Réponses physiologiques des végétaux supérieurs aux stress métalliques. Caractérisation du rôle des parois cellulaires dans les statégies défensives des cellules de tomate (Solanum lycopersicum Mill.) face aux éléments traces métalliques ), Physiologic responses of higher plants to metallic stress. : role of cell walls in defensive strategy of tomato cells (Lycopersicum esculentum, Mill.) against heavy metal stress.

De
Publié par

Sous la direction de Henri Morvan
Thèse soutenue le 28 août 2009: Artois
Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution à l’étude prospective des effetsprovoqués par des éléments traces métalliques (Zn, Cd et Pb) sur des suspensions cellulaires detomate (Solanum lycopersicum, L.). L’objectif principal de l’investigation est de démontrerl’implication de la paroi dans la réaction de défense des cellules contre le stress métallique à l’instarde celles qu’elles sont capables de développer contre les agressions biotiques.Le premier chapitre a consisté à caractériser des paramètres quantitatifs (croissance, hydratation) etqualitatifs (viabilité, réactivité enzymatique) pour mettre en évidence les effets généralement nocifscausés par l’introduction des éléments traces métalliques (ETM) dans les milieux de culture aumoment de la phase exponentielle de croissance. Outre la diminution de la croissance (arrêt et mortcellulaire), l’état physiologique des cellules, apprécié par leur perte de turgescence, témoigne de lacapacité de tolérance des cellules de tomate vis-à-vis du Zn, par rapport aux deux autres ETM.Le second chapitre a permis de montrer que les cellules de tomate se sont défendues contreles agressions métalliques en augmentant leur biomasse pariétale, notamment en présence de zinc.En outre, la paroi apparaît dans tous les cas comme le principal compartiment de séquestration desETM en excès. La comparaison entre les trois espèces métalliques montre que les parois des cellulesde tomate retiennent mieux le cadmium que le zinc et le plomb.Le troisième chapitre, consacré à l’étude de la composition osidique des parois dans unchamp expérimental réduit aux plus faibles doses de zinc, a fourni des données inédites,notamment à propos des pectines extraites ou non par les procédés employés (CDTA, EPGase). Lesrésultats (quantités et caractéristiques des extraits pectiques) ont été discutés en fonction destraitements subis par les cellules mais également avec le souci de trouver des explications à larétention du zinc dans la paroi et un schéma de structure hypothétique de la paroi a été proposé.En définitive, ce travail répond à la question posée initialement et apparaît comme unepréparation à caractère académique d’un projet environnemental d’utilisation des végétaux pour laphytoremédiation.
-Tomate
-Zn
-Cd
-Pb
-Parois cellulaires
-Pectines
The aim of this work was to evaluate the effects of heavy metals (Zn, Cd, Pb) on tomato(Solanum lycopersicum, L.) suspension-cultured cells. The main objective was to demonstrate thattomato cells subjected to metal stress react by modifying their cell walls as they can do in responseof a pathogen attack.In the first chapter, cell parameters were characterized with both quantitative(growth, water content) and qualitative (viability, enzymatic activities) aspects to highlightdeleterious effects of heavy metal (HM) when added in the culture medium during exponential cellgrowth. In addition to growth reducing (growth break, turgor pressure loss and cell death), tomatocells have showed higher tolerance capacity to Zn compared to Cd and Pb.The second chapter demonstrated that tomato cells were able to protect themselvesagainst HM stress by increasing their cell wall biomass and also the HM amount retained by cellwall polymers. Cell walls appeared to assume important roles in HM accumulation (Cd>Zn>Pb)and could therefore limit their influx into the cells. Our results also suggested that HM fixation bycell walls was not only due to an increase in cell wall biomass but also to an improvement of itsbinding capacity.The last chapter, devoted to study the osidic composition of tomato primary cell walls forthe lowest Zn doses, has provided original data particularly about pectins. Results have beendiscussed in order to understand the binding capacity of cell walls in function of Zn treatments.Then, an hypothetical structure of tomato cell wall of cultured cells has been proposed.Finally, this work has answered to the initial question and has constituted a preparativestudy for next phytoremediation projects.
Source: http://www.theses.fr/2009ARTO0408/document
Publié le : mardi 1 novembre 2011
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UNIVERSITE D’ARTOIS
Faculté des Sciences Jean Perrin
Ecole Doctorale Biologie et Santé de Lille



Mémoire de thèse présenté pour l’obtention du
Doctorat de l’Université d’Artois
Discipline : Physiologie
Spécialité : Physiologie Végétale


par
Aurélie MUSCHITZ


Réponses physiologiques de végétaux supérieurs
aux stress métalliques.
Caractérisation du rôle des parois cellulaires dans les
stratégies défensives des cellules de tomate (Solanum
lycopersicum L.) face aux éléments traces métalliques.


Thèse soutenue le 28 août 2009


Rapporteurs :
Mr Jean0Claude LABERCHE, Professeur, Université de Picardie
Mr Stanley LUTTS, Professeur, Université de Louvain0la0Neuve

Examinateurs :
Mr Yannis KARAMANOS, Professeur, Université d’Artois
Mr Damien CUNY, Professeur, Université Droit et Santé 0 Lille2

Directeurs de thèse :
Mme Céline FAUGERON, Maître de conférences, Université de Limoges
Mr Henri MORVAN, Professeur émérite, Université d’Artois

UNIVERSITE D’ARTOIS
Faculté des Sciences Jean Perrin
Ecole Doctorale Biologie et Santé de Lille



Mémoire de thèse présenté pour l’obtention du
Doctorat de l’Université d’Artois
Discipline : Physiologie
Spécialité : Physiologie Végétale


par
Aurélie MUSCHITZ


Réponses physiologiques de végétaux supérieurs
aux stress métalliques.
Caractérisation du rôle des parois cellulaires dans les
stratégies défensives des cellules de tomate (Solanum
lycopersicum L.) face aux éléments traces métalliques.


Thèse soutenue le 28 août 2009


Rapporteurs :
Mr Jean0Claude LABERCHE, Professeur, Université de Picardie
Mr Stanley LUTTS, Professeur, Université de Louvain0la0Neuve

Examinateurs :
Mr Yannis KARAMANOS, Professeur, Université d’Artois
Mr Damien CUNY, Professeur, Université Droit et Santé 0 Lille2

Directeurs de thèse :
Mme Céline FAUGERON, Maître de conférences, Université de Limoges
Mr Henri MORVAN, Professeur émérite, Université d’Artois


RRRReeeemmmmeeeerrrrcccciiiieeeemmmmeeeennnnttttssss

Au terme de ce travail, je tiens à remercier les personnes qui y ont contribué.

Ainsi, je tiens à exprimer, en premier lieu, ma profonde gratitude envers le Professeur
Henri Morvan. Vous m’avez accueillie au sein de votre laboratoire dès la maîtrise, vous m’avez
permis de faire mes preuves et m’avez guidée jusqu’à aujourd’hui dans mon apprentissage de la
recherche. Votre sens critique, votre patience, votre confiance et votre soutien permanent ont
largement contribué à la réalisation de cette thèse et je tiens à vous en remercier très sincèrement.
Je tiens à souligner également combien j’apprécie vos grandes qualités humaines et vous remercie
pour les nombreux et divers enseignements que vous m’avez transmis tout au long de ces années.

Céline Faugeron, Maître de Conférences à l’Université de Limoges a accepté de co-
diriger ce travail, comme elle l’avait fait pour le DEA. Je vous remercie pour votre disponibilité,
vos nombreux conseils et vos encouragements durant ces cinq années de travail. Je vous remercie
également pour votre accueil chaleureux lors de mes séjours de stage au Laboratoire de Chimie des
Substances Naturelles de l’Université de Limoges. Je vous suis très reconnaissante de votre
gentillesse pour m’avoir reçue chez vous, de m’avoir offert votre amitié et de m’avoir fait découvrir
la belle région qu’est le Limousin!

Je voudrais ensuite témoigner ma reconnaissance à Monsieur le Professeur Jean-Claude
Laberche de l’Université de Picardie pour avoir accepté de participer à mon jury de thèse, d’avoir
expertisé ce manuscrit et établi un rapport écrit sur ce travail.

Ma reconnaissance s’adresse aussi à Monsieur le Professeur Stanley Lutts de
l’Université de Louvain-la-Neuve pour sa participation au jury en qualité de rapporteur. J’ai
apprécié travailler à vos côtés lors de vos passages à la Faculté de Lens et vous remercie pour
m’avoir fait bénéficier de vos conseils scientifiques à de nombreuses reprises.

J’adresse également mes remerciements à Monsieur le Professeur Damien Cuny du
Laboratoire de Botanique et Cryptogamie de l’Université de Lille2 et à Monsieur le Professeur
Yannis Karamanos du Laboratoire de Physiopathologie de la Barrière Hémato-Encéphalique
de l’Université d’Artois pour leur participation au jury et pour l’intérêt qu’ils portent à ce travail
en acceptant de le juger.

Une partie des expérimentations a été réalisée au Laboratoire de Chimie des Substances
Naturelles dirigé par le Professeur Pierre Krausz. Je vous remercie pour votre accueil au sein
de votre laboratoire. Je tiens à remercier également les membres de votre équipe, et en particulier
Vincent Gloaguen, pour l’accueil chaleureux qui m’a été réservé à chacun de mes passages à
Limoges.

Mon initiation à la spectrométrie d’absorption atomique a été réalisée au sein du
Laboratoire de Chimie Verte de l’Université d’Artois, dirigé par le Professeur Patrick Martin. Je vous remercie pour votre accueil au sein de votre laboratoire. Je remercie aussi sincèrement
Monsieur Christophe Douez pour sa contribution scientifique à cette partie de ma formation.

Je remercie également Madame Claudine Morvan, Chargée de Recherche CNRS à
l’Université de Rouen, pour son initiation et ses conseils précieux dans le domaine du traitement
et de l’étude des parois cellulaires végétales.

Mes remerciements s’adressent aussi à Monsieur le Professeur Roméo Cecchelli,
directeur du Laboratoire de Physiopathologie de la Barrière Hématho-Encéphalique, Président
du Conseil Scientifique de l’Université d’Artois, pour son soutien logistique qui a permis
l’aboutissement de cette thèse.

Je suis également très reconnaissante d’avoir pu bénéficier, tout au long de la thèse, de
contrats d’enseignements au sein de la Faculté des Sciences de Lens. Cette expérience
professionnelle fut très intéressante et a enrichi considérablement ma formation doctorale.
A ce propos, je tiens à remercier Ingrid Erouart pour le temps consacré à la préparation des
travaux pratiques de physiologie végétale, mes anciens enseignants, devenus collègues, pour leur
aide et leurs conseils pédagogiques, ainsi que l’ensemble du personnel administratif et technique de
la Faculté de Lens pour leurs aides ponctuelles et leur convivialité.
Un merci particulier à Sandrine Levasseur, préparatrice en Biochimie, pour les nombreux prêts
de matériel, verrerie, produits chimiques, … De cette manière, tu as toi aussi contribué au bon
déroulement de cette thèse. J’ai beaucoup apprécié travailler à tes côtés et te remercie sincèrement
pour ta grande sympathie et ton amitié.

Mes remerciements s’adressent également aux anciens membres de l’Equipe de
Glycobiologie et Physiologie Végétale qui ont contribué au quotidien à l’avancement de mes
travaux par leurs connaissances scientifiques et leur amitié :
-Céline Faugeron ;
-Jean-Claude Mollet, aujourd’hui Professeur à l’Université de Rouen, que je remercie
pour sa grande sympathie et ses nombreux conseils techniques, scientifiques et pédagogiques. Je
remercie également son épouse, le Docteur Concepciòn Sigüenza-Mollet pour ses conseils dans le
domaine du traitement biostatistique des résultats expérimentaux ;
-Lahouari Chaa, dont la gentillesse, la capacité de travail et la joie de vivre n’ont cessé
de m’impressionner. Ton amitié et ton soutien durant notre formation m’ont été très précieux. Tu
es maintenant Enseignant-Chercheur à l’Université d’Oran et jeune marié, je suis très fière de toi
et vous souhaite sincèrement, à toi et Fériel, tous mes meilleurs vœux de bonheur.

Enfin, je remercie tous mes proches, famille et amis pour avoir toujours été présents et
m’avoir encouragée et soutenue. Je dédie particulièrement cette thèse à mes parents, à ma petite
sœur Laurine et à Julien, mon compagnon. Grâce à vous, à votre soutien moral et matériel, je
suis arrivée à poursuivre des études supérieures jusqu’au plus haut niveau. J’espère que ce travail
est à la hauteur de votre confiance et de vos sentiments à mon égard. SOMMAIRE

Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des annexes
Liste des abréviations

Introduction générale p 1

Première partie - Synthèse bibliographique

Chapitre 1 : Les éléments traces métalliques et les végétaux
101 ETM étudiés : origine et phytodisponibilité p 5
10101 Origine p 5
10102 Phytodisponibilité p 7
102 Capture, transport et accumulation des ETM chez les plantes p 10
10201 Pénétration des ETM dans la plante p 10
10202 Translocation et accumulation des ETM dans al plante p 16

Chapitre 2 : Phytotoxicité des éléments traces et tolérance des plantes
2010 Phytotoxicité des ETM p 21
20101 Conséquences sur la croissance des plantes p2 1
20102 Le stress oxydatif p 23
202 Mécanismes de tolérance p 26
20201 Système anti0oxydatif p 26
20202 Autres mécanismes de tolérance p3 0

Chapitre 3 : Les parois cellulaires végétales – Structure, fonctions et
interactions avec les éléments traces
301 Définition et composition de la paroi végétale p 35
30101 Définition générale de la paroi p 35 30102 Composition chimique de la paroi primaire p 38
302 Rôles des parois cellulaires p 52
302010 Diversité des rôles de la paroi p 52
30202 Rôles de la paroi dans la compartimentation et la tolérance aux
ETM p 54

Seconde partie – Expérimentations et discussions des résultats

Chapitre 1 : Réponses physiologiques des cellules de tomate en suspension
aux stress métalliques
101 Matériel et méthodes p 59
10101 Entretien de la suspension cellual ire p 59
10102 Ajout des ETM p 59
10103 Mesure de l’état physiologique des cellules p 60
10104 Dosage des activités enzymatiques p 62
10105 Calculs statistiques p 64
102 Résultats p 65
10201 Effet des ETM sur la croissance cellulaire p 65
10202 Effet des ETM sur l’activité enzymatique des cellules de tomate p 72
103 Discussion p 78

Chapitre 2 : Distribution des cations métalliques dans la suspension cellulaire
0 Mise en évidence du rôle des parois dans la rétention du Zn, Cd et Pb
201 Matériel et méthodes p 91
20101 Culture cellulaire et ajout des ETM p 91
20102 Fractionnement du milieu p 91
20103 Fractionnement cellulaire p 92
20104 Méthodes d’analyse p 93
20105 Calculs statistiques p 97

202 Résultats p 98
20201 Répartition des ETM dans la suspension cellulaire p 98
20202 Distribution des ETM dans les celules de tomate p 100
20203 Evolution de la biomasse pariétael des cellules au contact d’ETM p 103
20204 Composition des parois en oses e tprotéines p 105
20205 Fixation des ETM par la fractionp ariétale totale p 109
20206 Capacité d’échange cationique des parois p 111
203 Discussion p 112

Chapitre 3 : Variations qualitatives des parois des cellules de tomate au
contact d’ETM – Cas du zinc
301 Matériel et méthodes p 123
30101 Culture cellulaire et introduction du zinc en excès p 123
30102 Préparation des parois cellulaires p 125
30103 Extraction des pectines p 126
30104 Extraction alcaline p 128
30105 Méthodes d’analyse p 129
30106 Calculs statistiques p 131
302 Résultats p 132
30201 Teneur en oses et composition des fractions pariétales RP3 p 132
30202 Analyse des extraits pectiques p 135
30203 Teneurs en oses et composition des fractions RP6 p 138
30204 Analyse des extraits pariétaux KOH p 140
30205 Analyse du résidu final RP7 p 141
303 Discussion p 143

Conclusion générale et perspectives p 149

Références bibliographiques p 155

Annexes Liste des figures

Figure 1 : Origine des ETM dans les sols. p 6
Figure 2 : Coupe transversale d’une racine montrant le transport des éléments traces
par voie symplasmique ou apoplasmique. p 12
Figure 3 : Schéma représentant les différents constituants des parois cellulaires
végétales. p 12
Figure 4 : Exemple d’agent chélateur : la nicotianamine. p 18
Figure 5 : Sites de production subcellulaires des formes réactives de l’oxygène dans
une cellule végétale. p 24
Figure 6 : Principaux dommages cellulaires induits par les espèces réactives de
l’oxygène et provoqués sur les lipides, les protéines et l’ADN. p 25
Figure 7 : Mode d’action des principales activités enzymatiques intervenant dans le
catabolisme des formes réactives de l’oxygène. p 27
Figure 8 : Fonctionnement coordonné de divers anti0oxydants chez les plantes. p 29
Figure 9 : Structure d’une phytochélatine. p 31
Figure 10 : Représentation schématique de la paroi. p 35
Figure 11 : Représentation simplifiée de la synthèse des précurseurs de lignines
(monolignols et acides hydroxycinnamiques). p 37
Figure 12 : Représentation schématique de la paroi primaire de type I, composée
essentiellement de microfibrilles de cellulose, d’hémicelluloses de type xyloglucanes,
de pectines et de glycoprotéines. p 39
Figure 13 : Molécule de cellulose et modélisation de l’assemblage des fibres
cellulosiques. p 40
Figure 14 : Représentation schématique du réseau cellulose / hémicellulose. p 41
Figure 15 : Exemple de xyloglucane. p 42
Figure 16 : Représentation schématique des trois domaines (HG, RG I et RG II)
constitutifs des pectines et de leurs agencements possibles au sein de la paroi. p 43
Figure 17 : Structure de l’HG. p 44
Figure 18 : Association de chaînes pectiques grâce aux structures en « egg0box ». p 45
Figure 19 : Représentation schématique de la structure des pectines. p 47
Figure 20 : Schéma d’un dimère de RG II formé via une liaison diester de borate se
formant entre les résidus apiose des chaînes A de chaque sous0unité de RG II. p 48
Figure 21 : Déméthylestérification des pectines par la pectine méthylestérase (PME). p 51 ·
Figure 22 : Effets des ETM (zinc, cadmium et plomb) sur la croissance de la
suspension cellulaire de tomate (masse fraîche, masse sèche et volume occupé par les
cellules dans le milieu de culture. p 66
Figure 23 : Fioles de culture de la suspension cellulaire de tomate récoltées après 4
èmejours de contact avec différentes concentrations en cadmium (11 jour de culture). p 67
Figure 24 : Photographies de cellules de tomate observées au microscope photonique
(G 100) après coloration au bleu d’Evans (0,1%). p 68
Figure 25 : Variations des activités enzymatiques des cellules de tomate au contact
de différentes concentrations en ETM (Zn, Cd, Pb). p 75076
Figure 26 : Schéma récapitulatif de la méthodologie de fractionnement utilisée pour
l’estimation quantitative de la répartition des ETM dans la suspension cellulaire. p 92
Figure 27 : Exemple de courbe de titration (pH = f(V )) et détermination du point NaOH
d’équivalence et du pKa par la méthode graphique des tangentes. p 97
Figure 28 : Evolution de la répartition subcellulaire des ETM dans les cellules de
tomate en fonction de la concentration extracellulaire en Zn, Cd ou Pb. p 102
Figure 29 : Estimation des fractions pariétales totales (FPT) en fonction des
différentes concentrations en ETM (Zn, Cd, Pb) introduits dans le milieu de culture. p 106
Figure 30 : Evolution des quantités de Zn, Cd ou Pb fixées par les fractions pariétales
01totales (FPT) (Nmoles.g FPT) en fonction des différentes concentrations en ETM
dans le milieu de culture. p 110
Figure 31 : Diagramme simplifié du protocole expérimental d’analyse des parois de
la suspension cellulaire de tomate. p 124
Figure 32 : Degré de méthylestérification (DME) des parois cellulaires de tomate
(RP3) en fonction de différentes conditions de culture des cellules. p 135
Figure 33 : Représentation structurale schématique de la paroi primaire des cellules
de tomate (témoin) cultivées en suspension. p 145







Liste des tableaux

Tableau 1 : Exemples de transporteurs membranaires d’ETM identifiés chez les
plantes. p 15
Tableau 2 : Quelques exemples de plantes hyperaccumulatrices pour témoigner des
niveaux seuils d’accumulation des ETM dans les feuilles. p 18
Tableau 3 : Composition du milieu de culture de la suspension cellulaire de tomate
d’après Murashige et Skoog (1962) modifié. p 60
Tableau 4A : Effets des ETM sur la viabilité et sur le taux d’hydratation des cellules
ème èmede tomate, évaluée au 7 ou 11 jour de culture. p 70
Tableau 4B : Effets des ETM sur les potentiels osmotiques externes et vacuolaires et
sur les potentiels de turgescence de la suspension cellulaire de tomate, évaluée au
ème ème7 ou 11 jour de culture. p 71
Tableau 5 : Répartition des ETM entre les cellules et le milieu de culture de la
suspension cellulaire de tomate. p 99
Tableau 6 : Evolution de la biomasse pariétale cellulaire totale (MS ) par rapport à la P
masse sèche cellulaire totale (MS ) en fonction des différentes concentrations en C
ETM (Zn, Cd ou Pb) dans le milieu de culture et pourcentages par rapport à leur
témoin respectif. p 104
Tableau 7 : Teneurs en acides uroniques et en protéines des fractions pariétales
cellulaires (FPC) obtenues à partir de cellules exposées pendant 4 jours à différentes
concentrations en ETM (Zn, Cd, Pb). p 108
Tableau 8 : Capacité d’échange cationique (CEC) et pKa des parois isolées et part de
la fixation des ETM dans la CEC. p 111
Tableau 9 : Teneurs en oses dans la fraction pariétale RP3 en fonction de la teneur en
Zn du milieu de culture de la suspension cellulaire de tomate. p 132
Tableau 10 : Composition monosaccharidique des fractions pariétales RP3 et
estimation de la proportion des principales catégories de polysaccharides pariétaux
(pectines, hémicelluloses et cellulose). p 133
Tableau 11 : Teneurs en oses dans les extraits pectiques PI et PC en fonction des
conditions de culture de la suspension cellulaire de tomate. p 136
Tableau 12 : Composition monosaccharidique des extraits pariétaux PI et PC et
estimation de la proportion des principales catégories de polysaccharides pectiques. p 137

Les commentaires (1)
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wessameltahadi

merci

dimanche 20 avril 2014 - 09:39

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