Equipe AZOTE
Espèces modèles : Medicago sativa, Trifolium repens, Brassica napus, Lolium perenne
Mots-clés : azote, absorption, transport N, mise en réserve, modèle de fonctionnement
L'ensemble des actions a pour objectif d'identifier et de hiérarchiser les signaux impliqués dans l'absorption et la mise en réserve de l'azote. Le travail est entrepris en vue d’établir un modèle conceptuel capable d'intégrer, à tous les niveaux d'organisation (plante entière, peuplement, cycle de culture), les régulations intervenant entre l'absorption, la mise en réserve, et l'utilisation de l'azote pour la croissance. Cette approche est conduite simultanément sur le colza et deux espèces fourragères (luzerne, trèfle) :
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Le colza présente une forte capacité d'absorption racinaire du nitrate et paradoxalement une efficience de transfert de cet élément vers les tissus récoltés relativement faible. Ainsi, la perte d'azote par minéralisation des feuilles mortes (encore très riches en azote) peut atteindre plusieurs dizaines de kgN par ha, ce qui n'est pas sans conséquence sur le bilan environnemental de cette culture. La mise en réserve transitoire d’azote par la plante, préalablement à la chute des feuilles, pourrait contribuer à réduire les risques de retour vers l'environnement de cet élément tout en étant valorisée en terme d'augmentation de la quantité d'azote dans les tissus récoltés. L’objectif est alors d’identifier et de hiérarchiser les mécanismes impliqués dans l'absorption du nitrate et dans le remplissage en azote des siliques et d’établir un modèle conceptuel capable d’intégrer au niveau de la plante entière, du peuplement et du cycle de culture, les régulations intervenant entre l’absorption, la mise en réserve et l’utilisation de l’azote pour la croissance. Les sorties appliquées de ce travail visent à améliorer le bilan environnemental de cette culture en constante extension, et de proposer des indicateurs de fonctionnement pour la sélection variétales. |
Transport du nitrate
Les variations des capacités d’absorption du nitrate peuvent être suivies grâce à l’utilisation de 15N (mesure d'influx de nitrate), sur des plantes cultivées ou non en présence de nitrate.
Cette méthodologie permet de caractériser chez le colza un système de transport à forte affinité et de faible capacité (HATS) possédant une composante constitutive (CHATS) et une composante inductible (IHATS), et un système de transport à faible affinité et de forte capacité (LATS) ne possédant qu’une composante constitutive (CLATS). Dès lors, l’expression de certains des gènes (NRT1, NRT2) supposés coder ces transporteurs est suivie par Northern blot (32P) ou RT-PCR semi-quantitative, en réponses à diverses situations culturales.
Modélisation de l’absorption du nitrate
Un modèle mécaniste de l’absorption basé uniquement sur la disponibilité en nitrate dans le sol et sur le fonctionnement des différents systèmes de transport a été élaboré grâce au logiciel ModelMaker. Ce modèle intègre la participation de ces systèmes dans l’acquisition du nitrate et permet d’évaluer l’importance des différents facteurs endogènes et environnementaux susceptibles de moduler les capacités au cours d’un cycle de culture. L’élaboration de ce modèle est rendue possible grâce à l’utilisation d’une banque de données, et grâce à la caractérisation :
- des cinétiques d’absorption des différents systèmes de transport HATS et LATS,
- de la réponse de ces systèmes au cours du cycle de développement complet du végétal (ontogenèse),
- des lois d'actions de certaines variables environnementales (cycle nycthéméral, intensité du PAR, températures...).
Des travaux en cours visent à développer une modélisation de la répartition intra-plante de l’azote, et à identifier le déterminisme environnemental ou génétique des mécanismes sous-jacents.
Mobilisation de l’azote de réserve vers les tissus reproducteurs
Un marquage continu à l'azote 15 permet de quantifier la contribution de l'azote endogène et exogène à la croissance et au développement du colza, du stade C1 (montaison) au stade G5 (graines colorées) et de distinguer deux phases au cours du développement :
- une phase d'absorption importante de l'azote minéral qui se poursuit jusqu'au stade G1 (début de la formation des siliques). Cette phase se caractérise par une forte absorption d'azote exogène et par une remobilisation de l'azote endogène des feuilles sénescentes principalement au profit de la hampe, des inflorescences et du pivot, qui constituent par ordre décroissant les organes puits les plus importants pour l'azote mobilisé,
- une phase de mobilisation de l'azote accumulé dans les tissus végétatifs de la plante, à l'exception des racines secondaires, pour permettre à partir du stade G1 (début de la formation des siliques) le remplissage des siliques et des graines à une période où la plante cesse toute absorption d'azote exogène.
Certains travaux en cours visent à identifier les mécanismes de transport (acides aminés, saccharose) impliqués, leurs régulations, et le rôle des peptides phloémiques en terme de transduction des signaux et en terme trophique. Par ailleurs, l’étude de la sénescence foliaire, de son déterminisme et de ses conséquences, repose notamment sur l’utilisation d’indicateurs physiologiques (GS, GDH) et moléculaires pertinents (gènes SAG12 et CAB).
Nature de l’azote de réserve
Une mise en réserve transitoire d'azote sous forme protéique intervient chez le colza d'hiver, du stade C1 (montaison) au stade G1 (début de la formation des siliques). Une protéine de 23kDa semble impliquée dans ce stockage transitoire d'azote. Elle s'accumule en effet principalement au sein du pivot jusqu'à la fin de la floraison (stade G1), et sa synthèse est en partie favorisée par un recyclage interne d'azote résultant d'un processus de sénescence foliaire. Il s’agit d’une protéine glycosylée, présente sous deux isoformes de pi = 5,4 et 5,5 de séquences N-terminales identiques. Elle est remobilisée lors du développement et du remplissage des siliques, ce qui correspond au stade où le pivot passe de l'état de puits à l'état de source au vu de l'évolution de son contenu en azote. Ainsi, les produits d'hydrolyse de cette protéine pourraient contribuer au remplissage en azote des graines à une période où l'absorption d'azote est réduite.
Des travaux complémentaires visent à déterminer au niveau moléculaire et physiologique, les facteurs environnementaux, trophiques et phytohormonaux régulant la synthèse de cette protéine.
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Disponibilité des réserves N et dynamique de repousse
Le niveau de reconstitution des réserves N et C constitue une variable d'état initial qu'il est possible de modifier (en faisant varier la hauteur de coupe ou la nutrition azotée d'une luzerne par exemple). En disposant de plantes présentant des niveaux de réserves azotées et carbonées contrastés, il est possible de constater que l'accumulation d'amidon n'influence pas positivement la production de phytomasse aérienne. A l'inverse, des corrélations hautement significatives apparaissent entre la quantité d'N initialement présente, la mobilisation des réserves azotées, l'assimilation de l'N, et finalement la production de biomasse.
Chez les graminées étudiées, comme le ray-grass anglais, le processus semble plus complexe dans la mesure où la plante peut totalement compenser un faible niveau de réserves azotées par une augmentation de l'absorption du nitrate et de l'ammonium.
Protéines de réserve
Les teneurs en protéines solubles des organes laissés en place pr la coupe chutent d'environ 40% chez différentes espèces modèles au cours de la phase initiale de repousse. Cette protéolyse affecte plus particulièrement des protéines préférentiellement accumulées dans les organes sources (pivot de luzerne, stolons et racines de trèfle) et définies comme Vegetative Storage Proteins (VSP). Les principales investigations visent à établir la localisation sub-cellulaire, la contribution trophique au cours d'un cycle "coupe-repousse" ou "hiver-printemps", ainsi que la fonctionnalité éventuelle de ces VSP.
Régulations de la teneur en VSP
La modification des paramètres environnementaux à l’approche de l’hiver engendre de profondes perturbations internes qui aboutissent à une mise en réserve d’azote sous forme de VSP. Différents effecteurs caractéristiques de la transition automno-hivernale (héméropériode, température, qualité de la lumière…) ont été testés sur la teneur en VSP et l’expression génique correspondante.