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PHYSIOLOGIE VEGETALE
THEME 1 : Autotrophie - Nutrition carbonée
THEME 2 : Nutrition minérale
THEME 3 : Relations hydriques
> Photosynthèse et excès de lumière : stress-oxydant, photoinhibition et photoprotection
RAPPELS
Lorsqu’une plante, exposée préalablement à un éclairement faible, est analysée pour la réponse de son
activité photosynthétique (dégagement d’oxygène, par exemple) à la lumière, une courbe biphasique, dite
courbe de saturation de la photosynthèse par la lumière, est obtenue (c.f. cours). Sous éclairement
limitant, le rendement quantique est maximum, puis décroît au voisinage de la saturation. Pour les valeurs
élevées d’éclairement (au moins la moitié de l’éclairement solaire maximum, environ 1000 µmol de photons.m2
.s-1), l’activité photosynthétique est maximale. Dans ces conditions, l’activité photosynthétique est limitée par les
réactions d’assimilation du CO2.
Les processus de photo-inhibition sont observés dans la nature lorsque les plantes sont amenées à faire face à
des conditions d’éclairements subits très intenses. De plus, ils sont considérablement accentués lorsque les
plantes sont soumises à une température basse (2-5°C). De telles conditions sont rencontrées dans les pays
nordiques au cours des mois de juin et de juillet.
I – PHOTO-INHIBITION DYNAMIQUE ET CHRONIQUE
1°) Quelles sont les causes et les conséquences des deux types de photo-inhibition ? Qu’est-ce qui les
différencie ?
Doc A : Photo-inhibition dynamique et photo-inhibition chronique (Dunod)
Lorsque la courbe de saturation de la photosynthèse par la lumière est réalisée sur une plante préalablement
exposée à un très fort éclairement, une diminution du rendement quantique foliaire (rapport du nombre de
moles de CO2 absorbés sur le nombre de moles de photons absorbés) est observée, alors que l’activité
photosynthétique maximale de la plante n’est pas modifiée. Il s’agit d’une photo-inhibition dite
« dynamique », car la capacité maximale de fixation du carbone n’est pas touchée. Si en revanche, l’excès
d’éclairement est prolongé, on observe une baisse simultanée du rendement quantique et une réduction
importante de l’activité photosynthétique maximale lors du retour à la normale. Il s’agit dans ce cas d’une
photo-inhibition chronique qui est associée à une baisse d’assimilation du CO2.
Doc B : Réponse à la lumière (éclairement) de plantes préalablement soumises à un éclairement : (1)
limitant puis saturant, (2) intense de courte-durée : photo-inhibition dynamique, (3) intense et prolongé : photoinhibition chronique. Pmax : Photosynthèse optimale ;  : rendement quantique foliaire (Dunod)
II – GENERATION DES ROS ET DOMMAGES DANS LE CHLOROPLASTE
2°) Rappelez la définition des mots : oxydant/réducteur. A l’aide d’un schéma, expliquez la cause et la
conséquence de la production des dérivés réactifs de l’oxygène (ROS) au sein des chloroplastes.
Doc C : Origine de la formation des ROS lors de la photo-inhibition (Dunod)
D’une manière générale en condition d’excès de lumière, la limitation de l’activité photosynthétique par la
vitesse des réactions d’assimilation du CO2 entraîne une diminution de l’utilisation du NADPH et de l’ATP
produits par la chaîne photosynthétique (donc de la régénération de NADP + et d’ADP). Il en résulte une
saturation de la chaîne de transfert d’électrons, dont les transporteurs se trouvent dans un état réduit. Les
photosystèmes ne peuvent alors plus évacuer les charges électroniques provenant de l’excès des photons
absorbés.
-
Au niveau du PSII, les électrons provenant de l’oxydation de l’eau tendent à réagir avec
l’oxygène moléculaire environnant. La réduction de l’oxygène est alors partielle et aboutit à la
formation d’ions superoxyde (O2-) en partie transformés par la suite en H2O2 (peroxyde
d’hydrogène ou eau oxygénée) grâce à l’intervention de la superoxyde dismutase (réaction de
Mehler). Les deux ROS, O2- et H2O2, peuvent à leur tour interagir pour former le radical hydroxyl
(OH°-) particulièrement réactif.
-
Simultanément, au niveau du PSI, les molécules de chlorophylles des centres réactionnels ne
peuvent plus retourner à l’état fondamental par photochimie. Les chlorophylles excitées, à l’état
triplet (3Chl), réagissent alors avec l’oxygène (forme triplet 3O2 à l’état fondamental) pour donner
naissance à l’oxygène singulet (1O2). L’oxygène singulet est une forme active de l’oxygène
susceptible de conduire à la dégradation des structures plastidiales.
Doc D : Les différentes formes actives de l’oxygène représentées selon la séquence de leurs
équivalents réduits (Dunod).
Doc E : Dommages photo-induits (Dunod).
Les espèces actives de l’oxygène sont extrêmement dangereuses pour les plantes. Le peroxyde d’hydrogène
par exemple est un inhibiteur de certaines enzymes du cycle de réduction des pentoses. Les radicaux libres
OH°- sont des oxydants redoutables, capables d’arracher des électrons aux macromolécules organiques
cellulaires, provoquant la peroxydation des lipides membranaires, la destruction des protéines (notamment la
D1, centre réactionnel du PSII), la détérioration de l’ADN chloroplastique. Ainsi, dans les conditions de fort
éclairement et de basse température (8 à 12°C), la machinerie photosynthétique est endommagée par les
dérivés réactifs de l’oxygène. L’activité photosynthétique et par conséquent la croissance sont fortement
diminuées.
Doc F : Peroxydation des lipides membranaires et intervention d’une molécule antioxydante (le
tocophérol ou vitamine E) (Dunod).
Le processus est initié par l’attaque d’une double liaison par une forme radicalaire oxydante (X°) qui
arrache un atome d’hydrogène et aboutit à la synthèse d’un radical pentadiènyl (a). Un radical peroxyl et
un diène conjugué sont ensuite formés (b). La partie radicalaire peroxyl se localaise à l’interface eaumembrane (c). Lors de l’intervention d’une molécule antioxydante comme le tocophérol, le radical
peroxyl réagit avec le tocophérol, ce qui convertit le lipide représenté en (a) en hydroperoxyde (d). Le
radical tocophérol qui est formé peut être réparé (réduit) par l’ascorbate (non représenté ici).
III – MECANISMES DE PHOTOPROTECTION DES CHLOROPLASTES
Il existe divers dispositifs de protection et de régulation qui permettent une adaptation à court terme du
fonctionnement des chloroplastes lors des variations rapides de l’éclairement. Sous l’action d’un
éclairement intense conduisant à une photo-inhibition dynamique, la plante peut mettre en œuvre une série
de processus de photo-protection.
3°) Vous expliquerez les mécanismes de photo-protection mis en place par les plantes à l’échelle de la
feuille et de la cellule. Comment s’appelle le mouvement des organites dans la cellule sous l’effet d’un
courant cytoplasmique ?
Doc G : Mouvements des feuilles et des chloroplastes dans les cellules du parenchyme chlorophyllien
en réponse à la lumière (Dunod).
4°) A l’aide d’un organigramme, vous expliquerez le mécanisme de photo-protection mis en place par les
plantes à l’échelle du chloroplaste.
Doc H : Migration des monomères phosphorylés de l’antenne mobile du PSII (LHCII) des zones
granaires vers les régions non accolés. Etat 1 : LHCII non phosphorylé, associé au PSII ; Etat 2 : LHCII
phosphorylé, associé au PSI (Dunod).
Doc I : Régulation des flux énergétiques au niveau des thylakoïdes (Dunod).
La migration de l’antenne mobile du PSII (LHCII) vers l’antenne du PSI conduit à une transition entre
un état 1 (LHCII au PSII) et un état 2 (LHCII au PSI). Cette migration de l’antenne LHCII permet une
redistribution de l’énergie lumineuse entre les deux photosystèmes et une baisse de la capture des
photons au niveau du PSII.
La migration de l’antenne mobile du PSII a lieu lorsqu’elle est phosphorylée par une kinase dont l’activité
dépend du degré d’oxydoréduction du pool des plastoquinones (PQ). Un senseur (sensible à l’état redox
du pool des PQ) de nature inconnue (proche mais différent de PQ) active la LHCII-kinase lorsque PQ
est à l’état réduit (plastoquinol), ce qui est le cas en état 1 lorsque l’éclairement devient excessif. La
kinase entraîne alors la phoshorylation du LHCII et l’apparition de charges répulsives par rapport à
l’antenne proximale mineure. La forme phosphorylée de LHCII transfère l’énergie d’excitation au PSI aux
dépends du PSII, diminue la formation des formes actives de l’oxygène dans l’environnement du PSII, et
favorise le transfert d’électron cyclique autour du PSI (cf. transfert d’électrons cycliques). Le
fonctionnement prolongé du chloroplaste en état 2 entraîne l’oxydation du pool des quinones et la
déphosphorylation par une phosphatase de l’antenne ; la kinase quant à elle est progressivement
inactivée.
5°) Rappelez ce que sont les xanthophylles (structure, fonction, localisation). Schématisez le cycle des
xanthophylles. Pourquoi est-ce un mécanisme efficace ?
Remarque : en cas d’excès de lumière, la plante peut aussi mettre en place le transport cyclique des
électrons. De quoi s’agit-il ? Quels sont les avantages et les inconvénients ? Où le retrouve-t-on chez les
C4 ?
Doc J : Le cycle des xanthophylles permet une dissipation thermique (Dunod).
Le cycle des xanthophylles constitue un mécanisme biochimique qui permet la dissipation sous forme de
chaleur de l’excès d’énergie lumineuse reçue par les feuilles de la plante. Les xanthophylles impliquées
dans ce processus sont associées à l’antenne du PSII. Ces pigments changent de structure sous
l’action d’enzymes : les époxydases et les dé-époxydases ; la forme non-époxydée de la violaxanthine
(zéaxanthine), étant capable de recevoir l’énergie de la chlorophylle excitée. Le passage des formes
violaxanthine à anthéraxanthine puis zéaxanthine est possible grâce à l’intervention d’une dé-époxydase
membranaire, qui utilise le pouvoir réducteur de l’ascorbate (ASA).
Cette réaction est activée suite à une diminution du pH du lumen, ce qui constitue
un mode de
régulation très efficace ; l’excès de lumière conduisant à la saturation de la chaîne de transfert des
électrons et à l’établissement d’un gradient de pH transmembranaire élevé. Le changement du pH dans
le lumen induit un changement de conformation des protéines des complexes antennaires du PSII,
permettant le positionnement favorable de la zéaxanthine par rapport à la chlorophylle (moins de 10 Â)
et le transfert d’énergie entre ces molécules.
Le recyclage de l’ascorbate s’effectue par réduction du déshydroascorbate (DHA) qui diffuse facilement
à travers la membrane dans le stroma par le système glutathion réductase à NADPH (GR) et
déshydroascorbate réductase (DHAR). En permettant la dissipation de l’énergie lumineuse reçue en
excès, la formation de la zéaxanthine limite la formation des ROS.
Doc K : Enzymes impliquées dans la conversion de la violaxanthine en zéaxanthine dans les thylakoïdes en
réponse à un changement de l’intensité lumineuse. La forme intermédiaire anthéraxanthine n’est pas
représentée. ASA : acide ascorbique ; MDHA° : monodéshydroascorbate (Dunod).
IV – MECANISMES D’ELIMINATION DE L’O2 ET DE SES DERIVES REACTIFS
6°) Quel processus (en compétition avec la photosynthèse) permet d’éliminer le surplus d’O 2 chez les
plantes en C3 ? Expliquez pourquoi.
7°) A l’aide des documents suivants en ANNEXE, présentez les avantages et les inconvénients des
différentes particularités des mitochondries végétales dans un tableau.
8°) Selon vous, qu’est-ce qu’un anti-oxydant ? Citez quelques antioxydants évoqués dans ce dossier
(antioxydants enzymatiques) et quelques antioxydants non-enzymatiques que vous connaissez.
ANNEXE – PARTICULARITES DES MITOCHONDRIES VEGETALES
I – RAPPELS SUR LES MITOCHONDRIES
La mitochondrie est délimitée par une enveloppe constituée de deux membranes aux propriétés très
différentes :
-
La membrane externe contient une protéine transmembranaire, la porine, qui permet le passage
des ions et des métabolites de masse molaire < 10 kDa.
-
La membrane interne très riche en protéines et quasiment imperméable aux ions et aux métabolites
hydrosolubles.
La chaîne respiratoire ou chaîne de transport des électrons est localisée dans la membrane interne des
mitochondries. Chaque mitochondrie contient des milliers d’exemplaires de la chaîne de transport
d’électrons.
Les mitochondries des végétaux contiennent des complexes supplémentaires par rapport aux animaux :
-
Les NAD(P)H déshydrogénases (NDin et NDex) ;
-
L’oxydase alterne (AOX).
II – LES NAD(P)H DESHYDROGENASES INTERNES ET EXTERNES
La chaîne respiratoire des végétaux contient 2 NAD(P)H déshydrogénases supplémentaires, par rapport
aux animaux :
-
Une NAD(P)H déshydrogénase Ca2+-dépendante interne : elle se trouve sur la face matricielle. Elle
oxyde le NAD(P)H matriciel provenant du cycle du citrate, lorsque celui-ci est présent à des
concentrations très élevées dans la matrice.
-
Une NAD(P)H déshydrogénase externe : elle est orientée vers le
cytosol. Elle oxyde le NAD(P)H cytosolique : le NADH formé par la
glycolyse et/ou le NADPH qui résulte de l’oxydation du G6P par la
voie des pentoses phosphates (shunt des pentoses).
Ces deux déshydrogénases constituent un contournement du complexe I et
elles sont insensibles à la roténone (inhibiteur du complexe I). Par voie de
conséquence, ces réoxydations se substituent aux systèmes de navette que
l’on trouve chez les animaux.
Les NAD(P)H déshydrogénases n’expulsent pas de protons puisqu’elles « court-circuitent » le premier site
d’expulsion des protons (complexe I).
III – L’OXYDASE ALTERNATIVE ou AOX
La chaîne respiratoire des végétaux possède une seconde
oxydase terminale (contrairement aux animaux) : l’oxydase
alternative ou AOX (insensible au cyanure). Cette voie alternative
transfère les électrons des quinones à l’oxygène et contourne
ainsi 2 sites d’expulsion de protons. Par conséquent, elle
contribue peu – voire pas du tout – à la production finale d’ATP.
L’AOX a pour rôle :
-
D’oxyder rapidement les substrats respiratoires lorsque la
charge énergétique est élevée (niveau d’ATP élevé) ;
-
De réduire la production d’espèces réactives de l’oxygène
(ROS ou radicaux libres).
En conditions normales, l’AOX est faiblement exprimée dans les
mitochondries des végétaux. En revanche, son expression
augmente en conditions de stress (froid, sécheresse, pathogènes,
…)
Structure et mode de régulation de l'AOX