Nutrition des plantes : Innover pour une agriculture
compétitive et durable
15 & 16 novembre 2012 - Montpellier SupAgro INRA
w w w . r e n c o n t r e s – q u a l i m e d i t e r r a n e e . f r
Pourquoi et comment
améliorer la nutrition en fer
des plantes ?
BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
Pourquoi et comment améliorer la nutrition
en fer des plantes ?
BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
Le fer est un élément essentiel du monde
vivant
• 4ème élément le plus abondant sur la planète
• Fe = métal de transition
• Fe2+ = fer ferreux, réduit
• Fe3+ = fer ferrique, oxydé
• Impliqué dans toutes les réactions d’oxydo-réduction et
dans les chaînes de transfert d’électrons des cellules
Mais….
Pourquoi et comment améliorer la nutrition
en fer des plantes ?
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Le fer est un facteur limitant de la production de
biomasse • Fer = facteur limitant dans 30 à 40 % des océans pour la production
primaire de phytoplancton (Martin & Fitzwater 1988 Nature 331: 341-343)
• Egalement facteur limitant pour la production de biomasse des
végétaux supérieurs (Ravet et al 2009 Plant Journal 57: 400-412 )
Pourquoi et comment améliorer la nutrition
en fer des plantes ?
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Fe(OH)3 insoluble
Fe3+ Fe2+
pH > 7
Le fer est peu disponible
• 1 / 3 des sols cultivés sont concernés (sols calcaires)
• Carence en fer = chlorose inter-nervaire
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La chlorose ferrique impacte le rendement et la
qualité des produits végétaux
Chloroplastes = organites des feuilles contenant la chlorophylle
+ photosynthèse : assimilation CO2 ---> squelette C des
molécules organiques
+ N et S assimilation ---> Synthèse des Acides Aminés et
des Vitamines
+ Fe - Fe
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La qualité des produits végétaux (contenu en fer)
impacte la santé humaine
• La diète de 2/3 de la population mondiale repose sur des produits
végétaux
• 100 g de farine de céréales contiennent moins de 10% de la
recommandation journalière d’apport de fer.
En conséquence :
• 3 milliards d’humains sont carencés en fer (retard du
développement psycho-moteur, fatigue chronique, plus grandes
susceptibilité aux infections …)
source : http://www.who.int/nutrition/topics/ida/en/index.html
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Le chlorose ferrique est réversible
• 50% de fer et de chlorophylle en moins dans les feuilles après
dix jours de carence en fer
• Réversible 48 h après apport de fer.
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Le fer en excès peut-être toxique
• Humains = hémochromatose
• Plantes = « bronzing » (Riz)
Stress Oxydatif
Reaction de Fenton
(Hydroxyl radical)
Fe2+ + O2 Fe3+ + O2•-
Fe2+ + H2O2 Fe3+ + HO• + HO-
(Superoxide ion )
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Les acteurs moléculaires de la nutrition en fer :
acquisition du fer par les racines
GRAMINEES Fe3+-PS YS1
Phytosiderophores
Fe3+-PS
PS
SOIL ROOTS
NON-GRAMINEES FRO2 Fe3+
Fe2+
H+ H+ AHA2
Fe2+ IRT1
PS TOM1
• 2 principes :
• réduction
• chélation
• Avantage écologique
des graminées en sol
calcaire
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Les acteurs moléculaires de la nutrition en fer :
distribution entre organes et tissus
• Combinatoire de transporteurs
membranaires et de petites
molécules organiques (citrate et
nicotianamine) affines pour Fe2+ et
/ ou Fe3+
• Les 2 principes réduction et
chélation s’appliquent aussi à ce
niveau
(Curie et al 2009 Ann Bot 103: 1-11)
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Les acteurs moléculaires de la nutrition en fer :
répartition intracellulaire • Trois compartiments clés du métabolisme
cellulaire du fer : vacuoles, mitochondries et
chloroplastes
• Répartition coordonnée du fer entre ces trois
compartiments par transporteurs membranaires,
petites molécules organiques affines du fer, en
utilisant les deux principes de réduction et de
chélation
• Machineries de biogenèse de l’hème et des
centre Fe-S dans chloroplastes et mitochondries
= cœur du métabolisme cellulaire (respiration /
photosynthèse) et donc de la production végétale
(Briat et al 2007 Curr Opin Plant Biol 10: 276-282)
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Les solutions agronomiques : cibler les
variables réduction et / ou chélation
• Augmenter la disponibilité du fer du sol : acidification,
amendements organiques (acides humiques) et phosphatés
• Pratique culturale : cultures alternées graminées / non graminées
(avantageux pour non graminées mais pas l’inverse)
• « Fer – tilisation » : chélates organiques (Fe-EDDHA =
sequestrène; monopole CIBA GEIGY (BASF depuis 2009)
• cher donc réservé aux cultures à haute valeur ajoutée
• apport annuel
• EDDHA entre dans la plante
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Les solutions génétiques (amélioration des
plantes)
• Variabilité naturelle du contenu en fer : pour les graines entre 5 et
22 mg x kg-1 chez le riz, 10 et 160 mg x kg-1chez le maïs et 15 et
360 mg x kg-1 chez le blé (White and Broadley 2005 Trends Plant Sci 10: 386-593)
• Cependant les variétés cultivées ont faibles niveaux en fer =
minimum journalier requis dans la diète pas atteint. [Fe] grains de
blé stable entre 1845 et 1960, puis décroit rapidement depuis
introduction des variétés à haut rendement (Fan MS et al 2008 J Trace Elem
Med Biol 22: 315-324)
• Programmes amélioration contenu minéral des graines de
légumineuses (introgression, utilisation marqueurs moléculaires)
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Les solutions biotechnologiques
(transgenèse) pour la nutrition des plantes
• Levée de chlorose et augmentation du rendement en grain d’un
facteur 8 de riz cultivé en sol calcaire après manipulation par génie
génétique de ses propriétés
• de réduction (surexpression réductase ferrique des racines
[Ishimaru et al 2007 PNAS 104 : 7373-7378])
• de chélation du fer (augmentation production sidérophores
par surexpression de la nicotiananmine aminotransférase
[Takahashi et al 2001 Nature Biotech 19 : 466-469])
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Les solutions biotechnologiques (transgenèse)
pour la qualité des produits végétaux
(biofortification) • Plantes (laitue, maïs, riz, banane …) surexprimant les ferritines (Lucca
et al 2002 J Am Coll Nutr 21: 184S-190S)
• crée un puits de fer
• induit les systèmes de transport des racines
• 1,5 à 3 fois plus de fer dans les organes ciblés (feuilles,
graines)
• Nicotianamine (NA) et transporteur YSL =
• Facteur limitant pour acheminement Fe dans les graines
• Riz transgénique surexprimant NA synthase, YSL et ferritine =
X [Fe] et [Zn] grains par 4,4 à 6 fois et 1,6 fois respectivement
(Masuda et al 2012 Scientific Report 2 : 543)
(Murgia et al 2011 Trends Plant Sci 17: 47-55)
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