La vie sur terre ne serait pas possible sans les plantes. Les activités humaines ont entraîné un réchauffement de la planète et des changements climatiques qui affectent la santé des plantes. L’utilisation excessive d’engrais et d’insecticides entraîne une dégradation de la qualité du sol. Les racines des plantes sont les premières à détecter les changements dans la composition du sol et à réagir en conséquence. L’une des causes les plus courantes de la dégradation des sols est la carence en phosphate et la nature acide du sol, qui entraînent la solubilisation des métaux, ce qui a pour conséquence l’inhibition de la croissance des racines et la diminution de la production agricole.
Le phénomène d’inhibition de la croissance des racines est largement étudié en présence de fer et d’aluminium. Cependant, les aspects mécaniques impliqués dans l’inhibition de la croissance des racines en présence de métaux sont peu connus. Notre travail vise à quantifier le changement de la réponse nanomécanique des racines de plantes vivantes en présence de métaux. En particulier, nous nous intéressons à la relation entre le phénotype d’arrêt de la croissance des racines et un changement possible de la rigidité de la paroi cellulaire primaire externe de la zone de transition de la racine d’Arabidopsis thaliana.
Dans ce travail de recherche, nous avons établi un protocole expérimental robuste pour mesurer la paroi cellulaire primaire externe d’Arabidopsis en utilisant des expériences de nanoindentation avec la microscopie à force atomique (AFM). Les courbes force-distance sont le résultat d’expériences de nanoindentation verticale par un levier AFM. Un modèle mécanique basé sur le contact (Sneddon pour une pointe AFM axisymétrique) a été appliqué pour extraire le module élastique (module d’Young) des courbes force-distance.
Une partie importante de ce travail s’est concentrée sur l’obtention d’un protocole robuste qui introduit un impact minimal de facteurs externes tels que la croissance de la racine, l’immobilisation de la racine ou la nanoindentation de la racine. Avec ce protocole, nous avons analysé l’impact du fer ou de l’aluminium à différentes concentrations, la rigidité de la racine de la plante et la croissance de la racine de la plante. Dans nos conditions expérimentales, les résultats ont révélé qu’à une faible concentration de fer et d’aluminium (≤ 10 μM), aucun effet sur la croissance et la rigidité des racines n’a été observé. Cependant, à des concentrations élevées (> 10 μM et ≤ 20 μM) de Fe ou d’Al, des valeurs de rigidité plus élevées sont observées, mais sans arrêt détectable de la croissance des racines. L’arrêt de la croissance des racines est déterminé en mesurant la longueur des racines de la plante. De manière surprenante, lorsque les deux métaux (Fe et Al) sont combinés à 10 μM chacun, une grande rigidité de la paroi cellulaire est observée en même temps qu’un arrêt total de la croissance des racines. Le changement majeur dans le phénotype observé lorsque l’Al est présent avec le Fe suggère que le malate pourrait être impliqué dans l’effet observé. Nous avons donc mesuré le changement de rigidité chez un mutant d’Arabidopsis (almt1) déficient dans l’exsudation du malate. Dans les mêmes conditions expérimentales que le type sauvage (10 μM), la présence combinée de Fe et d’Al n’a pas modifié la rigidité de la paroi cellulaire et aucune inhibition de la croissance des racines n’a été observée. Toutes ces observations nous ont permis de présenter un modèle spéculatif dans lequel le changement de rigidité de la paroi cellulaire primaire externe a une double origine. Premièrement, en présence d’une quantité suffisante de métaux individuels (10-20 μM), l’accumulation de Fe3+ et Al3+ hautement chargés se lie à la pectine chargée négativement. Cette liaison induit une modification de la rigidité de la pectine. Deuxièmement, en présence de Fe et d’Al, l’exsudation de malate causée par la présence d’Al augmente l’accumulation de Fe3+ dans l’apoplaste, qui à son tour active une réponse redox, telle que les espèces réactives de l’oxygène qui déclenche un arrêt de la croissance de la racine, avec une augmentation de la rigidité de la paroi cellulaire. Ces résultats sont également étayés par une modification de la déformabilité de la paroi cellulaire, déterminée par la théorie trimécanique récemment développée.


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