5 l2s3 alim hydrique
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Alimentation hydrique des plantes I Les mécanismes de transports de l’eau à l’échelle cellulaire A Vacuole: compartiment dynamique pour le stockage en eau 1- Phénomènes de plasmolyse et turgescence Les teneurs en eau de différents végétaux pomme de terre 79 % laitue 97 % tomate 93 % grain de maïs 10% eau et 85 % d’amidon 1 mardi 20 septembre 11 Milieu hypertonique 1 M NaCl A B [A] < [B] Mouvement d’eau du milieu hypotonique vers milieu hypertonique Milieu hypotonique 0 M NaCl Cellule Végétale Sortie d’eau Cellule plasmolysée Cellule Végétale Entrée d’eau Cellule turgescente mardi 20 septembre 11 Plasmolyse de cellules d’épiderme d’oignon vacuoles colorées par des anthocyanes Eau distillée 1 M NaCl 0,5 M NaCl Cellule turgescente Cellule Plasmolysée Paroi pecto-cellulosique Plasmalemme Cytoplasme Tonoplaste Vacuole mardi 20 septembre 11 Cellule Végétale plasmolysée mardi 20 septembre 11 Sans paroi les cellules forment des protoplastes qui sont très sensibles aux variations de pression osmotique mardi 20 septembre 11 Plasmolyse de cellules d’épiderme d’oignon observées au microscope optique Protoplaste: plasmalemme, cytoplasme, vacuole Cellule sans paroi pecto-cellulosique mardi 20 septembre 11 2- Mouvements de l’eau entre une cellule et son milieu: • Quelles sont les forces qui régissent ces mouvements? • Comment l’eau va traverser les membranes biologiques? Sortie de l’eau de la vacuole vers le milieu: • tonoplaste • plasmalemme • paroi pecto-cellulosique ? ? • Pas de mécanismes actifs (pas de pompe active, pas dépense d’énergie) • Présence de canaux facilitant le passage de l’eau: aquaporine (200 différentes) • Comment est régit la direction du mouvement passif entre les 2 milieux séparés la membrane? Aquaporine: Homotétramère Peter Agre 1988: Prix Nobel de Chimie 2003 mardi 20 septembre 11 3- Gradient de concentration diffusion et équilibre Gradient de concentration: variation décroissante en solutés dans un espace ou au travers d’une membrane Diffusion: processus par lequel les les molécules se déplacent dans un espace ou au travers d’une membrane Equilibre: la diffusion des molécules dans cet espace va annihiler le gradient de concentration Avant Après Diffusion des molécules Disparition du Gradient de concentration mardi 20 septembre 11 gradient de concentration 4- Osmose: diffusion de l’eau au travers d’une membrane On parle de membrane semi-perméable pour les membranes biologiques Vrai sur des temps courts Avant Soluté Après Eau Sur des temps plus longs Membrane biologique = membrane sélective • eau • solutés minéraux ou organiques Direction de l’osmose contrôlée par le gradient en solutés mardi 20 septembre 11 Expérience classique: diffusion de l’eau au travers d’une membrane semi-perméable mardi 20 septembre 11 Expérience classique: globule rouge (cellule sans paroi) immergé dans des solutions iso-, hyper- et hypotonique Milieu hypertonique Milieu isotonique Paroi pectocellulosique rigide Milieu hypotonique mardi 20 septembre 11 5- Le potentiel hydrique (Ψ ) concept thermodynamique utile pour décrire le mouvement de l’eau Potentiel chimique: terme décrivant les conditions thermodynamiques d’un système chimique ouvert µ = µo + Molécule d’eau Ψw = + X + µ0= Constante de référence µw -µow= R T lnaw RTlna= + P Vcomposante liée w + g h m w à la concentration PV= composante liée à la pression et volume molaire FEz= composante liée à la charge ghm= Composante liée à la gravité µ -µow -Π Vw + P Vw + g h Vw = Vw Vw Vw Vw w - Π + P + g h dw Π= pression osmotique mardi 20 septembre 11 + = Ψw R T lnaw= - Π Vw m=dV Potentiel hydrique P= pression de turgescence 6- Le potentiel hydrique (Ψ ) à l’échelle de la plante et de la cellule Ψ = potentiel hydrique Ψ = -Π +P + ghdw Π= Pression osmotique P= Pression de turgescence ghdw= composante liée à la gravité Ψ = potentiel hydrique Ψ = - Π +P Π = Pression osmotique P= Pression de turgescence mardi 20 septembre 11 Le potentiel hydrique (Ψ ) décrit l’état énergétique de l’eau dans une solution, tissus vivants et organismes Mouvement entre 2 compartiments: A et B ΨA -ΠΑ + PA A B 0,5 M Saccharose Eau distillée ΨB -ΠΒ + PB Π augmente--> ΨA diminue ΨA < ΨB Mouvement de l’eau de B vers A Par définition: Ψ Eau Distillée = 0 soit =de0turgescence) ou < 0 P = Pression (cellule-->Ψ pression Π = Pression osmotique (présence des osmolytes minéraux (Pi, K, NO3, Cl…) et organiques (sucres solubles, AA, Ac organiques …) Unités: atmosphère (atm), bar, Pascal, Newton/m2 1 atm = 1,01 bar = 105 Pa = 105 N. m2 mardi 20 septembre 11 7- Potentiel hydrique dans les cellules turgescentes et plasmolysées Cellule plasmolysée Cellule isotonique Cellule turgescente Ψw milieu = -2,5 MPa Ψw milieu = O MPa Π = 2 MPa P = O MPa Π= 1,6 MPa P = +0,5 MPa Ψw cellule= -2 MPa Ψw cellule= -1,1 MPa mardi 20 septembre 11 Agriculture: gros consommateur d’eau CONSOMMATION MONDIALE D'EAU PAR CATEGORIES D'UTILISATION mardi 20 septembre 11 Info: 1Kg de bois = 900 l d’eau (voir fred) mardi 20 septembre 11 18 mardi 20 septembre 11 II. Les mécanismes de transport de l’eau à l’échelle d’une plante A- Voies de transport Chez les plantes, les échanges milieu-cellule ou cellule-cellule peuvent s’effectuer par 3 voies différentes: • Voie de l’apoplasme: transport à travers l’espace extracytoplasmique aménagé dans la paroi. • Voie du symplasme: transport qui se fait de cytosol à cytosol par l’intermédiaire De tractus transpariétaux au niveau de plasmodesmes. • Voie des méats intercellulaires: voie empruntée uniquement par les gaz dans les méats aérifères. Voie symplasmique Voie apoplasmique Transport membranaire Reliant symplasme apoplasme mardi 20 septembre 11 1 Apoplasme Réseau pariétal: lamelle moyenne + paroi primaire Lieu de transit --> eau (70 à 80% d’eau dans le réseau pariétal) --> les substances hydrophiles dissoutes (sels minéraux et organiques) --> molécules régulatrices (phytohormones, oligosaccharine) Limite de perméabilité: Protéines de grande taille (65 kDa, 7-10 nm) Paroi= filtre à maille large. Les molécules sont soumises à des forces: • de type ionique (fonction carboxylique des pectines) • de type électrique (charge des molécules) • de type osmotique (force de rétention de l’eau) • Présence d’enzymes susceptibles de modifier les substances circulantes (invertase parietale, peroxydase (inactivation de l’auxine) mardi 20 septembre 11 Le transport dans l’apoplasme peut être facilité ou freiné par des dispositifs anatomiques Barrière apoplasmique: les cellules présentent des couches de SUBERINE intrapariétales mardi 20 septembre 11 Le cadre de Caspary impose un contrôle membranaire au niveau de l’endoderme dans l’absorption de l’eau et des substances hydrophiles mardi 20 septembre 11 2 Symplasme et plasmodesme Les plasmodesmes assurent un continuum cellulaire entre les différents cellules. Les plasmodesmes sont au centre de la coordination et de l’intégration cellulaire Les plasmodesmes: tractus cytoplasmiques traversant la paroi et permettent la communication de cellule à cellule. - Communication permettant le passage d’eau, solutés minéraux et organiques mardi 20 septembre 11 1 cellule jeune: 1000 à 10000 plasmodesmes. Pour que la cellule reste active les plasmodesmes doivent rester fonctionnels Seules quelques cellules spécialisées n’ont pas de plasmodesmes (cellules stomatiques) mardi 20 septembre 11 Ultrastructure et organisation des plasmodesmes • • • • Pas un simple trou Tube axial en prolongement du RE (lipides et protéines) Espace entre les desmotubules et plasmalemme Présence de protéines globulaires : Annulus (protéines) mardi 20 septembre 11 Le diamètre du plasmodesme (1à 3 µm) varie en fonction des besoins Passage de molécules allant de 700 à 900 daltons Obturation des cols avec de la callose en conditons de stress, attaque virale Utilisation de sondes fluorescente pour visualiser la mobilité des molécules au travers des plasmodesmes (trichrome d’Abutilon) mardi 20 septembre 11 Utilisation de sondes fluorescentes pour visualiser la mobilité des molécules au travers des plasmodesmes (Racine d’Arabidopsis thaliana) • La présence des plasmodesmes n’implique pas automatiquement le transfert des molécules. • La carboxyfluoresceine (CF) introduite au niveau des poils absorbants n’est pas transférée aux cellules voisines. mardi 20 septembre 11 Les différentes formes de plasmodesmes Col obturé par de la callose mardi 20 septembre 11 Col non obturé par de la callose Cellule incubée en présence de 2Déoxyglucose Mise en place des plasmodesmes 1- au moment de la division cellulaire et de la mise en place de la paroi 2- dans la paroi pecto-cellulosique préexistante mardi 20 septembre 11 B. Les moteurs de la circulation phloèmienne et xylémienne 1. Principes généraux a. La sève brute (SB) • La SB circule sous une pression hydrostatique inférieure à la pression atmosphérique • Les parois lignifiées des vaisseaux confèrent la rigidité nécessaire pour éviter l’écrasement par les tissus avoisinants • L’évapotranspiration est le moteur de la circulation de la SB • La circulation de la SB est apoplastique et rapide. Ex: 1 à 6 m/h pour les petits vaisseaux dans les arbres 16 à 45 m/h pour les gros vaisseaux dans les arbres b. La sève élaborée (SE) • La SE circule sous une pression hydrostatique supérieure à la pression atmosphèrique • Cette pression hydrostatique est maintenue grâce à des pompes présents sur la membrane plasmique • Il a transfert actif des sucres (saccharose). On parle de chargement du phloème. • Ce saccharose SE est symplasmique et lent. mardi 20 septembre 11 2. Ascension de la sève brute a. Comparaison de la composition des sèves Phloème Xylème 100-300 g/l 0 g/l 5-40 g/l 0.1-2 g/l Sels minéraux 1-5 g/l 0.2-4 g/l Solutés totaux 250-1200 mM 10-100 mM (π=0.6-3 MPa) (π=0.02-0.2 MPa) 7.3-8.0 5.0-6.5 AIA ABA, Cytokinine Sucres Acides aminés Glu, Gln, Asp, Asn pH Phytohormones Sève brute: solution diluée mardi 20 septembre 11 b. Le problème de l’ascension de la sève brute Question: Par quels mécanismes, la sève brute formée dans les racines à partir de l’eau du sol, atteint le sommet des arbres? Les plus grands arbres: • Sequoia sempervirens de 110.4 et 113,4 m (Californie) • Eucalyptus regnans de 143-146 m (Australie) • Si les arbres se comportent comme le baromètre de Toricelli (1643) • Pour monter l’eau du sol au sommet de ces arbres (110 m), il faudrait appliquer au niveau des racines une pression de 11-12 atm. • Les pressions mesurées dans les racines vont de 1 à 6 atm maximum. mardi 20 septembre 11 Sur le plan historique: Au XIX° siècle on pensait que • il existait des pompes présentes tout au long des vaisseaux du xylème pour assurer l’ascension de la SB. • Etude anatomique: absence de pompes • Vaisseaux du xylème: structure non vivante Expériences de Edouard Srasburger (1893) • Utilisation de poisons (Ac. Picric, sulfate de cuivre) • Injection dans les vaisseaux du xylème d’arbres de 20 m • Les cellules du tronc meurent mais le transport de l’eau continue • Arrêt du transport de l’eau est concomitant avec la mort des feuilles Vers la fin du XIX° siècle: un modèle a été formulé pour expliquer l’ascension de la SB mardi 20 septembre 11 c. Théorie de la tension-cohésion Cette théorie repose sur 4 éléments pour expliquer l’ascension de la SB. • Besoin d’un moteur pour la circulation --> Evapotranspiration • Besoin d’hydratation c’est à dire adhésion de l’eau dans tous les éléments du xylème • Besoin de cohésion des molécules d’eau • Besoin d’un continuum entre les racines Evapotranspiration: rejet dans l’atmosphère de vapeur d’eau soit 99% de l’eau absorbée par les racines mardi 20 septembre 11 Trajet emprunté par l’eau: mardi 20 septembre 11 Moteur: le gradient négatif du potentiel hydrique existant du sol jusqu’à l’atmosphère 1 MPa= 10 Atm SITE de MESURE ψ P π Cpst gravité Cpst HR Air (50% HR) -95,1 0,1 -95,2 Espace aérifère Paroi cellule mesophylle (10 m) Vacuole cellule mesophylle (10 m) -0,8 0,1 -0,9 -0,8 -0,7 0,3 0,1 -0,8 0,2 1,1 0,1 Xylème Feuille (10 m) -0,8 -0,8 0,1 0,1 Xylème Racine(0 m) -0,6 -0,5 0,1 0 -0,6 0,5 1,1 0 -0,5 -0,4 0,1 0 -0,3 -0,2 0,1 0 Vacuole Cellule racinaire Rhizosphère en contact de la Racine Rhizosphère à 10 mm de la Racine ψ = P - Π + Gravité + Humidité relative mardi 20 septembre 11 La molécule d’eau et les liaisons d’hydrogène Principe de cohésion: • Phénomène d’attraction entre les molécules (liaison hydrogène entre molécules d’eau • Les forces de cohésion sont très importantes et empêchent toute formation de bulles par cavitation mardi 20 septembre 11 mardi 20 septembre 11 mardi 20 septembre 11 mardi 20 septembre 11 Mouvement d’eau dans les cellules de garde mardi 20 septembre 11 Cellule turgescente: Accumulation de malate et K+ Amidon --> Glucose --> PEP --> Malate Cellule plasmolysée: Exportation du K+ et du malate mardi 20 septembre 11 Synthèse de l’acide abscissique: molécule signal pour la régulation de l’évapotranspiration mardi 20 septembre 11 Notabitis: Plante transformée surexprimant NCED (enzyme de la synthèse de l’ABA) Abscisic acid (ABA) is a phytohormone that mediates plant response to abiotic stress, including water deficit stress. We have previously shown that the key rate-limiting step in ABA synthesis is 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase (NCED) and that over-expression of NCED in plants using constitutive promoters causes increased ABA accumulation and a range of physiological changes including improved water-use efficiency. In this project we are producing transgenic plants that overexpress NCED using tissue specific promoters in order to maximise potential agronomic benefits of this approach and to explore the role of ABA synthesis in signalling processes. This work is part of a collaboration with Dr Ian Taylor of the University of Nottingham. mardi 20 septembre 11 ABA et la signalisation moléculaire mardi 20 septembre 11 e. Circulation de la sève brute sans évaporation foliaire La circulation de la sève brute la nuit: • évapotranspiration foliaire très faible • circulation de la SB continue • secrétions d’ions excrétés par les cellules compagnes dans les cellules conductrices • baisse du potentiel hydrique • entrée d’eau dans les racines • maintien du flux de la SB permet également d’assurer la continuité avec le phloème • transport de la SE vers les tissus puits continue également mardi 20 septembre 11 La circulation de la sève brute à la fin de l’hiver chez les arbres à feuilles caduques • absence de feuilles • mobilisation de réserves dans le parenchyme (Hydrolyse de l’amidon, synthèse de saccharose. • saccharose est mis en charge dans les vaisseaux du xylème • secrétions de saccharose par les cellules compagnes dans les cellules conductrices • baisse du potentiel hydrique • entrée d’eau dans les racines • maintien du flux de la SB permet d’alimenter en saccharose les bourgeons mardi 20 septembre 11 Dilemme fonctionnel: sécurité ou efficacité • Les vaisseaux et les trachéïdes sont des capillaires • La conduction de la sève obéit à la loi de Poiseuille Lp = Π R4/ 8n avec Lp conductibilité hydraulique; R rayon du capillaire, n viscosité du liquide Si un capillaire à un rayon R multiplié par 2 Si un capillaire à un rayon R multiplié par 4 Lp est multipliée par 16 Lp est multipliée par 256 Un vaisseau de rayon 4R a une conductibilité 64 fois supérieure à 4 vaisseaux de rayon R • Les gros vaisseaux sont également les plus longs • Ces vaisseaux présentent les conditions optimums du transport de la sève brute • Cependant l’EFFICACITE de la conduction s’accompagne d’une grande FRAGILITE. • Gel, blessure, piqûre d’insecte, invasion de parasites peuvent provoquer des EMBOLIES • Les bulles interrompent la colonne d’eau et bloquent la circulation Ex: Chez le chêne, si un vaisseau de 300 µm de diamètre et 3 m de longueur est obturé ceci correspond à la mise hors service de 7680 vaisseaux de 75 µm de diamètre 10cm Cas de la maladie Hollandaise de l’Orme (progression d’un champignon) mardi 20 septembre 11 3. Conduction de la sève élaboré (SE) • Les feuilles constituent une véritable plaque tournante dans la circulation des sèves • Au niveau des nervures foliaires une large part des sels minéraux et une très faible quantité d’eau de la SB passent directement dans le phloème. • Les photoassimilats (saccharose, AA) sont drainés vers les éléments criblés. • Les cellules compagnes servent à mettre en charge le tube criblé • Les cellules du tube criblé servent à transférer les photoassimilats verts les tissus puits • Trajet des assimilats (nervure, pétiole, tige -->, organes puits) • Flux ascendant et descendant mardi 20 septembre 11 mardi 20 septembre 11 Hypothèse du flux de masse mardi 20 septembre 11 Le complexe cellule criblée - cellule compagne mardi 20 septembre 11 2 types de chargement dans le phloème des feuilles: • Via l’apoplasme impliquant le mouvement des solutés au travers de la Mb (type 2 fermé) • Via le symplasme impliquant l’utilisation de plasmodesmes (type 1 ouvert) • Le transfert des solutés dans le tube criblé : chargement du phloème via le symplasme Fréquences des plasmodesmes entre les différentes cellules d’un grain de riz. Plasmodesme entre CC et cellule du tube cribé Tissu de réserve (amidon) mardi 20 septembre 11 Chargement via l’apoplasme (Type 2): • La plupart des plantes sont de type « chargement apoplasmique » • Le complexe cellule criblée et cellule compagne (CC/CC) est isolé symplasmiquement des cellules du parenchyme. Chargement via l’apoplasme (pas de plasmodesmes entre BS et CC/CE Chargement via le symplasme SE: sieve element; VP: vascular parenchym;CC: companion cell; IC: intermediary cell (cellule compagne); BS: bundle sheath cell (cellule de la gaine périvasculaire) mardi 20 septembre 11 Hypothèse du flux de masse: La sève élaborée s’écoule en suivant un gradient osmotique depuis les nervures foliaires vers les organes et tissus sources mardi 20 septembre 11 C- Suivi des potentiels hydriques du sol, des racines et des feuilles au cours d’une sécheresse provoquée sur 6 jours 2 types de variations du Ψ pour le sol, des racines et feuilles : Potentiel hydrique (bar) • semaine • journalier Sécheresse Notion d’osmorégulation mardi 20 septembre 11 Jour Nuit Ψsol Ψracine Ψfeuille Temps en jour D- Notion d’osmorégulation: role dans la croissance et l’acclimatation à la sécheresse Ajustement du Ψ= -Π +P Ψ au cours du stress hydrique via l’augmentation de Π Epictèse: absorption de solutés minéraux ou organiques (osmolytes) Osmolyte ≠ Osmoticum Anatomose: Dissociation de macromolécules (Amidon --> Glucose) mardi 20 septembre 11 Néosynthèse: de molécules organiques (osmolytes ou osmoprotectants) Dimethyl sulfo propionate Proline Glycine bétaine Proline bétaine Choline-O-sulfate Sucres solubles: glucose, fructose saccharose Acides aminés: proline et … Pinitol mardi 20 septembre 11 Mannitol E- Turgescence - osmorégulation: forces motrices de l’allongement cellulaire Allongement cellulaire correspond à un accroissement de MF (eau) Apex racinaire EAU EAU mardi 20 septembre 11 Turgescence - osmorégulation: forces motrices de l’allongement cellulaire Cellule turgescence Entrée d’eau Diminution du Ψ = -Π +P Pression de turgescence forte Tension sur la paroi Ψ Extension de la paroi Osmorégulation Epictèse, Néosynthèse, Anatonose Augmentation de la Pression osmotique mardi 20 septembre 11 Allongement cellulaire Baisse de la Pression de turgescence
