Study of metabolic interaction between photosynthesis, (photo)respiration and nitrogen assimilation in C3 leaves

Etude de l'interactome métabolique entre la photosynthèse, la (photo)respiration et l'assimilation de l'azote chez les plantes en C3

• Auteur / Autrice : Paul Gauthier
• Direction : Guillaume Tcherkez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences biologiques
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carbone 13

Cycle de Krebs

Traceurs radioactifs

Mots clés libres

Nutrition azotée

Glutamate

15-n

Alpha-cetoglutarate

Résumé

A la lumière, les feuilles assimilent le CO2 par photosynthèse et produisent simultanément du CO2 par respiration et photorespiration. Le métabolisme respiratoire, qui utilise les molécules carbonées dérivées de la photosynthèse, fournit les intermédiaires carbonés nécessaires à la fixation de l'azote, en particulier le 2-oxoglutarate. Cet acide organique se trouve donc au cœur des interactions entre photosynthèse, processus respiratoires et assimilation azotée. Il reste cependant à éclaircir l'origine et le devenir métabolique du 2-oxoglutarate nécessaire à l'assimilation de l'azote foliaire. Pour cela, des extraits foliaires sont analysés par résonance magnétique nucléaire après marquages au 13C et au 15N ainsi que par spectrométrie de masse isotopique en abondances naturelles. Ces expériences mettent en évidence le rôle prépondérant qu'exerce la lumière dans la remobilisation des molécules de réserves pour la synthèse du 2-oxoglutarate nécessaire à l'assimilation azotée. Afin de mesurer l'impact métabolique d'une dérégulation de la production de 2-oxoglutarate in planta, des plantes mutantes d'Arabidopsis dépourvues des isoformes cytosoliques et mitochondriales de l'isocitrate déshydrogénase sont analysées. Si la double mutation est létale à l'état homozygote, l'étude des doubles mutants partiels montre que la perturbation de la synthèse de 2-oxoglutarate agit fortement sur le métabolisme du GABA et sur la photorespiration. Ce travail révèle que l'étude du métabolisme primaire foliaire nécessite la prise en compte du cycle jour/nuit et qu'à la lumière la «cyclicité » du cycle de Krebs est limitée par l'utilisation des réserves carbonées pour la synthèse de 2-oxoglutarate.

IIluminated leaves simultaneously assimilate CO2 by photosynthesis and produce CO2 by photorespiration and respiration. The respiratory pathway uses carbon molecules coming from photosynthesis fixation and provides carbon skeletons (e. G. 2-oxoglutarate) for nitrogen assimilation. This organic acid is the cornerstone of the interaction between photosynthesis, (photo) respiration and nitrogen assimilation. However, the origin and utilization of 2-oxoglutarate necessary for leaf nitrogen assimilation still remains unclear. To help clarify this, we carried out experiments using heavy isotope labeling with 13C and 15N, analyzed by 13C-NMR and 15N-NMR, and isotopic natural abundance analysis using mass spectrometry, in Brassica napus. The results showed the importance of the remobilization of stored carbon for the synthesis of 2-oxoglutarate required for nitrogen assimilation, in the light. Furthermore, the role of different isocitrate dehydrogenases (which catalyze the production of 2-oxoglutarate) was studied in Arabidopsis thaliana. The respiratory and metabolic characterization of mutants with reduced cytosolic and mitochondrial isocitrate dehydrogenase activities were carried out. It was found that the double mutation (cytosolic NADP-dependent isocitrate dehydrogenase and the mitochondrial NAD-dependent enzyme) was lethal for embryo development while the study of partial double mutants showed that the modification in the synthesis of 2-oxoglutarate influenced GABA metabolism and photorespiration. This work underlines that the study of leaf primary metabolism needs to incorporate the day/night cycle and that in the Iight, although the "cyclic" aspect of the TCA cycle is reduced this will have a limited effect on N metabolism since carbon-stored molecules are used for the synthesis of 2-oxoglutarate