Assimilation de l'azote Flashcards
pools d’azote
- atmosphère
- azote du sol
- azote dans la biomasse
- échange entre ces 3 pools = cycle de l’azote
fixation biologique de l’azote
- incapacité des plantes à utiliser N2 atmosphérique
=> propriété de certains procaryotes = diazotrophes
Diazotrophes
- 90 genres de bactéries qui possèdent l’enzyme nitrogénase
- Bactéries libres ( Azotobacter, Rhodospirillum)
- Bactéries symbiotiques
=> Nostoc (Cyanobactéries) avec Collema (champignon) <==> lichen
=> Anabaena (Cyanobactérie) avec Azolla (fougère aquatique)
=> Rhizobium sur les légumineuses (lentilles, trèfles, …) et Frankia (Actinobactéries) sur certains ligneux (Alnus, Cassuarina, …) avec formation de nodules sur les racines
Établissement de la symbiose
- Formation d’un nodule => structure multicellulaire résultant de l’infection de la racine par des bactéries du type Rhizobium (gram (-))
- Spécificité d’hôte et ou du symbionte bactérien
- Formation d’un nodule fonctionnel en 3 étapes
1- colonisation et initialisation du nodule = phase précoce
=> flavonoïdes émis par la racine pour attirer des bactéries par chimiotactisme
=> présences de lectines complémentaires à des polysaccharides bactériens pour la reconnaissance
2- invasion de la racine par les bactéries
=> filaments d’infection pecto-cellulosique qui isole les bactéries du cytoplasme
=> fusion du filament avec la paroi ce qui permet la colonisation d’autres cellules par la voie apoplastique
3- libération des bactéries et formation du bactérioïde
=> libération dans le cytoplasme par endocytose
=> arrêt des divisions et formation de vésicules isolées par une membrane spécifique = membrane péribactérienne
=> formation d”un réseau vasculaire permettant les échanges entre la bactérie et la racine
Mécanisme de fixation de l’azote gazeux
N2 + 8 e(-) + 8 H(+) + 16 ATP –> 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi
=> Réaction irréversible catalysée par la nitrogénase
Nitrogénase
=> 10% des protéines solubles du bactérioïde
- propriété de fixer C2H2 en C2H4
- complexe constitué de l’assemblage de 3 protéines
=> dinitrogénase-réductase => ferroprotéine de 120 kDa (2 su identique de 60 kDa)
=> dinitrogénase => ferro-molybdo-protéine de 220 kDa ( 2×2 su différentes (2×51 kDa + 2×59 kDa))
=> ferrédoxine (chez les bactéries symbiotiques) ou FAD (chez les bactéries libres) => apporte un pouvoir réducteur
- Consommation de 2 ATP / e(-) transporté
Devenir de l’azote ammoniacal
- Transfert du bactéroïde vers le cytosol des cellules de la racine
*Incorporation des composés organiques via le cycle GS-GOGAT
=> permet la synthèse de différents acides aminés (E, D, Q, N)
=> synthèse de composés riches en azote (= uréïdes) (ex: acide allantoïque, allantoïne)
gènes impliqués dans la formation et le fonctionnement du nodule
=> essentiellement présents sur un plasmide de la bactérie => symplasmide
gène nod
- gènes impliqués dans la reconnaissance entre la bactérie et la plante-hôte et la formation du nodule
- 3 classes
=> gènes communs nod A, B ou C
=> gènes nod spécificité d’hôte : nod E à Z
=> gènes nod régulateurs : nod D
gènes communs nod A, B ou C
- mise en place du nodule
- présents chez toute les bactéries symbiotiques (Rhizobium, Brodyrhizobium, Frankia, …)
gènes nod spécificité d’hôte : nod E à Z
- détermine le spectre d’hôte de la souche bactérienne
- Mutation dans ces gènes => altération du spectre d’hôte (transfert possible d’une espèce à l’autre)
gènes nod régulateurs : nod D
- régulent l’expression des autres gènes nod qui sont activés de façon spécifique par dar des exxudants racinaires (= flavonoïdes, variables selon les plantes)
ex: luezerne –> luteloïne, chalcone
soja –> daïdzéine, génistéine
Flavonoïdes −−> nod D −−> nod A-B-C + nod E-Z
Réponse de la plante
- Reconnaissance des signaux bactériens et formation du nodule
=> activation de gène spécifiques dans les cellules racinaires infectées = nodulines
early nodulin = formation du nodule (PRP, Péroxydase, …)
late nodulines = fonctionnement du nodule (utilisation de N)
Fonctionnement du nodule
Nitrogénase inhibée par O2 −> nécessité environnement anaérobie
=> synthèse de la mb péribactérienne qui limite la perméabilité de O2
=> synthèse de leghémoglobine par la plante (permet de maintenir la concentration d’O2 libre très faible dans le bactérioïde)
- Synthèse par la bactérie de gènes (fix) contrôlant la transcription des gènes (nif) codant pour les différents constituants de la nitrogénase
- Synthèse d’autres nodulines tardives (ex: PEPc racinaire)
assimilation de l’azote par les plantes
- les plantes sont incapables de fixer N2
=> utilisation de l’azote du sol - Utilisation directe de N2 après transformation en NO3(-) et NH4(+) (par les orages, les éclairs, les symbiose, …)
*Sol = réserves importantes (2-20 tonnes d’azotes / ha de sol arable (environnement où la racine peut se développer) - 2 pb:
=> azote essentiellement sous forme non utilisable par les plantes mais mobilisée en partie (bactéries du sol, activité du sol, …)
=> prélèvement des récoltes d’où diminution des teneurs en azote –> nécessité d’apporter des engrais (100 - 200 kg d’azote / hectare) - Plantes capable d’absorber NO3(-) et NH4(+)
=> azotes généralement disponibles sous forme NO3(-) car NH4(+) piégé dans le sol par le complexe argilo-humique)
=> nitrate = voie d’entrée de l’azote inorganique chez les végétaux
=> régions tempérées, sol aéré : NH4(+) −−> NO3(-) par les bactéries du sol
=> sol mal aéré ou drainage inefficace : accumulation de NH4(+)
Réduction du nitrate en nitrite
NO3(-) + NAD(P)H −−> NO2(-) + NAD(P)(+) + H2O
=> enzyme : nitrate réductase
=> réaction toujours cytosolique à pH optimal = 7.5
- 2 types de plante en fonction du lieu d’assimilation
=> herbacées => principalement les feuilles
=> ligneux et légumineuses => principalement dans les racines
réduction du nitrite en ammonium
NO2(-) + 6 e(-) + 6 Fd (red) + 8 H3O(+) −−> NH4(+) + 6 Fd (ox) + 10 H2O
=> enzyme : nitrite réductase (Ferrédoxine)
=> localisation: plaste
=> Nitrite –> toxique pour la plante => stockage dans les chloroplastes (feuilles) ou autres plastes
Assimilation de l’ammonium
- Réduction du nitrate = voie prépondérante de l’assimilation chez les plantes en absence de symbiose (nodule et/ou mycorhize)
- 2 voies d’incorporation de l’ion ammonium :
=> Voie de de la Glutamate déshydrogénase (GdH)
=> Voie de la GS/GOGAT
Voie de la glutamate déshydrogénase
alpha-cétoglutarique + NH4(+) +NAD(P)H <==> Glutamate + NAD(P)(+) + H2O
=> enzyme : glutamate déshydrogénase
=> localisation dans le chloroplaste pour la GdH à NADPH => formation de glutamate
=> localisation dans la mitochondrie pour la GdH à NADH => catabolisme du glutamate en alpha-keto-glutarate
Voie de la glutamine synthétase / glutamate synthase (GS/GOGAT)
i) Glutamate + NH4(+) + ATP −−> Glutamine + ADP + Pi
=> si enzyme : Glutamine synthétase (GS) => nécessite ATP
=> si enzyme : glutamate synthase (GOGAT) => ne nécessite pas d’ATP
ii) Glutamine + alpha-keto-glutarate + NADH ou Fd (red) −−> 2 Glutamate + NAD(+) ou Fd (ox)
=> enzyme Glutamate Oxoglutarate Amino Transférase (= glutamate Synthase)
- Localisation GS => cytosol des cellules racinaires (GS1)
=> dans le cytosol (GS1) ou les plastes (GS2) foliaires - Localisation GOGAT
=> Fd-GOGAT : chloroplastes
=> NADH-GOGAT : plastes des tissus non-chlorophylliens
Choix GdH ou GS/GOGAT
- La voie du GdH a un Km (NH4(+)) = 10 à 17 mM
*La voie du GS/GOGAT a un Km (NH4(+)) = 15 µM - Valeur très élevée pour la GdH et concentration toxique pour la plante mais pas chez les champignons
=> voie de la GdH chez les champignons
=> voie de la GS/GOGAT majoritaire chez les plantes, présence de la GdH pour oxyder le glutame en alpha-kéto-glutarate - 3 possibilités pour les symbioses mycorhiziennes
1- Champignon: Voie du GdH pour former un glutamate + Voie Gs pour former de la glutamine et transmission de la glutamine au végétal qui le retransforme en Glutamate via la voie GOGAT
2- Champignon: Voie du GdH pour former un glutamate et transmission du glutamate au végétal qui le retransforme en pour ses besoins en Glutamine via la voie GS/GOGAT
3- Le champignon transmet directement NH4(+) au végétal qui utilise la voie GS/GOGAT pour le transformer
