Figure 1.9 : Trajet de diffusion du CO2 dans la phase liquide cellulaire et structure du chloroplaste.
Les chloroplastes sont accolés à la membrane plasmique.
Thèse C. Piel CHAPITRE I
12
Considérant que le CO2 est majoritairement assimilé dans le parenchyme palissadique, la répartition des stomates entre les deux faces foliaires affecte la distance moyenne de diffusion du CO2, et donc potentiellement la limitation à sa diffusion. Ainsi, chez les feuilles bifaciales amphistomes, le CO2 peut accéder directement aux assises palissadiques par la face adaxiale, tandis que dans le cas de feuilles bifaciales hypostomes (majorité des ligneux), le trajet de diffusion moyen des molécules de CO2 est plus long, car il passe obligatoirement par le parenchyme lacuneux (Parkhurst, 1986).
D'autre part, une ouverture non uniforme des pores stomatique sur la surface foliaire, peut favoriser l'apparition d'un gradient latéral de pression partielle de CO2. Un tel comportement stomatique peut résulter par exemple d'une contrainte hydrique ou d'un signal hormonal comme l'acide abscissique (Daley, et al., 1989, Downton, et al., 1988a, Downton, et al., 1988b, Meyer et Genty, 1998, Mott, 1995, Mott, et al., 1993, Raschke, et al., 1990, Terashima, et al., 1988). Dans le cas de feuilles homobariques, le mésophylle n'est pas cloisonné et la diffusion entre aréoles est possible, ce qui permet la diffusion du CO2 d'une zone ou les stomates sont ouverts vers une zone ou ils sont fermés. A l'opposé, dans le cas de feuilles hétérobariques, la diffusion latérale est rendue impossible par le cloisonnement du mésophylle. Ce dernier cas favorise l'apparition de zones (aréoles) ayant une pression partielle de CO2 dans les espaces gazeux intercelulaires différentes, et une répartition hétérogène de l'assimilation du CO2 sur la surface foliaire (cf. Terashima, 1992 pour une revue).
Diffusion en phase liquide
Le coefficient de diffusion du CO2 à 25°C est environ 9000 fois inférieur dans l'eau que dans l'air (Nobel, 1991). Par conséquent, la diffusion du CO2 est beaucoup plus difficile dans la phase liquide. Toutefois, la distance de diffusion du CO2 en solution (de l'ordre du micromètre) est très largement inférieure à celle en phase gazeuse. Jusqu'à aujourd'hui, aucun mécanisme de transport actif du CO2 n'a pu être mis en évidence chez les plantes terrestres de type C3. On considèrera donc que le cheminement du CO2 dans la cellule se fait uniquement par diffusion. Les étapes de la diffusion du CO2 dans la phase liquide sont résumées dans la figure 1.9.
Une fois parvenu au niveau des paroi cellulaires, le CO2 passe en solution dans la phase liquide apoplastique liée au parois cellulaires. Le CO2 dans l'eau peu se trouver sous trois
formes : CO2, HCO3
et CO3
-. La concentration de carbone inorganique (CO2 + HCO3
+CO3 -) dissous dépend de la pression partielle de CO2 dans la phase gaz et de la température (loi de
Figure 1.10 : Rapport des concentration du CO2 et de l'HCO3- en fonction du pH à 25°C (d'après Nobel, 1991). La concentration totale de ces deux espèces est par contre
indépendante du pH.
25
20
15
10
5
0
5 6 7 8
[C
O2
]
/
[H
C
O3
- ]
pH
Thèse C. Piel CHAPITRE I
13
Henry), et est indépendante du pH. Dans la gamme de pH physiologique (inférieur à pH 8), les formes prédominantes sont le CO2 et l'HCO3
-, et le CO3
peut être négligé car le pK de la dissociation CO2/HCO3
est de 6,33 à 25°C, tandis que celui de la dissociation HCO3 -/CO3
est de 10,38 (Stumm et Morgan, 1996). Une enzyme, l'anhydrase carbonique, facilite l'équilibre entre CO2 et HCO3
-. Sa localisation est considérée comme majoritairement chloroplastique (voir Moroney, et al., 2001 pour une revue). Les propriétés de diffusion de ces deux espèces ne sont pas les mêmes dans la cellule, car la forme non ionisée (CO2) franchis les membranes biologiques beaucoup plus facilement que les formes ionisées (Nobel, 1991).
Les conditions dans l'apoplaste lié à la paroi sont acides, et le pH se situe dans la gamme pH=5 à 6,5 (Grignon et Sentenac, 1991, Pfanz et Dietz, 1986). Dans ces conditions, le rapport de concentrations entre CO2 et HCO3
varie entre 23 et 1 environ (figure 1.10). Les deux espèces peuvent diffuser dans la paroi, mais seul le CO2 peut franchir la membrane plasmique. A ce niveau, la conversion de l'HCO3
en CO2 peut être facilitée chez les plantes possédant une anhydrase carbonique périplasmique (Moroney, et al., 2001). La diffusion se poursuit ensuite dans le cytoplasme, jusqu'à l'enveloppe des chloroplastes. Ces derniers étant accolés à la membrane plasmique et la paroi, le trajet de diffusion cytoplasmique est très court (de 0,1 à 0,3µm , Nobel, 1991). Le pH cytoplasmique varie entre 7,2 et 7,6 (Pfanz, 1995) et est favorable à la formation d'HCO3
(ratio HCO3
-/CO2 variant entre 7 et 17). Là encore, la présence d'une anhydrase carbonique cytoplasmique (Moroney, et al., 2001) permet d'interconvertir l'HCO3- en CO2, qui seul peut diffuser au travers des deux membranes de l'enveloppe du chloroplaste.
Une fois l'enveloppe franchie, la diffusion a lieu dans le stroma jusqu'aux sites de carboxylation de la Rubisco. Dans les conditions de pH du chloroplaste (environ pH 8, Nobel, 1991), l'équilibre HCO3
-/CO2 est largement en faveur de l'HCO3
(cf. figure 1.10). Comme une grande quantité d'anhydrase carbonique est présente dans le stroma plastidial, il a été postulé que cette enzyme puisse avoir un rôle de facilitation de la diffusion du dioxyde de carbone dans le stroma (Cowan, 1986). En effet, après que le CO2 ai franchi l'enveloppe, l'anhydrase est en mesure d'accélérer sa conversion en HCO3
-, et ainsi d'atteindre beaucoup plus rapidement l'équilibre. Ainsi, une grande quantité d'HCO3
est rapidement formée, ce qui augmente la quantité totale de carbone inorganique (CO2 + HCO3
-) disponible pour la diffusion. La fourniture de dioxyde de carbone aux sites enzymatiques de la Rubisco n'étant plus dépendante uniquement de la diffusion du CO2, mais dépendante également de la diffusion de l'HCO3
-, lequel est présent en quantité largement supérieure au CO2 (cf. figure 1.10). Une fois au niveau de la Rubisco, l'anhydrase carbonique est en mesure de faciliter le