TRANSLOCATION DANS LE PHLOEME
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UNIVERSITE CADI AYYAD FACULTE DES SCIENCES SEMLALIA DEPARTEMENT DE BIOLOGIE RELATIONS PLANTE ET EAU Préparé par : Abdellatif Hafidi [email protected] Année 2010-2011 Relations plante et eau A.Hafidi ([email protected]) Chapitre 0 : PROPRIETES DE L’EAU ET NOTIONS DU POTENTIEL HYDRIQUE 0.1 Structure et propriétés de l’eau 0.1.1 Les liaisons hydrogènes 0.1.2 Les propriétés thermiques 0.1.3 Les propriétés de cohésion et d'adhésion 0.1.4 La résistance à la distension 0.1.5 Le potentiel chimique de l'eau 0.2 L’eau dans le sol 0.2.1 Le potentiel hydrique du sol 0.2.2 Le flux (écoulement) de masse 0.2.3 La conductivité hydraulique du sol 0.2.4 Le point de flétrissement permanent 0.3 L’eau dans la plante 0.3.1 La pression de turgescence 0.3.2 Le potentiel hydrique au sein de la plante 0.3.3 L’équilibre hydrique de la plantes Relations plante et eau A.Hafidi ([email protected]) 0.1 Structure et propriétés de l’eau L'eau a des propriétés particulières qui lui permettent d'agir comme un excellent solvant et d’être facilement transportée à travers la plante. Ces propriétés sont dues essentiellement à la structure polaire de la molécule d'eau (Fig. 1). Les charges partielles opposées entre molécules d'eau voisines ont tendance à s’attirer. Ces liaisons électrostatiques faibles entre les molécules d'eau sont dites liaisons hydrogènes et sont à l’origine de propriétés importantes de l’eau. Fig.1 : Schéma d’une molécule d’eau Fig. 2 : liaisons hydrogènes entre molécules d’eau 0.1.1 Les liaisons hydrogènes La polarité de l'eau en fait un excellent solvant, elle dissout de grandes quantités d'une grande variété de substances. Les liaisons hydrogènes (Fig. 2) entre les molécules d'eau et les ions, et entre l'eau et les solutés polaires, en solution diminuent l'interaction électrostatique entre les substances chargées et donc augmentent leur solubilité. 0.1.2 Les propriétés thermiques Chaleur spécifique élevée : Lorsque la température de l'eau est élevée, les molécules vibrent plus rapidement et avec une plus grande amplitude. Pour permettre ce mouvement, l'énergie ajoutée au système doit briser les liaisons hydrogène entre molécules d'eau. Ainsi, comparativement à d'autres liquides, l'eau nécessite relativement un apport d'énergie plus grand pour élever sa température. Chaleur latente de vaporisation élevée : A 25 ° C, elle est de 44 kJ mol-1. C’est la plus haute valeur connue pour les liquides. La plupart de cette énergie est utilisée pour casser les liaisons hydrogène entre molécules d'eau. La forte chaleur latente de vaporisation d'eau permet aux plantes de se rafraîchir par évaporation de l'eau à la surface des feuilles. 0.1.3 Les propriétés de cohésion et d'adhésion Les molécules d'eau à l'interface air-eau sont plus fortement attirées par les molécules d'eau voisines que par la phase gazeuse donnant naissance à une tension de surface. Les multiples liaisons hydrogène entre les molécules de l'eau donnent également naissance à la propriété connue sous le nom de Cohésion. Il s’agit de l'attraction mutuelle entre les molécules d’eau. Une propriété analogue, appelée Adhérence, est due à l'attraction des molécules l'eau par une surface solide comme les parois des cellules ou une surface en verre. La tension de surface, les forces de cohésion et d’adhésion sont responsables du phénomène de capillarité. Relations plante et eau A.Hafidi ([email protected]) Chapitre 0 : PROPRIETES DE L’EAU ET NOTIONS DU POTENTIEL HYDRIQUE De toutes les ressources dont les plantes ont besoin pour se développer, l'eau est la plus abondante et en même temps la plus limitante pour les productivités agricoles. L'eau constitue en général l'essentiel (70 à 95%) de la masse des tissus végétaux. En fait, pour une photosynthèse, active, elles ont besoin d’ouvrir leurs stomates pour absorber le dioxyde de carbone de l'atmosphère, ceci les expose à la perte d'eau et la menace de déshydratation. Les plantes doivent ainsi en permanence absorber et perdre de l'eau. La transpiration sert à dissiper la chaleur générée par les rayons du soleil et l’activité catabolique. En outre, le flux d'eau absorbée par les racines permet de transporter les minéraux dissouts. 2 0.1.5 Le potentiel chimique de l'eau Le potentiel chimique de l'eau est une expression quantitative de l'énergie libre associée à une mole de molécules d'eau. Pour des raisons historiques, en physiologie végétale, un paramètre similaire appelé potentiel hydrique, est souvent utilisé. Il est défini comme le potentiel chimique de l'eau divisé par le volume molaire partiel de l'eau (le volume d'une mole de l'eau): 18 × 10-6 m3 mol-1. Les principaux facteurs influençant le potentiel hydrique des plantes sont la concentration, la pression hydrostatique et la gravité. Le potentiel hydrique des solutions est symbolisé par Ψw, et peut être subdivisé en composantes individuelles : Ψw =Ψs+Ψp+Ψg . Les termes Ψs, Ψp, et Ψg désignent les effets des solutés, de la pression hydrostatique, et de la gravité, respectivement. Le terme Ψs, appelée potentiel soluté ou potentiel osmotique, représente l'effet des solutés dissouts sur le potentiel hydrique. Le potentiel osmotique est indépendant des spécificités et de la nature du soluté. Le terme ΨP est la pression hydrostatique de la solution. Les pressions positives font monter le potentiel hydrique, les pressions négatives le réduisent. La pression hydrostatique positive dans les cellules est la pression appelée pression de turgescence. La gravité fait tirer l’eau vers le bas. Le terme Ψg dépend de la hauteur (h) de l'eau, de la densité de l'eau (ρw), et l'accélération de la pesanteur (g). Ψg = ρw gh où ρwg a une valeur de 0,01 MPa m-1. Ainsi, une distance verticale de 10 m se traduit par un changement de 0,1 MPa pour le potentiel hydrique. Au niveau cellulaire, la composante gravitationnelle (Ψg) est généralement négligée par rapport au potentiel osmotique et la pression hydrostatique. Ainsi, dans ce cas : Ψw =Ψs +Ψp 0.2 L’eau dans le sol La teneur en eau et le flux de l'eau dans les sols dépendent dans une large mesure du type de sol et sa structure. Quand un sol est fortement hydraté, l'eau percole vers le bas par gravité à travers les espaces entre les particules du sol, déplaçant en partie, et en piégeant dans certains des cas, de l'air dans des canaux. L'eau dans le sol peut exister sous forme d’un film adhérant à la surface des particules du sol, ou remplissant la totalité des espaces entre les particules. Dans les sols sableux, les espaces entre les particules sont si grands que l'eau a tendance à drainer facilement, seule une fine couche peut rester sur les surfaces des particules et dans les interstices entre les particules. Dans les sols argileux, les interstices sont suffisamment petits pour que l'eau ne puisse circuler librement entre eux, elle est tenue plus étroitement par des forces de capillarité et d’adhésion. La capacité de rétention de l’eau des sols est appelée la capacité au champ. La capacité au champ est la teneur en eau d'un sol après qu'il ait été saturé d'eau et que l'excès d'eau ait été laissé drainer. Les sols argileux ou les sols avec une haute teneur en humus ont une capacité au champ élevée. En revanche, les sols sableux généralement ne retiennent que peu d’eau. 0.2.1 Potentiel hydrique du sol Comme le potentiel hydrique des cellules végétales, le potentiel hydrique des sols peut être subdivisé en deux composantes : le potentiel osmotique et la pression (potentiel) hydrostatique. Le potentiel osmotique (Ψs) de l'eau dans le sol est généralement négligeable parce que les concentrations de solutés sont faibles. Une valeur typique pourrait être -0,02 MPa. Cependant, pour les sols qui contiennent une importante concentration de sels, Ψs est significatif, et peut-être de -0,2 MPa ou encore plus faible. La deuxième composante du potentiel Relations plante et eau A.Hafidi ([email protected]) Chapitre 0 : PROPRIETES DE L’EAU ET NOTIONS DU POTENTIEL HYDRIQUE 0.1.4 La résistance à la distension Les forces de cohésion donnent à l'eau une résistance à la distension élevée, définie comme étant la force maximale par unité de surface que peut supporter une colonne continue d’eau avant de casser. Briser la colonne d'eau nécessite de l'énergie suffisante pour rompre les liaisons hydrogènes qui attirent les molécules d'eau entres elles. 3 0.2.2 Le flux (écoulement) de masse L'eau se déplace à travers les sols principalement par le flux de masse entraîné par un gradient de pression. Quand les plantes absorbent l'eau du sol, elles épuisent les sols de l'eau près des racines. Cet appauvrissement réduit le ΨP de l'eau près des racines et établit un gradient de pression avec régions voisines du sol qui ont des valeurs supérieures Ψp. Les espaces remplis d'eau sont interconnectés, l'eau se déplace alors jusqu’à la surface de la racine. La vitesse et le taux d'écoulement d'eau dans les sols dépend de deux facteurs: l’intensité du gradient de pression à travers le sol, et la conductivité hydraulique du sol. 0.2.3 La conductivité hydraulique du sol La conductivité hydraulique du sol étant une mesure de la facilité avec laquelle l'eau se déplace à travers le sol, elle varie avec le type de sol et sa teneur en eau. Les sols sableux, avec leurs grands espaces entre les particules, ont une conductivité hydraulique grande, tandis que les sols argileux, ont une conductivité hydraulique nettement plus petite. 0.2.4 Le point de flétrissement permanent Dans les sols très secs, le potentiel hydrique (Ψw) peut tomber en dessous de ce qu'on appelle le point de flétrissement permanent. A ce niveau le potentiel hydrique du sol est si faible que les plantes ne peuvent pas retrouver la pression de turgescence, même si toutes les pertes d'eau par la transpiration cessent. 0.3 L’eau dans la plante L'eau pénètre ou sort de la cellule selon le gradient de potentiel hydrique. Le transfert de l'eau est un processus passif. L'eau se déplace en réponse à des forces physiques, vers les régions à faible potentiel hydrique ou à faible énergie libre. Toutefois, Dans le phloème, l'eau peut être transportée de régions à faibles potentiels d'eau (par exemple, les feuilles) vers des régions où le potentiel hydrique est plus élevé (par exemple, les racines). 0.3.1 La pression de turgescence Les cellules végétales ont des parois assez rigides, tout changement du potentiel hydrique Ψw des cellules est généralement accompagné par un grand changement du Ψp, avec relativement peu de changements du volume des cellules (Protoplastes). Ce phénomène est illustré dans les courbes de Ψw, Ψp, et Ψs en fonction du volume relatif de la cellule (Fig. 3). 0.3.2 Le potentiel hydrique de la plante Tout comme le Ψw, le Ψs peut varier considérablement en fonction des conditions de croissance et le type de plante. Dans les cellules de plantes bien hydratées, Ψs peut atteindre -0,5 MPa, mais généralement des valeurs de -0,8 à-1,2 MPa sont plus normales. Les plantes en conditions de sécheresse peuvent parfois atteindre des Ψs très bas. Le déficit hydrique conduit généralement à une accumulation de solutés dans le cytoplasme et la vacuole, permettant ainsi de maintenir la pression de turgescence de la plante, malgré des potentiels hydriques très bas. Les tissus végétaux satockant des concentrations élevées de saccharose ou d'autres sucres, tels que les racines de betterave à sucre, les tiges de canne à sucre, ou les baies de raisin, atteignent des valeurs très basses de Ψs de l’ordre de -2,5 MPa. Les plantes halophytes, montrent habituellement des valeurs très faibles de Ψs. Un Ψs faible abaisse le Ψw cellulaire suffisamment pour extraire de l'eau pure de l'eau salée, sans permettre à des niveaux excessifs de sels d'entrer en même temps dans la cellule. Une pression de turgescence positive (Ψp) est importante pour deux raisons principales. Premièrement, la croissance des cellules végétales nécessite une pression turgescence pour étirer les parois cellulaires. La deuxième Relations plante et eau A.Hafidi ([email protected]) Chapitre 0 : PROPRIETES DE L’EAU ET NOTIONS DU POTENTIEL HYDRIQUE hydrique du sol est la pression hydrostatique (Ψp). Pour les sols humides, Ψp est très proche de zéro. Quand un sol se dessèche, Ψp diminue et peut devenir assez négatif. 4 2. La courbe de la figure 3 fournit un moyen d’estimer la rigidité relative de la paroi cellulaire, symbolisée par ‘ε‘: ε = ΔΨp/Δ(volume relatif). ε est la pente de la courbe de Ψp en fonction du volume cellulaire relatif. ε n'est pas constante mais diminue au fur et à mesure que la pression de turgescence est abaissée. 3. Fig. 3 : Relations entre le potentiel hydrique et ses composantes Lorsque ε et Ψp sont faibles, les changements dans le potentiel hydrique sont dominés par des changements dans Ψs (notez comment les courbes ΨW et Ψs convergent quand le volume relatif des cellules approche les 85%). 0.3.3 L’équilibre hydrique de la plante Le sens et l’intensité du flux de l’eau sont déterminés par le gradient du Ψw. En raison de la transpiration, les plantes sont rarement parfaitement hydratées. Le processus le plus touché par le déficit d'eau est la croissance cellulaire. Plus le stress hydrique est sévère plus il entraîne : l’inhibition de la division cellulaire, l'inhibition de la synthèse des protéines et des parois, l’accumulation de solutés, la fermeture des stomates, et l'inhibition de la photosynthèse. Le transport de l'eau étant un processus passif, les plantes ne peuvent absorber de l'eau que lorsque le Ψw de la plante est plus bas que celui du sol. Pour répondre aux exigences contradictoires de maximiser l'absorption du dioxyde de carbone tout en limitant les pertes d'eau, les plantes se sont adaptées en contrôlant la perte d'eau par les feuilles, et en remplaçant par absorption, l'eau perdue par transpiration. Le transport à longue distance dans le xylème est entraîné par des gradients de potentiel hydrique. Le transport de l'eau à travers les couches de cellules telles que le cortex de la racine est complexe. Malgré son caractère passif, le transport de l'eau est finement régulé par la plante afin de minimiser la déshydratation, en grande partie par la régulation de la transpiration vers l'atmosphère. Relations plante et eau A.Hafidi ([email protected]) Chapitre 0 : PROPRIETES DE L’EAU ET NOTIONS DU POTENTIEL HYDRIQUE est que la pression de turgescence augmente la rigidité mécanique des cellules et des tissus surtout pour les jeunes tissus non lignifiés, qui ne peuvent pas se soutenir mécaniquement sans une forte pression interne. 1. La pression de turgescence (Ψp> 0) n'existe que lorsque les cellules sont bien hydratées. La pression de turgescence dans la plupart des cellules tend vers zéro quand le volume de la cellule diminue de 10 à 15%. Toutefois, pour les cellules avec des parois très rigides (par exemple, feuilles de palmiers), le changement de volume associé à la perte de turgescence peut être beaucoup plus petit, à l’inverse du cas des cellules avec des parois extrêmement élastiques, telles que les cellules de stockage de l'eau dans les tiges de nombreux cactus, où le changement de volume est sensiblement plus élevé. 5 Chapitre 1 : ABSORPTION ET TRANSPORT DE L’EAU 1.1 Absorption de l’eau par les racines 1.1.1 Les Voies apoplasmique, transmembranaire et symplasmique 1.1.2 La poussée Racinaire 1.2 Transport de l’eau à travers le xylème 1.2.1 Histologie des tissus xylèmiques 1.2.2 Le mouvement de l'eau à travers le xylème 1.2.3 La théorie de cohésion-tension et transport de l’eau dans le xylème 1.2.4 Autres problématiques du transport de l'eau dans le xylème 1.2.5 Moyens de réduction des conséquences de la cavitation dans le xylème 1.3 Transpiration et montée de la sève brute dans le xylème 1.3.1 Le mouvement de l’eau de la feuille vers l’atmosphère 1.3.2 Régulation stomatique, transpiration et photosynthèse 1.3.3 Notions de taux de transpiration et d’efficience d’utilisation de l’eau 1.4 Réponses des stomates à la lumière bleue 1.4.1 Caractéristiques de la réponse des stomates à la lumière bleue 1.4.2 La Lumière Blue et les relations osmotiques des cellules de garde 1.4.3 La zéaxanthine photorécepteur dans les cellules de garde 1.4.4 La transduction du signal induit par la lumière bleue 1.4.5 Réversibilité de l'ouverture des stomates stimulée par la lumière bleue par la lumière verte 1.4.6 Cycle des xanthophylles et réponses des stomates à la lumière Relations plante et eau A.Hafidi ([email protected]) Fig. : schéma d’aquaporine 1.1 Absorption de l’eau par les racines Un contact intime entre la surface de la racine et le sol est essentiel pour l'absorption efficace de l'eau par les poils absorbants. Il s’agit d’extensions microscopiques des cellules épidermiques des racines qui augmentent considérablement la surface de la racine, offrant ainsi une plus grande capacité d'absorption d'ions et l'eau du sol. L'eau pénètre dans la racine le plus facilement par la partie apicale qui comprend la zone riche en poils absorbants. 1.1.1 Les voies apoplasmique, transmembranaire et symplasmique. Dans le sol, l'eau est transportée principalement par le flux de masse (courant de masse). Cependant, lorsque l'eau arrive de la surface des racines, la nature du transport de l'eau devient plus complexe. De l'épiderme à l'endoderme de la racine, on distingue trois voies par lesquelles l'eau peut s'écouler: apoplasmique, transmembranaire, et symplasmique. 1. Dans la voie apoplasmique, l'eau se déplace exclusivement à travers les parois cellulaires sans avoir à traverser les membranes. L’apoplasme comprend l’espace tissulaire à l’extérieur des membranes plasmiques. 2. La voie transmembranaire est la voie suivie par l'eau qui pénètre dans une cellule et sort de la cellule de l'autre côté, pénètre dans la prochaine cellule, et ainsi de suite. Dans cette voie, l'eau traverse au moins deux membranes de chaque cellule dans son chemin. Le transport à travers le tonoplaste peut également être impliqué. 3. Dans la voie symplasmique, l'eau se déplace d'une cellule à l'autre via le plasmodesmes. Le symplasme se compose de l'ensemble du réseau cellulaire dont les cytoplasmes sont interconnectés par les plasmodesmes. Au niveau de l’endoderme, le déplacement de l'eau, à travers l’apoplasme est entravé par la bande de Caspary. La bande de Caspary est une bande de cellules radiales de l'endoderme dont les parois sont subérifiée donc complètement hydrophobes. La bande de Caspary rompt la continuité des voies apoplasmique et symplasmique et force l'eau et les solutés à traverser la membrane plasmique. 1.1.2 La poussée Racinaire Les plantes présentent parfois un phénomène appelé poussée racinaire. Si, la tige d'une jeune plante est coupée juste au-dessus du sol, la souche fera souvent exsuder de la sève du xylème pendant plusieurs heures. Les racines génèrent une pression hydrostatique positive en absorbant les ions de la solution du sol diluée et en les Relations plante et eau Chapitre 1: ABSORPTION ET TRANSPORT DE L’EAU Dans son déplacement du sol à l’atmosphère via la plante, l’eau traverse des milieux très diverses (parois cellulaires, cytoplasmes, membranes, …). La diffusion directe à travers la bicouche lipidique n'est pas suffisante pour expliquer le flux d'eau observé à travers les membranes. La découverte relativement récente des aquaporines permet une explication convaincante des flux d’eau observés à travers la plante. Ce sont des protéines formant des canaux sélectifs de circulation de l'eau à travers la membrane facilitant ainsi la circulation de l'eau dans les cellules végétales. A.Hafidi ([email protected]) 6 1.2 Transport de l’eau à travers le xylème Pour la plupart des plantes, le xylème constitue la plus longue partie de la voie de transport de l'eau. Dans une plante de 1 m, plus de 99,5% du chemin parcouru par l’eau à travers la plante est dans le xylème. 1.2.1 Histologie des tissus xylèmiques Les cellules conductrices du xylème ont une anatomie spécialisée qui leur permet de transporter de grandes quantités d'eau d'avec une grande efficacité. On distingue deux types d’éléments conducteurs au niveau du xylème : les trachéides et les vaisseaux. La maturation des trachéides et vaisseaux implique la mort des cellules. Ainsi, les cellules des trachéides et des vaisseaux n’ont ni membranes ni organites. Seules restent les parois épaisses et lignifiées, qui forment des tubes creux à travers lesquels l'eau peut s'écouler avec une résistance relativement faible. Les cellules des trachéides sont allongées, en forme de fuseau et sont disposées verticalement en chevauchement les unes par rapport aux autres. L’eau circule entre les trachéides au moyen de nombreuses ouvertures (anneaux) dans leurs parois latérales. Ces ouvertures sont des régions microscopiques où la paroi secondaire est absente et la paroi primaire est mince et poreuse. Les ouvertures d’une trachéide sont généralement situées en face d'autres ouvertures adjacentes des trachéides voisines. Ces paires d’ouvertures constituent un chemin de faible résistance pour le mouvement de l'eau entre les trachéides. La couche poreuse entre les paires de d’anneaux, est constituée de deux parois primaires et une lamelle moyenne. 1.2.2 Le mouvement de l'eau à travers le xylème Le xylème fournit une voie de faible résistance au mouvement de l'eau, réduisant ainsi les gradients de pression nécessaires pour transport de l'eau du sol vers les feuilles. La force motrice nécessaire pour déplacer l'eau dans le xylème à une vitesse normale de 4 mm s-1 dans du vaisseau xylémique de 40 µm serait de 0,02 MPa m-1. Les plus grands arbres du monde peuvent dépasser 100 m de hauteur. On peut estimer la différence de pression nécessaire pour surmonter le frottement de l'eau en mouvement du sol au sommet de l'arbre en multipliant le gradient de pression de 0,02 MPa.m-1 par la hauteur de l'arbre (0,02 MPa m-1 x 100 m = 2 MPa). En plus de la résistance due au frottement, nous devons considérer la gravité. Le poids d'une colonne d'eau de 100 m hauteur crée une pression de 1 MPa au fond de la colonne l'eau (100 m × 0,01 MPa.m-1). Ce gradient de pression due à la gravité doit être ajouté à celle nécessaire pour provoquer mouvement l'eau à travers le xylème. Ainsi, une différence de pression d'environ 3 MPa, est nécessaire pour transporter l'eau jusqu'au sommet des plus grands arbres. 1.2.3 La théorie de cohésion-tension et transport de l’eau dans le xylème En théorie, le gradient de pression nécessaire pour déplacer l'eau à travers le xylème pourrait résulter de la production des pressions positives à la base de la plante ou des pressions négatives au sommet de la plante. La poussée racinaire, est généralement inférieure à 0,1 MPa et disparaît lorsque le taux de transpiration est élevé, elle est donc nettement insuffisante pour faire monter l'eau jusqu'au sommet d’un grand arbre. L'eau au sommet d'un arbre développe une grande tension (une pression hydrostatique négative), et cette tension tire l'eau à travers le xylème. Ce mécanisme, d'abord proposé vers la fin du XIXe siècle, est appelé : théorie de la cohésion-tension d'ascension de la sève, car il requiert les propriétés de cohésion de l'eau pour soutenir de grandes tensions dans les colonnes d'eau du xylème. Relations plante et eau Chapitre 1: ABSORPTION ET TRANSPORT DE L’EAU transportant dans le xylème. L'accumulation de solutés dans la sève du xylème conduit à une diminution du potentiel osmotique du xylème (Ψs) et donc une diminution du potentiel hydrique du xylème (ΨW). Cet abaissement du ΨW xylémique fournit une force motrice pour l’absorption de l'eau, ce qui entraîne à son tour une pression hydrostatique positive dans le xylème. Les plantes qui développent une poussée racinaire produisent fréquemment des gouttelettes liquides sur les bords de leurs feuilles, un phénomène connu sous le nom de guttation. La pression positive dans le xylème provoque l'exsudation de la sève du xylème à travers des pores spécialisés appelés hydathodes associées aux terminaisons des vaisseaux au niveau des feuilles. A.Hafidi ([email protected]) 7 1.2.5 Moyens de réduction des conséquences de la cavitation dans le xylème L'impact de la cavitation du xylème est réduit par différents moyens. Les capillaires dans le xylème étant interconnectés, une bulle de gaz ne peut pas arrêter complètement l'écoulement de l'eau. L'eau peut contourner le point de blocage par des conduits voisins. Les bulles de gaz peuvent également être éliminés du xylème. La nuit, lorsque la transpiration est faible, le Ψp augmente dans le xylème et la vapeur d'eau et les gaz peuvent simplement se dissoudre dans la solution du xylème. Enfin, de nombreuses plantes ont une croissance secondaire dans laquelle un nouveau xylème se forme chaque année. Le nouveau xylème devient fonctionnel avant que vieux le xylème ne cesse de fonctionner, à cause de l'occlusion par des bulles de gaz ou par des substances sécrétées par la plante. 1.3. Transpiration et montée de la sève brute dans le xylème Les cellules du mésophylle au sein des feuilles sont en contact direct avec l'atmosphère par un vaste système d’espaces intercellulaires remplis d'air. En raison de la tension superficielle élevée de l'eau, la courbure de ces interfaces induit une tension ou une pression négative, dans l'eau. Plus l'eau est enlevée des parois, plus le rayon de courbure des interfaces air-eau diminue et la pression devient plus négative. Ainsi, la force motrice pour le transport du xylème est générée à interfaces air-eau dans la feuille. Fig. : 1.3.1 Le mouvement de l’eau de la feuille vers l’atmosphère La cuticule cireuse qui recouvre la surface des feuilles est un obstacle très efficace contre le mouvement d'eau. Il a été estimé que seulement environ 5% de l'eau perdue à partir de feuilles s'échappe par la cuticule. Presque toute l'eau perdue à partir des feuilles diffuse sous forme de vapeur d'eau à travers les minuscules pores Relations plante et eau Chapitre 1: ABSORPTION ET TRANSPORT DE L’EAU 1.2.4 Autres problématiques du transport de l'eau dans le xylème Les grandes tensions qui se développent dans le xylème des arbres et d'autres plantes peuvent créer des problèmes. - Seule la structure des parois cellulaires (paroi primaire + secondaire) les préserve de l’effondrement sous l'influence de cette tension. - l'eau sous de telles tensions est dans un état physiquement métastable. La rupture d’une colonne d’eau dégazée est supérieure à 30 MPa. Cette valeur est beaucoup plus importante que la tension de 3 MPa estimée nécessaire pour tirer de l'eau au sommet des plus grands arbres. - Comme la tension dans l'eau augmente, il y a une tendance accrue à soutirer l'air à travers les pores microscopiques dans les parois cellulaires du xylème. Une fois qu'une bulle de gaz s'est formée au sein de la colonne d'eau sous tension, elle se distendra. Ce phénomène de formation de bulles est connu sous le nom de cavitation ou d’embolie. La cavitation rompt la continuité de la colonne d'eau et empêche le transport de l'eau dans le xylème. Lorsque les plantes sont sous déficit hydrique, des impulsions sonores peuvent être détectées. Les impulsions ou de clics sont présumés correspondre à la formation et l'expansion rapide de bulles d'air dans le xylème. A.Hafidi ([email protected]) 8 fig. Fig. En plus de l’agitation de l’air à la surface des feuilles, divers aspects anatomiques et morphologiques influencent l'épaisseur de la couche limite. Les poils sur la surface des feuilles peuvent servir de brise-vent microscopiques. Certaines plantes ont des stomates protégés dans des structures à l'abri du vent. La taille et la forme des feuilles peuvent également influencer la façon dont le vent balaie la surface des feuilles. 1.3.2 Régulation stomatique, transpiration et photosynthèse Les pores microscopiques des stomates fournissent une voie de faible résistance pour la diffusion des gaz à travers l'épiderme. La modification de cette résistance stomatique est importante pour la régulation de la perte d'eau par la plante et pour le contrôle du taux de carbone nécessaire pour la photosynthèse. La nuit, en l’absence de photosynthèse et donc de demande pour le CO2, les ouvertures stomatiques sont réduites et les pertes d’eau sont évitées. En gardant ses stomates fermées dans des conditions sècheresse, la plante évite la déshydratation. Ce contrôle est exercé par une paire de cellules spécialisées de l'épiderme : les cellules de garde, qui entourent les pores stomatiques. Les cellules de garde existent dans les feuilles de toutes les plantes vasculaires. Les cellules de garde montrent une grande diversité morphologique, mais nous pouvons distinguer deux types principaux: l'un est typique des graminées et de quelques monocotylédones comme le palmier, l'autre se retrouve chez toutes les dicotylédones, chez de nombreuses monocotylédones, chez les mousses, les fougères, et les gymnospermes. Le premier type présente une forme en haltère, avec des extrémités en bulbe. Le pore est une longue fente située entre les deux "poignées" des haltères. Ces cellules de garde sont toujours flanquées d'une paire de cellules épidermiques dites subsidiaires qui aident les cellules de garde à contrôler les pores stomatiques. Les cellules de garde, les cellules subsidiaires, et les pores sont collectivement appelés le complexe stomatique. Chez les dicotylédones et les monocotylédones à l’exception des graminées, les cellules de garde se présentent en forme de rein avec un contour elliptique et un pore au centre. Relations plante et eau Chapitre 1: ABSORPTION ET TRANSPORT DE L’EAU de l'appareil stomatique, qui sont généralement plus abondantes sur la surface inférieure de la feuille. La transpiration de la feuille dépend de deux facteurs majeurs: (i) la différence de concentration en vapeur d'eau entre les espaces aériens des feuilles et l'air extérieur et (ii) la résistance diffusionnelle de cette voie qui se compose de deux éléments variables: 1. La résistance associée à la diffusion à travers les pores stomatiques : la résistance stomatique foliaire. 2. La résistance due à la couche d'air non agitée à la surface des feuilles par laquelle la vapeur d'eau doit diffuser pour atteindre l'atmosphère. Cette deuxième résistance, est appelée Résistance de la couche limite des feuilles. A.Hafidi ([email protected]) 9 Fig. : 1.3.3 Notions de taux de transpiration et d’efficience d’utilisation de l’eau L'efficacité des plantes à réduire les pertes d'eau tout en permettant une absorption suffisante de CO2 peut être évaluée par un paramètre appelé : taux de transpiration. Il est définit comme étant la quantité d'eau transpirée par la plante, rapportée à la quantité de dioxyde de carbone assimilée par photosynthèse. Pour les plantes C3, environ 500 molécules d'eau sont perdues pour chaque molécule de CO2 fixé, donnant un taux de transpiration de 500. Parfois, l'inverse du taux de transpiration, appelé Efficience d’Utilisation de l'eau. Les plantes avec un taux de transpiration de 500 montrent une efficience d'utilisation de l'eau de 1 / 500, soit 0,002. Certaines plantes sont adaptées à la vie dans des environnements particulièrement secs. Ces plantes, de type C4 ou CAM, généralement transpirent moins d'eau par molécule de CO2 fixé. Un taux de transpiration typique pour plantes C4 est d'environ 250. Les plantes désertiques dites CAM (Crassulacean Acids métabolism), ont encore un taux de transpiration plus faible, d’environ 50. 1.4 Réponses des stomates à la lumière bleue La lumière est le signal dominant contrôlant les mouvements stomatiques. Les stomates s’ouvrent quand l’intensité de la lumière atteignant la surface foliaire augmente, et se ferment quand elle diminue. le DCMU (dichlorophenyldimethyluree), un inhibiteur de la photosynthèse et du transport des électrons, provoque une inhibition partielle de l’ouverture stomatique. Ces résultats indiquent que le processus de photosynthèse dans le chloroplaste de cellules de garde joue un rôle dans l'ouverture des stomates, mais l'observation que l'inhibition était seulement partielle laisse penser qu’un élément non photosynthétique agit également sur la réponse stomatique à la lumière. Relations plante et eau Chapitre 1: ABSORPTION ET TRANSPORT DE L’EAU Une augmentation de la pression de turgescence des cellules de garde ouvre les stomates. Les facteurs de l'environnement tels que l'intensité et la qualité lumineuse, la température, l’humidité relative, et la concentration intracellulaire en CO2 sont des signaux captés par les cellules de garde et qui provoquent des réponses stomatiques bien définis. Si des feuilles mises à l’obscurité sont éclairées, le stimulus lumineux est perçu par les cellules de garde comme un signal d'ouverture, déclenchant une série de réponses qui conduisent à l'ouverture du pore stomatique. Ce processus débute par une absorption d'ions puis une biosynthèse de molécules organiques entrainant une baisse du potentiel osmotique (Ψs) dans les cellules de garde et une absorption de l’eau. A.Hafidi ([email protected]) 10 Fig. : Les protoplastes des cellules de garde gonflent lorsqu'ils sont éclairés par une lumière bleue. L'absorption des ions et des solutés organiques stimulée par cette lumière et leur accumulation diminuent le potentiel osmotique puis hydrique de la cellule. L'eau s'écoule dans la cellule conduisant à une augmentation de la turgescence dans les cellules de garde. Une diminution du pH du milieu extracellulaire accompagne cette turgescence. Cette acidification induite par la lumière bleue est bloquée par les inhibiteurs qui dissipent gradients de pH, tels que CCCP, et par des inhibiteurs de la pompe à protons H+-ATPase, tels que le vanadate. Cela indique que l'acidification résulte de l'activation d'une pompe à proton-ATPase dans la membrane plasmique des cellules de garde. Cette ATPase de la membrane plasmique des cellules de garde a été récemment isolée et caractérisée. Le traitement avec la fusicoccine, une toxine fongique activateur des ATPases membranaires, stimule un courant électrique sortant, qui est annulé par le CCCP. Relations plante et eau Chapitre 1: ABSORPTION ET TRANSPORT DE L’EAU Fig. : A.Hafidi ([email protected]) 11 1.4.1 Caractéristiques de la réponse des stomates à la lumière bleue Les réponses de l’appareil stomatique à la lumière bleue montrent les propriétés importantes : i) une persistance de la réponse après que le signal lumineux ait été éteint. Cette propriété peut être expliquée par une forme physiologiquement inactive du photorécepteur de la lumière bleue converti en une forme active. Cette dernière revient lentement à la forme physiologiquement inactive en absence de lumière bleue. Relations plante et eau Chapitre 1: ABSORPTION ET TRANSPORT DE L’EAU Fig. : A.Hafidi ([email protected]) 12 1.4.2 La Lumière Blue et les relations osmotiques des cellules de garde La lumière bleue régule l’osmorégulation dans les cellules de garde par l'intermédiaire de l’activation des pompes à protons et via la stimulation de la synthèse des solutés organiques. La concentration de potassium dans les cellules de garde augmente de 100 mM à l'état fermé à 400 à 800 mM à l'état ouvert. Ces grands changements de concentrations du potassium dont la charge est positive sont électriquement équilibrés par les anions Cl- et malate2-. Les ions Cl- entrent dans les cellules de garde au cours de l’ouverture des stomates et en sortent lors de la fermeture stomatique. Le Malate, est produit dans le cytoplasme des cellules de garde, par hydrolyse de l'amidon. En fait, les chloroplastes des cellules de garde contiennent de grands grains d'amidon, et leur teneur en amidon diminue au cours de l'ouverture des stomates et augmente pendant la fermeture. Le potassium et le chlore sont transportés dans les cellules de garde par l'intermédiaire d’un mécanisme de transport actif secondaire entraîné par un gradient de potentiel électrochimique d’environ 50 mV des protons H+. En outre, les pompes à protons génèrent un gradient de pH d'environ 0,5 à 1 unité de pH. Le potentiel électrique fournit une force motrice pour l'absorption passive du potassium à travers les canaux potassiques voltage-dépendant. Le suivi journalier des mouvements stomatiques a montré que la teneur en potassium dans les cellules de garde augmente en parallèle avec l'ouverture des stomates en début de matinée, mais elle diminue dans le début d'après midi au moment où l’ouverture des stomates continue d'augmenter. La teneur en saccharose des cellules de garde augmente lentement dans la matinée, mais lors de la sortie du potassium, le saccharose devient le soluté osmotiquement actif dominant, et la fermeture des stomates à la fin de la journée coïncide avec une diminution de la teneur en saccharose des cellules de garde. Ces caractéristiques de l’osmorégulation stomatique indiquent que l'ouverture est associée principalement à l'absorption de K+, et la fermeture est associée à une diminution de la teneur en saccharose. 1.4.3 La zéaxanthine photorécepteur dans les cellules de garde La zéaxanthine est un caroténoïde, qui protège les pigments photosynthétiques de l’excès de l’énergie d'excitation. Plusieurs caractéristiques des chloroplastes des cellules de garde indiquent fortement que leur fonction première est la transduction du signal et non la fixation photosynthétique du carbone. La teneur de zéaxanthine dans les cellules de garde suit l’intensité du rayonnement solaire incident au cours de la journée. Des preuves incontestables indiquent que la zéaxanthine est un photorécepteur de la lumière bleue dans les cellules de garde: 1. Le spectre d'absorption de la zéaxanthine correspond étroitement au spectre d'action de la lumière bleue sur l'ouverture des stomates. 2. Au cours de la journée, la teneur en zéaxanthine dans les cellules de garde, et l’ouverture stomatique sont étroitement corrélées. Relations plante et eau Chapitre 1: ABSORPTION ET TRANSPORT DE L’EAU ii) un temps de latence important d’environ 25 s sépare le début du signal lumineux et l'apparition de la réponse. Ce temps est probablement nécessaire pour la cascade de transduction du signal. A.Hafidi ([email protected]) 13 (DTT). La biosynthèse de la zéaxanthine est également bloquée par le DTT, un agent réduisant les liaisons S-S en groupements -SH et inhibe de manière efficace l'enzyme qui transforme la violaxanthine en zéaxanthine. 5. Chez le Mesembryanthemum crystallinum, une espèce CAM facultative, l'accumulation de sel déplace son métabolisme C3 en mode CAM. Dans le mode C3, les stomates accumulent la zéaxanthine et montrent une réponse à la lumière bleue. Le mode CAM inhibe la capacité des cellules de garde à accumuler la zéaxanthine et la réponse à la lumière bleue. 1.4.4 La transduction du signal induit par la lumière bleue L’excitation de la zéaxanthine, et son isomérisation au niveau de l’antenne collectrice dans les chloroplastes des cellules de garde par la lumière bleue déclenche la cascade de transduction du signal qui commence par l’activation de pompes à protons. L'extrémité C-terminale de la pompe H+-ATPase possède un domaine d’autoinhibion qui réglemente son activité en bloquant son site catalytique. Si ce domaine est expérimentalement enlevé par une protéase, la pompe H+ATPase reste irréversiblement activée. L’activation de la pompe H+-ATPase implique la phosphorylation des résidus sérine et thréonine du domaine C-terminal par une sérine-thréonine cytoplasmique. La fusiccocine semble activer la pompe H+-ATPase en déplaçant ce domaine d’autoinhibition loin du site catalytique. L'ouverture des stomates et le transfert de protons stimulés par la lumière bleue sont empêchés par les inhibiteurs de protéines kinases, qui pourraient bloquer la phosphorylation de la pompe H+-ATPase. 1.4.5 Réversibilité de l'ouverture des stomates stimulée par la lumière bleue, par la lumière verte Les stomates s’ouvrent en réponse à une impulsion de 30s de lumière bleue. Toutefois, l'ouverture n'est pas observée si l’impulsion de lumière bleue est suivie d'une impulsion de lumière verte. L'ouverture est rétablie si l'impulsion verte est suivie par une seconde impulsion de lumière bleue. La réversibilité bleu/vert des mouvements stomatiques suggère qu'un isomère trans physiologiquement inactif, de zéaxanthine est converti en un isomère cis par la lumière bleue, et que l'isomérisation commence la cascade de transduction du signal. La lumière verte convertirait l’isomère cis en la forme physiologiquement inactive trans, et inverse donc le signal d'ouverture induit par la lumière bleue. On pense également qu’après une impulsion bleue, la forme cis revient lentement à la forme trans à l'obscurité. 1.4.6 Cycle des xanthophylles et réponses des stomates à la lumière La concentration de zéaxanthine dans les cellules de garde varie avec l'activité du cycle des xanthophylles. L'enzyme qui convertit la violaxanthine en zéaxanthine fait partie intégrante des thylacoïdes. L'acidification du lumen stimule la formation de zéaxanthine et son alcalinisation la formation de violaxanthine. Le pH du lumen dépend des niveaux de radiations photosynthétiques incidentes actives (plus efficace aux longueurs d'onde bleues et rouges), et du taux de synthèse de l'ATP, qui dissipe le gradient de pH à travers les thylacoïdes. Ainsi, l'activité photosynthétique dans les chloroplastes des cellules de garde, le pH du lumen, la teneur de zéaxanthine, la sensibilité à la lumière bleue, et l’ouverture des stomates sont étroitement liés. Relations plante et eau Chapitre 1: ABSORPTION ET TRANSPORT DE L’EAU 3. La sensibilité à la lumière bleue augmente en fonction de leur concentration en zéaxanthine. 4. L’ouverture stomatique stimulée par la lumière bleue est complètement inhibée par 3 mM dithiothréitol A.Hafidi ([email protected]) 14 Chapitre 2 : TRANSLOCATION DANS LE PHLOEME 2.1 Les voies de transfert 2.2 Ultrastructure des éléments de conduction spécialisés pour la translocation 2.2.1 Les zones criblées 2.2.2 Les cellules compagnes 2.3 Les modes de transfert : Source-Puits 2.3.1 Les voies Source–Puits 2.3.2 Les molécules transportées dans le phloème 2.3.3 Transport des composés azotés 2.3.4 Les taux de transfert 2.4 Mécanisme de transfert dans le phloème: Modèle de l’écoulement sous pression (Pression flow) 2.4.1 La translocation et le gradient de pression 2.4.2 Mécanismes de transport dans le phloème des Gymnospermes 2.5 Chargement du phloème: des chloroplastes aux éléments criblés 2.5.1 L'absorption du saccharose de l’apoplasme 2.5.2 Le symporteur saccharose-H+ 2.5.3 La voie symplasmique de chargement du phloème 2.5.4 Modèle du polymère de piégeage 2.5.5 Dépendance type de chargement du phloème, famille botanique et climat 2.6 Déchargement du phloème et transition puits source 2.6.1 Voies de déchargement du phloème 2.6.2 Importation dans les tissus puits 2.6.3 La transition des feuilles du statut puits à source 2.7 Allocation et partition des photosynthétats 2.7.1 L’Allocation des photosynthétats 2.7.2 La partition des photosynthétats 2.7.3 Coordination des activités des sources et des puits Relations plante et eau A.Hafidi ([email protected]) Le phloème permet la translocation des produits de la photosynthèse des feuilles vers les zones de croissance et de stockage, y compris les racines. Le phloème redistribue également de l'eau et divers composés tout au long de la plante. Les voies de transfert Les éléments conducteurs du phloème impliqués dans la circulation des sucres et autres matières organiques sont appelés éléments criblés. Ces éléments englobent les deux éléments hautement différenciés les canaux (tubes) criblés et des cellules criblés relativement non spécialisées. Il existe des plages criblées qui sont des zones dont la paroi est perforée et ainsi les deux protoplastes de deux cellules sont reliés. Les cellules criblées sont des cellules anucléées, sans vacuole ni ribosomes et appareils de golgi. Leur paroi pectocellulosique est peu épaisse et non lignifiée. Les perforations permettent la conduction de la sève. Les dimensions des pores et leur répartition distinguent les cellules des tubes. Les cellules criblées ont des pores étroits et de taille homogène à la plage perforée. La zone criblée est à l’extrémité des cellules et dans la paroi latérale. Les tubes ont des plages criblées au diamètre variable et qui se situent aux extrémités et moins fréquemment dans la paroi latérale. Il y a une continuité entre les cytoplasmes des tubes, cela forme un tuyau où circule la sève. Chez les dicotylédones, les tubes sont plus fréquents que chez les monocotylédones où se sont les cellules criblées qui sont les plus fréquentes. Dans les tubes, la conduction est plus rapide. En plus des éléments criblés, le phloème contient des cellules dites compagnes et des cellules du parenchyme (qui stockent et libèrent les nutriments). Dans certains cas, les tissus du phloème comprennent également des fibres et des scléréides (pour la protection et le renforcement du tissu) et des laticifères (cellules contenant du latex). Cependant, seulement les éléments criblés sont directement impliqués dans la translocation. Les petites nervures des feuilles et les faisceaux vasculaires primaires des tiges sont souvent entourés d'une gaine qui se compose d'une ou plusieurs couches de cellules disposées de manière compacte. Dans les tissus vasculaires des feuilles, cette gaine entoure les petites nervures les isolant des espaces intercellulaires de la feuille. Chapitre 2: TRANSLOCATION DANS LE PHLOEME 2.1 Fig. 4 : Trachéides (à droite) et vaisseaux phloèmiques (à gauche) Relations plante et eau A.Hafidi ([email protected]) 16 15 2.2 Ultrastructure des éléments de conduction spécialisés pour la translocation 2.2.1 Les zones criblées Les zones criblées des parois cellulaires montrent des pores qui interconnectent les cellules conductrices. Ces pores ont des diamètres qui varient de moins de 1 µm à environ 15 µm. ils constituent des canaux ouverts qui permettent le transport entre les cellules. Les éléments criblés de la plupart des angiospermes sont riches en protéines appelées P-protéines absentes chez les gymnospermes. Ces P-protéines semblent participer à sceller les éléments criblés endommagés en bouchant les pores des plaques criblées. Les P-protéines et d'autres inclusions cellulaires sont piégés dans les pores de la plaque criblée, aidant à sceller l’élément criblé et évitant les pertes de la sève élaborée. La production de callose dans les pores survient après. La callose est synthétisée en réponse à des dommages et autres contraintes, telles que la stimulation mécanique et des températures élevées, ou en préparation à la dormance hivernale. 2.2.2 Les cellules compagnes Chaque élément des tubes criblés est associé à une ou plusieurs cellules compagnes. Les cellules compagnes jouent un rôle dans le transport des produits de la photosynthèse à partir des cellules des feuilles matures vers les éléments criblés des petites nervures de la feuille. De nombreux plasmodesmes à travers les parois entre les tubes criblés et leurs cellules compagnes, suggèrent une relation fonctionnelle proche et un échange de solutés. En général, les cellules compagnes ordinaires et les cellules de transfert sont retrouvés chez les plantes qui présentent une étape apoplasmique dans le transfert des sucres des cellules du mésophylle aux éléments criblés. 2.3 Les modes de transfert : Source-Puits La sève élaborée est transportée soit dans une direction ascendante ou descendante. Elle est plutôt, transférée des zones d'approvisionnement appelées : les sources, vers des domaines de stockage appelés : puits. Les sources comprennent tous les organes de l'exportation, généralement il s’agit de feuilles matures capables de produire des photosynthétats excédants leurs propres besoins. Un autre type de sources est constitué par les organes de stockage pendant leur phase d'exportation. Les puits comprennent tous les organes non photosynthétiques des plantes et des organes qui ne produisent pas assez de photosynthétats pour soutenir leur propre croissance ou leurs besoins de stockage. Les racines, tubercules, fruits en développement, et feuilles immatures, doivent importer des glucides pour leur développement normal, sont tous des exemples de tissus puits. 2.3.1 Les voies Source–Puits Toutes les sources ne fournissent pas tous les puits d’une plante, mais plutôt certaines sources approvisionnent préférentiellement des puits spécifiques. Dans le cas des plantes herbacées, telles que la betterave à sucre et le soja, les généralisations suivantes peuvent être faites. La proximité : La proximité de la source au puits est un facteur important. Les feuilles adultes supérieures sur une plante en général fournissent les photosynthétats à la pointe de croissance des pousses et aux jeunes feuilles immatures. Les feuilles inférieures approvisionnement le système racinaire. Les feuilles Intermédiaires exportent dans les deux directions. Relations plante et eau Chapitre 2: TRANSLOCATION DANS LE PHLOEME Les éléments criblés matures sont uniques parmi les cellules végétales vivantes. Ils manquent de nombreuses structures se trouvant normalement dans les cellules vivantes. Par exemple, ils perdent leur noyaux et tonoplastes pendant leur développement. Les microfilaments, microtubules, les appareils de Golgi et les ribosomes sont également absents des cellules matures. En plus de la membrane plasmique, les organites restants comprennent des mitochondries modifiées, des plastes, et le réticulum endoplasmique lisse. Les parois sont non lignifiées, bien qu’elles soient épaissies secondairement dans certains cas. A.Hafidi ([email protected]) 17 2.3.2 Les molécules transportées dans le phloème L'eau est la substance la plus abondante transportée dans le phloème. Le saccharose est le sucre le plus couramment transporté et il peut atteindre des concentrations de 0,3 à 0,9 M. L'azote se trouve dans le phloème largement sous forme d’acides aminés et d’amides, en particulier le glutamate et l'aspartate et de leurs amides respectifs, la glutamine et l'asparagine. Presque toutes les hormones végétales (auxine, gibbérellines, cytokinines et l'acide abscissique) ont été retrouvées dans les éléments criblés. Les protéines trouvées dans le phloème comprennent des protéines filamenteuses (impliquées dans la réparation de l'étanchéité des éléments criblés blessés), des protéines kinases (impliquées dans la phosphorylation des protéines), et également des inhibiteurs de protéases (protection des protéines du phloème de la dégradation et défense contre les insectes se nourrissant du phloème). Les solutés inorganiques qui se déplacent dans le phloème comprennent le potassium, le magnésium, le phosphate et des chlorures. En revanche, le nitrate, le calcium, le soufre et le fer sont relativement introuvables dans le phloème. 2.3.3 Transport des composés azotés L'azote transporté dans le phloème presque entièrement sous forme organique. Les niveaux d'azote dans les feuilles matures sont assez stables, ce qui indique que l’excès d'azote arrivant en continu par le xylème est redistribué via le phloème vers les fruits ou les jeunes feuilles. Enfin, les concentrations des composés azotés dans le phloème sont très élevées pendant la sénescence des feuilles. Chez les espèces ligneuses, feuilles sénescentes mobilisent et exportent des composés azotés vers les tissus ligneux pour le stockage. Chez les herbacées l'azote de la plante est exporté en général vers les graines. 2.3.4 Les taux de transfert La vitesse de déplacement des molécules dans les éléments criblés peut être exprimé de deux façons: comme vitesse (distance linéaire parcourue par unité de temps) ou comme taux de transfert de masse, (quantité de matière transportée par une section déterminée de phloème par unité de temps). Les valeurs pour les taux de transfert de masse varient de 1 à 15 g.h-1.cm-2. Ces vitesses de transport phloèmique dépassent de loin les taux de diffusion!! 2.4 Mécanisme de transfert dans le phloème: Modèle de l’écoulement sous pression (Pression flow) Chez les angiospermes, le mécanisme de la translocation du phloème s’explique par le modèle dit de l’écoulement sous pression. Ce modèle explique la translocation du phloème par un flux de solution, tiré par une pression osmotique généré par un gradient entre la source et le puits. 2.4.1 La translocation et le gradient de pression La diffusion est beaucoup trop lente expliquer les vitesses de transport des solutés observées dans le phloème. La vitesse moyenne de translocation est de 1 m.h-1, le taux de diffusion serait de 1 m par 32 ans! Le modèle de l’écoulement sous pression, d'abord proposé par Ernst Münch en 1930, stipule qu’un flux de solution dans les éléments criblé est entraîné par un gradient de pression osmotique entre la source et le puits (ΔΨp). Le Relations plante et eau Chapitre 2: TRANSLOCATION DANS LE PHLOEME Le développement : L'importance de différents puits peut changer pendant le développement des plantes. Alors que les racines et l’apex des pousses sont généralement les puits les plus importants au cours de croissance végétative, les fruits deviennent généralement les puits dominants pendant développement du système reproducteur, en particulier pour les feuilles voisines. Les connexions vasculaires : Les feuilles-sources approvisionnent préférentiellement les puits avec lesquels ils ont des connexions vasculaires directes. La modification des voies de translocation. Les blessures ou taille peuvent modifier les schémas établis par la proximité et les connexions vasculaires. La suppression des feuilles-sources inférieures sur une plante peut forcer des feuilles supérieures à transférer des photosynthétats aux racines. A.Hafidi ([email protected]) 18 Certaines remarques importantes émergent du modèle de l’écoulement sous pression: - Les pores des plaques criblés doivent être dégagés. Si la protéine P- ou d'autres matériaux bloquent dans les pores, la résistance à l'écoulement de la sève dans l'élément criblé serait trop grande. - Le transport bidirectionnel dans un élément criblé ne peut pas avoir lieu. Le flux de masse empêche ce mouvement bidirectionnel. - Les dépenses élevées d'énergie ne sont pas nécessaires pour la translocation, même si l'énergie est nécessaire pour maintenir la structure des éléments de criblés et de recharger tous les sucres perdus dans l’apoplasme par fuite. - La théorie de l’écoulement sous pression exige la présence d'un gradient de pression positive. La pression de turgescence doit être plus élevée dans les éléments criblés sources que dans les éléments criblés du puits. Chapitre 2: TRANSLOCATION DANS LE PHLOEME gradient de pression est établi comme une conséquence du chargement du phloème en solutés à la source et le déchargement au puits. Rappelons que Ψw = Ψs + Ψp ; alors, Ψp = Ψw - Ψs. Dans les tissus source, l'énergie utilisée pour le chargement du phloème conduit à une accumulation de sucres dans les éléments criblés, générant un abaissement du potentiel osmotique (négatif) (ΔΨs) et provoquant une forte baisse du potentiel hydrique (ΔΨw). En conséquence, l'eau entre dans les éléments criblés et provoque l’augmentation de la pression de turgescence (Ψp). La voie de translocation, se termine par le déchargement du phloème qui conduit à une concentration en sucres faible dans les éléments criblés, générant un potentiel de soluté plus élevé dans les éléments criblés des tissus puits. Comme le potentiel hydrique du phloème s'élève plus que celui du xylème, l'eau a tendance à sortir du phloème en réponse au gradient du potentiel hydrique, entraînant une diminution de la pression de turgescence dans les éléments criblés des tissus puits. Le contenu des éléments criblés est physiquement poussé le long de la voie de translocation par un flux de masse, un peu comme l'eau qui coule à travers un tuyau d'arrosage entrainant avec lui les substances solubilisées. Le mouvement de l'eau dans la voie de translocation est donc entraîné par les gradients de pression plutôt que par le gradient du potentiel hydrique. 2.4.2 Mécanismes de transport dans le phloème des Gymnospermes Très peu d’informations physiologiques sur le phloème des gymnospermes sont disponibles. Les cellules criblées des gymnospermes sont similaires à bien des égards aux tubes criblés d'angiospermes, mais les zones Relations plante et eau A.Hafidi ([email protected]) 19 criblées des cellules sont relativement peu spécialisés et ne semblent pas comporter de pores ouverts (figure **). Les pores de gymnospermes sont remplis avec de nombreuses membranes constituant une continuité avec les réticulums endoplasmiques lisses adjacents. Ces pores sont manifestement incompatibles avec les exigences de l’hypothèse de l’écoulement sous pression. Plusieurs étapes sont impliquées dans le transfert des photosynthétats des chloroplastes des cellules du mésophylle aux éléments criblés des feuilles adultes. Ce transfert est appelé chargement du phloème: 1. Les trioses phosphates formés par photosynthèse sont transportés du chloroplaste vers le cytosol, où ils sont convertis en saccharose. Pendant la nuit, des éléments issus de l’amidon stocké quittent le chloroplaste probablement sous la forme de glucose puis converti en saccharose. Les autres sucres transportés sont synthétisés à partir du saccharose. 2. Le saccharose se déplace hors de la cellule du mésophylle vers l’espace à proximité des éléments criblées des petites nervures de la feuille (Figure **). Cette voie de transport à courte distance couvre habituellement une distance de seulement deux ou trois cellules. 3. Dans le processus appelé chargement des éléments criblés, les sucres sont transférés dans les éléments criblés et les cellules compagnes. Les sucres deviennent plus concentrés dans les éléments criblés et leurs cellules compagnes que dans les cellules du mésophylle. Une fois à l'intérieur de l’élément criblé, le saccharose et d'autres solutés sont transportés loin de la source, C’est le processus connu sous le nom d'exportation. Les photosynthétats peuvent se déplacer des cellules du mésophylle aux éléments criblés via le symplasme ou l’apoplasme. Dans ce dernier cas, les sucres sont activement chargés à partir de l’apoplasme dans les éléments criblés et cellules compagnes par des transporteurs sélectifs de la membrane plasmique de ces cellules. 2.5.1 L'absorption du saccharose de l’apoplasme Dans les feuilles sources, les sucres deviennent plus concentrés dans les éléments criblés et les cellules compagnes que dans le mésophylle. Chez la betterave à sucre, le potentiel osmotique du mésophylle est d'environ -1,3 MPa, et le potentiel osmotique des éléments criblés et cellules compagnes est d'environ -3,0 MPa. Le fait que le saccharose est à une concentration plus élevée dans les complexes éléments criblés-cellules compagnes que dans les cellules environnantes indique que le saccharose est transporté activement contre le gradient de son potentiel chimique. D'autres métabolites, tels que les acides organiques et des hormones, peuvent être transportés dans les éléments criblés d’une manière passive. Chapitre 2: TRANSLOCATION DANS LE PHLOEME 2.5 Chargement du phloème: des chloroplastes aux éléments criblés 2.5.2 Le symporteur saccharose-H+ Les données des études moléculaires soutiennent l’existence d'un symporteur saccharose-H+ impliqué dans le chargement des éléments criblés. Un symporteur saccharose-H+ serait en charge du transfert du Relations plante et eau A.Hafidi ([email protected]) 20 2.5.3 La voie symplasmique de chargement du phloème La voie symplasmique est devenue évidente chez les espèces transportant le raffinose et stachyose dans le phloème, en plus du saccharose, et qui ont des cellules intermédiaires dans leurs nervures secondaires (courge (Cucurbita pepo) , melon (Cucumis melo), …). Le fonctionnement d'une voie symplasmique nécessite la présence de plasmodesmes ouverts entre les différentes cellules. 2.5.4 Modèle du polymère de piégeage La composition en solutés de l’élément criblé est généralement différente de celle dans les tissus entourant le phloème. Cette différence indique que certains sucres sont spécialement sélectionnés et transportés à partir de la feuille source. Le chargement symplasmique, dépend de la diffusion des sucres de la cellule du mésophylle aux éléments criblés via les plasmodesmes. Toutefois, il est difficile d'envisager comment la diffusion à travers les plasmodesmes pendant le chargement symplasmique pourrait être sélective pour certains sucres. Par ailleurs, les données de plusieurs espèces montrant un chargement symplasmique indiquent que les éléments criblés et les cellules compagnes ont une pression osmotique plus élevée que le mésophylle. Ce qui soulève la question si la diffusion pourrait elle expliquer le transport symplasmique des sucres contre le gradient de concentration ? Relations plante et eau Chapitre 2: TRANSLOCATION DANS LE PHLOEME saccharose à partir de l’apoplasme vers le complexe élément criblé-cellule compagne. Le symport est un processus de transport secondaire qui utilise l'énergie générée par la pompe à protons. Un pH élevé (faible concentration en H+) dans l’apoplasme réduit l'absorption du saccharose exogène dans les éléments criblés et cellules compagnes. Des pompes ATPases à protons, ont été localisées par des techniques immunologiques dans les membranes plasmiques des cellules compagnes d'Arabidopsis et dans les cellules de transfert de la fève. Par ailleurs, la distribution des H+-ATPases dans les cellules compagnes d'Arabidopsis semble être corrélée avec la distribution d'un symporteur saccharose-H+ appelé SUC2. L’ H+-ATPase et le symporteur saccharose-H+ sont parfois co-localisées dans les membranes plasmiques des éléments criblés plutôt que dans celles des cellules compagnes. Ces transporteurs se trouvent soit dans les membranes plasmiques des éléments criblés (SUT1, SUT2 et SUT4) soit celles des cellules compagnes (SUC2). A.Hafidi ([email protected]) 21 2.5.5 Dépendance type de chargement du phloème, famille botanique et climat Les espèces montrant un chargement apoplasmique du phloème exportent presque exclusivement du saccharose, et disposent soit, de cellules compagnes ordinaires ou de cellules de transfert dans les petites nervures, et possèdent peu de connexions entre les complexes éléments criblés-cellules compagnes et les autres cellules du voisinage. Les espèces ayant un chargement symplasmique du phloème exportent des oligosaccharides comme le raffinose en plus du saccharose, et ont des cellules compagnes de type intermédiaire dans les nervures secondaires, et possèdent des connexions abondantes entre le complexe élément criblé-cellule compagne et les cellules environnantes. Il a été signalé que les voies symplasmique et apoplasmique peuvent coexister simultanément ou à différents moments chez certaines espèces, dans des éléments criblés différents de la même nervure ou dans des éléments criblés de nervures différentes. 2.6 Déchargement du phloème et transition puits source Le transport dans les organes puits, tels que les racines en développement, les tubercules, et les structures de reproduction, est appelé Importation. Les étapes qui suivent sont impliquées dans l'importation des sucres dans les cellules puits. 1. Déchargement des éléments criblés. C'est le processus par lequel les sucres importés passent des éléments criblés vers les tissus puits. 2. Transport courte distance. Après le déchargement de l'élément criblé, les sucres sont transportés vers les cellules puits par une voie de transport à courte distance. Cette voie est également appelée transport post élément criblé. 3. Stockage et métabolisme. Une fois dans les tissus puits, les sucres sont soit stockés ou métabolisés. Ces trois étapes du transport, ensemble, constituent le déchargement du phloème. Chapitre 2: TRANSLOCATION DANS LE PHLOEME Le modèle de polymère de piégeage (figure **) a été développé pour répondre à cette question. Ce modèle stipule que le saccharose synthétisé dans le mésophylle diffuse de la gaine de cellules dans le faisceau des cellules intermédiaires à travers les plasmodesmes qui relient les deux types de cellules. Dans les cellules intermédiaires, le raffinose et le stachyose (polymères composés de trois et quatre hexoses, respectivement) sont synthétisés à partir du saccharose transportés et du galactose. En raison de l'anatomie des tissus et la grande taille de raffinose et de stachyose, Ces polymères ne peuvent plus rediffuser de nouveau dans le faisceau des cellules de la gaine, mais ils peuvent diffuser dans l'élément criblé. Le saccharose peut continuer à diffuser dans les cellules intermédiaires, car sa synthèse dans le mésophylle et son utilisation dans les cellules intermédiaires maintiennent le gradient de concentration en faveur de sa diffusion. 2.6.1 Voies de déchargement du phloème Les puits comprennent les organes végétatifs en croissance (racines et jeunes feuilles), les tissus de stockage (racines et tiges), les organes de la reproduction et de dispersion (fruits et graines). En raison de cette grande diversité de structure et de fonction des tissus puits, il n'y a pas de schéma unique de déchargement du Relations plante et eau A.Hafidi ([email protected]) 22 2.6.2 Importation dans les tissus puits Des études ont montré que l'importation dans les tissus puits est dépendante de l'énergie. Dans les feuilles en croissance, les racines, et les puits de stockage dans lequel le carbone est stocké sous forme d’amidon ou de protéines, le type de déchargement est le plus souvent symplasmique. Les concentrations en saccharose sont faibles dans les cellules puits, maintenant ainsi un gradient de concentration pour l’absorption des sucres. Aucune membrane ne doit être traversée lors du déchargement des sucres par les plasmodesmes. Ainsi, son transfert est passif puisque les sucres sont transportés d'une concentration élevée dans les éléments criblés vers une concentration faible dans les cellules puits. 2.6.3 La transition des feuilles du statut puits à source Les feuilles commencent leur développement comme des organes puits. Une transition du statut de puits à celui de source commence quand la feuille a atteint environ 25% de sa taille, et elle se termine lorsque les feuilles se sont élargies de 40 à 50%. L’export commence à l’apex de la feuille et progresse vers la base jusqu'à ce que la feuille entière devienne exportatrice de sucres. Pendant la période de transition, l’apex exporte les sucres tandis que la base les importe d’une autre feuille source. L’exportation des sucres commence lorsque le chargement du phloème accumule des photosynthétats suffisants dans les éléments criblés pour permettre une translocation hors de la feuille. Dans les feuilles normales à chargement apoplasmique, l'exportation est initiée lorsque : 1) La voie symplasmique de déchargement se ferme. 2) La feuille synthétise des photosynthétats en quantités suffisantes pour l'exportation 3) Les gènes de synthèse de saccharose commencent à s’exprimer 4) Le symporteur H+-saccharose est en place dans le plasmalemme du complexe élément criblécellule compagne. 2.7 Allocation et partition des photosynthétats La régulation de l’affectation du carbone fixé aux différentes voies métaboliques est appelée Allocation. Les faisceaux vasculaires forment un système de tuyaux qui peuvent diriger les flux de photosynthétats vers différents puits: jeunes feuilles, tiges, racines, fruits, ou graines. Cependant, le système vasculaire est souvent fortement interconnecté, formant un réseau qui permet aux feuilles sources de communiquer avec de multiples puits. Dans ces conditions, qu’est ce détermine les flux pour un puits donné ? La distribution différentielle des photosynthétats au sein de la plante est appelée partition. 2.7.1 L’allocation des photosynthétats L’allocation comprend le stockage, l’utilisation et le transport des photosynthétats. 1) Synthèse des composés de stockage. L'amidon est synthétisé et stocké dans les chloroplastes. Il s’agit pour la plupart des espèces, de la forme de stockage primaire qui est mobilisée pour la translocation pendant la nuit. Relations plante et eau Chapitre 2: TRANSLOCATION DANS LE PHLOEME phloème. Comme dans les sources, les sucres peuvent se déplacer entièrement à travers le symplasme via les plasmodesmes, ou ils peuvent passer dans l'apoplasme. Bien qu’elle n'ait pas encore été prouvée expérimentalement, l’étape apoplasmique commencerait dans des complexes éléments criblés-cellules compagnes. Toutefois, l'étape apoplasmique pourrait également être plus éloignée des éléments criblés (figure **). Cet arrangement, typique des graines en développement, semble être le plus commun dans le déchargement apoplasmique du phloème. Cette étape apoplasmique est nécessaire dans les graines en développement car les connexions symplasmiques entre les tissus maternels et les tissus de l'embryon ne sont pas encore développés. L'étape apoplasmique permet un contrôle membranaire des substances qui pénètrent dans l'embryon, car deux membranes doivent être franchies dans ce processus. A.Hafidi ([email protected]) 23 2.7.2 La partition des photosynthétats Plus la capacité d'un puits à stocker ou métaboliser les sucres importés est grande, plus grande est sa capacité à concourir pour les photosynthétats exportés par les sources. La partition détermine les modes de croissance, et la croissance doit être équilibrée entre la croissance des parties aériennes (productivité photosynthétique) et la croissance des racines (absorption de l’eau et minérale). Ainsi, l'offre et la demande doivent être régulées. La pression de turgescence dans les éléments criblés pourrait être un moyen important de communication entre les tissus sources et puits qui permet de coordonner les taux de chargement et de déchargement. Les messagers chimiques sont également importants dans la communication du statut d'un organe à un autre. Ces messagers chimiques comprennent des hormones et des nutriments des plantes, tels que le potassium et le phosphate, et même les sucres de transport eux-mêmes. La translocation vers les tissus puits dépend de la position de puits par rapport à la source et des connexions vasculaires entre la source et le puits. Chez la betterave à sucre et les haricots ou des feuilles sources sont supprimées pour ne laisser qu’une seule, les taux de la photosynthèse et d'exportation de la seule feuille source restante ne changent pas au court terme. Cependant, les racines reçoivent moins de sucres provenant de la source unique, tandis que les jeunes feuilles reçoivent relativement plus. Ainsi, dans ces conditions, les jeunes feuilles constituent des puits plus forts que racines. Un puits puissant peut puiser les sucres des éléments criblés plus facilement et ainsi augmenter le gradient de pression et le taux de translocation vers lui. Différentes expériences montrent que la capacité d'un puits à mobiliser les photosynthétats (force du puits), dépend de deux facteurs : la taille du puits et son activité. Force du Puits = taille du puits × activité du puits La taille du puits étant le poids total des tissus puits et l’activité du puits étant le taux d'absorption des photosynthétats par unité poids du tissu puits. La diminution de la température d’un tissu puits inhibe les activités qui exigent l'énergie métabolique et entraîne une diminution de la vitesse de transport vers puits. Les modifications du taux de transfert Source vers Puits provoquent des altérations à long terme dans la source. Si toutes les sources d’une feuille de soja sont ombragées pour une longue période sauf une, de nombreux changements se produisent dans l’unique feuille source restante. Ces changements incluent une diminution de la concentration de l'amidon et des augmentations du taux de photosynthèse, de l'activité Rubisco, de la concentration du saccharose, du transport de la source, et de la concentration d'orthophosphate. Le taux de photosynthèse (la quantité nette du carbone fixé par unité de surface foliaire par unité de temps) augmente souvent après plusieurs jours lorsque la demande augmente, et il diminue lorsque la demande des puits diminue. La photosynthèse est fortement inhibée dans des conditions où la demande est réduite. Chapitre 2: TRANSLOCATION DANS LE PHLOEME 2) Utilisation métabolique. Les photosynthétats peuvent être utilisées dans les différents compartiments cellulaires pour répondre aux besoins énergétiques de la cellule ou pour fournir les squelettes de carbone et pour la synthèse d'autres composés nécessaires à la cellule. 3) Synthèse des composés pour le transport. Les photosynthétats peuvent être incorporés dans les sucres de transport pour l'exportation vers les différents puits. Une partie du sucre de transport peut également être stockée temporairement dans la vacuole. L'allocation est également un processus clé dans les tissus puits. Une fois les sucres transportés ont été déchargés dans les cellules puits, ils peuvent rester en tant que tels ou peuvent être transformés en divers autres composés. Dans les puits de stockage, Les photosynthétats peuvent être accumulés sous forme de saccharose ou d'hexoses dans les vacuoles ou comme amidon dans les amyloplastes. Dans les organes puits en croissance, les sucres peuvent être utilisés pour la respiration et la synthèse d'autres molécules nécessaires à la croissance. 2.7.3 Coordination des activités des sources et des puits En plus de sa fonction majeure dans le transport longue distance des photosynthétats, le phloème est un conduit pour le transport des molécules ‘‘signal’’ d'une partie de la plante vers une autre. Ces signaux entre les Relations plante et eau A.Hafidi ([email protected]) 24 Relations plante et eau Chapitre 2: TRANSLOCATION DANS LE PHLOEME sources et les puits pourraient être (physiques (telles que la pression de turgescence) ou chimiques tels que les hormones végétales et les glucides). Les signaux indiquant le changement de turgescence pourraient être transmis rapidement via les interconnexions du système d'éléments criblés. Par exemple, si le déchargement du phloème est rapide au niveau d’un tissu puits, la pression de turgescence dans les éléments criblés du tissu puits se réduirait. Cette réduction serait transmise à la source. Certaines données suggèrent que la turgescence cellulaire peut modifier l'activité de la pompe à proton de la membrane plasmique et donc peut modifier les taux de transport. Les parties aériennes produisent des régulateurs de croissance telles que l'auxine qui peuvent être rapidement transportés vers les racines via le phloème, et ceux produits par les racines (cytokinines) se déplacent à travers les parties aériennes via le xylème. Les Gibbérellines et l'acide abscissique (ABA) sont également transportés à travers la plante dans le système vasculaire. Les hormones végétales jouent un rôle dans la régulation des relations source-puits. Ils affectent la partition des photosynthétats en contrôlant la croissance des puits, la sénescence des feuilles, et d'autres processus de développement. Les transporteurs actifs dans les membranes plasmiques sont des cibles évidentes des hormones pour la régulation du chargement et du déchargement apoplasmiques. Autres sites potentiels de la régulation hormonale du déchargement comprennent : des transporteurs du tonoplaste, des enzymes du métabolisme du saccharose, et la perméabilité des plasmodesmes dans le cas du déchargement symplasmique. A.Hafidi ([email protected]) 25
