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Du prélèvement au dosage : réflexions sur les problèmes posés par la mesure des glucides non structuraux chez les végétaux ligneux

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Academic year: 2021

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Texte intégral

(1)

ynthèse

Du prélèvement au dosage :

réflexions sur les problèmes posés

par la mesure des glucides non structuraux

chez les végétaux ligneux

Laurent Gomez

Marie-Odile Jordan

Stéphane Adamowicz

Hugues Leiser

Loïc Pagès

Unité de recherche des plantes et systèmes de culture horticoles INRA.

Domaine de St Paul Site Agroparc 84914 Avignon cedex 9 <[email protected]> Tirés à part : L. Gomez

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Summary

From sampling

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measurement

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carbo-hydrates analysis

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t

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e. S

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,

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bar,

1

20°C) as

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e.

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ti

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h

o

d

s.

Key

words:

Metho

cl

ology; A

n

alys

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s

t

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hni

q

u

es; Vege

t

al pro

du

c

ti

o

n.

(3)

L

a

réalisation de bilans

nutrition-nels

,

l

'

étude

des

mécanismes

de

la

régulation,

de

l

'

absorption

,

du

transport

et de

l

'

allocation

des ass

imilats

ca

rbonés, o

u

encore

de

la gestion des

réserves

glucidiq

ues

,

nécessite

nt

le

dosage

des glu

cides

non

structura

ux

(G

S). Dans

le ca

dre de nos

recherches

écop

hysiologiques

,

nous réa

lisons ainsi

chaque année

plus

d

'

un millier

de bilans

glucidiqu

e . Ces analyses

portent

sur

tout

ou partie

de

la

plante

à

différe

nts stades

phéno

logiques (é

tats de

développements

de

l'arbre caractérisés

par l

'

obse1vation

visuelle

d

'

un

o

r

gane) et

concernent

p

lu-sie

urs espèces

ligne

uses

fruitières

(pê-cher

,

prunier

,

tomate, kiwi,

goyavier

frai-sier

,

caféier, etc.).

On

distingue

d

'

une

part

les sucres solubles

clans

l

'

ea

u

(SS)

,

pré-sents

da

ns

la cellul

e au

nivea

u

du

cyto-pl

asme

et

des

vacuo

l

es, clans

la

sève

élaborée, et

pa1ticipant au

métabolisme

intermédiaire et,

d

'

autre

part,

les sucres

dit de

rése1ve

,

généralement assimilés à

l

'

amidon chez les

ligneux. Bien que

cou-ramment pratiqué,

leur

dosage reste

sou-vent

problématique.

ous y voyons

deux

raisons

essentielles :

Les analyses

des G S

concernent l

'

e

n-semble des parties ligneuses

de

la

p

l

ante.

L

a

diversité biochimique

,

intra- et

a

for-tiori

inter-es

pèces

végéta

l

es

,

confère

à

l

a

structure

des

échantillons

un effet matri

-ciel aléatoire, interférant

avec

la

détermi-nation des

sucres.

Les

chercheurs ont

multiplié

les

méthodologies propres

à

résoudre ponctuellement leur

probléma-tique

en

considérant notamment la ta

ille

,

la variab

ilité

phénotypique

et

la

nature

des constituants biochimiques

des

échan-tillons. Les procédures

ainsi

élaborées

sont

généralement longues et comp

lexes.

La

lourdeur

des

moyens

mis e

n

œ

uvre

impose souvent un compromis entre

les

attendus scientifiques

de

l

'

expérimenta-tion

et

les

disponibilités humaines

,

tech-niqu

es ou

financières. Ainsi

les

méthodes

de dosage

,

sont choisies en

fonction des

objectifs

scie

ntifiques

mais

également des

possibilités

humaine

et matérielle,

et

de

l

'

histoire scientifique du laboratoire

.

Les sucres sont

des

composés

relative-ment

instables

dans

un

milieu biochimique

actif

(influences

enzymatiqu

e et

hormo-nale). La fragilité

de

l'état glucidique

d

'

un

échantillon ligneux

génère des

contraintes

expérimentales

destinées

à

prése1ver

son

intégrité.

Par

conséquent, la

fréquente

complexité

des méthodes de dosages des

G S chez

les

ligneux est en grande

pa1tie

liée

à

la

préparation d'extraits

glu

cicliques et à

l

'

élin1ination

des interférences

matriciel-les sans altérer

l

'

intégrité des

sucres.

La

volonté

d'établir un bilan qualit

a

tif

et

quantitatif des

GNS conduit

à

considérer

la

procédu

re expérin1entale

dans son e

n-semble

,

de

la collecte

des

échantillons au

dosage

,

en

passant par

le

broyage

et

le

stockage.

Après une présentation rapide des

notions

de

SS,

de

sucres

de rése1ves mobilisables

à

court ou

à

long

terme

,

nous proposons

donc de

fa

ire

un bilan

comparatif

,

exha

us-tif

,

des procédures

de

dosages des G S

,

disponibles

chez les ligneux.

Caractérisation

des glucides

non structuraux

L

es sucres constitue

nt

à la

fois

la

princi-pale

réserve

d

'

énergie

et

la

plus

impor-tante

source

de

carbone

pour

la

construc-tion des tissus

végétaux

.

La plante

s

'

assure

une

disponibilité permanente

en

consti-tuants

de

réserve plus

ou

moins

labiles.

Notions

de sucres de réserve

et de sucres solubles

Le terme de réserves

est employé

par

opposition

à

structure

,

transport

ou

méta-bolisme. L

'

impo1tance physiologique des

rése1ves

est attestée

par

le fa

it

que

leur

masse constitue

un

excellent

indicateur

de

l

'

état

sanitaire

et de

la

vigueur de

l

'

arbre

:

chez

l

e

noyer, l

a

cro

i

ssa

nce

d

'

un

organe

donné es

t

quasiment

synchrnne

avec

la reconstitution

de

son stock

d

'

ami-don

[1).

Seul

l

'

amidon est

une forme

exclusive

de

stockage

qui répond parfaitement

à

la

définition de rése1ve.

C'est

un

glucosane

(uniquement

formé de

glucose)

rencon-tré sous forme de grains dont

l

a

morpho-logie varie selon les espèces. Il

est

consti-tué

en

proportion variable d

'

amylase

(chaines linéaires

à

liaisons a.

1-4

,

PM

150

à

600

Kda)

et

d

'

amylopectine (chaînes

linéaires liaisons

a.

1-4

et latérales a.

1-6

,

PM de plusieurs millions). On

exclut

de

ces

réserves potentielles

les constituants

pariétaux dont

la

remobilisation

est

controversée: cellulose et

hémicellulose

pourraient

être

hydrolysées

en

hiver pour

couvrir

des dépenses de respiration

[1-3].

Les

sucres solubles

dans l

'

eau constituent

une

source glucidique

rapidement

méta-bolisable et couvrent

les besoins

immé-diats de la plante.

Ce sont

des

intermé-diai.res métaboliques

qui

sont

également

une

forme de transport

et

qui peuvent

être, dans certains cas

,

considérés comme

une forme de

stockage

. Ainsi

,

le

saccha-rose

,

sucre soluble

majoritaire

de

la

plu-part des

espèces

,

contribue largement au

stockage

hiverna

l

e

n

s

'

accumu

lant

dans

les vacuoles. Son accumulation est

initiée

par

une

baisse des

tempé

ratu

res

hiverna-les et contribue

à

augmente

r la

résistance

au froid

[

4]

:

la

température

de

congéla-tion

s

'

abaisse

suite

à

l

'

augmentation de

la

pression

osmotique sur

robinier

[5],

s

ur

peuplier

[

6])

donnant au

sorbitol

un rôle

cryoprotecteur

des

membranes et

des

protéines

cellulaires.

En dépit

de

leur impo1tance

pondérale

chez certaines espèces, le

rôle

des alditols

en

tant que rése1ve apparaît

négligeable.

Les rosacées fruitières notamment

,

se

dis-tinguent

par

leur

haute

teneur en sorb

itol

[

7

,

8]

qui

semble être

principalement

une

forme de transport.

En effet sa

concentra-tion, importante dans

les

feuilles

exporta-trices

et

dans

le

phloème

(environ

50

%

des

sucres solubles

[8-10])

,

est

inférieure à

1

%

dans

les

puits

trophiques

: bois,

raci-nes, fruits

et

pousses

feuillées ([11]

sur

pêcher

,

[12]

sur

abricotier,

[13

]

sur

pom-mier,

[1

4]

sur

pêcher). L

es

autres

sucres

(glucose

,

fructose

et

maltose)

peuvent

être considérés comme

des métabolites

intermédiaires

à

durée de vie

relative-ment

cou1te. Chez

des

arbres je

unes (sans

fruit)

,

leur importance pondérale

est

né-gligeable

,

à

l

'

exception

du maltose

,

pro-duit

en

quantité assez

importante

par

l

'

hydrolyse

des dextranes

[15-17]

en

période

préhivernale

d

'

interco

nversion

amidon-saccharose. Ce composé peut

,

da

ns ce cas

précis

,

être

assimilé

à

une

forme de rése1ve dans

la

mesure

où sa

formation résulte du mécanisme d

'

inter-conversion.

Les compartiments de GNS

Chez

les

végétaux pérennes,

les réserves

glu

cidiques

peuvent

être considérées

à

plusieurs

échelles

de temps. Les

varia-tions de

l

'

activité

photosynthétique au

cours

du nycthémère génèrent

la

consti-tution de réserves

à court

terme.

Etant

donné

les

délais d

'

achen1inement vers les

puits trophiques

(24 h

pour 50

%

des

assi

-milats

,

5 jours pour

la

totalité d

'

e

ntre eux

[1])

la

majorité du

carbone

remobilisé

dans

les 5 jours suivant

l'assimilation

photosynthétique

fait

partie de

ce ..

pool

.

Les rése1ves

à

long

terme permettent de

gérer

les

é

carts entre l

'

offre et la

demande

(4)

propres

à

chaq

ue stade

phéno

l

og

i

que.

Une accumulation de sucres permet d

'as-surer

l

a survie

de

l

a

plante

pe

ndant la

période où

l

e

bilan

éne

r

gétique est

n

éga-tif,

l

o

r

sque

l

es r

ameaux

ne

portent pas de

feuilles fonc

ti

onne

ll

es. Ce stockage

-marre

très

tôt, so

it

e

n

v

ir

on

6 semaines

après

l

'a

pparition des premières

fe

uill

es

[1].

Kajji

évoqu

e éga

l

eme

nt

l

'existence

d'un

troisième ..

poo

l

.. de réserves dit de

«

sécu-rité

... Composé exclusivement d

'amidon

âgé

de

plus d'un

an,

e

t

inerte en

condi-ti

ons

de cultures

norma

l

es,

il

serait

uni-quement mobilisé en cas de stress

trophi-que

important.

Il

est diffic

il

e

de quantifier préciséme

n

t

chacun de ces " poo

ls

..

de

rése

1

ve car

l

es

s

it

es de stockage ne sont ni clo

i

sonnés ni

spécifiques (orga

n

es,

tis

s

u

s ou

organites

ce

llul

aires).

On peut néanmoins

mention-ner

l

e cas des chloro

plastes dont

l

'amidon

est ra

pidement

mobilisé et,

à

l

'opposé,

ce

lui

des cernes de bois de

plus de 2 ans

(tiss

u) où

seraient stockées

des

réserves

dites «

de sécurité ..

[ll.

L'existe

nce

d'un

seuil de

rése1

ve

carbo-née

minima

l

,

nécessaire à

la survie

de

l

'a

rbr

e

, e

n desso

u

s

duqu

e

l l

a cro

i

ssa

n

ce

s'arrête,

n'a

pas été é

tablie. Néanmo

ins,

nous conna

i

ssons c

h

ez

le

pêche

r l

'impor-tance des g

lu

c

id

es de réserve, notamment

pour pallier le

fi

c

it

nutritionne

l

cons-taté

lors

du

débourrement (Jordan,

non

pu

blié).

Préparation

de l'échantillon

La

préparation d

es

échantillons es

t

réa

li

-sée suivant dive

r

s protoco

le

s pas to

uj

ours

justifiés a

u

regard d

es attendus sc

i

entifi-ques

de

l

'expérime

nt

ation

c

h

ez

l

es

li

gneux.

De

plus,

e

ll

e

n'es

t

pas

toujo

urs

complètement décrite.

L

es rares é

tudes

méthodo

l

ogiques

r

éalisées

dès

1

973

par

Smith

[18]

et, plu

s

réce

mm

ent, par

Hen-clrix e

t Pee

l

en

[1

9

]

montrent pourta

nt

que

le

pré

l

èveme

nt

,

l

e

transport,

la

conserva-tion

et

l

a

pré

p

a

ration

de

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'éc

h

antillon

affecte

nt l

e

rés

ult

a

t.

No

u

s considé

rons

clo

ne to

ut

es ces é

t

apes comme des po

int

s

critiques,

partic

uli

è

r

e

ment

sens

ibl

es et

deva

nt être

maîtrisés.

Prélèvement

Les

nombre

uses stratégies

d'échantillo

n

-nage

clans

l

'arbre

qui re

l

èvent plus

du

proje

t

expérime

nta

l

et du traiteme

nt

sta-tistique

des

données, de

même

que

l

es

conditions environnementa

l

es

du pré

l

è-vement

(température,

hygrométrie,

péri

ode

j

o

ur-nuit

,

etc.), sont h

ab

itu

e

ll

e-me

nt

bie

n décrites et ne seront pas

évo-quées ic

i.

Cependa

nt

, d'autres paramètres

influents, sont souve

nt ma

l

considérés.

Il est essentie

l

de

respecter

un h

oraire

de

pré

l

èvement précis,

n

otamment

l

o

r

s

de

répétitions sur des

pas

de

temps courts

(jour, semaine).

On obse1

ve en

effet d

es

variations

impo

rt

antes,

au

cours

du

nycthémère, du bilan

g

lu

cidique

d'un

or-gane comme

l

es feuilles ou

l

es rac

in

es de

sa

lad

e

[Aclamowicz,

non publié]. Ra

r

es

so

nt

pourtant les aute

ur

s qui mentionne

nt

un ho

r

a

ir

e

de

pré

l

èveme

nt, à

l

'image de

Ro

per,

e

t al

.

[

20]

(pré

l

èvement réalisé

2 he

ures

a

pr

ès

l

e

l

ever du

sole

il

) o

u

Wullsc

hl

eger,

e

t al.

[

2

1]

(trois p

r

é

l

ève-ments s

ur

24 h).

La

masse d

'échantillon

à

traiter est éga

l

e-me

nt un paramètre

de variabilité.

Ainsi,

l

'échantillonnage d'un arbre entier adulte

peut

nécessiter une

journée et mobiliser

une grande

diversité de

moyens humains

et techniques. C'est une variable

expéri-menta

l

e

importante

que se

ul peut

mini-miser un respect strict de

l

a

procédure de

manipulation de

l

'échantillon

.

Il est

essen-tie

l

de stand

ardiser

l

'ordre et

l

'he

ur

e

de

co

ll

ecte

des

différents o

rga

n

es afin de

minimiser

l

'impact de ces va

riables s

ur l

a

compos

iti

on biochimique

d'échantillons

de

même

nature.

L

e

pré

l

ève

ment d'un échantill

on

s'accom-pagne

d'une

phase de stress aux

consé-quences mal éva

lu

ées. Les enzymes, voire

l

es

ho

rm

ones

lib

érées

à

proximité

de

la

bless

ur

e

,

p

e

u

ve

nt

occas

i

onne

r

un

ca

t

a-bo

li

sme gluc

idiqu

e

dont

l

'inc

id

e

n

ce est

inv

erse

m

ent propo1tio

nn

e

ll

e à

l

a

masse

de

l

'éc

h

antillon. Ce

phénomè

n

e pe

ut

ê

tr

e

ra

l

enti par

r

e

froidi

sseme

nt

du végéta

l

pré

-l

evé

.

L

'immersion dans

l

'azote

liquid

e est

l

a so

luti

on

la

plus perfo

rmante. L

a

congé-l

ati

on de

tous

l

es

tissus

,

même

l

es

plus

int

ernes

du

végéta

l

,

est instantanée

.

Elle

provoque en

outre

un

é

clatement

ce

llul

a

ir

e

qui favo

ri

se

l

e séc

h

age e

t ult

é-rie

ur

ement

l

'

h

omogéné

it

é

du broyat ;

a

co

ntrari

o,

il

fa

ut

c

r

aindre

un

e

dégrada

-tion

rapide

après décongé

lati

on

[18].

L

'

im-mers

i

o

n

dans

l

'azote

perme

t

éga

l

ement

d'a

ll

onger sa

n

s

ri

sque

l

e

temps de

pré

l

è-ve

m

e

nt

e

t

de

transport

a

u l

aborato

ir

e

.

En

abse

n

ce d'azote

liquid

e,

l

a

n

e

i

ge

carboni-que offre

un

po

uv

oir refroidissant plus

lent. L

a g

laci

ère

réfrigérée est encore

pré-férable

à

la

conservatio

n

à

tempé

rature

ambiante,

mais la

procédure

de

rapatrie-ment d

es écha

ntill

ons a

u labor

ato

ir

e

pour

y être conge

l

és,

doit

être

rapide.

Dans

tous

les cas,

il

est so

uh

a

it

able

d

'éliminer

au moment du broyage,

l

es zones

pro-ches des blessures afin d'a

tt

é

nu

er

l

'impact

du ca

t

abolisme occas

i

onné.

Outre

l

e refro

idi

ssement,

il

ex

ist

e d'a

utr

es

façons

de

fixer

l

'éc

h

antillon après

pré

l

è-vement

:

Ho

lli

gan

et Drew

[22]

propo-sent, par

exemple, d'immerger

immédia-tement

les

organes

pré

l

evés

dans

l

'éthano

l

fro

id

95

%

(V N)

. Si ce procédé a

l

e

mérite

d'arrêter

l

e

métabo

li

sme ce

llu

-la

ir

e

,

il

engage

l

'étape

d

'extra

cti

on des

sucres so

lubl

es sur du matérie

l

frais

non

broyé (vo

ir

ci-après) et

h

ypothèque

des

ana

l

yses a

utr

es

qu

e g

lu

cidiques (acides

aminés

libr

es, pa

r

exemple).

Bie

n

qu'avérés, ces risques mé

tab

o

liqu

es

ne

s

u

scite

nt

pas

touj

o

urs l

es précautions

qui s

'in1posent

l

ors du pré

l

èvement et du

transport des échantillo

n

s.

L

a

l

ourdeur

expérime

nta

l

e, d

ifficile

à

assume

r et dont

l

es ava

nt

ages sont ma

l

estimés, e

n

est

probab

l

ement

l

a raison majeure, mais

l

eur

mise en

œ

uvre est

éga

l

ement parfois

im-possible

.

Ainsi,

l

e

trava

il

sur des arbres

entiers adultes nécessite so

u

ve

nt

des

pré-l

èvements vo

lumin

eux,

incompatibl

es

avec

une

in1me

r

s

i

o

n

clans

l

'azote

liquid

e

(c

h

ez

l

e

pêc

h

e

r [

23,24]). Paradoxa

l

ement,

a

l

ors

que

l

'intégrité

de

l

'échantillon

est

diffic

il

ement maintenue,

le

s

manipula-tio

n

s susceptibles

de

l

e

dégra

der sont

plus

nombreuses.

L

es

qu

antités

de

bio-masse sont te

ll

es

qu

'il

est indispensable

de ne conserver qu'une fraction

représen-tative

de c

h

aque o

rgane, ce qui implique

souvent

un broyage

grossier,

dans

la

ne

i

ge carbonique,

des échantillo

n

s

frais

dès ce s

t

ade expérimental.

Ce

tt

e charge expérime

nt

a

l

e

li

ée à

l

a masse

végé

t

a

l

e

pr

é

l

evée a

pour

autre

consé-qu

e

n

ce

de

limit

er

l

e

nombre

de

r

é

ti

-tio

n

s pa

r

traitement (entre 2 pour Kajji

[1]

et

6

po

ur

Y

os

hi

oka

e

t al

.

[2

5]), et

ce,

ma

l

gré

l

a variabilité

indiv

idu

e

ll

e

rencon-trée chez

l

es

li

gneux.

Dans tous

l

es cas,

il

est in1po

rt

a

nt

de

bie

n

éva

lu

er les

moyens

disponibles e

t de

convenir des

limites

à

r

es

p

ecter da

n

s

l

'

inter-prétatio

n

des rés

ult

ats

.

Séchage

Des

tin

é

à

fac

ilit

er

la

conservation

e

t l

a

manipulation d

'

un

écha

ntill

o

n

à

d

oser,

l

e

séchage permet éga

l

e

m

ent de

mes

ur

e

r l

a

tene

ur

e

n matière sèc

h

e (MS), en fonction

de

l

aque

ll

e

l

es

te

n

eurs en GNS sont

habitue

ll

ement

exprimées

.

Un

séchage

in

approprié

peut

affec

t

er

l

'intégrité

biochin1iqu

e

de

l

'éc

hantill

on,

à

savoir

Figure

Figure  1 .  Conséquen ce d 'une décongélation accidentelle d'échantillons frais de racines et  d'écorces de  pêcher sur la composition en sucres solubles (glucides non structuraux autres que l'amidon)
Tableau  1.  Principales procédures de préparation des échantillons ligneux et d'analyse des sucres solubles
Figure 2 .  Évaluation  par  mesures  th ermogravimétriques  à  l'étuve ,  de  la  capacité  déshydratante  du
Figure  3 .  E ff ect of test portion (weight and fineness of grinding) on non - structura l  carbohydrat e s  c ont e nts  fr o m p each samples
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Références

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