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Phytoextraction du plomb par les Pélargoniums odorants : Interactions sol-plante et mise en place d'outils pour en comprendre l'hyperaccumulation

De
200 pages
Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THÈSE En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse Discipline ou spécialité : Ecologie (Biotechnologie Environnementale) JURY M. Eric Pinelli, Professeur à l'INP-ENSAT, Toulouse, Président Mme Noëlle Dorion, Professeur à l'INHP-Agrocampus, Angers, Rapporteur M. Benoît Jaillard, Directeur de Recherche, INRA de Montpellier, Rapporteur M. Thibault Sterckeman, Ingénieur de Recherche, INRA de Nancy, Membre Mme Jean Kallerhoff, Maître de Conférences à l'INP-ENSAT, Membre Mme Camille Dumat, Maître de Conférences à l'INP-ENSAT, Membre M. Gilbert Alibert, Professeur Retraité de l'INP, Toulouse, Membre invité M. Jérôme Silvestre, Ingénieur d'études à l'INP-ENSAT, Membre invité ... (préciser la qualité de chacun des membres) Ecole doctorale : Sciences De l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace (SDU2E) Unité de recherche : UMR 5245, Laboratoitre d'Ecologie Fonctionnelle Directeur(s) de Thèse : Camille DUMAT / Jean KALLERHOFF Rapporteurs : Mme Noëlle Dorion et M. Benoît Jaillard Présentée et soutenue par Muhammad ARSHAD Le 10 juillet 2009 Titre : Phytoextraction du plomb par les Pélargoniums odorants : Interactions sol-plante et mise en place d'outils pour en comprendre l'hyperaccumulation

  • personnel administratif de l'ecole doctorale

  • phytoextraction du plomb par les pélargoniums odorants

  • lgit de grenoble pour les analyses complémentaires

  • inp-ensat


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Avant-propos  Ce travail a été réalisé dans le cadre d’une bourse Franco-Pakistanais, gérée par l’HEC (Higher Education Commission of Pakistan) et la SFERE (Société Française d’Exportation de Ressources Educatives). Cette thèse est rédigée en anglais,avec l’accord de l’école doctoraleSciences De l'Univers, de l’Environnement et de l’Espace (SDU2E), Université de Toulouse, France.
A mes parents, A ma famille, A Sumera
Remerciements Faire les remerciements… J’estime toujours très délicat de présenter des remerciements, qui ne sont ni fonction du temps passé à échanger, ni fonction du degré d’implication dans ce projet. De plus, il faut à la fois n’oublier personne et trouver les mots justes. Je vais essayer de faire passer ce sentiment de gratitude de
mon mieux ! Tout d’abord, je tiens à remercier Benoit Jaillard, Directeur de recherche à l’INRA de Montpellier, et Noëlle Dorion, Professeur à l’INHP d’Angers, pour avoir évalué ce travail en tant que rapporteurs. Je voudrais également remercier les autres membres du jury, Thibault Sterckeman, Ingénieur de Recherche à l’INRA de Nancy, Jérôme Silvestre, Ingénieur d’Etude à l’ENSAT et Gilbert Alibert, Professeur à la retraite de l’INP de Toulouse. Un remerciement spécial à Eric Pinelli, Professeur de l’INP de Toulouse pour avoir présidé ce jury. Pour finir, les dernier membres du jury et également mes encadrantes de thèse : Camille Dumat et Jean Kallerhoff, Maîtres de Conférences de l’INP de Toulouse, pour la confiance qu’elles m’ont témoigné tout au long de ce travail et leurs conseils. J’ai particulièrement apprécié nos discussions portant sur la science, le monde et la vie. Encore merci a Jean pour l’apprentissage en cultures in vitro. Un énorme merci à Jérôme Silvestre, qui est « Guru » (qui connais tout) au labo et avec qui j’ai passé du temps pour connaître le fonctionnement de nombreux ’appareils ; il a été toujours présent pour dépanner les phytotrons… Je remercie Alain Alric, David Baqué et Frédéric Julien ; sans leurs compétences, ce travail n’aurait pas été terminé. Merci également à George Merlina, Maritxü Guiresse, Laury Gauthier, Séverine Jean, Florence Mouchet, pour tous vos conseils et toutes nos discussions. J'aimerais exprimer ma reconnaissance envers nos collaborateurs Alain Jauneau et Yves Martinez de l’IFR40 de Toulouse, Sophie Sobanska du LASIR à Lille, et Geraldine Sarret du LGIT de Grenoble pour les analyses complémentaires réalisées au sein de leurs laboratoires. Je remercie tout le personnel administratif de l’Ecole Doctorale SDU2E, de l’ENSAT et de l’Institut National de Polytechnique de Toulouse (INPT), qui m'ont aidé
à accomplir mon travail dans de bonnes conditions. Je remercie également l’équipe de SFERE (Société Française pour l’Exploitation de Ressources Educatives) qui a géré les aspects financiers concernant la bourse pour les études doctorales, et l’HEC (Higher Education Commission of Pakistan) pour le financement de mes trois ans de thèse. Pour remercier Annick Corrège, je vais emprunter les mots de Bertrand « Que serait le labo sans toi ? Une seconde maman pour tous les thésards et stagiaires du labo, toujours prête à rendre service, n’hésitant même pas à interrompre ses interminables pauses-café... ». Je remercie tous les thésards (anciens et présents) au labo pour leurs échanges fructueux et leur soutien, particulièrement Muhammad Shahid, Gaëlle Uzu, Lobat Taghavi, Thierry Polard, Bertrand Pourrut, Timothée Debenest, Geoffrey Perchet, Marie Cecchi... Merci à tous les stagiaires qui ont participé à mon travail sur les sciences du sol et la biotechnologie : Robson, Armando, Braitner et Bénédicte. Je souhaite exprimer ma gratitude et mon amitié envers mes amis pour les encouragements et leur soutien tout au long de cette thèse : Muhammad Arif Ali, Muhammad Bilal, Ghulam Mustafa, Nafees Bacha, Hayat Khan, Hassnain Siddique, Rameez Khalid, Muhammad Ali Nizamani, …….et la liste continue ! Merci à tous. Very special thanks to my beloved wife Sumera Arshad who supported me through thick and thin. She sacrificed too much, particularly towards the end of my thesis when she facilitated me to write & complete my thesis in time. Thanks also to my son Muhammad Muizz who did not disturb too much during writing phase of the thesis. Enfin, Je remercie mes frères, mes sœurs et mes parents (Din Muhammad et Bashiran Bibi) en particulier pour le soutien moral et les prières qui, j’en suis sûr, étaient vraiment nécessaires pour bien finir ce travail. Muhammad Arshad
Table of contents INTRODUCTION ...................................................................................................................12Chapter 1 .................................................................................................................................... 7Literature review ....................................................................................................................... 71.1 Sources of lead contamination........................................................................................ 9 1.2 Hyperaccumulation and remediation.......................................................................... 10 1.2.1 Hyperaccumulator plants...................................................................................... 10 1.2.2 Remediation techniques......................................................................................... 12 1.2.3 Examples of Pb phytoextraction........................................................................... 14 1.3 Metal availability and uptake....................................................................................... 16 1.3.1 Effect of soil properties on metal bioavailability................................................. 18 1.3.2 Effect of root exudates and microbes.................................................................... 20 1.3.3 Effect of chelating agents on metal availability................................................... 21 1.3.4 Metal speciation...................................................................................................... 22 1.4 Metal detoxification, translocation and homeostasis.................................................. 23 1.4.1 Phytochelatins (PCs)............................................................................................... 25 1.4.2 Metallothioneins (MTs).......................................................................................... 26 1.4.3 Metal chelators........................................................................................................ 26 1.4.4 Metal ion transporters............................................................................................ 27 1.4.5 Oxidative stress mechanisms................................................................................. 29 1.5 Phytoremediation and Genetic Engineering............................................................... 30 1.5.1 Genes for phytoremediation.................................................................................. 31 1.5.2 Gene function discovery......................................................................................... 32 1.5.3 Genetic transformation procedure........................................................................ 32 1.5.4 Mechanism of genetic transformation.................................................................. 35 1.6 Research approach and objectives............................................................................... 36 Chapter 2 .................................................................................................................................. 39Identification of lead hyperaccumulators.............................................................................. 392.1.A field study of lead phytoextraction by various scented Pelargonium cultivars. Chemosphere 71:2187-2192.................................................................................................. 41 2.2.Perspectives................................................................................................................... 48 Chapter 3 .................................................................................................................................. 51Lead phytoavailability and speciation ................................................................................... 513.1Phytoextraction of lead by scented Pelargonium cultivars: availability and speciation. Submitted to Chemosphere.................................................................................................... 54 1. Introduction................................................................................................................. 56 2. Materials and methods................................................................................................ 58 3. Results........................................................................................................................... 62 4. Discussion..................................................................................................................... 73 5. Conclusion and perspectives....................................................................................... 76 3.2 Additional results........................................................................................................... 82 3.3 General discussion......................................................................................................... 83 Chapter 4 .................................................................................................................................. 85Tools for functional genomics of lead hyperaccumulation .................................................. 854.1(A) Choice of Explants................................................................................................... 87
4.2 (A)High efficiency Thidiazuron-induced shoot organogenesis from leaf explants of lead hyperaccumulator scented Pelargonium capitatum cultivars. Submitted to Plant Cell, Tissue and Organ Culture................................................................................................................. 88 Introduction..................................................................................................................... 90 Materials and methods.................................................................................................... 92 Results and discussion..................................................................................................... 94 Conclusion and perspectives......................................................................................... 103 4.4 (B) Genetic transformation of lead-hyperaccumulator scentedPelargoniumcultivars.............................................................................................................................. 109 Introduction................................................................................................................... 109 Materials and methods.................................................................................................. 113 Results and discussion................................................................................................... 118 Conclusions and perspectives....................................................................................... 129 LITERATURE CITED ......................................................................................................... 151ANNEXES .............................................................................................................................. 171Annex I: Arshad et al. 2008. 4th European Bioremediation Conference, Chania, Crete, Greece. 3-6 Sep, 2008.......................................................................................................... 173 Annex II: Arshad et al. 2008. 4th European Bioremediation Conference, Chania, Crete, Greece. 3-6 Sep, 2008.......................................................................................................... 177 Annex III: Arshad et al.2007. Info Chimie 482 : 62-65. .................................................... 181 Annex IV: Arshad et al. 2008. 4th European Bioremediation Conference, Chania, Crete, Greece. 3-6 Sep, 2008.Poster............................................................................................. 185 Annex V : Arshad et al. 2007. Pollutec, Nov, 27-30, 2007. Paris - Nord Villepinte, France. Poster................................................................................................................................... 186
List of figures Figure 1: Different sources of lead contamination. ............................................................... 10 Figure 2: Cross-section of root showing the passage of ions through apoplastic and symplastic pathways (Gobat et al, 1998)............................................................................... 17 Figure 3: Biogeochemical processes controlling availability of metals in soil-plant system 19 Figure 4: Schematic presentation of soil-plant interactions in the rhizosphere..................... 23 Figure 5: Schematic diagram ofAgrobacterium............ 33-mediated transformation of plants Figure 6:Agrobacterium36-mediated genetic transformation (Tzfira and Citovsky, 2006)..... Figure 7: Schematic presentation of the research approach .................................................. 37 Figure 8: Cropping device used for rhizosphere experiments. .............................................. 48 Figure 9: Cd concentrations in shoots and roots of scented Pelargonium cultivars .............. 82 Figure 10: A schematic presentation of possible strategies for improved phytoextraction... 84 Figure 11: Microscopic images of root cells ofPelargonium capitatumcultivar Attar...... 141 Figure 12: Schematic representation of the work focussed on understanding of soil-plant interactions........................................................................................................................... 142 Figure 13: Schematic presentation of optimized regeneration and transformation protocols ............................................................................................................................................. 143 Figure 14: Methodology outline for studying gene function for Pb hyperaccumulation by scentedPelargonium.......................................................................................... 145cultivars s Figure 15: Prospects for development of improved phytoextraction technique using scented Pelargoniumcultivars.......................................................................................................... 146
List of tables Table 1: Some examples of metal hyperaccumulating plant species. ................................... 11 Table 2: Cost comparison of some remediation techniques .................................................. 12 Table 3: Various phytoremediation strategies ....................................................................... 13 Table 4: Physiological changes in response to Pb exposure in plants................................... 24 Table 5: Metal ion transporters/genes/molecules involved in heavy metal detoxification / homeostasis in plants ............................................................................................................. 28 Table 6: Rooted plants (%) obtained from scentedPelargoniumcuttings after 30 days culture on different media/substrates..................................................................................... 53
List of abbreviations Association Française de NORmalisation Analysis Of Variance Anti sens 6 N -benzylaminopurine BioConcentration Factor Cation exchange capacity Dry matter Deoxyribonucleic acid Dissolved Organic Carbon Dry weight Elongation and rooting medium Environmental Scanning Electron Microscopy Extended X-Ray Absorption Fine Structure Hectare Hygromycin Hygromycin phospho-transferaseIndole-3-acetic acidInduced Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry Kanamycin Low Molecular Weight Organic AcidsMurashige and SkoogMetallothioneinsα-naphthaleneacetic acidneomycin phosphotransferase gene Optical density Organic matter Polymerase Chain Reaction Phytochelatins Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of CHemical substances
AFNOR ANOVA AS BAP BCF CEC DM DNA DOC DW ERM ESEM EXAFS ha Hyg hyp IAA ICP-OES Kana LMWOAs MS MTs NAA NPTII OD OM PCR PCs REACH
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