Phytoextraction des métaux dans des sols contaminés: transfert et séquestration du cadmium et du zinc chez la plante hyperaccumulatrice Arabidopsis halleri – PHYMET

L'approche consiste à étudier des plantes aux phénotypes contrastés prélevées sur des sites métallicoles et non métallicoles. La localisation des métaux est réalisée par une combinaison MEB:EDX et µSXRF. la spéciation est réalisée par des techniques d'Absorption X (XAS) et des techniques analytiques couplées (chromatographie/ spectrométrie de masse).

Les plantes de 4 sites ont été prélevées et mises en cultures avec différents traitements de Zn. L'étude de A. halleri Auby (M) a été poursuivie par ailleurs sur le cadmium et nous avons pu déterminer la distribution du métal dans les feuilles ainsi que dans les protoplastes. La spéciation a également été obtenue par EXAFS et XANES. Les mécanismes de séquestration des métaux dans les trichomes ont été étudiés par µFTIR. La mise au point analytiques est en cours.

Le prélèvement du xylème est programmé pour l'automne 2012.
Les phénotypes des plantes des différents sites vont être mesurés durant l'été 2012 et l'étude de la localisation et spéciation sera faite sur les individus les plus contrastés.
Le set up analytique suit son cours.

cf report

Les plantes hyperaccumulatrices sont capables de tolérer et d’accumuler dans leurs parties aériennes des concentrations métalliques à des niveaux qui sont toxiques pour des plantes ‘normales’. Cette propriété remarquable peut être utilisée à des fins de remédiation des sites pollués (phytoextraction). Pour cela, et pour appréhender plus généralement l’homéostasie des métaux chez les plantes hyperaccumulatrices, il est nécessaire de comprendre comment les métaux sont transférés et stockés dans les parties aériennes. Arabidopsis halleri est une hyperaccumulatrice de zinc et, dans une moindre mesure, de cadmium et sa proche parenté avec l'espèce modèle Arabidopsis thaliana en font une espèce d’étude émergente de choix car les outils génétiques et moléculaires disponibles chez A. thaliana peuvent être utilisés pour A. halleri. A ce titre, l’implication des transporteurs métalliques dans l’hyperacccumulation de Zn et la tolérance à Cd a été montrée récemment. Une question clé est maintenant de déterminer si les caractères de tolérance et d'accumulation, contrôlés par les gênes, sont en relation avec les mécanismes de transport et de stockage dans la plante, qui n'ont toujours pas été élucidés.
L’objectif de ce projet est de progresser dans la compréhension de l’hyperaccumulation en déterminant les mécanismes de transfert et de séquestration de Zn et Cd chez des populations d’A. halleri ayant des caractères d’accumulation et de tolérance (phénotypes) contrastés, et de mettre en évidence le lien existant entre ces mécanismes et les phénotypes. Il s’agit également de déterminer si des ligands spécifiques inconnus jusque là sont excrétés au niveau racinaire afin d’accroitre la biodisponibilité métallique. Dans ce but, nous proposons d’étudier quatre populations d’A. halleri de phénotypes contrastés originaires de quatre sites métallicoles et non métallicoles européens. Les mécanismes seront étudiés en combinant de façon originale des techniques de microscopies (confocale, électronique) et de spectroscopies issues du rayonnement synchrotron (microfluorescence X, absorption des rayons X, XAS) avec des techniques de chimie analytique couplant en ligne une purification/séparation par électrophorèse capillaire ou chromatographie liquide, une détection atomique par ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) et une identification moléculaire par spectrométrie de masse. Ces outils de pointe dans le domaine de la spéciation des métaux sont complémentaires en terme de sensibilité : les limitations inhérentes à la limite de détection et à la faible sensibilité pour les molécules organiques des techniques XAS peuvent être levées par les techniques analytiques, et les artéfacts liés à la préparation des échantillons en chimie analytique peuvent être testés par les techniques XAS qui ne nécessitent pas de phase d’extraction. Nous nous intéresserons en particulier au rôle des acides organiques dans la séquestration foliaire de Zn et Cd, au transport dans le xylème et au rôle particulier de la nicotianamine et des phytochélatines, ainsi qu’au rôle des trichomes, cellules épidermiques foliaires, et des exudats racinaires. L’accent sera également mis sur l’étude cellulaire et sub-cellulaire en travaillant sur des compartiments isolés (protoplastes, vacuoles).
Les résultats aux niveaux tissulaire et cellulaire nous permettront de proposer un modèle de transfert et de stockage de Zn et Cd pour les différents phénotypes et seront comparés aux résultats obtenus en parallèle sur l’expression des gênes induite en condition de stress métallique. L’équipe associée à ce projet bénéficie de la complémentarité de ces membres, qui possèdent des compétences dans les domaines de la génétique de l’adaptation des plantes aux métaux, de la préparation des échantillons, des techniques d’analyse physique et de la chimie analytique appliquées aux échantillons biologiques. Avec ce projet, nous souhaitons promouvoir cette approche interdisciplinaire.