Les réponses cellulaires et moléculaires associées au « chilling stress »

Les basses températures modifient le métabolisme et plus précisément initient ou accélèrent les processus de dégradation (Raison et Glenda. 1990). Le froid diminue la vitesse des réactions enzymatiques, perturbe le métabolisme respiratoire, modifie la structure et la composition des membranes et altère ses propriétés. Le froid influe également sur la production de molécules toxiques, la quantité de molécules et enzymes antioxydantes ainsi que sur l‟expression de gènes et de protéines spécifiques. Ces événements ont des conséquences importantes sur les processus biologiques, l‟équilibre physiologique des cellules et leur intégrité (Ruelland et al., 2009 ; Sevillano et al., 2009).

a) Modification des membranes

Dès 1964-65 Lyons et col. ont émis l‟hypothèse que le froid affecte en premier les propriétés physiques et physiologiques des membranes mitochondriales et lipidiques. En 1973, Lyons et Raison proposent « la théorie des membranes » comme réponse primaire initiée par le stress au froid. Les constituants lipidiques des membranes subissent un changement thermotropique avec un passage d‟une phase liquide cristalline à une phase solide gélifiée (Figure 19). Cette structure particulière rigidifie les membranes et perturbe la conformation des protéines structurales insérées dans la bicouche ou des enzymes régulatrices proches de celles-ci. Ce changement de conformation tend à désactiver les enzymes, ou à ralentir leur activité. De plus la surface des membranes présenterait des lipides plus rapprochés ce qui pourrait changer le champ de charges à l‟intérieur des membranes et forcerait les ions à passer au travers pour maintenir un certains équilibre (Wolf. 1978).

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A ces changements de conformation et de structure des membranes cellulaires est associé une modification de la composition lipidique des membranes (Figure 20) (Marangoni et al., 1996 ; Sevillano et al., 2009). Le froid induit des changements dans le rapport acides gras saturés/insaturés (augmentation de l‟index de saturation des acides gras) et stérol/phospholipides ont été observés. Une proportion élevée de phospholipides particuliers comme la N-acylphosphatidylethanolamine semble être impliquée dans la résistance de pêches soumises au froid (Zhang et al., 2010). Généralement les plantes sensibles au froid contiennent plus de phosphatidylglycérol saturé (PG) de type 16 :0/16 :0 et 16 :0/16 :1t que les plantes résistantes au froid (Murata et Nishida. 1990). De plus les plantes résistantes ont généralement des chaines lipidiques plus courtes et une proportion d‟acides gras insaturés plus élevés ce qui contribue à augmenter la fluidité membranaire (Wolf. 1978 ; Makarenko et al., 2002 ; Zhang et al., 2010). Enfin l‟activité de la fatty acid desaturase (FAD, EC 1.14.19.1-3) qui contrôle l‟insaturation des lipides est stimulée en réponse au froid (Upchurch. 2008).

Les changements de structure et de composition des membranes influent sur la perméabilité membranaire, en augmentant la viscosité des membranes, en modifiant l‟équilibre des charges. Il en résulte une augmentation de la perméabilité membranaire aux électrolytes et qui contribue à la perte de compartimentation des cellules (Sevillano et al., 2009). Ces modifications se feraient de façon hétérogène et seul 2-5 % des lipides membranaires seraient concernés dans les chloroplastes et les mitochondries (Marangoni et al., 1996). Dans le cas d‟un froid en post-récolte avec une phase de réchauffement, cette phase de séparation latérale des lipides membranaires a pu être détectée (Sharom et al., 1994).

b) Altération de la structure du cytosquelette

En réponse aux températures basses l‟organisation du cytosquelette (microfilaments d‟actine, et microtubules) est modifiée (Drobak et al., 2004). Il se produit une dépolymérisation des microtubules et des microfilaments (Ruelland et Zachowski. 2010), qui serait modulée par la concentration en calcium cytoplasmique (Raison et Glenda. 1990). En effet le réarrangement des filaments d‟actine induit une diminution de la fluidité membranaire et déclenche l‟ouverture de canaux calcique augmentant alors l‟influx de calcium (Drobak et al., 2004)

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c) Les phénomènes dégradatifs impliqués dans la balance anabolique/catabolique

Production d‟EAO et perturbation du système antioxydant

Des études rapportent que le traitement de plantes ou de tissus soumis au froid avec retour à température ambiante, déclenche un stress oxydatif (Prasad. 1996 ; Imahori et al., 2008), d‟où une accumulation des espèces actives de l‟oxygènes comme O2^.-, OH^., HO2^., RO^., H2O2

et O₂. Une forte concentration en EAO induit la peroxydation des lipides membranaires (Ferrari-Iliou et al., 1994), l‟oxydation des protéines, l‟inhibition des activités enzymatiques et des dommages à l‟ADN et l‟ARN (Sevillano et al., 2009 ; Gill et Tuteja. 2010 ; Miller et al., 2010). En parallèle une perturbation du système antioxydatif mettant en jeux des enzymes antioxydantes comme la catalase CAT, l‟ascorbate peroxidase APX, la superoxide dismutase SOD et GR glutathione réductase a été observée (Imahori et al., 2008).

Action des enzymes lipolytiques

Le froid peut induire une dégradation des lipides comme les phospholipides et les galactolipides notamment MGDG (monogalactosyl-diacylglycerol) (Pham Thi et al., 1989; Parkin et Kuo. 1989 ; Pinhero et al., 1998). Il semblerait que l‟activité des galactolipases soit en relation avec la sensibilité des plantes au « chilling stress », (Gemel et Kaniuga. 1987 ; Kanuiga. 2008). De plus une augmentation des activités des enzymes lipolytiques comme la phospholipase D (PLD EC 3.1.4.4) et la lipoxygenase (LOX EC 1.13.11.12) a été observée en réponse à la contrainte hydrique (Sahsah et al., 1998 ; El Maarouf et al., 1999 ; Matos et al.,

Figure 19: Phase de transition d‟une couche de phospholipides membranaires

(http://obsil.tripod.com/membran.htm)

Figure 20 : bicouches lipidiques présentant les effets d‟une insaturation des lipides (http://obsil.tripod.com/membran.htm)

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2001) et au froid en post-récolte chez les fruits comme les concombres et les litchis (Mao et al., 2007 ; Liu et al., 2011). Les phospholipases sont les premières enzymes impliquées dans le turnover des lipides. Ils interviennent dans la signalisation cellulaire en réponse aux contraintes comme le froid (Ruelland et al., 2009). Une action incontrôlée des phospholipases ainsi qu‟une perturbation de la biosynthèse des phospholipides au froid (Pinhero et al., 1998 ; Campos et al., 2003) peuvent entrainer une perte de l‟équilibre homéostatique des lipides membranaire et contribuer à la dégradation des membranes. Une peroxydation des lipides est stimulée dans le cas de contraintes aux basses températures (Parkin et Kuo. 1989 ; Imahori et al., 2008). Ce phénomène contribue à diminuer la proportion des glycolipides insaturés des membranes (oxydés par la lipoxygenase LOX) et donc à la rigidification et dégradation des membranes (Gill and Tuteja. 2010).

Mise en place de moyens de protections des structures cellulaires

Les protéines chaperonnes « heat shock protein » Hsp sont des protéines intracellulaires qui contrôlent la conformation, le repliement, l‟assemblage oligomérique des protéines, le transport à travers la membrane. L‟expression de gènes qui les codent est stimulée en réponse aux températures basses (Sabehat et al., 1998).

Les protéines LEA « Late Embryogenesis Abundant », il s‟agit de protéines très hydrophiles et thermostables qui contiennent des motifs répétés en acides aminés capables de former des hélices α amphipathiques qui interviendraient dans la stabilisation des enzymes en réponses aux températures basses (Thomashow et al., 1999).

Les polyamines Pas, comme la tetramine spermidine (Spm), triamine spermidine (Spd) et la diamine putrescine (put) sont ubiquitaires chez les plantes et constituent des agents « « anti sénescent » » (Sevillano et al., 2009). Elles possèdent 2 rôles important comme la stabilisation membranaire des phospholipides membranaires en se liant aux charges négatives de ceux-ci. Elles pourraient alors contribuer à ralentir leur altération. Elles possèdent également des propriétés antioxydantes en protégeant les membranes de la peroxydation des lipides induites par les EAO. De plus leur synthèse fait intervenir de la S adenosylmethionine, un précurseur de la biosynthèse de l‟éthylène. Une augmentation de la teneur en polyamines a été trouvée chez la tomate, en réponse au froid avec pour effet concomitant une réduction des efflux d‟électrolytes (Kim et al., 2004). Enfin des plantes transgéniques d‟Arabidopsis thaliana sur-exprimant un gène codant une polyamine se sont avérées tolérantes au froid (Kasukabe et al., 2004).