Etude des interactions entre la plante Arabidopsis thaliana (L.) Heynh et le ver de terre Aporrectodea caliginosa (Savigny) : application à la phytoremédiation de l’arsenic et de l’antimoine
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Thèse soutenue le 14 décembre 2009: Paris Est
L‘arsenic et l‘antimoine bien que n‘étant pas recensés parmi les polluants majeurs de l‘environnement sont souvent retrouvés associés à d‘autres contaminants. En France, et plus particulièrement dans la région Auvergne, de nombreux sites miniers où s‘effectuait l‘extraction de l‘antimoine sont désormais à l‘abandon. Pouvant présenter des risques pour les populations avoisinantes, leur réhabilitation est donc une mission d‘intérêt public. L‘idée de ce travail de doctorat est de tester l‘effet d‘un catalyseur : le ver de terre sur l‘efficacité des processus de phytoremédiation. En tant qu‘« ingénieurs du sol », ils sont à la base des processus de pédogénèse et peuvent donc assurer la restructuration du sol. De plus, de nombreuses études ont montré leurs effets positifs sur la production de biomasse végétale. Cependant, les mécanismes moléculaires responsables de cette acroissement de production demeurent méconnus. Un système expérimental novateur, jamais utilisé en Ecologie des Sols et couplant la plante modèle Arabidopsis thaliana (L.) Heynh et Aporrectodea caliginosa (Savigny), un ver de terre endogé commun des régions tempérées, a été mis en place afin de 1) identifier les principales voies métaboliques modifiées en réponse aux vers de terre et pouvant expliquer leurs effets positifs sur la croissance et le développement des végétaux, 2) étudier la nutrition minérale en fer et en phosphate, notamment au niveau des variations d‘expression des transporteurs de ces deux éléments, 3) tester ce système pour la phytoextraction de sédiments, issus d‘un ancien site minier, contaminés à l‘arsenic et à l‘antimoine. Les résultats montrent que l‘amélioration des processus de minéralisation est déterminante dans l‘accroissement de la biomasse d‘Arabidopsis thaliana qui se traduit aussi par une élévation des teneurs en azote dans les parties aériennes. Cependant, la présence de phytohormones, produites par des bactéries activées par leur transit dans le ver de terre semble également impliquée dans le renforcement de l‘absorption d‘azote. A l‘échelle moléculaire, les vers entraînent une surexpression du gène HBT, impliqué dans la division cellulaire et semblent diminuer le stress oxydant puisque la quantité de transcrits SOD Cu/Zn diminue. Les résultats montrent de plus que les vers de terre augmentent de façon significative l‘absorption et l‘accumulation de fer, de phosphate et d‘autres minéraux essentiels à la croissance du végétal. Moléculairement, l‘augmentation de l‘absorption des nutriments se traduit par une augmentation de la transcription de certains gènes codant des transporteurs tels que PHT1.3, qui est un transporteur de haute affinité pour le phosphate. Une augmentation de la transcription et également de l‘activité de la protéine FRO2, qui est à l‘origine de la chélation et de la réduction du fer a été observée. Dans les feuilles, les vers de terre induisent de manière systémique la surexpression d‘un transporteur de phosphate localisé dans les chloroplastes, PHT2.1 et la surexpression de transporteurs du fer appartenant à la famille des NRAMPs, notamment NRAMP1,2 et 6. Dans le contexte d‘une problématique de phytoremédiation, l‘effet des vers de terre sur la capacité de phytoextraction d‘Arabidopsis a été testé et, il ressort clairement de cette étude que les vers de terre permettent une meilleure absorption d‘antimoine et d‘arsenic. Cependant, ces deux métalloïdes tendent à rester dans les racines et ne sont que faiblement transferrés vers les parties aériennes. Cette formidable augmentation des concentrations en polluants dans les racines entraîne un retard de croissance considérable et affecte, dans une moindre mesure cependant, l‘activité photosynthétique et les échanges gazeux d‘Arabidopsis. Ainsi, ce travail de thèse a donc tout d‘abord démontré la sensibilité aux vers de terre de la plante modèle Arabidopsis thaliana. Ce système expérimental novateur offre de nouvelles possibilités de recherches dans le domaine des études des interactions entre les vers de terre et les plantes, notamment en raison de la grande diversité de mutants d‘Arabidopsis. De plus, ce travail a également permis de démontrer le rôle crucial de catalyseur que peuvent jouer les vers de terre en vue d‘optimisation des processus de phytoextraction
-Arabidopsis thaliana
-Aporrectodea caliginosa
-Arsenic
-Antimoine
-Expression de gènes
-Échanges gazeux
Arsenic and antimony do not belong to the major pollutants of the environment but are offen foun associated with other contaminants. In France, more specifically in Auvergne region, a large number of old mining site where antimony was extracted are currently abandoned. As they present several risks for the neighbourhood populations, their habilitaion appears to be essential. The main idea if this PhD work is to test a catalysor: the earthworms in order to increase phytoremédiation efficacity. As ?soils ingeniors?, they are involved in pedogenesis process and can lead to soil reorganization. Moreover, several studies have presented their positive effects on plant biomass. Nevertheless, the molecular mechanisms responsible of this production enhancement remain still unknown. An innovative experimental system, never used in Soil Ecology, using the model plant Arabidopsis thaliana (L.) Heynh and the endogeic temperate earthworms Aporrectodea caliginosa (Savigny) has been set up. This research work has three goals. First, identify the main metabolic pathway affected by earthworm presence and able to explain their positive effects on plant growth and development. Then, this research work focused on phosphorus and iron nutrition particularly by studing the molecular variation of several transporters of these elements. Lastly this system has been tested for phytoextraction of wastes from an old mining site polluted by arsenic and antimony. In the first part of this study, the mineralization process improvement appears to be a determining factor in Arabidopsis growth enhancement due to nitrogen increase in the shoots. Nevertheless, phytohormones producted by bacteria activated during their transit into earthworm gut seem to be involved in nitrate assimilation. At the molecular scale, earthworms enhance an overaccumulation of HBT transcripts involved in cell division and they seem to decrease the oxidative stress as SOD transcripts are underexpressed. The second part of this study focused on mineral nutrition. Results show that earthworms enhance significantly the uptake and accumulation of phosphorus, iron and other growth essential minerals. At the molecular scale, the nutrient uptake increase result in an increase of several transporters such as Pht1.3, which is a high affinity phosphate transporter and also an overexpression and an increase in enzymatic activity of the ferric chelate reductase protein FRO2. In the leaves, this experiment also show the overaccumulation of a phosphate chloroplastic transporter Pht2.1 and over expression of iron transporter belonging to the NRAMPS family, especially NRAMP1,2 and 6. Then, this system has been transposed to the phytoremédiation and earthworm effects have been tested on the phytoextraction properties of Arabidopsis. Earthworms allow a better uptake of arsenic and antimony. Nevertheless the pollutants tend to remain in the root system and are not translocated in the aerial part. This incredible increase in pollutant tissue concentration leads to a growth and development delay and affect the Arabidopsis photosynthetic activity. To conclude, this PhD work has first shown earthworm sensitivity of Arabidopsis. This innovative system offers new investigation possibilities in the interaction between earthworms and plant area, especially due to the large range of Arabidopsis mutants. Moreover, this work has also demonstrated the key role as catalysor that can play earthworms in order to optimize phytoremédiation process
-Arabidopsis thaliana
-Aporrectodea caliginosa
-Arsenic
-Antimony
-Gene expression
-Gas exchange
Source: http://www.theses.fr/2009PEST0064/document
UNIVERSITE PARIS EST
FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES
THESE
Pour obtenir le grade de docteur de l‘Université Paris Est
Spécialité : Sciences de l‘Univers et de l‘Environnement
Présentée par :
Ulrike JANA
Etude des interactions entre la plante Arabidopsis thaliana (L.) Heynh et le
ver de terre Aporrectodea caliginosa (Savigny) :
Application à la phytoremédiation de l’arsenic et de l’antimoine
Soutenue le 14 décembre 2009
Direction de thèse : Mr D. LAFFRAY, Professeur à l‘Université Paris Est-Créteil
et Mme A. REPELLIN, Maître de conférences à l‘Université Paris Est-Créteil
Equipe d’Ecophysiologie moléculaire (LEPM), IBIOS-BIOEMCO, UMR 7618
Jury :
M. P. Lavelle, Professeur, Université Paris VI Rapporteur
Mme S. Nardi, Maître de conférences, Université de Palerme, Italie Rapporteur
Mme H. Sallanon, Professeur, Université d’Avignon et Pays de Vaucluse Examinateur
M. P.M. Badot, Professeur, Université de Franche Comté Examinateur
M. D. Laffray, Professeur, Université Paris Est-Créteil Examinateur
Mme A. Repellin, Maître de conférences, Université Paris Est-Créteil Examinateur
A la mémoire de mon père
A ma mère
A Romain
REMERCIEMENTS
Ce travail achevé, je tiens à remercier tous ceux qui d’une façon ou d’une autre ont
contribué à sa réalisation :
Le Docteur Anne Repellin pour m’avoir proposé ce passionnant sujet de thèse. Elle a su
encadrer ce travail en apportant son expérience scientifique sur une thématique nouvelle
pour notre équipe. J’ai beaucoup apprécié ses qualités humaines et professionnelles, sa
disponibilité et la confiance qu’elle m’a accordée.
Le Professeur Daniel Laffray qui a partagé cet encadrement de thèse. Grâce à son
enthousiasme, ses précieux conseils et ses encouragements, il a su me transmettre le virus de
la Physiologie végétale. Qu’il trouve ici toute ma gratitude.
Un grand, grand merci au Professeur Yasmine Zuily-Fodil, ma directrice de laboratoire,
qui a cru en moi et grâce à qui j’ai pu obtenir cette thèse.
Mes remerciements vont également aux membres de mon jury, le Professeur Serenella
Nardi, le Professeur Huguette Sallanon, le Professeur Pierre-Marie Badot et le Professeur
Patrick Lavelle pour avoir pris le temps de lire et d’évaluer ce travail. Qu’ils soient assurés
de ma profonde reconnaissance.
L’aboutissement de ce travail ayant impliqué plusieurs collaboration, je souhaiterais
également exprimer toute ma gratitude au Docteur Sébastien Barot pour toute l’aide qu’il
m’a fournie pendant cette thèse mais également avant, pendant mon stage de master II et aux
Docteurs Maryse Castrec-Rouelle et Emmanuel Aubry, chercheurs à Paris VI, pour m’avoir
accueillie si chaleureusement dans leur laboratoire et m’avoir formée aux techniques de la
chimie inorganique.
Je n’oublie pas non plus l’équipe de l’ADEME : Frédérique Cadière, Cécile Grand et
Philippe Bégassat pour le projet de réhabilitation qu’ils m’ont confié. Ce projet a pour moi
été un révélateur et m’a donné envie de poursuivre dans cette thématique.
Je souhaiterais également remercier toute l’équipe du LEPM qui m’a permis de
travailler dans les meilleures conditions qu’il soit :
- Le Docteur Chantal Passaquet avec qui j’ai partagé bien plus qu’un bureau durant
ces trois années. Merci pour tes précieux conseils mais surtout merci pour ton
optimisme et ta bonne humeur permanente,
- Les Docteurs Dominique Contour-Ansel, Anh Pham-Thi et Maria Helena Cruz de
Carvalho pour leurs conseils scientifiques et leur gentillesse,
- Judicaëlle, pour ses relectures précieuses,
- Biet, Georges, Kim et Rafiq pour leur bonne humeur permanente qui m’a permis de
décompresser quand cela était nécessaire,
- Fryni Grekis pour toute l’aide administrative qu’elle m’a fournie pendant ces trois
années.
Je tiens également à remercier tout les membres du projet ADEME et notamment Vincent
Chassany pour son sérieux inébranlable dans les situations d’urgence (…) et Simon
Boudsocq toujours partant pour quitter son univers de la modélisation et donner un coup de
main sur le terrain.
Je dédie cette thèse à l’ensemble de mes amis et à l’ensemble de ma famille, et plus
particulièrement à ma mère, qui a toujours cru en moi et qui m’a donné les moyens d’arriver
jusqu’ici, mon beau père Christian qui m’a appris à ne pas me contenter du minimum mais à
viser l’Excellence, et mon petit frère Cyprien pour la joie qu’il m’a apportée toute ces années.
Enfin, je remercie Romain pour m’avoir soutenue au quotidien et m’avoir remotivée dans
les moments difficiles.
ABREVIATIONS
ABA acide abscissique
ACC 1-aminocyclopropane-1-acide carboxylique
AIA acide indole 3 acétique
EDTA ethylene diamine tetraacetic acid
FIT Fer-like Iron deficiency induced Transcription factor
FRO ferric reductase
glutamate synthase GOGAT
cHATS constituve high affinity transporter system
iHATS inductive high affinity transporter system
iron regulated transporter IRT
LATS low affinity transport system
NR nitrate reductase
NiR nitrite reductase
NNP nitrate nitrite porter
NRAMP natural resistance associated macrophage protein
MS Matière sèche
phytochelatine PC
PGPR plant growth promoting rhizobacteria
PLDα phospholipase D α
reactive oxygen species, espèce active de l‘oxygène ROS
RWC relative water content
SOD super oxide dismutase
ZIP ZRT, irt-like protein
LISTE DES ILLUSTRATIONS
FIGURES
Figure 1 : Modèle simplifié des effets physiques, chimiques et biologiques des vers de terre
sur le sol avec leurs effets potentiels sur la croissance et la nutrition de la plante (d‘après
Syers et Springett 1983) ............................................................................................................. 7
Figure 2 : Visualisation des trajets empruntés par les nutriments dans une racine. Les flèches
fines symbolisent le trajet apoplastique, les flèches en gras le trajet symplastique et les flèches
dans un cercle les transports actifs (Hopkins et Evrard 2003) ................................................. 15
Figure 3 : Modèle d‘un transporteur de phosphate contenant douze domaines
transmembranaires et une large région hydrophile (d‘après Raghothama 1999) ..................... 25
Figure 4 : Réponses à une carence en fer (Guerinot 2007). En haut la réponse caractéristique
d‘Arabidopsis thaliana. En bas, la réponse caractéristique d‘une Poacées : le maïs .............. 29
Figure 5 : Structure hypothétique de la protéine FRO2 associée à la membrane plasmique
(MB, Robinson et al. 1999). Cette protéine est constituée de 725 acides aminés. Le site de
liaison avec le FAD ainsi qu‘une région hautement conservée adjacente au site de fixation du
NADPH ont été mis en évidence. Les ronds blancs symbolisent les quatre résidus histidine
responsable de la coordination entre les deux groupes hèmes (barres blanches) ..................... 30
Figure 6 : Schéma des mécanismes possibles de l‘absorption de l‘arsenic par les cellules
végétales (d‘après Zhao et al. 2009) ........................................................................................ 45
Figure 7 : Cartographie des quatre lagunes de l‘ancien site minier d‘Ouche. Les points
d‘échantillonnage sont localisées au centre des îlots repères. Les quatres lagunes sont
indiquées par les sigles L1, L2, L3 et L4. ................................................................................ 57
Figure 8 : Disposition des tranchées réalisées dans les îlots de végétation considérés comme
repères sur les lagunes de résidus miniers du site d‘Ouche (Cantal, France). Les tranchées
représentent les deux diamètres perpendiculaires des cercles conc
