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Pourquoi et commentaméliorer la nutrition en fer      des plantes ?             BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
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Jean-François Briat est chercheur au sein de l'UMR Biochimie et physiologie moléculaire des plantes (INRA et CNRS, Montpellier) . Il présente les bienfaits et limites du fer sur la santé des plantes et des hommes, et les solutions agronomiques, génétiques et biotechnologiques, pour atteindre un équilibre en fer optimal.

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Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes

  1. 1. Nutrition des plantes : Innover pour une agriculture compétitive et durable 15 & 16 novembre 2012 - Montpellier SupAgro INRAwww.rencontres–qualimediterranee.fr
  2. 2. Pourquoi et commentaméliorer la nutrition en fer des plantes ? BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  3. 3. Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes ?Le fer est un élément essentiel du mondevivant• 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…. BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  4. 4. Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes ?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 ) BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  5. 5. Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes ?Le fer est peu disponible Fe3+ Fe2+ pH > 7 Fe(OH)3 insoluble • 1 / 3 des sols cultivés sont concernés (sols calcaires) • Carence en fer = chlorose inter-nervaire BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  6. 6. Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes ? La chlorose ferrique impacte le rendement et la qualité des produits végétauxChloroplastes = organites des feuilles contenant la chlorophylle + photosynthèse : assimilation CO2 ---> squelette C desmolécules organiques + N et S assimilation ---> Synthèse des Acides Aminés et des Vitamines + Fe - Fe BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  7. 7. Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes ?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 BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  8. 8. Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes ?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. BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  9. 9. Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes ?Le fer en excès peut-être toxique (Superoxide ion )Fe2+ + O2  Fe3+ + O2•- Stress OxydatifFe2+ + H2O2  Fe3+ + HO• + HO- (Hydroxyl radical) Reaction de Fenton • Humains = hémochromatose • Plantes = « bronzing » (Riz) BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  10. 10. Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes ?Les acteurs moléculaires de la nutrition en fer : acquisition du fer par les racines SOIL ROOTS H+ AHA2 H+ NON-GRAMINEES Fe3+ FRO2 Fe2+ IRT1 Fe2+ Phytosiderophores PS TOM1 PS YS1 Fe3+-PS GRAMINEES Fe3+-PS • Avantage écologique des graminées en sol • 2 principes : calcaire • réduction • chélation BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  11. 11. Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes ? 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+ (Curie et al 2009 Ann Bot 103: 1-11)• Les 2 principes réduction et chélation s’appliquent aussi à ce niveau BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  12. 12. Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes ?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) BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  13. 13. Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes ? 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 BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  14. 14. Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes ? 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) BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  15. 15. Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes ? 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]) BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  16. 16. Pourquoi et comment améliorer la nutrition en fer des plantes ? Les solutions biotechnologiques (transgenèse) pour la qualité des produits végétaux (biofortification) (Murgia et al 2011 Trends Plant Sci 17: 47-55)• 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) BRIAT Jean-François /CNRS-UMR B&PMP
  17. 17. www.rencontres-qualimediterranee.fr

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