Service 5: Permettre la fixation biologique de l'azote

Question 1

Importance de la fixation biologique de l’azote

Answer 1

L’azote est l’élément nutritif limitant la croissance des végétaux dans la plupart des écosystèmes
terrestres

L’azote est présent en concentration minime dans la croûte terrestre

L’azote est très abondant dans l’atmosphère, sous forme de N2. Le N2 est une forme d’azote « nonréactive
», donc non-assimilable par les organismes vivants.

Les plantes peuvent obtenir leur azote de différentes façons:
i. par l’ajout d’engrais azotés (ammoniac ou nitrate);
ii. par la minéralisation de la matière organique;
iii. par la conversion de l’azote atmosphérique en composés azoté via des processus naturels
e.g. ‘lightning- fixed nitrogen’ (Scott, 2023)
iv. par la fixation biologique de l’azote

Question 2

Qu’est-ce que la fixation biologique de l’azote

Answer 2

La fixation biologique de l’azote (FBA) est le processus par lequel les bactéries du sol « fixent » (i. e.
réduisent) le N2 atmosphérique en une forme réactive et assimilable par les organismes.

Question 3

Importance de la FBA

Answer 3

On estime que la FBA ajoute 1.4 x 1011 kg de N réactif dans la biosphère à chaque année.

Question 4

Personne importante pour le processus Haber-Bosch et rôle

Answer 4

Fritz Haber: Pionnier dans le développement et la militarisation du dichlore durant la Première Guerre Mondiale
Carl Bosch: Permet d’amener le processus Haber-Bosch à
l’échelle industrielle.

Question 5

Point fort et faible Haber-Bosch

Answer 5

Très efficace
Très coutepux en terme d’énergie
Très polluant

Question 6

Conséquence de la surutilisation des engrais azoté

Answer 6

Hausse d’émission d’oxyde nitreux
Hausse de l’eutrophisation

Question 7

Exemple de FBA

Answer 7

Bactéries fixatrices d’azote en association avec les plantes
Bactéries fixatrices d’azote en symbiose avec les plantes
Bactéries fixatrices d’azote libres dans le sol (‘free- living’)

Question 8

Type de bactérie fixatrices d’Azote en association avec les plantes

Answer 8

Cyanobactéries associées aux mousses
Azospirillum
Cyanobactéries composant les lichens

Question 9

Cyanobactéries associées aux mousses: bénéfice

Answer 9

Cyanobactéries sont épiphytes (utilisent les
mousses comme support physique pour
croître)

Question 10

Bactéries fixatrices d’azote en symbiose avec les plantes

Answer 10

Azolla – Anabaena
Dicotylédones- Frankia
Légumineuses – Rhizobium ou Bradyrhizobium

Question 11

Caractéristique Azospirillum

Answer 11

Bactéries à Gram-, très mobiles grâce à leurs flagelles
Surtout retrouvées dans la rhizosphère, fortement attirées par les concentrations élevées en carbone labile (chimiotaxisme)
Convertissent le N2 en ammonium lorsque les conditions sont microaérobiques et que l’azote est limité.
Association avec plusieurs poacées dont l’orge, le maïs, l’avoine et le blé

Question 12

Caractéristique Azolla

Answer 12

Plante aquatique, cryptogame
vasculaire (ptéridophyte)

Question 13

Caractéristique Anabaena

Answer 13

Cyanobactérie filamenteuse qui pousse sur la surface
inférieure d’Azolla
Forme des cellules spécialisées, appelées hétérocystes,
dans lequel le N2 atmosphérique est fixé

Question 14

Caractéristique Azolla – Anabaena

Answer 14

Important pour la fertilisation des rizières (« fumier vert » )
e.g Azolla-Anabaena peut retourner annuellement jusqu’à 50 kg N h

Question 15

Caractéristique Dicotylédones- Frankia

Answer 15

Les plantes pouvant être nodulées par Frankia sont appelées plantes actinorhiziennes, généralement des arbustres vivaces (woody perennial shrubs)
On compte 8 familles, 24 genres et plus de 200 espèces de plantes actinorhiziennes, dont la majorité sont pionnières lors de la succession primaire (milieux pauvre en N)

Frankia est une actinomycète (bactérie à Gram +) reconnue pour sa croissance très lente lorsqu’elle n’est pas associée à une racine.
Colonisation intra- ou intercellulaire de la plante hôte, selon la famille.

Question 16

Fixation de l’azote par Frankia

Answer 16

Frankia peut fixer du N2 même lorsqu’elle n’est pas en symbiose.
La FBA prend alors place dans des vésicules, appelées diazovésicules,
protégées d’une exposition à l’oxygène.
Peut fixer le N2 à des concentrations plus élevées de O2 puisque ses cellules sont compartimentées.

Question 17

Légumineuses – Rhizobium ou Bradyrhizobium

Answer 17

Les légumineuses forment un groupe diversifié de plantes. (e.g. haricots, soya, trèfle,
luzerne, lentilles, pois, …).
Elles portent généralement leurs fruits en gousses.
Rhizobium et Bradyrhizobium
Bactéries à gram-, aérobies, sous forme de bacilles
Peuvent survivre sans la plante hôte, mais elles prospèrent dans la rhizosphère car elles
sont stimulées par la rhizodéposition.
Spécificité dans l’association entre la plante et l’espèce de Rhizobium ou Bradyrhizobium

Question 18

Processus de nodulation chez rhizobium

Answer 18

Elle est le résultat d’interactions biochimiques complexes entre la racine et Rhizobium ; il y a plusieurs mécanismes
de rétroaction entre la plante et Rhizobium
Rhizobium dispose de huit gènes symbiotiques (gènes nod) qui affectent la nodulation.
On les appelles “symbiotiques” car elles sont activées et inhibées par des composés produits par la plante,
notamment des flavonoïdes et isoflavonoïdes.

Question 19

Qu’est-ce que la nodulation

Answer 19

formation d’une masse de tissu dure, un peu
caoutchouteuse, qui est dérivée d’une multiplication et
d’une réorganisation des cellules du cortex.

Question 20

Caractéristique nodulation

Answer 20

L’interaction entre la bactérie et la plante hôte est hautement complexe et spécifique, si bien qu’une espèce de Rhizobium ou de Bradyrhizobium formera des nodules seulement avec un groupe sélecte de plante.

Question 21

Initiation de la nodulation

Answer 21

L’association est initiée par la plante qui lance un signal biochimique en émettant des flavonoïdes qui attirent Rhizobium.

Question 22

Spécificité de l’hôte nodulaiton

Answer 22

La spécificité de l’hôte est déterminée par les lectines situées à la surface des poils absorbants de la zone pilifère des racines.
Ces protéines (i.e. les lectines) se lient à des sucres situés à la surface de la bactérie (système clé-serrure).

Question 23

Processus de nodulation chez rhixobium

Answer 23

Il y a invagination du poil absorbant autour de Rhizobium.
La bactérie commence alors à dégrader les cellules de l’épiderme en produisant des enzymes pectolytiques (qui dégradent la pectine) et cellulolytiques (cellulose).
L’activation de ces enzymes nécessite du Ca2+; c’est une des raisons pour lesquelles l’infection est moins efficace à un pH faible.
Les cellules de Rhizobium pénètrent les cellules du cortex via un fil d’ infection( ‘infection thread’). Ce fil est un tunnel qui se forme à mesure qu’il y a dissolution des parois cellulaires.
Le fil d’infection permet aux Rhizobium de s’acheminer vers les cellules du cortex de la racine. Durant leur trajet dans le fil d’infection, les cellules de Rhizobium ont déjà commencé à se multiplier.
Les cellules du cortex infectées se mettent à se multiplier rapidement pour former le nodule. Les bactéries se mettent aussi à se multiplier rapidement et perdent leur motilité. Elles subissent de profonds
changements morphologiques et se transforment en “bactéroïdes” dont le seul rôle est de fixer l’azote.

Question 24

Nodulation: la plante fournit l’énergie pour:

Answer 24

La formation et l’entretien du nodule
La respiration des bactéroïdes
La fixation du N2
L’assimilation du NH3 par la plante

Question 25

Processus de nodulation complété: caractéristique

Answer 25

• Une fois le nodule complété, les bactéroïdes occupent une grande partie du volume de la cellule végétale.
• Chaque bactéroïde se retrouve à l’intérieur d’une membrane dérivée de la plante, appelée la membrane péribactéroïde.
• Cette membrane sépare les bactéries du cytoplasme de la plante, et agit comme une barrière régularisant l’échange de nutriments, de gaz et autres molécules avec la plante.

Question 26

Fixation de l’azote par rhixobium

Answer 26

La réduction du N2 au NH3 est catalysée par le complexe d’enzyme nommé “nitrogénase » (Nase).
Ces complexes sont formés de deux métalloprotéines sensibles à l’oxygène :
(1) Fe-protéine, et ;
(2) Mo-Fe protéine.
Les nitrogénases sont activées par le Mg2+, dont la disponibilité est limitée à pH acide
La nitrogénase à base de Molybdène (Mo-Nase) est présente chez tous les organismes diazotrophes.
Dans les années 1980, deux autres isoenzymes ont été découvertes, ayant un cofacteur constitué d’un
autre métal que le Mo :
* cofacteur constitué de vanadium (V-Nase) à rôle important dans les écosystèmes boréaux
* cofacteur constitué de fer (Fe-Nase)

• La réduction du N2 consomme des électrons qui sont fournis par des métabolites de la
  plante, sous l’action des transporteurs d’électrons (e. g. , ferredoxine) à l’intérieur du
  bactéroïde.
• La réaction consomme de l’énergie. Cette énergie est fournie par la plante sous forme d’ATP.
• La nitrogénase est très sensible à l’oxygène – elle est inhibée lorsque l’air comporte > 2% O2.
• Cependant, la haute dépendance du bactéroïde pour l’ATP requiert du O2 pour se régénérer
  (régénération ADP à ATP se fait par phosphorylation oxydative)
  ØSolution : la leghémoglobine
  (protéine similaire à l’hémoglobine; présente chez les Fabacées (légumineuses)

Question 27

Nitrogénase est-elle sensible à Oxygène

Answer 27

oui

Question 28

Rôle de leghémoglobine

Answer 28

Facilite la diffusion du O2 à des concentrations qui maintiennent la régénération de l’ATP, mais qui ne nuisent pas à l’activité de la nitrogénase.

Question 29

Réaction du Nh3-N avant d’être assimilé

Answer 29

NH3 + glutamate→glutamine

glutamine + a-ketoglutarate→2 glutamates

glutamates + oxaloacétate→aspartate

aspartate + NH3→𝐚𝐬𝐩𝐚𝐫𝐚𝐠𝐢𝐧𝐞

Question 30

Rôle nitrogénase

Answer 30

La nitrogénase est capable de réduire d’autres petites molécules à double ou triple liens covalents, comme
l’acétylène (C2H2).

Question 31

Comment estimer lactivité de la nitrogénase

Answer 31

On peut donc mesurer la réduction de l’acétylène pour estimer l’activité de la nitrogénase.

Question 32

Pourquoi ne pas directement
mesurer la réduction du N2?

Answer 32

• Si on tentait de quantifier l’azote fixé par la
  nitrogénase, on obtiendrait des quantités dérisoires
  puisque le montant de N fixé est minime par rapport
  à l’azote total retrouvé dans la plante.
• À l’inverse, si on tentait de quantifier l’azote soutiré
  de l’atmosphère par la nitrogénase, ce serait
  négligeable par rapport au montant d’azote dans
  l’atmosphère.

Question 33

Bactéries fixatrices d’azote libres

Answer 33

Certaines espèces d’Azotobacter, de Bacillus, de Clostridium et de Klebsiella

Question 34

Différentes stratégies pour fixer l’azote en étant libre dans le sol

Answer 34

ex. Azotobacter sp.
ü Aérobes strictes : protection de la nitrogénase par la respiration (‘Respiratory protection of nitrogenase’)
ex. Clostridium sp.
ü Anaérobes strictes
ex. Klebsiella sp.
ü Anaérobes facultatives : régulation serrée des gènes impliqués dans la FBA par l’ammonium et l’oxygène

Question 35

Étude de l’homéostasie des micronutriments de la fixation d’azote au sein de la symbiose lichénique en forêt boréale.

Answer 35

• À part la nitrogénase à base de molybdène (Mo), il existe également une
  nitrogénase à base de vanadium (V)
• Les deux types de nitrogénase peuvent être présent dans le même écosystème,
  voire même dans le même lichen.
• Le V est environ 200x plus abondant dans la couche terrestre que le Mo.
• La température optimale pour l’activité de la nitrogénase est environ 25 °C.
• L’activité optimale de la nitrogénase à base de Mo est plus élevée que
  celle de la nitrogénase à base de V.
• Cependant, à des températures inférieures à 15 °C, l’activité de la nitrogénase
  à base de V est plus élevée que celle à base de Mo.
• On estime les taux de fixation d’azote (N2) en mesurant la vitesse de réduction
  de l’acétylène (C2H2) à l’éthylène (C2H4).
• La nitrogénase à base de Mo est 3x plus efficace à réduire le C2H2 qu’à réduire
  le N2. On doit donc diviser la vitesse de réduction de C2H2 par un facteur de 3
  pour estimer le taux réel de la FBA par la nitrogénase à base de Mo.
• La nitrogénase à base de V peut réduire le N2 à la même vitesse que le C2H2. Il
  n’y a donc pas de facteur de conversion pour estimer le taux réel de la FBA par
  la nitrogénase à base de V.

Question 36

En vous basant sur vos connaissances des nitrogénases à base de Mo (Mo-Nase) et de
V (V-nase), donnez trois raisons pour lesquelles la FBA en forêt boréale pourrait être
sous-estimée.

Answer 36

1. Le Mo est le bio-élément le plus rare dans la croûte terrestre alors que le V est 200x plus abondant. Il est donc moins probable que les cyanobactéries développent une carence en V qu’une carence en Mo.
2. L’activité du V-nase est plus élevée que celle du Mo-nase à des températures inférieures à 15 °C.
3. La Mo-Nase est 3x plus efficace à réduire le C2H2 qu’à réduire le N2. Pour sa part, la V-nase réduit le N2 à la même vitesse que le C2H2. Le facteur de conversion pour estimer le taux réel de la FBA par la V-nase est donc 3x plus élevé que par la Mo-nase.