Copper tolerance in Agrostis capillaris L. Use in phytostabilization of Cu-contaminated soils

Abstract

L’objectif est d’identifier des déterminants moléculaires impliqués dans la réponse de plantes supérieures à un excès de Cu et d’élucider des mécanismes contrôlant la tolérance au Cu, en comparant 2 populations d’Agrostis capillaris de sensibilité différente à l'exposition au Cu, originaires d’un site contaminé au Cu (Métallicole, M) et d’un site non-contaminé (Non-Métallicole, NM). Les traits phénotypiques, le ionome et l’expression différentielle du protéome soluble ont été quantifiés dans les racines et les feuilles. L’excès de Cu affecte la croissance des 2 populations, mais les plantes M ont une plus grande biomasse quand l’exposition dépasse 10 µM Cu. Le Cu est retenu dans les racines, confirmant le phénotype d’exclusion d’A. capillaris. L’hypothèse d’un(e) plus faible prélèvement/accumulation du Cu dans les racines des plantes M est suggérée aux expositions moyennes, i.e. 25-30 µM Cu. Aux autres expositions, les concentrations en Cu sont similaires pour les 2 populations, mais les traits des plantes M indiquent un meilleur maintien de l’homéostasie du Cu dans les racines. Entre 1 et 30 µM Cu, les concentrations en Cu dans les parties aériennes restent inférieures à 30 mg kg-1 MS, et donc des populations d’A. capillaris seraient adaptées pour phytostabiliser des sols modérément contaminés en Cu. Aux plus fortes contaminations en Cu, le pâturage serait à déconseiller. Les concentrations foliaires en Cu des plantes M, qui sont similaires ou supérieures à celles des plantes NM, excluent la possibilité d’une plus faible translocation du Cu, mais accréditeraient un meilleur maintien de l’homéostasie du Cu dans les feuilles, et suggèrent un besoin plus important de Cu pour cette population. Pour les racines des 2 populations : (1) le métabolisme énergétique est modifié lorsque l’exposition au Cu augmente ; (2) la SAMS est induite par le stress Cu, ce qui peut stimuler la production de Nicotianamine et de GSH, mais aussi celle de l'éthylène. Dans les racines NM : (1) l'accumulation de G3PDH est diminuée aux fortes expositions en Cu, en ligne avec la surexpression de phosphoglucomutase aux expositions faibles et intermédiaires, indiquant un processus de glycolyse limité au-dessus de 25 µM Cu ; (2) l’accumulation est moindre pour des protéines du cycle de Krebs , i.e. Aconitases, succinate déshydrogénase, NADH déshydrogénase Fe/S protéine et de type V proton ATPase, alors que celle de plusieurs protéines chaperones s’accroît, i.e. CPN60-1, CPN60-2 et PDI ; (3) a méthionine synthase est moindre dans les racines NM, alors que la Cystéine synthase y est induite. Dans les racines M : (1) l'accumulation de G3PDH n’est pas limitée par l’exposition élevée en Cu; (2) la surexpression d'une -galactosidase, d'une saccharose:saccharose 1-fructosyltransférase et une 6-phosphofructokinase pyrophosphate-dépendante suggère que plusieurs enzymes coopèrent pour maintenir l'approvisionnement de la glycolyse et TCA sous contrainte Cu ; (3) l’accumulation de MDH et IDH produirait plus d'acides malique et citrique, contribuant à chélater le Cu libre dans les cellules ; (4) la surexpression d'un HSP70 aux expositions intermédiaires et élevées protégerait le métabolisme des protéines; (5) l'induction de 2 sous-unités du protéasome et une phytepsin, avec l’accumulation d'une peptidase à presque toutes les expositions, améliorerait la protéolyse ; (6) l’accumulation de l'ascorbate peroxydase et de la glutathion-S-transférase améliore les mécanismes antioxydants et de détoxification, tandis que leur plus forte accumulation d’aldéhyde déshydrogénase permettrait une meilleure dégradation des aldéhydes potentiellement toxiques. Dans les feuilles des 2 populations stressées par Cu: (1) l'accumulation d’OOE, du complexe cytochrome b6-f, de la protéine chlorophylle a-b binding et de la RuBisCO indique que le pouvoir réducteur ne peut être maintenu lors des réactions dépendantes de la lumière et l'assimilation du CO2 pour celles indépendantes de la lumière ; (2) l'accumulation croissante d’IDH suggère une respiration mitochondriale supérieure ; (3) le stress Cu induit l'accumulation de cystéine/méthionine synthases soulignant un besoin accru en acides aminés contenant du S. Pour les feuilles NM stressée par Cu: (1) les accumulations de sédoheptulose-1,7-bisphosphatase, Rubisco activase et phosphoglycérate proposent la baisse de la RuBisCO comme cause majeure de la moindre assimilation du CO2 ; (2) la baisse est plus brutale pour toutes les enzymes liées à la photosynthèse, tandis qu’une Ferredoxin-NADP réductase et une métalloprotéase FTSH2 s’accroissent ; (3) l’accumulation croissante de plusieurs enzymes glycolytiques et d’ATPases, ainsi que la stimulation de la voie des pentoses phosphates et du cycle de Calvin révèlent un besoin élevé en composés énergétiques ; (4) l’accumulation plus élevée du facteur 4A d'initiation eucaryote, des protéines ribosomale 50S L10 et GTP-binding protein TypA indique une demande de synthèse de protéines, cohérente avec l'accumulation croissante de protéines chaperones, i.e. ClpC2, 60 kDa chaperonine, chaperonine CPN60- 2, nucleoredoxin et PDI ; (5) les accumulations de cystéine synthase, glutamine synthétase, thiorédoxine et thiorédoxine peroxydase sont plus fortes. Dans les feuilles M stressées par Cu : une HSP70 mitochondriale est induite.