Intégration d'un module de détoxication métabolisme-dépendant dans un modèle d'évaluation des risques encourus par les arbres soumis à l'ozone

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Submitted on 6 Jun 2020

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Intégration d’un module de détoxication

métabolisme-dépendant dans un modèle d’évaluation des risques encourus par les arbres soumis à l’ozone

Pierre Dizengremel, Didier Le Thiec, Yves Jolivet, Marie-Paule Hasenfratz-Sauder

To cite this version:

Pierre Dizengremel, Didier Le Thiec, Yves Jolivet, Marie-Paule Hasenfratz-Sauder. Intégration d’un module de détoxication métabolisme-dépendant dans un modèle d’évaluation des risques encourus par les arbres soumis à l’ozone. Séminaire du Groupe d’Etude de l’Arbre : ”La Plasticité phénotypique des arbres”, Oct 2008, Montpellier, France. 31 p. �hal-02824515�

Pierre Dizengremel, Didier Le Thiec, Yves Jolivet, Marie-Paule Hasenfratz-Sauder

Intégration d’un module de détoxication métabolisme- dépendant dans un modèle d’évaluation des risques

encourus par les arbres soumis à l’ozone

UMR 1137 INRA / Nancy Université

Ecologie et Ecophysiologie Forestières

Didier Le Thiec CR INRA

► Transcriptomique :

Per Gardeström, Vaughan Hurry, Catherine Benedict

► Protéomique :

Sacha Bohler, Jenny Renaut, Jean-François Hausman Yves Jolivet MCF

Marie-Paule Hasenfratz-Sauder MCF Marie-Noëlle Vaultier

Joëlle Gérard TC

Emilien Delacote PhD Sacha Bohler PhD

Jacques Banvoy TC (chambres phytotroniques) Mireille Cabané MCF

Dany Afif MCF Nicolas Richet PhD

Équipe Écophysiologie Cellulaire et Moléculaire Pierre Dizengremel

UMR 1137 INRA / UHP Nancy 1 Écologie et Écophysiologie Forestières

Wood fuel is the only source of fuel for one third of the world’s population

Wood demand will double in next 50 years

Climate change is

projected to increase

forest productivity, but

forest management will

become more difficult,

due to an increase in

pests and fires

Human activities have changed the composition

of the atmosphere since the pre- industrial era

Ozone formation Ozone formation

Ozone concentrations 1870-2000

0 10 20 30 40 50 60

1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010 Year

Ozone (ppb)

Pic du midi Jungfraujoch Mont Ventoux Pfander Mountain Arosa

Hohen peisenberg Zugspitze Pic du Midi

Evolution of ozone

Evolution of ozone level level

(C .Herman & R. Frey, St-Louis, USA, 2001)

Pollution

Pollution climate climate at at L.A : L.A :

August 27, 1987 August 27, 1987

(McRaeet al., 1992)

Ozone : polluant atmosphérique

ppm.h

10 seuil critique 5

0 15 20 25 30 35

Pour les plantes, un seuil critique (AOT 40) de 10 ppm.h

(6 mois) est fréquemment dépassé dans les pays industrialisés

(Source : Cahiers du Département de la Santé des Forêts, 1999)

Réponse des plantes à l’ozone

Année 1997

Ozone

Ozone level level in France in France

Source : Prév’air - INERIS, 2003

August 8, 2003

µg/m³

Nancy

ª ª ^{Peaks Peaks up to 180 up to 180 µ µ g/m g/m}

^{~_ 100 100 ppb ppb}

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

ozone µg/m3

daytime (h)

Smog over : Smog over :

Tree Biotechnology Meeting, Umea, June 7-12, 2003

control ozone

Ponderosa

Ponderosa pine pine Aleppo Aleppo pine pine

ozone

Los Angeles

Los Angeles Athens Athens

Boundary layer

Sub-stomatal cavity

Cuticle

O ₃

Exchanges of ozone

Exchanges of ozone with with vegetation vegetation

Canopy exchanges

Plant

Metabolism

ozone

Foliar gas

exchanges _{stomata cuticle}

Climate

(T°, RH,…)

Effect

Effect of ozone on of ozone on growth growth of poplar of poplar

Biomass

10 15 20 25 30

Total dry weight (g) ozone 120 ppb

ozone 60 ppb control

Total biomass (g)

Fumigation : 34 days

Photosynthesis

0 2 4 6 8

Net assimilation (molCO2.m-2.s-1) ozone 120 ppb

ozone 60 ppb control

(μmolCO₂.m^-2.s^-1) Net assimilation Fumigation : 34 days

ª ª ^{Parallel Parallel decrease decrease}

of biomass of biomass and and photosynthesis

photosynthesis

R² = 0,85

Biomasse relative

Bouleau (Betula pendula)

Réduction de biomasse

Source: Uddlinget al. (2004) Atmospheric Environment, 38: 4709-4719.

% de variation par rapport au contrôle (air CF)

d.d.l. ([O3] moyenne) Gymnospermes

Angiospermes

Gymnospermes Angiospermes

Concentration ambiante en O₃

Wittig et al. (2007) Plant, Cell and Environment, 30(9) : 1150-1162.

Assimilation de CO₂et conductance stomatique Méta-analyse de 61 (A_sat) et 55 (g_s) études publiées

% de variation par rapport au contrôle (air CF)

d.d.l. ([O3] moyenne) [O3] (ppb)

Concentration élevée en O₃

Impact de l’ozone sur les arbres forestiers

-11 %

-19 %

Experimental

Experimental design design at at Nancy Nancy

ozone 60

ozone 60- -200 200 ppb ppb light 200

light 200- -300 300 µ µ mol.m mol.m

.s .s

temperature

temperature 22/18° 22/18 °C ( C (day day/night) /night) humidity

humidity 75/85 % (day 75/85 % ( day/night) /night) Controlled chambers

O

computer (data recording)

2

ozone analyzer

ozone

production temperature-

and humidity- controlled chamber lamps

charcoal- filtered air stream

filters

filters filters

fumigation chamber

Mûrier blanc

Peuplier noir

Peuplier euraméricain

Hêtre Charme

Source : Field Exercise of the 4th UN/ECE ICP-Forests Ozone Training Course.

Italie/Suisse, 25-27 août 2003. http://www.wsl.ch/ozone

Populus tremula x alba Chambres phytotroniques 35 jours, ozone 120 ppb

Symptômes foliaires observés

Feuilles en développement Feuilles matures

Zone nécrosée

Air filtré Ozone

Action de l’ozone sur les végétaux

► Pénétration par les stomates

► Décomposition rapide

► Génération de ROS

(espèces oxygénées réactives) O

^_. ; HO ^. ; H

O

; etc.

► Stress oxydant

Exposition ponctuelle Pics de concentration en ozone

Æ Symptômes foliaires

(chlorose, brunissement, nécrose) Exposition chronique

Concentration en ozone modérée Æ Perturbation du métabolisme

Photosynthèse réduite

Coûts de détoxication et de réparation

Æ Réduction de croissance.

Æ Sénescence accélérée.

O

ROS

ROS ROS

O

O

RubisCo Chloroplaste

CO ₂

Cycle de Calvin

Trioses P

Phosphoénolpyruvate (PEP)

AOA

Malate

CO ₂ ^PEPC

Cycle de Krebs Pyruvate

(NADPH)

(NADPH)

Pyruvate

NADH

Mitochondrie

AOX

COX

Comparaison de l

Comparaison de l’ ’ effet de l’ effet de l ’ozone ozone la Photosynthèse (A) sur

l’activité RubisCO (B) et

d’aiguilles de Pin loblolly ( Pinus taeda ) âgés de 3 ans

Dizengremel et al., 1994

0 5 10 15 20

0 10 20 30

days of fumigation

(nkat/mg prot)

Control

Ozone 60 ppb

Rubisco

40

Effect

Effect of ozone on of ozone on carboxylation carboxylation : :

Rubisco &

Rubisco & Pepc Pepc Poplar

Poplar , 60 , 60 ppb ppb O O

PEPc

days of fumigation

(nkat/mg prot)

Control

Ozone 60 ppb

10 20 30 40

0.4 0.8 1.2 1.6

ª ª ^{and huge and huge} stimulation of stimulation of Pepc Pepc activity activity

ª ª ^{In ozone- In ozone -treated treated plants : plants :}

inhibition of

inhibition of Rubisco Rubisco activity activity

AOT40 (

AOT40 (accumulated accumulated exposure exposure over a threshold over a threshold of 40 ppb of 40 ppb) )

AOT40 =

AOT40 = ^{Σ j j} _{i i} ^([O ₃ ^]

^-40)

CUO (cumulative

CUO (cumulative uptake uptake ozone) ozone)

CUO =

CUO = ^Σ _i ^j _i ^{j (FO} ₃ ⁾

^Karlsson _{Pleijel et al} ^{et al.} _{. (2007)} ⁽²⁰⁰⁷⁾

- Differences exist according to species, climate, etc…

- Effective ozone flux

- Detoxification/Metabolism

Indices of ozone

Indices of ozone exposure exposure

Chloroplast

PAR

Calvin cycle Photochemistry

Rubisco

NADPH

ATP PSII

CO

Trioses Phosphate Catabolism

NAD(P)H

Asc GSSG

DHA GSH NAD(P) Asc

DHA

CO

Glycolysis HMP Detoxification

Apoplast Extracellular

space

Cytosol Cell wall

Symplast

ROS ROS

O ₃

1st existing detoxifying barrier

ROSO₃ Asc DHA

DetoxificationDetoxification

PEP

PEPc

Mitochondria Krebs

cycle

How ozone impacts

How ozone impacts cell cell metabolism metabolism

Asc GSSG NADPH DHA GSH NADP

Plasmalemma

NAD(P)H

Rubisco C O

PEPc C O

Rubisco / PEPc ratio

C O

Poplar

60 ppb O₃, 2 weeks

9.1

17.0 0.36 1.35 47.2 6.74

Effect

Effect of ozone on carboxylation of ozone on carboxylation

Rubisco & PEPc

Norway spruce

200 ppb O₃, 12 weeks

6.2

13.2 0.45 2.55 29.3 2.43

Aleppo pine

200 ppb O₃, 5 weeks

7.5

13.6 0.55 1.96 24.7 3.82

Specific activity (nkat.mg

)

Transcripts

rbcL

C O

PEPc

Proteins

Rubisco

C O

LSU

ª ª In ozone- In ozone -treated treated plants : plants : higher

higher contribution of contribution of PEPc PEPc to carboxylation to carboxylation activity activity ª ª putative putative transcriptional transcriptional

regulation

regulation of Rubisco of Rubisco and and Pepc Pepc corresponding corresponding genes genes

Fontaine

et al

et al

Chloroplast

Mitochondria

PAR

Calvin cycle Photochemistry

Rubisco

NADPH

ATP PSII

CO

Trioses Phosphate Catabolism

NAD(P)H

Asc GSSG

DHA GSH NAD(P) _Krebs

cycle

CO

Glycolysis HMP Detoxification

Apoplast Extracellular

space

Cytosol Cell wall

Symplast

ROS ROS

O ₃

ROSO₃ Asc DHA

PEP

PEPc

1st existing detoxifying barrier

Malate Malate

OAA

Detoxification

2

detoxifying response

Malate

Pyruvate NADP ME

Primary

Primary carbon carbon metabolism, metabolism , PEPc PEPc and reducing and reducing power power

Asc GSSG NADPH DHA GSH NADP

Plasmalemma

NAD(P)H

NTR/Trx

NTR/Trx

Citrate Isocitrate

2-OG Amino Acid Synthesis

NAD(P)H

Glycolysis PEP

PEP as a key metabolite at crossroads for many purposes?

Calvin cycle

Erythrose 4P

PEP + PAL

Monolignols CAD

Shikimic pathway

Cell wall

GS/GOGAT cycle

Amino Acid Biosynthesis

Gal 3P

Pyruvate + PK pathway MEP

Isoprene Biosynthesis

Anaplerotic pathway PEPc

OAA Malate

PK

Pyruvate

Respiration

Krebs

cycle

Which links could exist between PEPc increase, discrimination against

13

CO

and WUE

Δ = discrimination between ¹²C and ¹³C isotopes a = stomatal diffusion

b = isotopic discrimination due to carboxylation

As ozone induces an increase in the PEPc/Rubisco ratio, - β and b increase,

-and consequently Δ and WUE should be modified.

WUE = Water Use Efficiency

A = CO₂ assimilation = g_CO2(Ca – Ci) (2) g_s= stomatal conductance to water = 1.6.g_CO2 (3) Ca = atmospheric [CO₂]

Ci = internal [CO₂]

WUE = A / g

From (1), (2) and (3):

WUE = (Ca – Ci) / 1.6

According to Farquhar et al. (1982) :

Δ = a + (b – a) ( Ci / Ca)

According to Farquhar & Richards (1984) :

b = β.b

+ (1-β)b

_β = PEPc activity / (PEPc activity + Rubisco activity)

b₁ = isotopic discrimination due to PEPc b₂ = isotopic discrimination due to Rubisco From (4) and (5) :

WUE = Ca / 1.6 x ( b - Δ / b – a)

18 20 22 24 26 28 30

0 20 40 60 80 100 120 140

Ozone concentration

Δ 14 days

32 days

Dizengremel, Le Thiec, Afif, Jolivet, unpublished

Δ

Δ (calculated) changes in poplar leaves submitted to two external ozone concentrations

Ozone flux

- Stomatal conductance - CO

assimilation

Gas exchanges

Δ

Rubisco & PEPc

Biomass ?

Productivity

Possible links between ozone flux, PEPc increase, isotopic discrimination against

CO

and WUE

NADPH

Is there any feedback impact on WUE and/or stomatal conductance ? WUE

?

(Dizengremel et al., 2008)

Effect

Effect of ozone on lignification in of ozone on lignification in poplar poplar leaves: leaves :

lignin

lignin content content Klason lignin

10 12 14 16 18 20

Klason lignin

(% (w/w) of cell wall residue) ozone 120 ppb

ozone 60 ppb control

+ 36%

+ 56%

ª ª ^{Increase Increase of lignin of lignin} biosynthesis biosynthesis

in in leaves leaves under under ozone ozone treatment treatment

Voies m

Voies mé é taboliques conduisant taboliques conduisant à à la synthè la synth èse des lignines se des lignines

C4H

4CL

4CL 4CL

C3H COMT COMT

CCR CCR CCR CCR CCR

CAD CAD ?

Péroxydase ? Laccase ?

Péroxydase ? Laccase ?

Péroxydase ? Laccase ? CCoA3H

CCoAOMT CCoAOMT

C3H COMT F5H COMT

COMT F5H COMT

C3H C3H

CST CST

CQT CQT

4CL 4CL

PEP

E4P DAHP DHQ

DHS

quinate

shikimate chorismate

tyrosine

tryptophane

DAHPS DHQS

QDH DHQDH

QH

Voie shikimiqueVoie des phénylpropanoïdesVoie de biosynthèse des lignines

F5H

phénylalanine

cinnamate

p-coumarate cafféate férulate 5-OH

férulate sinapate

p-coumaroyl CoA

cafféoyl CoA

féruloyl CoA

5-OH- féruloyl CoA

sinapoyl CoA p-coumaroyl

shikimate

p-coumaroyl quinate

cafféoyl shikimate

cafféoyl quinate

p-coumaraldéhyde

alcool coumarylique

unité p- hydroxyphényle

(H)

aldéhyde cafféique

alcool cafféique

conifér- aldéhyde

5-OH conifér- aldéhyde

sinap- aldéhyde

alcool coniférylique

alcool 5-OH- coniférylique

alcool sinapylique

unité syringyle

(S) unité

guaiacyle (G)

CAD CAD CAD

SHDH

PAL

unitéunité pp--hydroxyphhydroxyphéénylenyle HH

unitunitéé guaiacyleguaiacyle GG

unitéunitésyringylesyringyle SS

augmentation de 40%

ª ª synthè synth èse de lignines plus condens se de lignines plus condensé ées sous un stress ozone es sous un stress ozone

™ deux types de liaisons : C-C et β-O-4

lignines fortement enrichies en unités H au détriment des unités S

™ teneurs en lignines

contrôle O₃

0 7 14 21 28 35

Lignines [% (m/m RP)]

™ composition monomérique des lignines

0 3 6 9 12

Unités H [% (m/m)]

H

0 20 40 60 80

Unités G [% (m/m)]

G

0 20 40 60

UnitésS[%(m/m)]

S

plus de liaisons C

plus de liaisons C -C possibles avec les - C possibles avec les unit unité és H s H plus de liaisons C

plus de liaisons C - - C: lignines plus condens C: lignines plus condens é é es es

Effet de l

Effet de l’ ’ozone ozone

H G S