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Comment l’uranium perturbe le développement du système racinaire ?

L'uranium est naturellement présent dans l'environnement, la plupart du temps à de faibles doses (quelques ppm), mais parfois à de plus fortes concentrations. L’équipe Plantes, Stress et Métaux du Laboratoire Physiologie Cellulaire & Végétale (UMR LPCV CEA CNRS UGA Inra) s’intéresse à la physiologie et aux aspects moléculaires induits par la présence d’uranium dans les sols sur les plantes. Dans une récente étude, les chercheurs ont montré que le développement et l’architecture des racines d’Arabidopsis thaliana sont fortement modulés en réponse à l’uranium : à de faibles doses l’effet semble positif tandis que de plus fortes concentrations conduisent à un arrêt de la croissance. Les mécanismes moléculaires liés à ces variations sont en cours d’exploration.

. © Inra, LPCV
Publié le 12/11/2018

Le radionucléide, chimiotoxique pour tous les organismes vivants, peut s’accumuler localement à des teneurs qui présentent des risques potentiels pour les agrosystèmes et la santé humaine. En effet, même s’il n'est pas utile dans le fonctionnement des plantes, l’uranium est absorbé comme de nombreux éléments minéraux par la plante à partir du sol, incorporé dans la biomasse, et peut entrer ainsi dans la chaîne alimentaire. La compréhension des mécanismes physiologiques, biochimiques et moléculaires qui contrôlent la réponse et l’adaptation des plantes à un stress induit par l’uranium est un prérequis à l’amélioration de la sécurité des aliments et à la sélection d’espèces adaptées à la phytoremédiation.

Quitte ou double !

Les chercheurs ont montré que le développement et l’architecture des racines d’Arabidopsis thaliana sont fortement modulés en réponse à l’uranium, ceci de façon dose dépendante. À une concentration non toxique (20 micromolaires1&2 dans les conditions expérimentales utilisées), l’uranium provoque une stimulation de la croissance de la racine primaire. À plus forte dose (30 micromolaires1&2), le radionucléide conduit à un arrêt complet de l’élongation de la racine primaire et à une augmentation du nombre de racines secondaires. L’effet est alors drastique puisque la croissance de la plante dans sa globalité est fortement réduite (voir photos de « plantes souffrantes » ci-dessus et voir le schéma sur les variations de croissance racinaire ci-dessous).

Ces effets sont liés à une modulation de l’activité mitotique au niveau de l’apex racinaire (stimulation ou blocage suivant la dose), et à la synthèse d’espèces réactives de l’oxygène et de l’azote, dont l’accumulation provoque la mort cellulaire aux doses toxiques d’uranium. Les changements sont associés à une perturbation du transport et de la distribution d’une hormone, l’auxine, dans les racines. On observe une accumulation de polymères de défense (callose puis lignine), impliqués dans l’imperméabilisation des parois cellulaires. La synthèse de ces composés permet probablement de limiter la diffusion de l’élément toxique dans la racine.

Par ailleurs, cette étude montre que le stress uranium induit une carence en phosphate et une redistribution du fer dans les tissus racinaires. Ces résultats indiquent que la signalisation du stress uranium est liée en partie à la cascade de signalisation d’une carence en phosphate dans l’apex racinaire. D’autres mécanismes responsables de la toxicité de l’uranium sont vraisemblablement liés à des perturbations de l’homéostasie du fer (compétition entre l’uranium et le fer pour la fixation sur des ligands communs) et à des effets directs du radionucléide sur des cibles cellulaires que l’équipe cherche à identifier.

La phytoremédiation en ligne de mire

L’uranium est redistribué dans l’environnement par les activités minières, militaires et agricoles (amendements phosphatés). Notamment, dans les roches du Massif central par exemple où ce minéral est assez présent. Une « zone atelier en territoire uranifère » est située près de Clermont-Ferrand, à Roffin. Les chercheurs vont prochainement s’intéresser au devenir de l’uranium dans le bassin versant et dans les plantes des cultures de cette zone. Des études préliminaires ont pu montrer que la mobilité, la disponibilité et le devenir de l’uranium dans le sol et dans la plante peuvent beaucoup varier en fonction des conditions du milieu. Dans la majorité des cas, aucune intervention n’est sans doute nécessaire au regard du niveau de contamination et du risque santé estimé, mais dans les zones où la prégnance de l’uranium est plus forte, il s’avèrerait intéressant et pertinent d’utiliser la phytoremédiation comme technique de détoxification.

On ignore encore par quels mécanismes l’uranium est absorbé et réparti dans la plante. Dans le cadre d’un deuxième projet de recherche, intitulé GreenU (financé par l’ANR depuis 2018), on cherchera à identifier les transporteurs de métaux capables de prendre en charge l’uranium ainsi que les protéines sur lesquelles peut se lier le radionucléide, participant ainsi à sa toxicité ou à sa neutralisation.

Ces études de physiologie moléculaire viendront en amont de la sélection d’espèces adaptées et efficaces pour la phytoremédiation.

 

Contacts : Stéphane Ravanel, Directeur de recherche Inra (stephane.ravanel@cea.fr) et Jacques Bourguignon, chercheur CEA 
(jacques.bourguignon@cea.fr ), UMR LPCV
 Laboratoire Physiologie Cellulaire & Végétale
(CEA - CNRS - UGA – Inra)

Référence : Serre NBC, Alban C, Bourguignon J and Ravanel S (2019). Uncovering the physiological and cellular effects of uranium on the root system of Arabidopsis. Environmental and Experimental Botany157, 121-130

(1) : 1 Molaire = 238 g/l

(2) : Au sujet des doses test : on utilise des milieux de culture contenant de faibles concentrations de phosphate afin de limiter les interactions phosphate-uranium qui peuvent masquer les effets du radionucléide.

 

  Architecture des racines d’A. thaliana après 9 jours de culture dans un milieu contrôle (LP pour low phosphate) contenant 20 ou 30 µM de nitrate d’uranyle (U20 ou U30). 2 - Modulation de l’activité mitotique de l’apex racinaire par l’uranium. Une lignée d’Arabidopsis exprimant le gène rapporteur de la ß-glucuronidase fusionné au gène Cycline B1 (CYCB1::GUS) permet d’estimer l’activité mitotique de l’apex racinaire au cours d’un stress uranium (coloration bleue après 1 à 3 jours d’exposition).. © Inra
Architecture des racines d’A. thaliana après 9 jours de culture dans un milieu contrôle (LP pour low phosphate) contenant 20 ou 30 µM de nitrate d’uranyle (U20 ou U30). 2 - Modulation de l’activité mitotique de l’apex racinaire par l’uranium. Une lignée d’Arabidopsis exprimant le gène rapporteur de la ß-glucuronidase fusionné au gène Cycline B1 (CYCB1::GUS) permet d’estimer l’activité mitotique de l’apex racinaire au cours d’un stress uranium (coloration bleue après 1 à 3 jours d’exposition). © Inra