Nutrition des plantes : Innover pour une agriculture compétitive et durable 15 & 16 novembre 2012 - Montpellier SupAgro INRA w w w. r e n c o n t r e s q u a l i m e d i t e r r a n e e. f r
Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes?
Le fer est un élément essentiel du monde vivant 4 ème élément le plus abondant sur la planète Fe = métal de transition Fe 2+ = fer ferreux, réduit Fe 3+ = fer ferrique, oxydé Impliqué dans toutes les réactions d oxydo-réduction et dans les chaînes de transfert d électrons des cellules Mais.
Le fer est un facteur limitant de la production de biomasse Fer = facteur limitant dans 30 à 40 % des océans pour la production primaire de phytoplancton (Martin & Fitzwater 1988 Nature 331: 341-343) Egalement facteur limitant pour la production de biomasse des végétaux supérieurs (Ravet et al 2009 Plant Journal 57: 400-412 )
Le fer est peu disponible ph > 7 Fe 3+ Fe 2+ Fe(OH) 3 insoluble 1 / 3 des sols cultivés sont concernés (sols calcaires) Carence en fer = chlorose inter-nervaire
La chlorose ferrique impacte le rendement et la qualité des produits végétaux Chloroplastes = organites des feuilles contenant la chlorophylle + photosynthèse : assimilation CO 2 ---> squelette C des molécules organiques + N et S assimilation ---> Synthèse des Acides Aminés et des Vitamines + Fe - Fe
La qualité des produits végétaux (contenu en fer) impacte la santé humaine La diète de 2/3 de la population mondiale repose sur des produits végétaux 100 g de farine de céréales contiennent moins de 10% de la recommandation journalière d apport de fer. En conséquence : 3 milliards d humains sont carencés en fer (retard du développement psycho-moteur, fatigue chronique, plus grandes susceptibilité aux infections ) source : http://www.who.int/nutrition/topics/ida/en/index.html
Le chlorose ferrique est réversible 50% de fer et de chlorophylle en moins dans les feuilles après dix jours de carence en fer Réversible 48 h après apport de fer.
Le fer en excès peut-être toxique (Superoxide ion ) Fe 2+ + O 2 Fe 3+ + O - 2 Fe 2+ + H 2 O 2 Fe 3+ + HO + HO - (Hydroxyl radical) Stress Oxydatif Reaction de Fenton Humains = hémochromatose Plantes = «bronzing» (Riz)
Les acteurs moléculaires de la nutrition en fer : acquisition du fer par les racines SOIL H + AHA2 H + FRO2 Fe 3+ Fe 2+ IRT1 ROOTS Fe 2+ NON-GRAMINEES Avantage écologique des graminées en sol calcaire PS Fe 3+ -PS Phytosiderophores TOM1 PS YS1 2 principes : réduction chélation Fe 3+ -PS GRAMINEES
Les acteurs moléculaires de la nutrition en fer : distribution entre organes et tissus Combinatoire de transporteurs membranaires et de petites molécules organiques (citrate et nicotianamine) affines pour Fe 2+ et / ou Fe 3+ (Curie et al 2009 Ann Bot 103: 1-11) Les 2 principes réduction et chélation s appliquent aussi à ce niveau
Les acteurs moléculaires de la nutrition en fer : répartition intracellulaire Trois compartiments clés du métabolisme cellulaire du fer : vacuoles, mitochondries et chloroplastes Répartition coordonnée du fer entre ces trois compartiments par transporteurs membranaires, petites molécules organiques affines du fer, en utilisant les deux principes de réduction et de chélation Machineries de biogenèse de l hème et des centre Fe-S dans chloroplastes et mitochondries = cœur du métabolisme cellulaire (respiration / photosynthèse) et donc de la production végétale (Briat et al 2007 Curr Opin Plant Biol 10: 276-282)
Les solutions agronomiques : cibler les variables réduction et / ou chélation Augmenter la disponibilité du fer du sol : acidification, amendements organiques (acides humiques) et phosphatés Pratique culturale : cultures alternées graminées / non graminées (avantageux pour non graminées mais pas l inverse) «Fer tilisation» : chélates organiques (Fe-EDDHA = sequestrène; monopole CIBA GEIGY (BASF depuis 2009) cher donc réservé aux cultures à haute valeur ajoutée apport annuel EDDHA entre dans la plante
Les solutions génétiques (amélioration des plantes) Variabilité naturelle du contenu en fer : pour les graines entre 5 et 22 mg x kg -1 chez le riz, 10 et 160 mg x kg -1 chez le maïs et 15 et 360 mg x kg -1 chez le blé (White and Broadley 2005 Trends Plant Sci 10: 386-593) Cependant les variétés cultivées ont faibles niveaux en fer = minimum journalier requis dans la diète pas atteint. [Fe] grains de blé stable entre 1845 et 1960, puis décroit rapidement depuis introduction des variétés à haut rendement (Fan MS et al 2008 J Trace Elem Med Biol 22: 315-324) Programmes amélioration contenu minéral des graines de légumineuses (introgression, utilisation marqueurs moléculaires)
Les solutions biotechnologiques (transgenèse) pour la nutrition des plantes Levée de chlorose et augmentation du rendement en grain d un facteur 8 de riz cultivé en sol calcaire après manipulation par génie génétique de ses propriétés de réduction (surexpression réductase ferrique des racines [Ishimaru et al 2007 PNAS 104 : 7373-7378]) de chélation du fer (augmentation production sidérophores par surexpression de la nicotiananmine aminotransférase [Takahashi et al 2001 Nature Biotech 19 : 466-469])
Les solutions biotechnologiques (transgenèse) pour la qualité des produits végétaux (Murgia (biofortification) et al 2011 Trends Plant Sci 17: 47-55) Plantes (laitue, maïs, riz, banane ) surexprimant les ferritines (Lucca et al 2002 J Am Coll Nutr 21: 184S-190S) crée un puits de fer induit les systèmes de transport des racines 1,5 à 3 fois plus de fer dans les organes ciblés (feuilles, graines) Nicotianamine (NA) et transporteur YSL = Facteur limitant pour acheminement Fe dans les graines Riz transgénique surexprimant NA synthase, YSL et ferritine = X [Fe] et [Zn] grains par 4,4 à 6 fois et 1,6 fois respectivement (Masuda et al 2012 Scientific Report 2 : 543)
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