Les moyens de défense contre le stress oxydant chez les plantes

plantes

Siess décrit en 1991 le stress oxydant comme étant un déséquilibre entre les

systèmes prooxydants (respiration cellulaire, radiation, xénobiotique) et antioxydants

(enzymes, vitamines, pigments…) en faveur des premiers et source d’effets toxiques

potentiels (Fig 15).

Les organismes utilisent des petites molécules (vitamines, chélateurs,…) et

différents systèmes enzymatiques pour piéger et gérer le stress oxydant (Fig 16)

(Mittler et al. 2004). L’élimination du radical superoxyde est catalysée par des

métallo-enzymes, les superoxydes dismutases (SOD) présentes dans tous les organismes

(Niviere and Fontecave 2004). Les SODs catalysent la formation de H

2

O

2

et d’O

2-

. H

2

O

2

est une molécule "signal" clé chez les plantes, caractérisée par un temps de vie

relativement long (Mittler et al. 2004, Foyer and Noctor 2005, Zimmermann and

Zentgraf 2005) dont la détoxication est assurée par les catalases et les peroxydases (Fig

16) (Foyer and Noctor 2005, Zimmermann and Zentgraf 2005, Imlay 2008). Ces

enzymes catalysent la transformation de H

2

O

2

en molécule H

2

O.

Figure 15 : Equilibre entre les antioxydants (AOX)

et les espèces réactives de l’oxygène (ROS) (Gill

and Tuteja 2010)

62

Figure 16 : Voies de gestion des espèces réactives de l'oxygène (ROS) au niveau des cellules végétales. Au

centre photo d’une cellule végétale (microscopie électronique { transmission).(1) L’oxydase alternative

(AOX) réduit le taux de production de O

2-

dans les thylakoïdes [chez certaines plantes, la superoxyde

dismutase (FeSOD) pourrait remplacer le CuZnSOD dans le chloroplaste]. (2). Les ROS qui échappent à ce

cycle et/ou qui sont produits dans le stroma, subissent le processus de détoxication par la SOD et le cycle

ascorbate-glutathion du stroma. La peroxyrédoxine (PrxR) et la glutathion peroxydase (GPX) sont

également impliqués dans la suppression du H

2

O

2

au niveau du stroma (3) Les ROS produits dans les

peroxysomes lors de la photorespiration, oxydation des acides gras ou autres sont décomposés par la SOD,

la catalase (CAT) et l'ascorbate peroxydase (APX). (4). En principe, le cytosol contient le même groupe

d'enzymes que dans le stroma.. (5) La SOD et d'autres composants du cycle ascorbate-glutathion sont

également présents dans les mitochondries. De plus, AOX empêche les dommages oxydatifs dans les

mitochondries Bien que les voies dans les différents compartiments soient presque toutes séparées les

unes des autres, le H

2

O

2

peut facilement diffuser à travers les membranes. Abréviations: DHA,

déhydroascrobate; Dhar, réductase DHA; FD, ferrédoxine; FNR, ferrédoxine réductase NADPH; GLR,

glutarédoxine; GR, la glutathion réductase; GSH, glutathion réduit; GSSG, glutathion oxydé; IM, membrane

interne; IMS, l’espace IM; MDA, monodéhydroascorbate; MDAR, MDA réductase; PSI, photosystème I; PSII,

photosystème II; Trx, thiorédoxine ; tyl, thylacoïdes ; V, vacuole; W, paroi cellulaire (Mittler et al. 2004).

Il existe chez les plantes un bagage enzymatique très varié et codé pour intervenir

en réponse aux éventuelles formations de ROS (Fig 16). Plus d’une de ces activités

(1) (2)

(3)

(5) (4)

63

enzymatiques peuvent être retrouvées dans chacun des différents compartiments

cellulaires (exemple des activités GPXs, PrxRs et APXs dans le cytosol et les

chloroplastes, et des activités APXs et CATs dans les peroxysomes; (Fig 16). De plus, des

études ont démontré que les ROS tel que le H

2

O

2

pouvaient très bien diffuser entre les

différents compartiments cellulaires, d’où cette nécessité d’avoir un bagage enzymatique

de défense réparti dans ces mêmes compartiments (Henzler and Steudle 2000).

a. Les peroxydases (POD)

Les plantes possèdent deux classes de peroxydases (classe I : intracellulaire ; classe

III : sécrétées dans les parois cellulaires) (Passardi et al. 2004). Les peroxydases (POD,

EC 1.11.1.7) sont des petites protéines qui catalysent la réduction à 1 électron des

peroxydes (R-OOH) en leur alcool correspondant (R-OH). Elles possèdent en général une

cystéine au niveau de leur site actif capable de réaliser une attaque nucléophile sur la

fonction peroxydique. Cette réaction conduit à la libération de R-OH ainsi qu’{ la

formation transitoire d’un acide sulfénique (R-SOH) (Wood et al. 2003). Cet acide

sulfénique réagit avec une autre cystéine pour former un pont disulfure. L’anion

peroxyde (H

2

O

2

) peut être transformé en H

2

O pas les catalases et différentes

peroxydases (gaïacol peroxydase, ascorbate APX, glutathion

peroxydase-GPX) (Landberg and Greger 2002). Les peroxydases sont ensuite régénérées par la

réduction des ponts disulfures selon deux grandes voies, celle des thiorédoxines et celle

du glutathion (Bindoli et al. 2008).

64

Figure 17 : Mécanisme de peroxydation au niveau des parois végétales (Passardi et al. 2004). (a) Les

peroxydases catalysent la régulation du H

2

O

2

(flèche orange/verte). Par ailleurs, les peroxydases oxydent

différents substrats (XH, i.e., monolignols, subérine, acide férulique…). Les radicaux produits (X) peuvent

conduire à la formation de liaisons entre les polymères des parois cellulaires et les protéines impliquées

dans les réactions de défenses. (b) Exemple de mécanisme de liaison catalysé par les peroxydases (R :

polysaccharide, XH : ferulate ester, X-X : 8-8-déhydroferulate ester).

Les peroxydases de classe III sont présentes sous formes solubles dans l’apoplaste

pariétal ou liées de façon covalente ou ionique à la paroi cellulaire (Passardi et al. 2004).

Ces peroxydases joueraient un rôle dans la protection des membranes des cellules

végétales face aux ROS (essentiellement H

2

O

2

) et catalysent la réduction de nombreux

substrats (composés phénoliques, précurseurs des lignines, auxines,…) (Hiraga et al.

2001). Ainsi, les peroxydases pourraient agir sur l’élongation cellulaire et intervenir

dans la formation des parois secondaires des cellules (lignification, subérisation,…) en

65

b. Glutathion réductase (GR)

La glutathion réductase NADPH-dépendante (GR, EC 1.6.4.2) permet de recycler le

glutathion oxydé (GSSG) produit au cours des mécanismes de détoxication (Chen and

Gallie 2004, Saruhan et al. 2009). Notamment, le GSSG est synthétisé lorsque les

glutathion-peroxydases catalysent la transformation de H

2

O

2

en H

2

O. Dès lors, la GR

assure la réduction du GSSG en 2 GSH utilisant le NADPH (provenant de la

photosynthèse) comme cofacteur (Fig 18).

La GR est un composant majeur dans le système enzymatique de défense contre les

ROS dans les cellules. Il a été décrit dans des études antérieures que l’activité GR

augmentait de façon conséquente chez de nombreuses espèces de plantes au cours de

différents types de stress appliqués (Khan et al. 2008). La GR joue un rôle important

dans la résistance aux stress oxydatifs générés par des facteurs environnementaux

naturels tels que l’ozone, les UV, la salinité ou encore le froid, mais également des

facteurs chimiques comme par exemple les métaux et les polluants organiques (Khan et

al. 2008).

Figure 18 :A. Schéma du recyclage du GSSG par la glutathion réductase après utilisation du GSH pour la

détoxication du H

2

O

2

par la glutathion peroxydase. B. Glutathion et métabolisme de la plante (Gill and

Tuteja 2010).

Glutathione reductase Glutathione peroxidase

66

Chez les plantes l’antioxydant le plus abondant est l’acide ascorbique (vitamine C)

qui est oxydé en déhydroascorbate (DHA). Il est rapidement régénéré par la

déhydroascorbate réductase (DHAR) qui requière du glutathion comme réducteur

(Mittler et al. 2004). La GR est par conséquent une enzyme clé de protection des cellules

contre les ROS en maintenant un ratio GSH/GSSG élevé (Apel and Hirt 2004, Foyer and

Noctor 2005, Lomonte et al. 2010). Les différentes voies de réponses faisant intervenir

la GR ont été largement étudiées et décrites au niveau biochimique et moléculaire

(Kotchoni and Gachomo 2006).

Dans le document Phytoremédiation des organochlorés. Etude mécanistique et fonctionnelle des capacités épuratrices du système plante-rhizosphère (Page 64-69)