La nutrition azotée des plantes supérieures

....

-

f'\)• ""'----""""'""''--~,,_ ... """"_1 (Q

\ J, \ ¹

'' "-, . .. : :J

Ministère de l'Enseignement Supérieur ~

et de la Recherche Scientifique ·

,h.

1

Université de Jijel ~w ~

' ~_,l&Jt ~

~\ .J ~ '.u'\ ~

Faculté des sciences

Département d'écologie & environnement

~-..!!

:,;.J

4--

o~I 3 ~~-·.-: .• !; -~ ~

9démmre tfe fin tf' étutfe

En vue l'obtention du diplôme d'étude supérieur ,,,,

Option : Bio physiologie végétale

?~~ml~~

Présenté par : .

Président :Mr CHAHREDDINE S.

- MENNICHE Hedda Examinate~r: ~me MERIBAI N. 1 ^{~·: . ~ ·~ ' " .l '.~~f-} .... :_:B<J>UGHEDDA Amel Encadreur • M BEN ABDELKADE}t M. ·.{_ .. '.·::.· /.-• . -.

1/

·/~, ·

- ' .:o.,~ ~·-' I/ .

---~

Session juin ²⁰⁰⁸

~,,.,,-.,0\ '

) · ---

. . - .... 00'\'1Jj

L~ à-illew quit~ à-~ dtv COUY~ e:t ùvvolonté.-dJa>t1olY

V~ da+-w ~ét"~

N~t"~ à.-- vewz.e,vcle.Y U~eu-v ~ 13ewA~ ~

Quit nmwcv pvopOi& ce.- MAje:t de.- veduwche.-e:t quit cv ét"b ~b

Et" ~e-ru,vp(NY ~~ U'Veot'>'l1JY~

s~~~~

N~ vewz.e,v~ vw~ ~ m.eM1br~ jury dJa>t1oiY acœ;pt"er Ve,t ~er ~p~i,e,-de.- l.eur t"etnp.s-- à- U~

Ve.- ce.-

A ~~ de.-lcvfcu,«Ubde1" ~ dépCU"t~

d-'E~Végét'cile.-e:t Evwlr~

A lcvpv~wrvde.-lcv13lo-p~~v~ -2008 -

Et'llfiw, ~v~cled" vont~à-t"~ ~quitont

Contv~ de.-pv~ ow de.- l.ôiw

bvw

Vér~ de.- ce.-t"va>t1cUL

.;,\\.) 0~ ;;l).\ _;j Jl ~~ ~\ 0i ~\ ^0-° if' ^{~ t~ l:?jJ\ Jl}

0l3_, ~\ ^{J J} _,_)àll $ ~ J..J.~\ ~)\

~) .. fjJ4 va>\ ,~\-:ii:.ii/~_, ~ J--Î Jl

~~\ ^0J.) ~-' \,(.~WI $ Jl

SOMMAIRE

Introduction ... 1

Chapitre I : Sources d'azote disponible pour les plantes 1-Les caractéristiques et sources d'azote ... 2

2-L'azote du sol ... 3

2-1-L'humus ... 3

2-1-1-L'humification et la minéralisation ... 3

2-1-2-Les agents de l'humus ou l'humification ... .4

2-1-3-Les facteurs abiotiques de l'humification ... 4

2-1-4-Les types d'humus ... 5

2-2-L'azote minérale ... 5

2-2-1-l'ammonification ... 5

2-2-2-La nitrification ... 5

2-2-3-La dénitrification ... 6

3-Les engrais azotés ... 7

3-1-Les types des engrais ... .7

3-1-1-Les engrais ammoniacaux ... 7

3-1-2-Les engrais nitriques ... 7

3-1-3-les engrais ammoniaco-nitrique ... 7

4-L'azote atmosphérique ... 7

5- Le cycle d'azote ... 8

Chapitre II : Fixation d'azote 1-Fixation biologique de l'azote atmosphérique ... 10

1-1-Les fixateurs libres de l'azote ... 11

1-2-Les fixateurs symbiotiques ... 11

2-La fixation symbiotique d'azote chez les légumineuses ... 12

2-1-lnfection et développement des nodules des légumineuses ... 12

3-Biochimie de la fixation d'azote ... 16

3-1-La dinitrogénase ... .16

3-2-Le coût énergétique de la fixation d'azote ... 16

3-3-Dinitrogénase et oxygène ... 17

3-4-dinitrogénase et production d'hydrogène ...

... 17

4-La génétique de la fixation de l'azote ... 18

Chapitre Ill: L'assimilation de l'azote 1- l'assimilation de l'azote nitrique ... 19

1-1-Mécanisme de la réduction ... 20

1-1-1-Réduction de N03- en N02- ... 20

1-1-2- Réduction du nitrite ... 20

2- L'assimilation de l'ammonium ... 21

2-1-lntégration de l'ammonium dans la synthèse de glutamine ... 21

2-2- Synthèse des acides aminés ... 24

2-3- La protéogénèse ... 25

Chapitre IV: Aspects agronomiques et écologiques pour la nutrition azotée 1- Aspects agronomiques ... 26

2-Aspects écologiques ... 26

La discussion

Conclusion

Liste dés ta6feaut.:

Tableau 1: Les différentes formes d'azote (page 02).

Liste dës fioures :

Figure 01 : Décomposition de la matière organique fraîche: humification et minéralisation

Figure 02 : Cycle de l'azote dans un écosystème terrestre (page 09).

Figure 03 : Cellule des nodules de la racine d'une légumineuse (page 13).

Figure 04: Nodules sur les racines d'une légumineuse (page 14).

Figure 0 5 : étpes du développement d'un nodule dans une racine de soja (page 15).

Figure 06 : La voie résumée de la glutamine synthétase (page 23).

Liste tfes a6réviations et sym6ofes:

ADN : Acide désoxyribonucléique .

• GDH: Glutamate déshydrogénase, oxydoréductase catalysant la désamination oxydative du glutamate.

, GS : Glutamine synthétase.

, GOGAT: Glutamate synthétase, oxydoréductase catalysant la synthèse de glutamate à partir de glutamine et de 2-oxoglutarate.

rNADH :Ubiquinone réductase, forme réduite du NAD+.

NADPH: cytochrome P4so réductase, forme réduite du NADP+ . .., NH/: l'ammonium.

NQ3·: le nitrate.

Plasmalemme: désuet de membrane plasmique.

Anoxie: le terme s'emploie de préférence au terme d'anaérobiose pour décrire les situations anormales pour un organisme aérobie.

Nitrite réductase : Enzymes catalysant la réduction de nitrite en ammonium.

Nitrate réductase : Enzymes de bactérie et des végétaux réduisant le nitrate en nitrite.

Nitrogénase: complexe enzymatique commun à l'organisme diazotrophes, il catalyse la réduction de diazote en ammoniac.

Procaryotes: règne d'être vivants qui se distinguent des eucaryotes par l'absence d'histones associées à I' ADN et l'enveloppe nucléaire.

Eucaryote : qualifie une cellule ou un organisme dont I' ADN génomique est contenu dans un noyau séparé du cytoplasme par une enveloppe nucléaire.

1

Faune : ensemble des espèces animales occupant un habitat, elle comprend la microfaune invisible à I' œil nu, la mésofaune et la macrofaune.

Lectines : protéines liant spécifiquement un mono- ou un oligosaccharide ou les glycoprotéines qui portent ces ligands. En général elles n'ont pas de pouvoir catalytique.

Bacteroide : cellule bactérienne de forme modifiée. Ex : Rhizobium des nodules racinaires des légumineues.

Micronutriment: nutriment qui n'est nécessaire qu'en très petites quantités.

Chimiotactisme : déplacement d'un cellule ou d'un organisme unicellulaire en réponse au gradient

de concentration d'un substance.

Introduction

Introduction:

L'azote est le quatrième élément nutritif important pour les plantes, c'est un constituant essentiel des protéines, des acides nucléiques, certaines hormones, la chlorophylle et d'un foule de composés primaires ou secondaires des plantes. Il n'est donc pas surprenant que la plus parts des symptômes d'une carence en azote se manifeste par une chlorose généralisée [16, 17].

L'atmosphère contienne environ 78% en volume, qui est un gaz incolore et inodore. Cependant, malgré son abondance, les plantes supérieures sont incapables de convertir le diazote en une forme biologiquement utilisable appropriée à leur intégration dans le métabolisme [17].

La plus part des plantes puisent l'essentiel de leur azote dans le sol, soit sous la forme de nitrate (N0

ou sel d'ammonium (NH/) [15].

Durant nos études on a connu que les acides aminés sont des composés organiques qui

contiennent en plus du carbone, de l'hydrogène, de l'oxygène un élément supplémentaire l'azote

,on sait aussi que la famille des légumineuses est spécialisée dans la fixation d'azote

atmosphérique en association avec les bactéries ,et on voit couramment les feuilles des plantes

jaunissent dans les cultures des serres peut être due à la carence d'azote ,c'est pour cela on a

essayé d'étudier la nutrition azotée par les plantes supérieures pour comprendre mieux comment

la fixation et l'assimilation de l'azote est fait surtout pour les plantes qui ne font pas d'association

symbiotique avec les microorganismes à l'aide d'une synthèse bibliographique qui illustre quatre

chapitres.

C ¹ 6apitre _... ^I:

S' ourt~s l azote lisponi6li _... · pour lis p(antes

... ...

Chapitre 1 =~~==========~;;,;:::;=::==:::::~Sources d'azote disponible pour les plantes

Chapitre 1. Sources d'azote disponible pour les plantes :

1-Les caractéristiques et sources d'azote :

L'azote a été découvert dans l'atmosphère par Rutherford en 1772, a pour symbole N, est un élément important pour l'élaboration des protéines dans les plantes, les animaux et les hommes.

C'est un constituant essentiel de la matière vivante. Quantitativement il représente 2 à ⁴ % de la phytomasse, c'est-à-dire environ 10% du poids sec (40% dans les cas extrême des semences de légumineuses) [16].

L'air contient 78% d'azote, un réservoir pratiquement inépuisable, mais seulement un petit nombre de sortes de plantes ont besoin d'azote qui est transmit par les racines sous forme de composés inorganiques, avant de former les nitrates [4].

L'azote qui se trouve dans l'air et dans le sol sous différentes formes {tableau 1), il est absorbé par les plantes sous forme minérale, mais dans la plupart des cas il n'a pas une origine minérale [16].

Tableau 1. Les différentes formes d'azote.

Atmosphere NH3

Ni, N20, NO, N02 Composés organiques

Contenant de l'azote NH/, N03-, N02-

le sol

Source : (Bliefert et Perraud. 2004)

Les substances organiques contenant l'azote, par exemple les acides aminés ou l'urée, doivent d'abord être transformés dans le sol en ions ammonium NH/ {minéralisation), avant de pouvoir être absorbées par les plantes sous forme de nitrate, le plus souvent après nitrification . C'est-à- dire passage de l'azote sous forme d'ammonium à l'azote sous forme de nitrate sous l'influence des bactéries du sol [17].

minéralisation +oxydation _nitrification _

Composés organiques contenant de l'azote NH4 N02 N03.

Les nitrates constituent l'apport d'azote le plus important dans la nourriture des plantes, parce que les ions N0

sont très mouvants, et peuvent être transportés dans la solution du sol jusqu' aux racines [16].

0

Chapitre I Sources d'azote disponibl_e pour les plantes

La dénitrification fait retourner l'azote à l'atmosphère sous sa forme moléculaire N

il s'agit d'une réaction de réduction de N0

par l'intermédiaire de bactéries selon la réaction

suivante [19]:

Les sources d'azote sont:

2-L'azote du sol:

Dans une bonne terre végétale, la teneur en azote est de l'ordre d'un gramme par kilogramme de terre dans les horizons superficiels, sur cette masse 1 à 2% sont sous forme minérale, le reste est essentiellement sous forme organique humus principalement [15].

2-1-L'humus :

L'humus, parfois nommé terre végétale, désigne la couche supérieure du sol crée et entretenue par la décomposition de la matière organique morte végétale et animale, essentiellement par l'action combinée des animaux, des bactéries et des champignons du sol.

L'humus est une matière souple et aérée, qui absorbe et retient bien l'eau, de pH légèrement acide, d'aspect foncé {brunâtre à noir), à odeur caractéristique variant selon qu'il s'agisse d'un humus forestier, de prairie, ou de sol cultivé [31].

On distingue de nombreuses composantes d'humus et en particulier des colloïdes, les acides fulviques, les acides humiques et une fraction neutre ou basique {l'humine) [31, 4].

L'humus constitue une réserve d'environ 10 à 30 cm de matière organique dans le sol, parfois plus. Il est utile pour l'agriculteur, le jardinier ou le forestier de connaître la quantité totale d'humus et sa qualité. Un des indices est le rapport entre le carbone total et l'azote total {C/N) du sol, indique le degré d'évolution de la matière organique, et sont degré de résistance à la dégradation microbienne. Dans les plantes terrestres le rapport C/N est égal 30 à 50, et de valeur 25 dans les légumineuses fixant l'azote atmosphérique grâce aux bactéries symbiotes [17]. Dans l'humus le rapport C/N est assez constant, de l'ordre de 8 à 10 (en g) [15], Par rapport aux débris végétaux, il est beaucoup plus élevé de 20 à 25 en moyenne, lors de la première étape de la minéralisation, parce qu'il la dégradation des glucides est plus rapide que celle des protides [17].

2-1-1-L'humification et la minéralisation :

Il est possible de tenter un parallèle entre 1' évolution de la matière organique et celle de la

matière minérale. La matière organique fraîche constitue donc la matière première de l'humus,

elle subisse d'abord une décomposition microbienne, qui libère des composés simples le plus

souvent solubles : une partie subit le processus de minéralisation, c'est-à-dire se transforme en

Chapitre I Sources d'azote disponible pour les plantes

composés minéraux solubles ou gazeux (par exemple C02) c'est la minéralisation primaire, assez rapide dans les milieux biologiquement actif, certains de ces composés peuvent d'ailleurs, à l'inverse, être réorganisés au cours de l'humification. Une autre partie échappe à la minéralisation et sert de matériau à l'édification de molécules nouvelles, de plus en plus complexes, de nature colloïdale et de couleur foncée, dont l'ensemble constitue l'humus, au sens strict, c'est l'humification, puis ils se minéralisent à leur tour, mais plus lentement que la matière organique fraîche c'est la minéralisation secondaire (Figure 01)[7] .

.---.Minéralisation

Matière organique

fraiche (litière)

...__

_

Minéralisation secondaire

---~

C02, S04-, P04-, NH4

NO;: ...

Figure 01. Décomposition de la matière organique fraîche : humification et minéralisation (philippe duchaufour. 1997).

2-1-2-Les agents de l'humus ou l'humification:

La formation de l'humus ou humification est surtout le fait de bactéries aérobies et anaérobies, mais aussi de champignons, actinomycètes, microscopiques où même macroscopique qui vivent à la surface où à l'intérieur des sols, celles- ci interviennent directement et indirectement pour fragmenter la matière organique et pour l'introduire dans la couches profondes [28].

Certaines espèces comme les invertébrés saprophages jouent un rôle pionnier dans la formation de l'humus en fragment la matière végétale morte (litière, branchages, fragments de bois).

2-1-3-Les facteurs abiotiques de l'humification :

Les facteurs abiotiques comme une bonne humidité est nécessaire, ainsi qu'une aération

modérée du sol, la température optimum entre 30 et 40C

mais le facteur le plus important c'est

le pH, l'activité des bactéries, notamment des cellulolytiques, est pratiquement arrêtée en dessous

de pH 6, bien que d'autres organismes (actinomycètes jusqu'à pHS.5, champignons jusqu' à pH3),

Chapitre 1 Sources d'azote disponible pour les pl~tes

l'humification est très sérieusement gênée par les sols acides. Cela a des incidences très importantes sur le type d'humus formé [15].

2-1-4-Les types d'humus :

On distingue quatre types principaux d'humus, sont classés en fonction de leurs caractères morphologiques, qui sont étroitement liés à l'activité biologique (vitesse de décomposition de la matière organique fraîche) [7].

• Le mull, avec une bonne incorporation de la matière organique et de la matière minérale réalisée principalement par les vers de terre, présente dans les forêts à activité biologique intense et les prairies, formé sur sols calcaires au pH élevé (7.5 à 8.5).

• Le Moder, avec une couche superficielle de matière organique humifiée, non incorporée, présente dans les forets et les landes à activité biologique moyenne, au pH inferieur à 5.

• Mor, avec une couche superficielle de matière organique non ou peu humifiée, présent dans les forets et les landes à activité biologique faible, au pH de 4 à 4.5 [15].

2-2-L'azote minérale :

Il résulte de la dégradation de la matière organique soit dans la première phase lors de l'humification soit ensuit lors de la minéralisation de l'humus [15].

Au cours de la dégradation, l'azote organique est transformé en ammoniac par une série de microorganismes. Ce processus est connu sous le terme d'ammonification. Une partie de l'ammoniac peut être volatilisé et retourne dans l'atmosphère, mais une grande partie est recyclé en nitrate par des bactéries du sol. La première étape de la formation de nitrate est l'oxydation de l'ammoniac en N02- par des bactéries appartenant aux genres Nitrosomonas ou Nitrococcus. Le

nitrite est ensuite oxydé en nitrate par des nombreux genres Nitrobacter. Ces deux groupes bactériens sont dits bactéries nitrifiantes, le résultat de leurs activités est la nitrification [16].

2-2-1-l'ammonification :

Des bactéries anaérobies responsables de l'ammonification produisent à partir des composés organiques comme des acides aminés, puis du NH/, par des réactions successives d'hydrolyse et de décarboxylation [17, 15].

Hydrolyse Decarboxylation

NHrRCH-COOH +H20 HO-RCH-COOH +NH3 R-CHrOH +Co1NH

[15].

2-2-2-La nitrification :

Plusieurs espèces des bactéries capables d'oxyder l'ammonium par la nitrification, c'est un

processus qui libère l'énergie.

~C~ha~p~it~re:_!l__::~~===========~;::;:;;=:=:::::=~.sources

d'azote disponible pour les plantes

Les bactéries nitreuses, dont le type est, Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrocystis, ou Nitrospira, est le principal responsable de l'oxydation de l'ammonium en ions nitrite (N0

[29].

nitrosomonas

NH/ + 3/2 _{0 2} N02- + NH20 +2H+ LlG

=-352 kJ /mol [15].

Les nitrites sont toxiques pour les plantes mais ils s'accumulent rarement, les bactéries nitriques, dont le type est Nitrobacter, qui oxyde N02- en N03- réalisant la nitratation [17].

nitrobacter

N0

+ 1 /2 02 N03- LlG

=-75 kJ /mol [15].

2-2-3-La dénitrification :

Une partie de nitrates issus de la nitrification peut être réduite en azote gazeux (diazote N

par des bactéries dénitrifiantes. Comme les bactéries de la nitrification, se sont des chimiotrophes, par exemple : Micrococcus denitrificans, capable d'oxyder l'hydrogène par la réaction suivante [15, 17]:

Ou Thiobacillus dénitrificans, oxydant le soufre par la réaction suivante :

On ne connaît en réalité pas le nombre d'étapes existant dans ce processus de dénitrification, pour lequel deux voies sont possibles. Ces voies sont :

(+5) (+3) (+1) (+1) (+1) (O)

Pour laquelle le nitroxyle HNO (de degré d'oxydation +1) n'a jamais été mis en évidence, alors que l'acide hyponitreux, H

N

02, a peut être soit une voie impliquant la nitrohydroxylamine (de degré d'oxydation +2) :

2HN03

2HN02

N02NHOH

N20

N2.

(+5) (+3) (+2) (+1) (O)

L'enzyme responsable de la première réaction

serait un nitrate réductase déassimilatrice située sur la membrane plasmique des bactéries dont la structure peu connue comprendrait des cytochromes, le passage de

pourrait impliquer une seule enzyme, ou bien une chaîne de trois ou quatre enzymes [17]. ,

Toutes les réactions exigent différents groupes des bactéries dénitrifiantes à l'égard de la

teneur en oxygène du milieu sont très variables, la plupart sont aérobies, mais supportent une

~

C~ha~p~itr~e_!I_=:~~===========~~==::::_ Sources d'azote disponible pour les plantes

anaérobiose relative, et utilisent les nitrates comme sources d'oxygène. Elle exige une teneur élevée en matière organique facilement décomposable qui se comporte en source d'énergie et élimine l'oxygène en excès, et la température élevée (>10°c) favorisent le processus [7].

3-Les engrais azotés:

Les engrais azotés sont des sels ammoniacaux et des nitrates et souvent le nitrate d'ammonium N03NH4 [3]. On a recoure à des engrais organique naturels (fumier, déchets), sous

produits industriels ou artificiels (urée, cyanamide calcique), ou minéraux d'ammoniacaux nitriques. L'ammonification transforme les engrais organiques en NH3, qui dans le sol se transforme en NH4+ par exemple [15]:

•Urée:

CO (NH2h + H20 --+ C02 + 2 NH3

•Cyanamide calcique:

CaCN2 + 3 H20-+Ca (OHh +CO (NH2h

3-1-1-Les engrais ammoniacaux,

dont le type est le sulfate d'ammonium, on utilise aussi le chlorure ou phosphate, ce sont des engrais acidifiants, du fond, les ions NH/s'absorbent en effet sur les colloïdes du sol, ce qui le double avantage de les mettre à la disposition de la plante au fur et à mesure de ces besoins, ils sont échangés contre les ions H+, sons atteindre les doses toxiques, et d'empêcher leur entrainement par les eaux de pluie[22].

3-1-2-Les engrais nitriques,

(nitrates de sodium, de calcium ou de potassium) conviennent pour les interventions rapides, ou encore lorsque des conditions climatique trop sèches nuisent à la nitrification [15].

3-1-3-les engrais ammoniaco-nitrique,

généralement nitrate d'ammonium avec un support calcaire ou argileux, permettent de accumuler les avantages de l'un et l'autre type, ce sont actuellement les plus demandés [26].

Les engrais azotés apportent de nombreux avantages pour la culture des plantes et ceux-ci sont de plus en plus utilisés dans le milieu agricole, donc ils occupent la première place dans l'industrie des engrais (14, 26].

4-L'azote atmosphérique :

L'atmosphère est la principale source d'azote, sous forme de diazote, l'azote gazeux, N2 et inodore, incolore de densité 0,973 par rapport a l'air, extrêmement stable de la triple liaison entre les atomes d'azote, il représente 78 % des gazes de l'atmosphère comme N20, NO , N02. La quantité d'azote contenu dans les végétaux terrestre et les sols est relativement faible comparée au pool atmosphérique [27]. Cependant, les plantes vertes sont incapables d'assimiler le diazote

y

Chapitre I Sources d~azote disponible pour les plantes

de l'atmosphère par ce qu'elles ne possèdent pas l'équipement enzymatique leur permettant de catalyser la réaction de nitrogénisation, qui permet le passage du diazote peut ensuite être intégré au niveau des différentes voies métabolique (19].

Donc l'azote moléculaire entre dans le cycle biologique principalement grâce à l'assimilation par certaines micro-organisme, en particulier des bactéries, ce processus d'assimilation est appelé la fixation d'azote (20].

En fin, toutes les sortes et les cadavres, animaux est végétaux sont décomposés par des bactéries dites dénitrifiantes, qui vont reformer l'azote gazeux que l'on retrouve dans l'atmosphère (20].

5- Le cycle d'azote:

L'azote total est généralement réparti dans trois ensembles principaux: l'ensemble constitué par l'atmosphère, le sol (et l'eau qui lui est associée) et l'azote contenu dans la biomasse. Les échanges complexes entre ces trois ensemblès sont connus sous le terme de cycle de l'azote [15). Ce processus permettant à cette quantité limitée d'azote de circuler et de recirculer dans le monde vivant (29].

Au centre du concept du cycle de l'azote se trouve l'azote contenu dans le sol, l'azote du sol pénètre dans la biomasse surtout la forme de nitrate {N03-) qui est absorbé par les plantes et les microorganismes, une fois assimilé l'azote nitrique est converti en' azote organique sous la forme d'acide aminé, et d'autres composés azotés comme les protéines ainsi que d'autres macromolécules [9l L'azote continu son chemin dans la chaine alimentaire, lorsque les animaux mangent les plantes, puis l'azote retourne au sol sous la forme de déchets animaux, ou lors de la mort et la décomposition des différents organismes [16,27].

Les trois principales étapes de ce cycle sont l'ammonification, nitrification et l'assimilation (10,36):

~

L'azote d'origine animal est rendu disponible à la fois par les produits de l'excrétion comme l'urée et par la morte d'organisme.

~

Des ions ammonium sont formés lors de la dégradation des composés azotés comme les protéines par les compositeurs et par le processus ammonification. Ils sont oxydés en nitrites et nitrates par les processus de nitrification.

~

Certains nitrates sont convertis en azote atmosphérique par le phénomène de dénitrification.

D

Chapitre 1 Sources d'azote disponible pour les plantes·

);:- L'azote . atmosphérique est rendu disponible pour les plantes' par les processus appelé

· · fixation de l'azote atmosphérique [3].

'·

',,.:4'·-;;,,~

·:

~, ~

"'.:?

• <

, •f . . ·;··., , . ,, 1

:·

Azote

;itmosphérlque

Figure 02. Cycle de l'azote dans un écosystème terrestre.

(Raven et al. 2005)

~-,.

··_ ;.i

C'apitre ... ^II:

Chapitre Il Fixation d'azote

1-1-Les fixateurs libres de l'azote :

Les bactéries libres fixatrices d'azote sont très répandues, elles habitent les sédiments marins ainsi que ceux d'eau douce, les sols, les surfaces des feuilles et des écorces, ainsi que le tube digestif de divers animaux [16,7]. Bien que certaines espèces soient aérobies par exemple:

Azotobacter, Beijerinckia, la plupart d'entre elles ne fixent l'azote que dans des conditions anaérobies ou dans des conditions de faibles pressions partielles d'oxygène, condition dites de micro-aérophyllie, elles comprennent des genres non photosynthétiques (Clostridium, Bacillus), et des genres photosynthétiques (Chromatium, Rnodospirillium} [12]. En plus de ces bactéries, plusieurs genres de cyanobactéries (Nostoc, Anabaena}, comprennent des espèces fixatrices d'azote [29,25].

1-2-Les fixateurs symbiotiques :

Plusieurs associations symbiotiques fixatrices d'azote sont connues, elles englobent les associations bien connues entre différentes espèces bactériennes et les légumineuses. Dans les associations symbiotiques, la plante représente l'hôte et le partenaire bactérien le symbionte [16,19] .Chez les légumineuses le symbionte est une bactérie appartenant à l'un des trois genr es Rhizobium, Bradyrhizobium et Azorhizobium [23]. Ces organismes pénètrent dans les racines des plantes supérieures et provoquent l'apparition d'excroissances spéciales nommées les nodules, dans la quelle la bactérie Rhizobium prend une forme appelée bactéroïde [28, 30] (Figure 03}.

•Rhizobium : au sens strict, regroupe la plupart des espèces symbiotes des légumineuses par exemple R. Jéguminosarum avec diverses variétés biovars par exemple bv. Trifolü (Trèfle), bv.

Phaseoli (Haricot).

•Bradyrhizobium : B . japonicum, comme le R. japonicum du soja.

•Azorhizobium: A. caulinodans, par exemple le R. sesbania.

Alors que les bactéries des deux premiers genres (Rhizobium et Bradyrhizobium) se trouvent dans les nodules racinaires, mais le dernier genre Azorhizobium envahissent aussi les nodu les caulina ires que portent le long de leurs tiges des légumineuses tropicales, comme la Sesbania rostrata [29,15]. Ces nodules sont restes en contacte plus direct avec le diazote de l'air [21] .

Les Fabacées ne sont cependant pas les seules plantes à pratiquer une symbiose leur permettant d'exploiter indirectement le diazote, certaines Mimosacées (Mimosa, Acacia) et Césalpinées présentent aussi des symbioses avec des Rhizobiums, et des nodules volumineux corr espondant à une symbiose avec des Actinomycètes du genre Frankia existent chez 1 ' Aulne et

certa\ne.s Myriacées \.31\.

Chapitre II Fixation d'azote

L'importance des fixateurs symbiotiques permet donc à l'augmentation de la teneur en azote du sol [21].

2-La fixation symbiotique d'azote chez les légumineuses:

En 1838, l'agronome français J.B, Boussingault montra que les légumineuses, de l'ordre Fabales peuvent assimiler l'azote de l'air. Cette fixation et liée à la présence sur leur racine de nodosités ou nodules [20). La fixation symbiotique d'azote chez les légumineuses implique des interactions anatomiques, morphologiques et biochimiques importantes entre la plante hôte et les micro-organismes qui l'envahissent [26).

Les fixateurs symbiotiques d'azote apportent au sol une quantité d'azote nettement plus importante que ne le font les bactéries libres, un hectare d'une légumineuse symbiose avec Rhizobium fixe couramment de 25 à 60 kg d'azote par année, alors que les organismes non symbiotiques fixent moins de 5 kg par hectare [16].Par exemple une culture de luzerne en fouie dans le sol peut apporter de 300 à 350 kg d'azote par hectare [29). On estime au bas que 150 à 200 millions de tonnes d'azote fixé sont apportées chaque année à la surface de la terre par ces systèmes biologiques [30,15).

2-1-lnfection et développement des nodules des légumineuses :

Le processus d'infection débute par une augmentation du nombre de bactéries au niveau de la racine. Ce processus met en jeu des interactions multiples entre les bactéries et les racines hôte.

En effet les Rhizobiums et les racines du future hôte nouent un dialogue sous la forme des messages chimiques entre les deux partenaires. A partir d'études effectuées initialement sur le soja, les trèfles et le pois, il ya quatre stade principaux [16,30) :

~

Multiplication des Rhizobiums, colonisation de la Rhizosphère et fixation aux cellules épidermiques et aux poils absorbants.

~

La courbure caractéristique des poils absorbant, L'invasion par les bactéries et la formation d'un cordon d'infection [1].

~

L'infection du nodule et son développement dans le cortex de la racine [1].

~

Déversement des bactéries du cordon d'infection et différenciation de cellules spécialisées dans la fixation de l'azote [16] (Figure 04).

Les Rhizobiums sont des bactéries saprophytes libres du sol. Leur nombre dépond de la

structure du sol, de sont contenu en eau et d'autres facteurs [24]. En présence des racines de

l'hôte la multiplication des bactéries et la colonisation de la Rhizosphère sont augmentées.

Chapitre II ===l:iEii==================================~=======-- Fixation d'azote

L'attraction des bactéries par les racines des plantes hôte c'est un mouvement vers un stimulant chimique, qui est nécessaire à la croissance et la reproduction des bactéries comme les acides aminés, les glucides et les acides organiques, par exemple les racines de pois exsudent un acide aminé rare, l'homosérine qui est une source préférentielle de carbone et d'azote pour le symbionte de la racine du pois [25].

Avant d'envahir leur hôte, les Rhizobiums émettent également des signaux mitogènes qui stimulent la division des cellules du cortex, ces cellules en division forment le méristème primaire de nodule, délimitant ainsi la région dans la quelle le nodule se développera [1].

La spécificité

est probablement déterminée lorsque les

s'attachent aux poils absorbants, elle doit nécessiter une sorte de reconnaissance entre les symbiontes et l'hôte, cette reconnaissance semble mettre en jeu deux classes de molécules ( les lectines et des polysaccharides complexes et d'autres facteur physico-chimiques) qui sont synthétisées par l'hôte, la synthèse est spécifique de la nodulation et commandée par des gènes bactériens qui sont activés en présence des flavonoïdes ou niveau racinaire de l'hôte[16,25].

Lors du stade de la nodulation, la bactérie doit traverser la paroi de la cellule hôte de façon à entrer dans l'espace situé entre la paroi et le plasmalemme. Les colonies des bactéries qui sont attachées sont emprisonnées dans l'extrémité du poil absorbant qui se recourbe en grosse. Les bactéries percent la paroi cellulaire par libèration des enzymes t'elles que pectinases, Hémicellulases et cellulases qui touts dégradent le matériel pariétal.

Figure 03. Cellule des nodules de la racine d'une légumineuse.

(Raven et Johnson. 2005)

Chapitre II Fixation d'azote

Lorsque les Rhizobiums ont atteint la face externe du plasmalemme, la croissance du poil absorbant cesse et la membrane plasmique commence à s'invaginer, il s'ensuit la formation dans la cellule, d'une invagination en forme de tube, nommée cordon d'infection qui renferme les bactéries. Le cordon d'infection s'allonge grâce à l'apport de nouveaux matériaux membranaires véhiculés par des vésicules golgiennes. Pendant la progression du cordon d'infection dans le poil absorbant, une fine couche de matériel cellulosique est déposée sur sa face interne [17]. Le cordon d'infection continue à s'allonger jusqu'à ce qu'il atteigne la base du poil absorbant, la il doit de nouveau percer la paroi afin que les bactéries puissent atteindre la cellule suivant située sur son trajet [16] . Lors de ce processus, quelques bactéries sont déversées dans l'espace apoplastique. Ces bactéries dégraderaient les parois de la cellule suivante permettant ainsi la progression du cordon d'infection dans les cellules corticales successives. Pendant que le cordon d'infection passe du poil absorbant au cortex, les bactéries continuent de se multiplier. Lorsque le cordon d'infection atteint le nodule en développement, il se ramifie de sorte que de nombreuses cellules du jeune nodule sont infectées. L'infection et la formation des nodules sont apparemment semblables dans les racines des légumineuses [30].

Figure 04. Nodules sur les racines d'une légumineuse Infecté par les rhizobiums. (René Heller et al, 1998)

Le stade final du processus infectieux est atteint lorsque les bactéries sont déversées dans la

cellule hôte. En fin la membrane du cordon infectieux bourgeonne, formant de petites vésicules

chacune contenant une ou plusieurs bactéries. Les bactéroïdes restent entourés d'une membrane,

Chapitre II

::::::=::~=================;;~:==='.".:::= = ---

nommée membrane péribactéroïdienne. La différenciation en bactéroïdes est marquée par de nombreuses modifications métaboliques comprenant la synthèse d'enzymes et d'autre facteurs dont l'organisme a besoin pour accomplir sa tâche principal la fixation d'azote [16,19].

Le processus infectieux se poursuit durant toute la vie du nodule. Lorsque suit à l' activité du méristème nodulaire, la taille du nodule augmente, les bactéries continuent à envahir les nouvelles cellules formées, au même temps le nodule s'accroit et atteint sa maturité, des connexions vasculaires s'établissent avec le système vasculaire de la racine (Figure OS) .Le rôle de

ces connexions est d'importer dans le nodule le carbone issu de la photosynthèse et d'exporter l'azote fixé vers les autres parties de la plante [31].

Chez les légumineuses les nodules racinaires sont composés d'un cortex relativement mince, entourant une grande zone centrale contenant des cellules infectées et des cellules indemnes de bactéroïdes. Des faisceaux conducteurs partent du point de fixation du nodule à la racine et rayonnent dans le cortex interne [29]. Chez le soja les cellules infectées peuvent jouer un rôle dans

la production de dérivés de l'urée, qui constituent le produit final de la fixation de l'azote exporté de nodule vers la plante [30, 23].

(a) (b}

Région infectée Cy~ndnt ~nducte\I' Région ln6!~e

. Mérislème apical du nodule _Méristème apica.du nodule

(e}

Figure OS. étpes du développement d'un nodule dans une racine de soja.

(Raven et al. 2005)

Chapitre II Fixation d'azote

3-Biochimie de la fixation d'azote :

Le diazote n'est pas aisément réduit du fait de la grande stabilité de la liaison entre les deux atomes d'azote (N= N). Lors du processus industriel, la réduction de la triple liaison du diazote par l'hydrogène ne peut être réalisée qu'à des températures et des pressions élevées, et au prix d'un coût énergétique considérables. La réduction biologique du diazote est également coûteuse du fait de la consommation d'une partie importante des photoassimilats délivrés par la plante [19).

3-1-La dinitrogénase :

La fixation du diazote est catalysée par un complexe enzymatique nommé dinitrogénase, seul les cellules procaryotes sont capables de fixer le diazote principalement, parce qu'elles sont les seules à posséder le gène qui code pour cette enzyme [25). La dinitrogénase à été purifiée chez pratiquement tous les procaryotes fixateurs d'azote connus, c'est un complexe protéique multimérique composé de deux protéines de taille différente. Les protéines la plus petite est dimère de deux sous-unités polypeptidique identiques nommé protéine à fer ou dinitrogénase réductase. La plus grande protéine du complexe dinitrogénase et appelées protéine MOFE, c'est un tétramère formé de deux sous-unités identiques. Chaque protéine MOFE contient deux ions molybdènes sous la forme d'un cofacteur fer-molybdène-soufre. La réaction globale de la réduction du diazote en ammoniac est décrite dans l'équation suivante [33, 16):

dinitrogénase

+ _ réductase . ]

8H +8 e +N

+16 ATP 2 NH

+ H

+16 ADP +16 P1 [25 .

Le principal produit de la fixation biologique de l'azote est l'ammoniac, mais pour chaque molécule de diazote réduit, une molécule d'hydrogène est générée la réduction de diazote se déroule en deux temps. Lors de la première étape, la protéine Fe est réduite par un donneur primaire d'électrons, habituellement la ferrédoxine qui joue un rôle important dans la photosynthèse. Lors de la seconde étape, la protéine MOFE est catalyse à la fois la réduction de diazote gazeux et la production d'hydrogène [15,16].

3-2-Le coût énergétique de la fixation d'azote :

La réduction biologique du diazote, comme la fixation d'azote par les procédés industriels est

extrêmement coûteuse en termes d'énergie. Le nombre de molécules d'adénosine triphosphate

(ATP) nécessaire permet de mesurer le coût énergétique. Pour chaque molécule de diazote

réduite, au moins 16 ATP sont nécessaire, deux par électron transférés [16,29].

Chapitre II Fixation d'azote - - - -

La source première de l'énergie utilisée dans la fixation d'azote est constituée des glucides produits par la plante hôte au cours de la photosynthèse. Une partie de ces glucides est détournée vers les bactéroïdes où ils sont métabolisés afin de fournir le potentiel réducteur et I' ATP nécessaires. Par exemple chez le soja, environ 12 grammes de carbone sont nécessaires pour fixer un gramme de diazote [16].

3-3-Dinitrogénase et oxygène :

La concentration en oxygène des cellules infectées par les bactéries doit être soigneusement contrôlée, parce que l'oxygène est un puissant inhibiteur irréversible de la nitrogénase, bien qu'il soit indispensable à la respiration aérobie qui permet de répondre aux demandes importantes d' ATP de l'enzyme [16]. Le contrôle d'oxygène est assuré par la présence d'une protéine hème qui fixe l'oxygène, la leghémoglobine [20]. Cette protéine responsable de la couleur rose de la région centrale du nodule, est produite en partie par les bactéroïdes et en partie par la plante (la globine) [16]. On suppose que la leghémoglobine agit comme tampon pour la concentration d'oxygène à l'intérieur du nodule et permet la respiration sans inhiber la nitrogénase. Elle participe en outre au

transport de l'oxygène et facilite sa diffusion jusqu'aux bactéroïdes [29], et pour la production d'ATP [35].

3-4-dinitrogénase et production d'hydrogène :

La production de l'hydrogène lors de la fixation de l'azote constitue un gaspillage d'énergie.

Bien que tous les fixateurs d'azote produisent de l'hydrogène, tous ne libèrent pas l'hydrogène dans l'atmosphère. Beaucoup de fixateurs d'azote possèdent une enzyme oxygène-dépendante nommée hydrogénase d'absorption, qui récupère une partie de l'énergie perdue par la production d'hydrogène. Cela résulte du couplage de l'oxydation de H

et de la production d'ATP. Les électrons libérés sont reversés dans le pool de réducteurs de la dinitrogénase [16].

Il est compréhensible qu'un grand intérêt ait été accordé à la biochimie et à la physiologie de l'action de l'hydrogénase ainsi qu'à l'expression de ces gènes. L'utilisation des biotechnologies afin d'accroitre le nombre de souches de Rhizobiums capables de recycler l'hydrogène, ouvre la possibilité d'augmenter globalement l'efficience de la fixation biologique de l'azote dans des plantes d'intérêt agronomique [17].

La réaction de dégagement d'hydrogène montre que le système nitrogénase agit comme une hydrogénase et accompagne toute fixation d'azote. Cette réaction qui peut être schématisée

comme suit [16,17] :

Chap_i _ tr _ e_ II _ =::=:~============== -- ==-=-==. _ :;;~==:====- Fixation d'azote

ADP+Pi

4-La génétique de la fixation de l'azote:

La génétique de l'infection, de la nodulation et de la machinerie fixatrice de l'azote est actuellement l'une des plus passionnantes, c'est un domaine dans lequel l'étude de la fixation de l'azote avance rapidement [16,8].

Chez les fixateurs libres d'azote, la synthèse de la dinitrogénase est sous la dépendance d'une série de gènes connus sous le terme de gènes nif. L'espèce la mieux caractérisée est Klebsiella pneumonieae, chez laquelle 17 gènes nif ont été identifié [25]. Les gènes nif comprennent des gènes de structure qui codent pour la protéine dinitrogènase ainsi qu'une série de gènes régulateurs. Deux gènes nif, nif D et nif K, par exemple codent respectivement pour les deux sous- unités de la protéine MOFE. La protéine Fe et la ferrédoxine sont codées respectivement par les gènes nif H et nif F. d'autre gène nif sont impliqués dans l'insertion du complexe enzymatique [17}.

Au moins trois groupes de gènes comprenant les gènes nif sont impliqués dans le processus symbiotique. Dans les premiers stades de nodulation, avant l'infection de la racine, un groupe de gènes du Rhizobium, les gènes nod sont activés par les flavonoïdes. Elles sont localisées sur un grand fragment d' ADN plasmide du Rhizobium appelé plasmide sym ou pour symbiose. Trois gènes nod : nod A, nod B, nod C, sont des gènes de nodulation communs à tous les Rhizobiums [16].

Lors des stades tardifs de développement du nodule, les gènes nif et fix du Rhizobium sont

actives. La distinction entre gènes nif et fix n'est pas toujours claire, sauf que comme dans les

bactéries libres de sol, les gènes nif sont impliqués dans la synthèse et la régulation de la

dinitrogénase. Les gènes fix ne sont présents que chez les fixateurs symbiotiques. L'un deux au

moins (fix X), code pour une ferrédoxine, d'autre pourraient être impliqué dans le transport des

électrons vers la dinitrogénase [17,8}.

CMpitre _... ^III:

Chapitre III===~============================~========-- L'assimilation de l'azote

Chapitre III. L'assimilation de l'azote:

L'ammoniac et les nitrates sont assimilés par les organismes autotrophes à partir des quelles ces derniers synthétisent les acides aminés qui leurs indispensables [11).

L'azote ammoniacale c'est une forme très assimilable directement par les végétaux supérieurs [15,11], dans les sols anoxique, sols acides, pauvres en bactéries, et ou la décomposition de la matière organique a lieu lentement [12,16).

Certaines plantes sont nitrophiles, comme les graminées ont un rendement meilleur avec les nitrates, éest le cas en particulier des plantes affectionnant les accumulations des déchets organiques, dans lesquels la biomasse végétale est accumulée et se décompose.

La majorité d'espèces a une alimentation mixte, assimilant les deux types d'ions (NH/, N0

[12].Les plantes inférieures comme les algues, les champignons, les végétaux carnivores, les végétaux parasites, ... , sont capable d'assimiler des formes organiques d'azote comme aspartate, urée, alanine, glutamine. L'alimentation organique chez les plantes supérieures est généralement faible par rapport à l'alimentation nitrique ou ammoniacale [13].

Dans ce chapitre nous allons d'abord étudier l'assimilation de l'azote nitrique puis celle de l'azote ammoniacale.

1- l'assimilation de l'azote nitrique :

Les plantes ne forment pas d'associations fixatrices d'azote, prélèvent l'azote sous la forme

de nitrate dans le sol. Le nitrate doit d'abord être réduit en ammonium avant de pouvoir être incorporé dans les acides aminés et d'autres molécules organiques [6].

Le N0

est la forme azotée la plus abondante dans le sol et la plus disponible pour les plantes qui ne forment pas d'associations fixatrices d'azote. Il a été montré que l'absorption du

~

N0

est sensible [16,17] :

> Aux basses températures.

> Aux inhibiteurs de la respiration et de la synthèse protéique.

> Aux conditions anaérobies.

Le transport du N0

à travers les membranes cellulaires des racines par un mécanisme exigent de l'énergie et mettant en jeu un transporteur c'est inductible [16,17].

La réduction du nitrate n'a pas toujours lieu au même endroit chez les plantes terrestres

supérieures [30]. N03- peut être soit stocké dans la vacuole, soit assimilé directement dans la

racine, soit être exporté par le xylème dans les feuilles où il sera assimilé [16]. Par exemples dans

Chapitre III ===~==============::;~===='.:::~L~'~as~si~ffi1~·1~att~ · :o~n~d~e~l'~az~o~te:_

le lupin blanc, la majorité des nitrates sont convertis en acides aminés et amides dans les tissus racinaires, au contraire dans le coton, la tomate la réduction des nitrates ne se produit pas au niveau des racines et le xylème transporte des quantités importantes de nitrates jusqu'aux feuilles où se produit la réduction [17].

Le nitrate qui ne peut pas être assimilé directement doit d'abord être réduit en NH/,8 électrons sont nécessaires pour la réduction selon la réaction suivante [21,16] :

N03- + 8 H+-+ NH3 +2 H20 +OH-.

Elle s'effectue en deux étapes: la réduction des nitrates en nitrites, et la réduction des nitrites en ammoniac.

};;:>

N03-+ 2 H+ + 2 é

N02- +H20.

};;:>

N02- + 6 H+ +6 é

NH3 + H20+ OH-.

1-1-Mécanisme de la réduction : 1-1-1-Réduction de

en

La nitrate réductase catalyse la transformation du nitrate en nitrite, cet enzyme a une large répartition taxonomique (bactéries, champignons, algues, plantes supérieures) [30].

La réduction des nitrates s'effectue grâce à nitrate réductase (NR) qui est un enzyme favoprotéine contenantdu fer et de molybdène. Chaque chaine polypeptidique est associée à ^trois

groupes prosthétiques: FAO, Fe et Mo [16,34].

Le donneur d'électron est le NADH, fourni à l'obscurité par la respiration, à la lumière indirectement par la photosynthèse à partir du NADPH formé dans le chloroplaste [15] .

.N.AO(PIH·H ...

x

x

NADIPI' · ,

1-1-2- Réduction du nitrite :

Le second élément important du système réducteur de nitrate est le nitrite réductase, qui transforme le nitrate formé au cours de la première réaction en azote ammoniacal [30].

Le nitrite réductase (Ni R) est un complexe enzymatique de petite taille qui constituée d'un centre fer-soufre et un groupe héminique spécial le sirohème. Le complexe reçoit ses électrons de la ferrédoxine qui s'oxyde, soit dans les feuilles ou les racines [15].

La ferrédoxine sera le nouveau réduit dans la feuille par le système photosynthétique, et dans

la racine par le NADH qui tire son pouvoir

la respiration [15,35].

Cha pitre III :=::=::~==============::;;;;=:===:=-L ~' ~ a~ss~ iiru~ ·~ 1a ~ tio ~ n ~d ~ e ~ l~ 'az ~o ~ te

Le nitrite réductase est capable de réduire le N02- en NH/ par oxydation de la ferrédoxine, selon un ensemble des réactions schématisées précédemment et que peut résumer :

Ferrédoxine réduite-+ Ferrédoxine oxydée + 6 é.

2- L'assimilation de l'ammonium:

L ' ammoniac NH3 est directement assimilé par de nombreuses plantes, mais sous forme de sel est toxique, soit en tant que produit de la fixation d'azote soit en tant qu'élément absorbé du sol [16,17].

Dans les systèmes fixateurs d'azote NH/inhibe l'action de la dinitrogénase, il interfère aussi avec le métabolisme énergétique de la cellule, et particulièrement avec la production d'ATP, même à la faible concentration, NH/découple la formation d'ATP du transfert des électrons dans les mitochondries et les chloroplastes. Par conséquent, les plantes peuvent difficilement se permette d'accumuler un excès de NH/ libre, la plupart des plantes évitent tout les problèmes de toxicité en incorporant rapidement NH4+ dans les acides aminés [16].

Le sel NH3 produit un transport principalement passif des ions NH/ à travers le plasmalemme, conséquence à l'existence de la différence de potentiel transmembranaire. Il existe toute fois différentes indices de l'existence de transport actif des NH/, comme la compétitive en présence d'autres cations comme K + ou Ca+ 2 [17].

2-1-lntégration de l'ammonium dans la synthèse de glutamine :

Cette intégration se fait soit par le système glutamate déshydrogénase (GDH), ou par le système glutamine synthétase (GS) et glutamate synthétase (GOGAT).

Les vois de réduction de l'azote intervenant dans les plantes examinées (fixation de l' azote

atmosphérique grâce aux nitrogénases, ou réduction des nitrates par le nitrite réductase) . Le NH 4 +

Chapi tre III ::::=::~===============:;~===~=_! L ~'~ as ~ s1 ~· mI ~ l ~ at ~ io ~ n ~ d ~ e~ l'~ az ~ o ~ te :_

qui est intégré soit dans l'acide glutamique ou glutamate, soit dans la glutamine [17]. Donc il ya deux voies:

a)-La voie de glutamine et régénération du glutamate :

C'est la voie plus commune de l'assimilation du NH/ dans les symbiontes fixateurs de diazote a été bien étudiée en fournissant du diazote marqué (N2

N/

Ces études ont montré que le premier produit organique formé était un acide aminé dit la glutamine emprunte le cycle du glutamate synthase [16].

Lorsque la concentration en ammonium est relativement réduite, les deux enzymes interviennent et agissent successivement: la GS puis GOGAT [17]. L'amide de l'acide glutamique ou glutamate est une forme de réserve nombreuse dans les graines et les tubercules, mais c'est aussi un intermédiaire important dans l'incorporation de NH3 pour la transformation de glutamate en glutamine qui est catalysée par GS [33] selon la réaction suivante [15] :

Glutamate+ NH

+ +ATP-+ Glutamine + ADP

L'énergie nécessaire à l'amination du glutamate est fournie par I' ATP. La glutamine est ensuite convertie en deux molécules de glutamate par le transfert d'un groupement amide sur une molécule d' a- cétoglutarate au cours de la réaction suivante [17] :

po-NH2

fH2 f H 2 fHNH 3+

coo-

Glutamine

+ NAD(P)H,.H+

a- cétoglutarate

...--t

2 + NAD(Pt

2 Glutamate

Cette réaction est catalysée par la GOGAT, au niveau du chloroplaste dans les feuilles et du

proplastidiale dans les racines [17]. Il nécessite du pouvoir réducteur pour produire deux

molécules de glutamate, chacune donnant naissance à une molécule de glutamine, qui est très

important au déroulement du cycle [16].

Chapitre III:::::::=:~===============:;;~===~= L 'assimilation de l 'azote

Figure 06. La voie résumée de la glutamine synthétase.

(Raven et al. 2005)

Glutamate synthétase dans les feuilles, l'incorporation de l'azote dans les composés organiques utilise I' ATP et la ferrédoxine à l'état réduit, tous deux abondamment disponibles dans les cellules photosynthétiques. L'un des deux molécules de glutamates produits se combine à l'ammoniac et réintègre le cycle, l'autre est transaminée et forme de nouveaux acides aminés, dans la racine la ferrédoxine est remplacée par NADH ou NADPH [16,6].

b)-La voie de l'amination réductrice:

C'est une voie alternative d'assimilation d'azote implique l'amination réductrice directe de a- cétoglutarate par glutamate déshydrogénase, il n'existe pas de preuves aérées montrant qu'elle joue un rôle significatif dans l'assimilation de NH/, sauf exception champignons aux fortes doses d'ammonium catalyse la réaction [17]:

coo- l

fH2

CH2

PHNHa+

coo-

a-eétoglutarate

+NH-t+ +ATP

CO-NH2 ·

1 CH2

1 CH

1 ²

CHNH3+

1 coo-

Glutamate

+ADP +Pi

cr-

Le glutamate peut se former par une amination réductrice qui implique la GOH, mais le plus

souvent il est produit par une réaction commandée par glutamate synthase où glutamate

synthétase [15].

Chapitre Ill====~===============:;~=:=='.'.'.:::= L'assimilation de l 'azote

Le cycle de glutamate synthase représente un coût énergétique d'un ATP par NH/assimilé, par contre il présente l'avantage de permettre une assimilation rapide. La forte affinité de GS et pour NH/ ainsi que la concentration élevée en GS, permet le maintien d'une concentration en NH4 + libre, inferieur au seuil de toxicité [16].

2-2- Synthèse des acides aminés:

Les plantes sont capables de synthétiser 20 acides aminés protéinogènes. Elles peuvent en outre fabriquer même d'autres aminoacides qui ne sont pas utilisés comme éléments structuraux des protéines [33].

a)-L'amination réductrice :

L'amination réductrice de 2 acides a- cétoglutariques est une voie de l'incorporation des ions NH4+. L'ammoniac sera incorporé suit à la réduction par NADH+H+, formant ainsi de l'eau et l'aminoacide correspondant [17].

R-CO-COOH + NH4

Par exemple: Acide oxaloacétique + NH/ + NADH+H+-+ Aspartique [17].

De cette manière les plantes supérieures synthétisent l'acide glutamique à partir de deux acides a- cétoglutariques provenant du cycle de Krebs [33].

b)- La transamination :

Réaction catalysée par les transaminases ou aminotransférases, ou un acide aminé (cetoacide), il s'agit de transféré le groupe NH2 d'un acide aminé sur un cetoacide réagisse réversiblement selon la réaction suivante [33, 25] :

transamination

R

-CH (NH2)-COOH + RrCO-COOH Ri-CO-COOH + RrCH (NH2)-COOH.

Le glutamate est le principal donneur de NH2, c'est par lui en effet que l'azote réduit entre toutes les molécules organiques azotées. Notamment celle de l'aspartate, lequel a surtout de l'importance par son amide d'asparagine, qui est la forme de transport et de réserve de l'azote la plus courante (ex : tubercule de pomme de terre, 1.4 mg par g de tissu frais) [15].

La biosynthèse des aminoacides s'effectue pour une part sur les lieux de réduction des

nitrates telle que les racines ou les feuilles. Toute fois elle se poursuit, notamment pour les

transaminations et les convertions diverses, dans tout les tissus en particulier au niveau de

mitochondries et de chloroplastes, organites qui mettent à sa disposition les acides cetoniques, et

n'oublier pas que les réducteurs NADH et NADPH et les sources d'énergie (ATP) sont nécessaires

pour cette réaction [15].

Chapitre III=::::=:~==============::=;;;;=-:===== L 'assimilation de l 'azote

2-3-

La

La protéogénèse s'effectue sur les ribosomes de cytoplasme des mitochondries et des chloroplastes. L'ordre dans lequel les aminoacides réunis par des liaisons peptidiques constituent les protéines. Dans la synthèse d'une protéine est directement les acides aminés (séquence), sont liés dépendamment de la séquence du gène qui code pour cette protéine [15, 33].

Dans les plantes supérieure, les feuilles sont essentiellement les lieux de synthèse des aminoacides et des protéines. Ainsi s'exprime la relation étroite entre le métabolisme glucidique et protéique [31].

L'azote est un élément constitutif de nombreux autres composés, comme des acides

nucléiques. C'est-à-dire synthétisent les bas nucléotidiques (des noyaux purique et pyrimidique),

et intervenant dans le métabolisme des plantes. Ainsi, l'azote contenu dans les noyaux, les

alcaloïdes et dans de nombreux autres composés.

Chapitre III:==:::~==============:=;;;:;==='.".:::= L 'assimilation de l 'azote

2-3-

La

La protéogénèse s'effectue sur les ribosomes de cytoplasme des mitochondries et des chloroplastes. L'ordre dans lequel les aminoacides réunis par des liaisons peptidiques constituent les protéines. Dans la synthèse d'une protéine est directement les acides aminés (séquence), sont liés dépendamment de la séquence du gène qui code pour cette protéine [15, 33].

Dans les plantes supérieure, les feuilles sont essentiellement les lieux de synthèse des aminoacides et des protéines. Ainsi s'exprime la relation étroite entre le métabolisme glucidique et protéique [31].

L'azote est un élément constitutif de nombreux autres composés, comme des acides

nucléiques. C'est-à-dire synthétisent les bas nucléotidiques (des noyaux purique et pyrimidique),

et intervenant dans le métabolisme des plantes. Ainsi, l'azote contenu dans les noyaux, les

alcaloïdes et dans de nombreux autres composés.

CMpitrel~ _...

)lspetts apnOlltipts ^et lœfogiiJUts

. pour _- ^fil uttition azotle

Chapitre I~V'_::_~~=======:=;~=:=:: Aspects agronomique~ et écologiq~es pour la nutrition azotée

stockant dans les tissus des racines et des tiges. Ce recyclage interne permet de conserver de un à

deux tiers de l'azote, et permet la continuité de cycle de la vie des plantes dans l'écosystème [S,

16].

(J)iscussion