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Thèse présentée à l'Université scientifique et médicale de
Grenoble
pour obtenir le grade de Docteur es sciences naturelles
par
|
Microanalyse des éléments minéraux de l'épiderme foliaire,
variations de leurs teneurs associées aux mouvements stomatiques |
Les stomates sont constitués de deux cellules
épidermiques chlorophyliennes, différenciées, réniformes, délimitant entre
elles une ouverture, l’ostiole, permettant de mettre en relation les
parenchymes foliaires avec l'atmosphère.
Des variations de pression osmotique dans ces cellules
induisent leurs mouvements, permettant à la plante d'adapter sa transpiration
aux conditions de l'environnement.
D'une façon générale, le flux de transpiration est
étroitement dépendant du degré d'ouverture des stomates, la transpiration
cuticulaire ne représentant qu'une faible fraction de la transpiration foliaire
lorsque les stomates sont ouverts.
Les stomates répondent à des stimuli très nombreux. Ils
peuvent être de nature endogène : rythme circadien (MARTIN et MEIDNER 1972,
MARTIN et STEVENS 1979, HEATH 1984) ; ou exogène : variation de la lumière en
longueur d'onde ou en intensité (PEMADASA 1981), tension de vapeur d'eau
(STALFELT 1955, 1957), concentration externe en oxygène (LOUGUET 1968, 1972a,
LUDLOW 1970) et en gaz carbonique (MEIDNER et MANSFIELD 1968, LOUGUET 1974).
En conditions naturelles ces stimuli sont souvent associés, leurs variations sont continuelles et interdépendantes.
L'importance physiologique des stomates leur a fait
consacrer de très nombreux travaux : sur leur intervention dans les transferts
d'eau dans la plante (HEATH 1959, de PARCEVAUX 1963, SHERIFF et MEIDNER 1974),
sur leurs réponses aux différents stimuli énoncés précédemment.
Une étude métabolique des cellules de garde est rendue
très difficile par la presque impossibilité d'isoler l'épiderme entier, et plus
particulièrement les cellules de garde.
Les cellules de garde sont généralement les seules
cellules épidermiques chlorophyliennes et il est connu que les mouvements
stomatiques sont affectés par la présence d'inhibiteurs de la respiration et de
la photosynthèse (ALLAWAY et MANSFIELD 1967, WILLMER et MANSFIELD 1970a,
PEMADASA et KORALEGE 1977).
Des techniques développées depuis quelques années (ZEIGER
et HEPLER 1976, SCHNABL et coll. 1978), permettent d'isoler des protoplastes de
cellules de garde mais les résultats obtenus sur un tel matériel, bien que d'un
grand intérêt, ne peuvent être directement transposés au métabolisme de
cellules de garde en situation in vivo.
En 1827, de CANDOLLE adopte le terme de stomate pour
définir ces structures foliaires. VON MOHL, en 1856, fut l'un des premiers a
relier les mouvements stomatiques aux variations de pression de turgescence à
la fois dans les cellules de garde et dans les cellules épidermiques
environnantes.
Dès 1905, MACALLUM observe l'accumulation de potassium
dans les cellules de garde lors des mouvements stomatiques par des méthodes
histochimiques. ILJIN (1922, 1957) met en évidence les propriétés de Li+ Na+ et
K+ en tant que promoteurs du mouvement d'ouverture des stomates.
Ces premiers travaux sont repris par IMAMURA (1943), puis
par YAMASHITA (1952), mais ce n'est toutefois qu'à partir des années 60 que de
nombreux travaux sont consacrés à l'étude de l'accumulation des ions minéraux
lors des mouvements stomatiques.
FUJINO (1967) émet l'hypothèse de l'existence d'un
transport actif de potassium ayant un effet promoteur sur l'ouverture
stomatique par augmentation de la pression osmotique des cellules de garde.
FISCHER, en 1968, conclut que l'augmentation de concentrations
du potassium dans l'épidémie de Vicia faba lors de l'ouverture des
stomates est suffisante pour expliquer la baisse de potentiel osmotique des
cellules de garde tors de l'ouverture.
WILLMER et MANSFIELD (1969b, 1970b) montrent que d'autres
cations monovalents (Na+, Li+) peuvent provoquer l'ouverture de stomates.
SAWHNEY et ZELITCH (1969) trouvent une relation linéaire
entre la concentration en potassium dans les cellules de garde et la
taille de l'ostiole.
Les flux d'entrée du potassium dans les cellules de garde
lors de l'ouverture sont très élevés et peuvent être plus de dix fois
supérieurs à ceux observés dans les racines (RASCHKE 1975).
Il est maintenant admis que l'ouverture des stomates
s'accompagne d'une augmentation très importante de la concentration des ions
minéraux dans les cellules de garde.
On peut se référer à ce propos à de nombreux articles de
synthèse récents (RASCHKE 1979, MACROBBIE 1981, WILLMER 1983).
Il s'agit en général d'une accumulation de sels de
potassium, à l'exception peut-être des plantes halophytes (ESHEL et al.
1974).
Cette accumulation serait responsable de l'augmentation
du potentiel de turgescence des cellules de garde lors de l'ouverture.
Toutefois, il subsiste de nombreuses interrogations :
-
Quel est le processus primaire déclenchant les changements de
flux d'ions?
-
Quelles sont les relations existant entre le degré d'ouverture
stomatique et la concentration des ions minéraux dans les cellules du
complexe stomatique ?
-
L'ouverture et la fermeture des stomates dépendent-elles des
mêmes mécanismes ioniques ?
-
Quelle est la part relative des ions minéraux et des ions
organiques (malate,...) dans les mouvements stomatiques ?
PRINCIPALES HYPOTHESES
SUR LE MECANISME D'OUVERTURE DES STOMATES
A partir des travaux effectués
sur quelques espèces (vicia faba, Zea mays, Commelina conmunis,
Allium cepa,...), plusieurs hypothèses ont pu être formulées sur les
mécanismes contrôlant les mouvements stomatiques :
Cette hypothèse est la plus
ancienne et fut formulée par SAYRE en 1926, puis complétée par SCARTH en
1932.
Elle postule l'activation d'une phosphorylase
induite par une variation du pH intracellulaire.
Cette variation proviendrait
de la consommation de l’acide carbonique en solution par les mécanismes
photosynthétiques.
Cette phosphorylase permet de
déplacer l'équilibre amidon/sucres réducteurs dans le sens d'une hydrolyse de
l'amidon.
L'augmentation des sucres
solubles entraîne une augmentation de la pression osmotique des cellules de garde
(seules cellules photosynthétiques de l'épiderme).
L'entrée d'eau dans les
cellules de garde provoquerait alors l'ouverture stomatique par effet
mécanique.
A l'obscurité, l'équilibre
serait déplacé dans l'autre sens et aboutirait à la fermeture des stomates.
De nombreux faits expérimentaux
viennent à 1'encontre de cette hypothèse.
Le principal est la différence
enregistrée entre les variations théoriques du pH intracellulaire dues à la
consommation de l'acide carbonique par la photosynthèse (0,1-0,3 unités pH) et
celles réellement observées (0,5-2 unités pH) (SCARTH 1929, PENNY et BOWLING
1975, DAYANAN et KAUFMAN 1975,...).
D'autre part, une concentration
élevée en C02 externe, de l'ordre de 10% peut provoquer l'ouverture des
stomates (LOUGUET 1974), alors que le pH intracellulaire devrait être plus
faible.
Formulée par ZELITCH en 1963,
elle repose sur l'observation d'une inhibition de l'ouverture des stomates par
les alpha-hydroxysulfonates (inhibiteurs de la glycolate oxydase).
ZELITCH émet alors l'hypothèse
que l'énergie nécessaire à l'ouverture stomatique pourrait être fournie sous
forme d'ATP par la voie métabolique glyoxylate/glycolate.
Cette hypothèse, toutefois, ne
permet pas de rendre compte de l'ouverture stomatique obtenue en air dépourvu
de gaz carbonique à l'obscurité, ces conditions permettant une levée de
l'inhibition induite par les alpha-hydroxysulphonates.
Selon ZELITCH (1969),
l'ouverture stomatique en absence de gaz carbonique procéderait de mécanismes
différents, opinion non partagée par d'autres chercheurs (LOUGUET 1974).
Les alpha-hydroxysulfonates
auraient également un effet inhibiteur sur la photosynthèse.
A partir de résultats obtenus
chez Zea mays, RASCHKE propose, en 1971, un mécanisme reposant sur une
"navette" passive des ions K+ et Cl- entre les cellules de garde et
les cellules subsidiaires.
Ces mouvements d'ions seraient
associés à l'activité d'une pompe électrogénique entraînant un efflux de
protons des cellules de garde lors de l'ouverture stomatique.
Il existerait parallèlement une
synthèse de malate dans les cellules de garde.
Si cette hypothèse permet
d'expliquer les variations de concentration en ions potassium observées lors de
l’ouverture, la fermeture stomatique devrait être associée à une entrée de
protons et à un départ de K+ et Cl- des cellules de garde suivant un mécanisme
mal défini.
D'autre part, les données de la
littérature sur les variations de concentration du malate lors des mouvements
stomatiques sont encore peu nombreuses (TRAVIS et MANSFIELD 1977, VAN KIRK et
RASCHKE 1978) et parfois contradictoires (SCHNABL et RASCHKE 1980).
Les nombreuses difficultés
rencontrées lors des études biochimiques de cellules de garde isolées font
également craindre une contamination par le mésophylle.
(Switch malate hypothesis). PENNY et BOWLING, en 1974, à partir de
travaux électrophysiologiques menés sur Commelina communis émettent
l'hypothèse qu'il existe une navette des ions K+, Cl- et malate entre les
cellules de garde et les cellules subsidiaires et épidermiques.
Ces mouvements d'ions seraient
associés aux mouvements stomatiques.
Cette hypothèse suppose que des
variations du pH intravacuolaire des cellules de garde précéderaient les
mouvements stomatiques.
Ces variations de pH
permettraient de déplacer l'équilibre de la réaction :
|
malate
monovalent (pH=5) |
↔ |
malate
divalent (pH=6) |
Lors de l'ouverture. Il y
aurait création d'un gradient de malate monovalent entraînant sa diffusion des
cellules épidermiques vers les cellules de garde, le malate divalent ne pouvant
diffuser à travers les membranes et restant bloqué dans les cellules de garde.
Cette entrée de malate
provoquerait donc une augmentation de la pression osmotique des cellules de
garde.
Cette théorie ne repose que sur
des mesures de pH intravacuolaire.
On ignore pour l'instant les
valeurs des gradients de concentration au niveau des membranes (plasmalemme et
tonoplaste), et de la paroi.
Seule leur connaissance nous
permettrait de tester cette hypothèse (MACROBBIE 1981).
Il existe, d'autre part, chez
certaines espèces (Zea mays), des flux importants d'ions Cl- associés
aux flux d'ions K+ (RASCHKE et FELLOWS 1971).
L'hypothèse d'une synthèse de
malate associée à une entrée d'ions Cl- à une concentration supérieure à celle
du potassium impliquerait l'existence d'un cation permettant de maintenir 1'électroneutralité
cellulaire.
Il est également probable que
deux mécanismes se superposent, l'un dépendant des ions organiques (malate),
l'autre des ions minéraux (K+, Cl-).
L'acide abscissique réduit la
transpiration et provoque la fermeture des stomates (MITTELHEUSER et VAN
STEVENINCK 1969).
Il est synthétisé dans le
mésophylle lors d'un stress hydrique (LOVEYS 1977), et pourrait être transporté
dans l'épiderme où il serait le médiateur du contrôle de 1'ouverture des stomates.
Il pourrait notamment
intervenir dans les échanges H+/K+ au niveau du plasmalemme des cellules de
garde.
Le fait qu'il n'ait pas été
détecté dans l'épiderme et un certain manque de corrélation entre sa
concentration dans la feuille et les mouvements stomatiques permettent de
douter du rôle qui lui a parfois été attribué.
D'autre part, certaines plantes
ne réagissent pas à l'acide abscissique : c'est le cas de Tradescantia
virginiana et du lupin jaune (cité par WILLMER 1983).
Les méthodes de localisation de
l'ABA par immunochimie devraient permettre prochainement de déterminer sa
répartition épidermique.
Selon MAIER-MAERCKER, et à
partir d'études effectuées à l'aide de traceurs radioactifs du potassium ou
d'un équivalent 43K, 86Rb), les flux d'ions sont
directement liés aux flux de transpiration épidermiques (MAIER-MAERCKER 1979,
1983).
L'accumulation des ions aurait
alors lieu au site d'évaporation maximum qui est la paroi des cellules de garde
lorsque les stomates sont ouverts et des cellules épidermiques lorsqu'ils sont
fermés (la paroi des cellules épidermiques étant plus fine que celle des
cellules de garde).
L'accumulation de potassium ne
serait donc qu'un phénomène secondaire lié à l'état d'ouverture des stomates.
D'autre part, le mécanisme
d'accumulation serait non spécifique de l'ion K+.
Le contrôle des mouvements
stomatiques dépendrait de l'équilibre amidon/sucres solubles ; dans ce cas.
Les critiques émises lors de
l'analyse de la théorie dite "classique" se reposent à nouveau.
Ces hypothèses décrivent donc
l'accumulation de potassium dans les cellules de garde lors de l'ouverture
stomatique, comme étant due à des mécanismes très différents : transport actif,
co-transport associé à un flux de protons, accumulation par la transpiration
péristomatique.
Ces différentes hypothèses
traduisent bien le manque de connaissance sur le mécanisme et le rôle exact de
cette accumulation d'ions K+.
Le seul point commun
remarquable semble être que tout mouvement stomatique s'accompagne de
variations des concentrations ioniques dans les cellules stomatiques.
Ceci à l'exception peut-être
d'une orchidée aux cellules de garde non chlorophylliennes (NELSON et MAYO
1975, 1979 ; OUTLAW et al. 1982), bien que ces résultats soient
controversés (WILLMER et al. 1983).
On peut également remarquer que
les hypothèses faisant intervenir une navette des ions K+ et Cl- reposent sur
des résultats obtenus chez des espèces dont les cellules de garde sont
entourées par des cellules épidermiques compagnes différenciées telles que Zea
mays et Commelina communis (RASCHKE et FELLOWS 1971, PENNY et
BOWLING 1974).
Il nous a donc paru important
d'étudier les variations ioniques associées aux mouvements stomatiques, et ceci
en relation avec différents types d'architectures stomatiques.
Il semblerait, d'après les
études antérieures, que les cellules subsidiaires interviendraient dans les
mécanismes ioniques (RASCHKE et FELLOWS 1971), et physiques (EDWARDS et al.
1976) entraînant les mouvements stomatiques.
Ces cellules subsidiaires
pourraient avoir un rôle plus important chez les espèces où elles sont
différenciées par rapport à l'épiderme environnant.
Dans le cadre de cette étude,
nous nous sommes donc particulièrement attachés à étudier l'influence de la
présence de cellules subsidiaires différenciées.
Pour cela, on ne pouvait se
baser entièrement sur des données bibliographiques.
Les nombreuses recherches
menées jusqu'à présent l'ont certes été sur de très nombreuses espèces, mais
dans des conditions très différentes : plante entière, feuilles isolées,
épidermes isolés, protoplastes.
D'autre part. les méthodes de
dosage des ions sont également très diverses : traceurs du potassium
(MAIER-MAERCKER 1981), méthodes cytochimiques (STEVENS et MARTIN 1977).
microsonde électronique (SAWHNEY et ZELITCH 1969, RASCHKE et FELLOWS 1971),
spectrométrie de flamme (ALLAWAY et HSIAO 1973), méthode enzymatique (OUTLAW et
LOWRY 1977), microélectrodes spécifiques (PENNY et BOWLING 1974, EDWARDS et
BOWLING 1984).
Les mesures effectuées à l'aide
de ces différentes techniques ne sont pas directement comparables.
Les mesures effectuées par
microsonde électronique représentent la concentration moyenne d'une cellule,
celles par microélectrodes spécifiques la concentration vacuolaire.
Cette disparité dans les
méthodes expérimentales entraîne une grande difficulté dans la comparaison des
résultats.
Nous avons également voulu
poursuivre cette étude sur le rôle des cellules subsidiaires lors de l'application
des différents stimuli.
Nous nous proposons de conduire
cette étude sur quatre espèces : Vicia faba, Zea mays, Tradescantia
virginiana et Commelina communis.
Ce choix est dicté par la bonne
connaissance de leurs physiologies.
Les nombreuses références
bibliographiques concernant les mouvements stomatiques, l'appartenance aux deux
phylums mono- et dicotylédones et par l'architecture différente de leurs
complexes stomatiques (absence ou présence de cellules subsidiaires
différenciées).
En conclusion à un article de
synthèse récent (MACROBBIE 1981), l'auteur faisait remarquer le manque
important de données expérimentales sur l'aspect cinétique de l'accumulation
des ions lors des mouvements stomatiques.
Une telle étude cinétique est
indispensable pour tenter de définir les relations exactes entre l'accumulation
ionique et les mouvements stomatiques, ainsi que les rapports de causalité.
Les études cinétiques sont peu
nombreuses et ont souvent été menées sur épidermes isolés (MACROBBIE et LETTAU
1980, MACROBBIE 1981).
On peut considérer que les
mouvements ioniques observés dans de telles conditions peuvent être très
différents de ceux existant réellement, dans les complexes stomatiques, dans le
contexte de la plante entière (MACROBBIE et LETTAU 1980b).
Une première étude cinétique de
ce type a déjà été menée au laboratoire.
Elle a permis de mettre en
évidence un décalage entre mouvements stomatiques et mouvements des ions
minéraux (LAFFRAY et al. 1982).
Notre but a donc été de la
poursuivre et de la compléter, en étudiant plus particulièrement les variations
ioniques associées aux mouvements stomatiques, d'une façon cinétique et en
relation avec l'architecture du complexe stomatique étudié.
Cette étude a également porté
sur l'effet des principaux facteurs intervenant sur les mouvements stomatiques
et sur les conséquences au niveau ionique.
Ont été plus particulièrement
étudiés :
-
l'effet de la lumière à différentes intensités ;
-
l'effet de la concentration externe en oxygène et en gaz
carbonique ;
-
l'effet de la tension de vapeur d'eau.
Nous nous sommes également
intéressés aux variations ioniques associées au mouvement de fermeture de
stomates, très peu étudiée jusqu'à présent.
Cette étude nous a permis, pour
toutes les espèces étudiées :
- De confirmer le décalage
entre les mouvements stomatiques et les variations des teneurs en éléments
minéraux, déjà observé lors d'études précédentes effectuées au laboratoire
(LAFFRAY et al. 1982), et d'étendre ce résultat à d'autres espèces.
-
De mettre en évidence que chacune des phases des mouvements
stomatiques (ouverture, maintien et fermeture) était accompagnée de mouvements
des éléments minéraux spécifiques. Si l'ouverture, stomatique est peu corrélée
avec l'entrée des ions dans les cellules de garde, la première phase de la
fermeture des stomates est étroitement corrélée avec un efflux d'ions de ces
cellules.
-
De mettre en évidence que les mouvements stomatiques étaient
accompagnés de mouvements d'éléments entre le complexe stomatique et 1’épiderme
(GARREC et al. 1983, GARREC et VAVASSEUR 1984), et que de ce fait
l'hypothèse d'une "navette" du potassium entre les cellules de garde
et les cellules subsidiaires (RASCHKE 1979) était insuffisante.
-
De démontrer que l'hypothèse de la transpiration péristomatique
(MAIER-MAERCKER 1979, 1983) ne pouvait permettre d'interpréter nos résultats
(LAFFRAY et al. 1984).
-
De mettre en évidence que l'absence de CO2, qui provoque une
ouverture nocturne ou un surcroît d'ouverture à la lumière, engendre des
mouvements ioniques plus importants qu'en air normal.
L'étude de plusieurs espèces nous a permis :
-
D'observer que chez Tradescantia virginiana l'ouverture
stomatique était accompagnée de variations très faibles des concentrations en
potassium et en chlore des cellules de garde (VAVASSEUR et al. 1984).
-
De démontrer le rôle particulier des cellules subsidiaires
différenciées dans les mouvements stomatiques chez les Commélinacées (VAVASSEUR
et al. 1984), et plus particulièrement chez Tradescantia virginiana.
-
De mettre en évidence les fortes variations du rapport des
teneurs en éléments K et Cl dans les cellules de garde de Zea mays lors
d'une ouverture stomatique en air sans C02.
La synthèse de ces travaux
entraîne, en conclusion, l'existence de deux mécanismes permettant
l'accumulation d'osmoticums lors de l'ouverture stomatique, l'un basé sur une
synthèse organique et l'autre sur des échanges d'ions minéraux.
Les conditions externes
(lumière, concentration du CO2) favorisant l'un ou l'autre de ces deux mécanismes.
Mots clefs :abscissique / acide / carbonique / cellule / cinétique /
commelina / concentration / condition / échange / épiderme / équilibre / étude / faba / fermeture /
foliaire / garde / intracellulaire / ionique / ion / k+ / lumière / malate / mays / mécanisme
mésophylle / mouvement / na+ / navette / osmotique / ouverture / pH / photosynthèse / plante / potassium /
pression / raschke / résultat / rôle / stomate / stomatique / tradescantia / transpiration / turgescence /
vavasseur / vicia / virginiana / willmer / zea / zelitch
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