Etude des interactions entre la plante Arabidopsis thaliana (L.) Heynh et le ver de terre Aporrectodea caliginosa (Savigny) : application à la phytoremédiation de l'arsenic et de l'antimoine

• Auteur / Autrice : Ulrike Jana
• Direction : Daniel Laffray, Anne Repellin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers et de l'environnement
• Date : Soutenance le 14/12/2009
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie, Matériaux, Modélisation et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 1994-2009)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Bioemco - BIOSOL - Bioemco - Biogéochimie et écologie des milieux continentaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe d'écophysiologie moléculaire
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Marie Badot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Laffray, Anne Repellin, Pierre-Marie Badot, Patrick Lavelle, Serenella Nardi, Huguette Sallanon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Lavelle, Serenella Nardi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expression génique

Antimoine

Arsenic

Phytorestauration

Vers de terre

Arabidopsis thaliana

Mots clés libres

Arabidopsis thaliana

Aporrectodea caliginosa

Arsenic

Antimoine

Expression de gênes

Echanges gazeux

Arabidopsis thaliana

Aporrectodea caliginosa

Arsenic

Antimony

Gene expression

Gas exchange

Résumé

L‘arsenic et l‘antimoine bien que n‘étant pas recensés parmi les polluants majeurs de l‘environnement sont souvent retrouvés associés à d‘autres contaminants. En France, et plus particulièrement dans la région Auvergne, de nombreux sites miniers où s‘effectuait l‘extraction de l‘antimoine sont désormais à l‘abandon. Pouvant présenter des risques pour les populations avoisinantes, leur réhabilitation est donc une mission d‘intérêt public. L‘idée de ce travail de doctorat est de tester l‘effet d‘un catalyseur : le ver de terre sur l‘efficacité des processus de phytoremédiation. En tant qu‘« ingénieurs du sol », ils sont à la base des processus de pédogénèse et peuvent donc assurer la restructuration du sol. De plus, de nombreuses études ont montré leurs effets positifs sur la production de biomasse végétale. Cependant, les mécanismes moléculaires responsables de cette acroissement de production demeurent méconnus. Un système expérimental novateur, jamais utilisé en Ecologie des Sols et couplant la plante modèle Arabidopsis thaliana (L.) Heynh et Aporrectodea caliginosa (Savigny), un ver de terre endogé commun des régions tempérées, a été mis en place afin de 1) identifier les principales voies métaboliques modifiées en réponse aux vers de terre et pouvant expliquer leurs effets positifs sur la croissance et le développement des végétaux, 2) étudier la nutrition minérale en fer et en phosphate, notamment au niveau des variations d‘expression des transporteurs de ces deux éléments, 3) tester ce système pour la phytoextraction de sédiments, issus d‘un ancien site minier, contaminés à l‘arsenic et à l‘antimoine. Les résultats montrent que l‘amélioration des processus de minéralisation est déterminante dans l‘accroissement de la biomasse d‘Arabidopsis thaliana qui se traduit aussi par une élévation des teneurs en azote dans les parties aériennes. Cependant, la présence de phytohormones, produites par des bactéries activées par leur transit dans le ver de terre semble également impliquée dans le renforcement de l‘absorption d‘azote. A l‘échelle moléculaire, les vers entraînent une surexpression du gène HBT, impliqué dans la division cellulaire et semblent diminuer le stress oxydant puisque la quantité de transcrits SOD Cu/Zn diminue. Les résultats montrent de plus que les vers de terre augmentent de façon significative l‘absorption et l‘accumulation de fer, de phosphate et d‘autres minéraux essentiels à la croissance du végétal. Moléculairement, l‘augmentation de l‘absorption des nutriments se traduit par une augmentation de la transcription de certains gènes codant des transporteurs tels que PHT1.3, qui est un transporteur de haute affinité pour le phosphate. Une augmentation de la transcription et également de l‘activité de la protéine FRO2, qui est à l‘origine de la chélation et de la réduction du fer a été observée. Dans les feuilles, les vers de terre induisent de manière systémique la surexpression d‘un transporteur de phosphate localisé dans les chloroplastes, PHT2.1 et la surexpression de transporteurs du fer appartenant à la famille des NRAMPs, notamment NRAMP1,2 et 6. Dans le contexte d‘une problématique de phytoremédiation, l‘effet des vers de terre sur la capacité de phytoextraction d‘Arabidopsis a été testé et, il ressort clairement de cette étude que les vers de terre permettent une meilleure absorption d‘antimoine et d‘arsenic. Cependant, ces deux métalloïdes tendent à rester dans les racines et ne sont que faiblement transferrés vers les parties aériennes. Cette formidable augmentation des concentrations en polluants dans les racines entraîne un retard de croissance considérable et affecte, dans une moindre mesure cependant, l‘activité photosynthétique et les échanges gazeux d‘Arabidopsis. Ainsi, ce travail de thèse a donc tout d‘abord démontré la sensibilité aux vers de terre de la plante modèle Arabidopsis thaliana. Ce système expérimental novateur offre de nouvelles possibilités de recherches dans le domaine des études des interactions entre les vers de terre et les plantes, notamment en raison de la grande diversité de mutants d‘Arabidopsis. De plus, ce travail a également permis de démontrer le rôle crucial de catalyseur que peuvent jouer les vers de terre en vue d‘optimisation des processus de phytoextraction.

Arsenic and antimony do not belong to the major pollutants of the environment but are offen foun associated with other contaminants. In France, more specifically in Auvergne region, a large number of old mining site where antimony was extracted are currently abandoned. As they present several risks for the neighbourhood populations, their habilitaion appears to be essential. The main idea if this PhD work is to test a catalysor: the earthworms in order to increase phytoremédiation efficacity. As ―soils ingeniors‖, they are involved in pedogenesis process and can lead to soil reorganization. Moreover, several studies have presented their positive effects on plant biomass. Nevertheless, the molecular mechanisms responsible of this production enhancement remain still unknown. An innovative experimental system, never used in Soil Ecology, using the model plant Arabidopsis thaliana (L.) Heynh and the endogeic temperate earthworms Aporrectodea caliginosa (Savigny) has been set up. This research work has three goals. First, identify the main metabolic pathway affected by earthworm presence and able to explain their positive effects on plant growth and development. Then, this research work focused on phosphorus and iron nutrition particularly by studing the molecular variation of several transporters of these elements. Lastly this system has been tested for phytoextraction of wastes from an old mining site polluted by arsenic and antimony. In the first part of this study, the mineralization process improvement appears to be a determining factor in Arabidopsis growth enhancement due to nitrogen increase in the shoots. Nevertheless, phytohormones producted by bacteria activated during their transit into earthworm gut seem to be involved in nitrate assimilation. At the molecular scale, earthworms enhance an overaccumulation of HBT transcripts involved in cell division and they seem to decrease the oxidative stress as SOD transcripts are underexpressed. The second part of this study focused on mineral nutrition. Results show that earthworms enhance significantly the uptake and accumulation of phosphorus, iron and other growth essential minerals. At the molecular scale, the nutrient uptake increase result in an increase of several transporters such as Pht1.3, which is a high affinity phosphate transporter and also an overexpression and an increase in enzymatic activity of the ferric chelate reductase protein FRO2. In the leaves, this experiment also show the overaccumulation of a phosphate chloroplastic transporter Pht2.1 and over expression of iron transporter belonging to the NRAMPS family, especially NRAMP1,2 and 6. Then, this system has been transposed to the phytoremédiation and earthworm effects have been tested on the phytoextraction properties of Arabidopsis. Earthworms allow a better uptake of arsenic and antimony. Nevertheless the pollutants tend to remain in the root system and are not translocated in the aerial part. This incredible increase in pollutant tissue concentration leads to a growth and development delay and affect the Arabidopsis photosynthetic activity. To conclude, this PhD work has first shown earthworm sensitivity of Arabidopsis. This innovative system offers new investigation possibilities in the interaction between earthworms and plant area, especially due to the large range of Arabidopsis mutants. Moreover, this work has also demonstrated the key role as catalysor that can play earthworms in order to optimize phytoremédiation process.