulier, chez les annuelles la sénescence n’est pas due à des conditions externes
défavorables (elle peut être accéléré par ces facteurs), mais à des régulations internes, il s’agit
d’un événement programmé. La sénescence peut donc se développer en absence de toute
condition extérieure défavorable mais le froid, la sécheresse, l’ombrage, l’élimination de
certains organes de la plante peuvent l’induire et l’accélérer.
On a souvent rapproché la sénescence de l’apoptose ou mort cellulaire programmée
chez les animaux (PCD).
En fait les phénomènes sont assez distincts :
1. On ne retrouve pas lors de la sénescence des indicateurs biochimiques propres
de la PCD
ƒ Signaux mitochondriaux
ƒ DNA ladder
ƒ Intervention de caspases
2. Les analogies seraient plus évidentes au niveau de la réponse hypersensible
(HR) qui, chez les végétaux correspond à la mise en place d’une zone de
cautérisation par mort cellulaire autour d’un site d’infection empêchant la
diffusion du pathogène ou au niveau de phénomènes de mort cellulaire isolés
à l’échelle de la plante :
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Cellules des vaisseaux à l’intérieur du xylème
Cellules à aleurone
Enfin on peut évoquer le terme d’oncose pour désigner la mort accidentelle de cellules de
plante qui ne sont plus capables de réparer les dommages causés par le stress.
VI-C1- Modalités de la sénescence selon les types de végétaux :
La sénescence peut concerner l’ensemble du végétal ou seulement certaines de ses parties.
Ainsi chez les espèces monocarpiques, elle concerne l’ensemble de la plante et se produit dès
la floraison (annuelles, bisannuelles, pluriannuelles) seules les graines survivent et assureront
la survie de l’espèce.
Chez ces espèces la sénescence au niveau des feuilles peut être progressive et séquentielle par
exemple les feuilles âgées meurent les premières alors que les feuilles plus jeunes restent en
vie suggérant aux différents niveaux, différents équilibres nutritifs et hormonaux.
Espèces pérennes : Les herbacées peuvent voir leur système aérien mourir chaque année en
conditions défavorables mais leur système racinaire reste en vie et permet le départ de la
végétation au printemps.
Chez les arborescentes à feuilles caduques
seules les feuilles, les fleurs et les fruits entrent en sénescence. Le tronc, les branches, les
bourgeons et les racines restent en vie.
Chez les arborescentes à feuilles
persistantes, les feuilles les plus âgées deviennent sénescentes après une période variables de
1 à 7 ans alors que les feuilles jeunes continuent à croître et l’arbre est toujours couvert de
feuilles.
Si la sénescence est directement liée au programme de développement pour les espèces
monocarpiques qui entrent en état de sénescence dès la floraison [certaines plantes
monocarpiques maintenues dans des conditions d’éclairement défavorables pour la floraison
voient leur sénescence différée de plusieurs années], les facteurs responsables du
déclenchement de la sénescence sont moins nets et beaucoup plus complexes au niveau des
espèces pérennes.
Il existe bien sûr des différences liées aux caractéristiques génétiques, certaines espèces ayant
des longévités exceptionnelles, ex : Pinus aristata 4000 ans (Juniperus ostreatus) mais des
maladies, des stress divers, des conditions défavorables de nutrition, la difficulté accrue des
échanges au sein de l’individu avec l’augmentation de ses dimensions peuvent favoriser la
sénescence.
VI-C2- Modifications liées à la sénescence :
La sénescence a été essentiellement étudiée chez les feuilles, les fleurs et les fruits (nous
avons parlé des fruits à propos du contrôle de la maturation par l’éthylène, début d’une phase
de sénescence, nous considérons seulement ici le cas des feuilles).
a) Modifications visibles :
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Changement de coloration des feuilles – couleur automnale due à la
disparition de la chlorophylle qui ne masque plus les caroténoïdes
de couleur jaune-orangée et/ou à la synthèse de pigments
anthocyaniques rouges/roses.
ƒ A la suite de la sénescence des feuilles un phénomène visible est
l’abcission.
b) Modifications ultrastructurales :
ƒ Diminution de la taille des choroplastes et des mitochondries puis
détérioration, diminution du nombre de ribosomes
ƒ Altération des systèmes membranaires, tonoplaste, disparition de l’ER,
dictyosomes, altération du plasmalemme lors des étapes finales.
ƒ Les ruptures de compartimentation liées aux altérations sont létales
pour la cellule : invasion
décompartimentation ionique
du
cytosol
par
les
protéases,
c) Modifications biochimiques :
Elles sont associées aux modifications ultrastructurales précédentes
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Diminution de la photosynthèse avec une destruction des chlorophylles
Diminution de la respiration
Diminution de la teneur en protéine : dégradation accrue, synthèse réduite
Diminution des ac. nucléiques dégradation accrue (Rnase).
Ces modifications peuvent être globalement liées à un ralentissement de la synthèse et à une
accélération de la dégradation. D’une manière générale on assiste à une diminution des
teneurs en macromolécules à l’exception des constituants pariétaux, et à une augmentation
transitoire en petites molécules.
La vacuole jouerait un rôle particulièrement important dans la sénescence avec son rôle
lysosomal. Elle renferme en effet des hydrolases normalement séparées du cytoplasme et la
détérioration de la membrane vacuolaire (le tonoplaste) permettrait la libération de protéases,
nucléases, phosphatases qui hydrolyseraient les constituants cytoplasmiques.
Si la sénescence n’est pas associée à une activité de croissance ou de morphogénèse ce n’est
pas un phénomène passif mais un processus de différenciation particulier, associé à
l’expression de nouveaux gènes qui ont été regroupés sous l’appellation gènes SAG
(sénescence associated genes). La nécessité d’une synthèse protéique est, par ailleurs,
démontrée par l’arrêt de sénescence provoquée par des inhibiteurs de la synthèse protéique.
Les gènes SAG sont nombreux ils correspondent à diverses fonctions
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Facteur de transcription potentiellement impliqués dans les cascades de
signalisation associées à la mise en place de la sénescence ex : WRKY 6
(domaine conservé de 60 acides aminés domaine WRKY).
Protéases comme SAG12 chez Arabidopsis :Protéase à cystéine
Chlorophyllase : impliquée dans la dégradation des chlorophylles
Phospholipase (SAG 101) libère de l’acide oléique à partir de trioléine.
La désorganisation des membranes pendant la sénescence résulte en partie de la dégradation
des lipides membranaires par différentes enzymes comme la phospholipase D, la
lipoxygénase. Cette dernière enzyme donne lieu à la formation de radicaux libres : oxygène
singulet, radical superoxyde très toxiques pour les structures cellulaires et contribue à la
formation d’acide jasmonique parfois appelée hormone de mort.
Des études avec des techniques comme la RPE (résonance de spin paramagnétique) montrent
une augmentation de ces radicaux avec la sénescence alors que les enzymes de détoxification
des radicaux :peroxydase, catalase, superoxyde dismutase voient leur activité diminuer.
VI-C3- Les causes de la sénescence
Causes nutritives :
Cette hypothèse propose que la sénescence des feuilles serait induite par une carence
en ressources nutritives en raison du prélèvement de métabolites pour la formation des fleurs,
des graines et des fruits : organes non photosynthétiques.
Effectivement l’ablation des jeunes bourgeons floraux ou de jeunes fruits diffère
considérablement la sénescence chez des espèces comme le soja ou la tomate.
Ceci est en accord avec la sénescence des espèces monocarpiques qui débute avec la
floraison. Cependant cette hypothèse intéressante ne peut-être généralisée. En effet, ces
observations ne sont pas retrouvées chez d’autres espèces comme les céréales. Par ailleurs, sur
certaines espèces dioïques (Epinard) l’élimination des fleurs mâles a le même effet que
l’élimination des fleurs femelles dont les besoins nutritifs sont beaucoup plus importants.
Par ailleurs, l’apport massif d’engrais, de substances nutritives ne retarde pas la sénescence
chez les plantes ayant fleuri, il semble donc que la floraison soit à l’origine d’un signal
systémique marquant le début de la sénescence.
Causes hormonales :
L’effet antisénescence des cytokinines est classique il peut être en partie expliqué au plan
mécanistique par une stimulation de la synthèse protéique et un effet de rétention des
métabolites en présence des cytokinines (effet MOTHES).
On observe une réduction des teneurs en cytokinines ou de l’excrétion de cytokinines au
niveau des exsudats racinaires (Tournesol) lors de l’installation de la sénescence.
L’apport de cytokinines exogènes (mais aussi d’autres hormones comme GA3 ce qui suggère
un contrôle multihormonal) retarde la sénescence.
Par ailleurs diverses expériences de transgénèse visant à surexprimer le gène de
l’isopentenyltransférase (IPT) dans différentes conditions en particulier en association avec
des promoteurs de gène SAGE montrent un retard spectaculaire de la sénescence.
L’éthylène a par ailleurs un effet inducteur de la sénescence particulièrement net chez les
fleurs.
VI-C4- La sénescence foliaire une étape de remobilisation des éléments
nutritifs pour le remplissage des graines.
La sénescence foliaire s’accompagne de la dégradation des macromolécules (protéines, acides
nucléiques..) et de la migration des produits d’hydrolyse et d’une manière générale des petites
molécules présentes dans les feuilles vers les parties de la plante encore en développement
fruit et surtout graine.
Il s’agit d’un processus très adapté de récupération « utile » des nutriments formés par la
plante au cours de son développement végétatif.
Les études ont surtout porté sur les protéines et sur la protéine foliaire la plus abondante : la
Rubisco.
VI-C5- Approches Biotechnologiques visant à différer la sénescence :
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Nous avons déjà parlé du problème de la conservation des fruits. En ce qui concerne les
fleurs et les feuilles différentes stratégies ont été explorées.
Tout d’abord il faut noter que peu de mutants affectés dans la sénescence ont été
caractérisés. On peut signaler le mutant Arabidopsis Ore 9 qui correspond à la perte de
fonction d’une « protéine F Box » composante des systèmes de protéolyse ubiquitine
dépendant. Ce qui confirme l’implication de ce système dans la sénescence.
Pour les feuilles une préoccupation des sélectionneurs est de privilégier chez certaines
cultures le phénotype « stay green » qui permet un maintien prolongé de l’activité
photosynthétique.
Des expériences exploratoires de transgénèse ont été envisagées
¾ Par surexpression du gène IPT
¾ Par surexpression de gène de superoxyde dismutase ou de catalase.
Par ailleurs un traitement après récolte (laitue par exemple) par acide ascorbique, EDTA ou
GA3, a été envisagé pour éviter jaunissement et flétrissement.
Pour les fleurs (la fleur coupée n’a pas achevé sa croissance en général lors de la vente), des
solutions nutritives visant 2 objectifs sont commercialisées (type SEVAFLOR) afin
d’améliorer la conservation
¾ Antiseptiques, agents d’acidification pour éviter la formation de bouchons au
niveau des vaisseaux (d’origine fongique ou résultant de la précipitation de
certains sels – fluorure, sels de Ca++
¾ Eléments nutritifs de type glucose ou saccharose.
On arrive ainsi à multiplier la longévité par un facteur 3.
VI-C6 – L’abcission :
La phase finale de la sénescence en ce qui concerne les organes comme les feuilles, les fleurs
et les fruits consiste en leur séparation de la plante mère lors du phénomène d’abcission.
Considérons le cas des feuilles :
VI-C6- a- Description du phénomène :
L’abcission se produit généralement à la base du pétiole, près de la jonction avec la tige.
• A ce niveau se produit avant l’abcission une période de divisions cellulaires intenses qui
aboutit à la mise en place de la zone d’ abcission. Cette zone comprend des cellules
petites à parois minces et se met en place à des périodes différentes avant l’abcission
selon les espèces.
• Il se produit ensuite une augmentation des activités enzymatiques : pectinases, cellulases
au niveau de cette zone d’abcission entraînant la lyse de parois des cellules. Les cellules
se gélifient et la feuille n’est plus retenue que par les faisceaux conducteurs qui seront
rompus mécaniquement par le vent. Enfin une couche de cicatrisation subérisée se met
en place (liège) qui protège la section au niveau de la tige des pertes d’eau et de
l’invasion des pathogènes.
VI-C6- b- Mécanismes :
Nous avons déjà précisé à propos de l’ABA que cette hormone ne représentait pas le véritable
facteur de l’abcission. Il s’agit comme dans de nombreux cas d’un contrôle plurihormonal.
L’AIA produit par la feuille retarde l’ abcission tant que la feuille est jeune (des résultats
contradictoires ont été initialement obtenus en relation avec l’application d’AIA exogène liée
à la production secondaire d’éthylène). Au cours de la sénescence l’auxine diminue
progressivement (l’ablation du limbe producteur d’auxine accélère l’abcission. Les
cytokinines et gibberellines retardent également l’abcission.
A partir d’un certain moment il y aurait dans les tissus sénescents production d’éthylène qui
stimule la production d’enzymes d’hydrolyse (cellulases – pectinase) actives dans l’abcission.
Lors de la sénescence des feuilles, dans le cas des espèces pérennes, les constituants de petits
poids moléculaire résultant de l’hydrolyse des réserves (protéines par exemple) migrent soit
vers les bourgeons dormant soit vers les rayons ligneux du bois (files de cellules
parenchymateuses) où ils seront réutilisés dès le départ de la végétation au printemps. Le
contenu en substances minérales et en matière organique des feuilles après abcission ou de
l’organisme entier pour les espèces monocarpiques sera repris dans les phénomènes
d’humification (formation de l’humus) et après passage par les cycles des éléments de la
biosphère pourra être réutilisé par la végétation.
En horticulture et agriculture on peut vouloir prévenir l’abcission prématurée des fleurs ou
fruits par application de régulateurs de croissance (auxines de synthèse) ou au contraire
favoriser l’ abcission des feuilles pour favoriser la récolte d’autres organes (cotonnier).