Le coût énergétique du métabolisme primaire et de l'expansion vacuolaire : Des acteurs centraux pour le développement des feuilles de tomates en nutrition ammoniacale

Abstract

L'ammonium (NH4+) est une source d'azote d'un grand intérêt dans le cadre d'une agriculture durable. Son application en champs avec des inhibiteurs de nitrification s’est montré efficace pour limiter les pertes de N par rapport à l'utilisation de nitrate (NO3-). NH4+ est un intermédiaire commun impliqué dans de nombreuses voies métaboliques. Cependant, des concentrations élevées peuvent conduire à une situation de stress chez la plante provoquant un « syndrome ammoniacal », caractérisé par une croissance réduite. Ces symptômes sont causés par la combinaison, entre autres, d'une reprogrammation métabolique, d'une perturbation de la photosynthèse, d'une dérégulation du pH et d'un déséquilibre ionique. De nombreuses études ont décrit la façon dont la plante s’adapte à la nutrition ammoniacale. Cependant, le stade de développement des organes a été souvent négligé.Pour combler cette lacune, dans le premier chapitre nous étudions comment le métabolisme s’adapte en fonction de la position des feuilles sur l'axe vertical de plants de tomates (Solanum lycopersicum) cultivées en présence de NH4+, NO3- ou NO3NH4. Nous avons disséqué la composition de la biomasse foliaire et le métabolisme grâce à une analyse complète des métabolites, ions et activités enzymatiques. Nos résultats montrent que l'ajustement métabolique du C et du N en fonction de la source d'azote était plus intense chez les feuilles âgées par rapport au plus jeunes. Surtout, nous révélons un compromis entre l'accumulation de NH4+ et l'assimilation afin de préserver les jeunes feuilles du stress ammoniacal. Par ailleurs, les plantes alimentées en NH4+ présentaient un réarrangement des squelettes carbonés impliquant un coût énergétique élevé. Nous expliquons une telle réallocation par l'action du pH-stat biochimique, pour compenser la production différentielle de protons dépendante de la forme azotée fournie.La nutrition ammoniacale peut limiter l'expansion cellulaire. Entre autres, la croissance cellulaire dépend largement de la pression interne exercée par la vacuole sur la paroi cellulaire. Cependant, l’impact du stress ammoniacal sur la vacuole a été rarement abordé. Dans le second chapitre, nous évaluons l'effet de la nutrition ammoniacale sur le développement des feuilles en se focalisant sur l'expansion et le métabolisme vacuolaire. Pour cela, nous avons suivi le développement d’une feuille depuis son apparition jusqu'à son expansion complète avec du NH4+ ou NO3- comme seule source d'azote. Nous avons d’abord mis en évidence que la réduction de l’expansion cellulaire en nutrition ammoniacal était associée à des vacuole plus petite et aussi plus acide que celles recevant du NO3-. De plus, un modèle a été construit pour prédire l'équilibre thermodynamique de différentes espèces solubles de part et d’autre du tonoplaste. Le modèle intègre les volumes subcellulaires, les gradients électrochimiques et la formation de complexe ionique dans la vacuole afin de prédire les concentrations subcellulaires des ions, acides organiques et sucres mesurée dans la feuille. De plus, ces prédictions ont été validées avec des données obtenus par fractionnement non aqueux. Finalement, l’estimation des flux de soluté dans la vacuole nous a permis de démontrer que la déficience en malate dans les cellules des feuilles nourries avec NH4+ est central dans la limitation de l'expansion vacuolaire. De plus, nous concluons que le coût énergétique du transport de soluté dans la vacuole est plus élevé sous nutrition ammoniacale en raison du gradient électrochimique plus élevé généré de part et d’autre du tonoplaste. Ce travail souligne l'importance de considérer l'état phénologique des feuilles lors de l'étude du métabolisme de l'azote. De plus, notre approche place le contrôle du pH cytosolique et l'expansion des vacuoles au centre de l'adaptation des feuilles de tomate à ce stress et ouvre la voie à de futures études dans le domaine de la nutrition ammoniacal.