Chapitre 4- la nutrition minérale PDF

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PARTI 3 : la nutrition minéral Définition : La nutrition minéral ; intègre les mécanisme assurant le prélèvement par les racines, le transport, le stockage et l’utilisation des ions nécéssaire au métabolisme et à la croissance de la plante. C’est éléments minéraux sont trouvés par les plantes dans le sol et cette entrée des ions nutritifs du sol vers les végétaux , est enfaite l’entrée des ions nutritifs dans les chaines ailmentaires. Végétaux = autotrophe vis-à-vis du carbone CAD qu’ils utilisent les éléments minéraux, le CO2, pour fabriquer de la matière organique réduite. C’est également le cas pour d’autres éléments que pour le carbone : l’azote, le soufre, le phosphore; ça veut dire qu’ils vont être capable d’extraire du sol ces éléments minéraux sous la forme minéral e de les intégrer ensuite à la matière organique. Les autres êtres vivats vont pouvoir récupérer ces sources sous la forme de matières organiques. Nutrition mineral importante au niveau écologique et au niveau biogéochimique. Importante aussi car tout ce qui concerne la gestion de la fertilisation et on passe d’une époque où on fertilisait à haute rance, suite au découverte des potentiels des fertilisants, qu’on utilise de façon importante. On a supprimé les régulations naturelles du sol, et on est entrain de se rendre compte qu’ils faut connaitre un peu mieux sa nutrition minéral et essayer de restaurer ces éléments naturelles qui existait pour avoir un gestion durable des cultures. Pour permettent une non utilisation abusive de fertilisants qui vont s’épuiser (phosphore).

I/ Les besoins des végétaux en éléments minéraux Première observation : la composition d’un végétal dans ces éléments est différente de la composition du sol. Le végétal puise dans le sol mais ne va pas puiser n’importe quoi, dans n’importe quel concentration. Tous les travaux de physiologie végétale sur la nutrition minéral on commencé au 19eme siècle avec Von Liebig, (chimiste) qui va développé des travaux en particulier lié à l’agronomie mais qui va vraiment developper la méthode expérimentale. Il a commence a voir qu’un champs pouvait donner des récoltes qui étaient variable selon les éléments qu’il y a avait dans le sol. Son objectif est de sortir les fermiers de la misère en leur donnant les moyens d’avoir des rendements meilleures pour pouvoir se nourrir correctement. Il poste l’épuisement des sols, puisqu’il se dit que la plante puise dans le sol et que ça va forcement arriver à l’épuisement. Mais il ne perçoit pas encore l’importance de la vie du sol et des renouvellement de la part du sol dans tous les cycles, avec les étapes de minéralisation par exemple. Lawes, chimiste anglais, va developper les engrais chimiques, = superphosphates à partir de d’os et Boussingault professeur et homme politique français qui va s’appuyer sur des expériences faite sur des exploitations agricoles pour faire de l’agronomie. Donc tout ceci permet de mettre en évidence les besoins des végétaux en éléments majeurs : Azote (N), phosphore (P), le potassium (K) ==> donc on parle souvent de fertilisation NPK ces trois éléments ont été mis en évidence en premier. Et très vite, on se rend compte qui si on rajoute de N P K, on augmente de façon importantes les rendements. Le soufre (S), calcium (Ça) magnésium (Mg) et le fer (Fe) sont également identifié a cette époque comme importants pour les besoins de la plante. Et on apporte ces éléments soit avec des minéraux (développement des super-phosphates) qui sont obtenue soit a partir d’une roche phosphaté, soit Lawes qui développe une fabrication à partir de d’os. Ou alors il y a également des engrais organiques qui sont essentiellement des déjections des animaux d’élevage. Pour évaluer les besoins des végétaux, il y a eu deux méthodes qui ont été utilisés : - Méthode analytique

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Quantifier, analyser, l’abondance des éléments dans le végétal selon les conditions de culture. Cela sous entend que la teneur en élément pourrait être lié à la teneur dans le milieu. Mais on va voir que ce ne sont pas forcément le cas. Comment analyser les tissus ? On collecte la biomasse végétale, on la sèche, on détruit la matière organique donc soit on la brule, ou destruction par acide ou des oxydation ==> la minéralisation Et ensuite on dose les éléments minéraux présent ( aujourd’hui par spectrophotométrie —> spectre d’absorption atomique ou chromatographie ioniques) On a donc des nouvelles méthodes maintenant. Ensuite on exprime les résultats : Expression des résultats : • En % = taux = masse/masse = sans dimension ex: ppm ( partie par millions = ça veut dire une partie pour 1 million de partie par ex : 1 mg par kilos mg->kg 10(6)) • En concentration : mole.g-1 MS = sois exprimée en teneur sois en concentration. Attention : certaines plantes sont accumulatrices d’éléments particuliers, sans avoir de fonction particulière (ex: métaux lourds) Les végétaux peuvent accumuler certains éléments qui peuvent être toxiques par exemple, elles vont les accumuler et les stocker sous une forme non toxiques, mais c'est pas pour ça qu'elles vont les utiliser mais par contre elle va leur permettre de vivre dans des sols qui contiennent une quantité importante de ces éléments. On a vu la première méthode la méthode analytique on passe à la méthode synthétique :

méthode synthétique : Plutôt que de se tenir à la teneur au sens strict des éléments végétaux, À la seconde moitié du XIXe siècle Pfeffer, Von Sachs, Knop: mise au point de milieux de culture en hydroponie et on rechercher du milieu de culture optimum pour la croissance. = ça veut dire qu'ils vont faire un milieu de culture où il y a tous les éléments, ils vont en enlever un et voir l'effet que ça fait et ils vont le rajouter à la concentration optimale pour avoir une croissance optimal. —> Ça permet d'avoir une estimation beaucoup plus précise des besoins et potentiellement de ne pas ajouter trop d’engrais alors qu'il n'y a pas besoin. (Dans le diapo mais elle a rien dit dessus a l’oral : ) Milieu de culture liquide, éventuellement substrat inerte, conditions semi- contrôlées. Croissance dans le milieu de composition définie et élimination des éléments un par un et observation des effets sur la croissance. Ces travaux aboutissent à la définition d'éléments essentiels : Définition ( a savoir) : Un élément est essentiel si, en son absence, la plante est incapable d’effectuer son cycle de développement complet de la graine à la graine. Cette éléments essentiel va être soit impliqués dans le métabolisme (constituant d’enzymes, cofacteur), soit impliqué dans la structure des plantes. —> Les travaux ont mis en évidence que la composition minérale des éléments des plantes étaient variables. Variabilité de la composition minérale des plantes : => dépend de l’âge, de l’espèce, de l’organe (on a pas les mêmes composition élémentaire dans: parties aériennes, racines, semences) (= quand on veut comparer des compositions, on compare en fonction des mêmes organes sinon ça n'a pas de sens. )

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=> dépend du milieu de vie Cette composition est influencé en fonction des éléments présents dans le sol et cette présence d'éléments dans le sol qui va être en quantité variable va jouer sur la diversité végétale.

On va par exemple avoir des plantes qui ne supporte pas le calcium: - Ca : plantes Calcifuges : bruyères, myrtilles, fraisier, rhododendron ( on les trouve dans des sols acide par exemple granitique ) - ou l’inverse Calcicoles tolèrent totalement le Ca dans le sol. On a un autre élément qui peut rendre des sols impropre à la culture, le sel : - Na : sel toléré par les espèces halophytes ( ex la salicorne caractérisé par cette tige épaisse), toxique pour les autres espèces (glycophytes) On a aussi des milieux avec de la silice en quantité importante, une quantité limitée de plantes vont prélever et incorporez le silice dans leur structure: - Si : feuilles (cuticules) poacées (4-5%), prêles (végétaux très ancien), carex

On a aussi de métaux lourds qui peuvent être présent dans les sols, ces métaux lourds peuvent être présent de façon naturelle quand on est sur des gisements métallifère, ou sur des sols pollués par l'activité humaine: Métaux lourds : plantes hyperaccumulatrices de composés métalliques toxiques (Ni, Cd, As, Pb, ..) Ex: Thlaspi caerulescens, Brassicacées Se sont des plantes indicatrices de gisements métallifères. Que veux dire la remédiation ? = restauration d’un sol. ex : ici si on aurait un sol composé de métaux lourds ça serait la réduction de concentration de métaux lourd dans ses sol —> On privilégie les méthodes de bioremédidation, avec des micro-organismes ou des plantes avec les plantes on appelle ca une phytoremédiation. Dépollution des sols = Phytoremédiation : c'est utilisé le fait que certaines plantes sont capables de vivre dans ces sol et surtout d'y accumuler les métaux dans leur tissu aérien. = on va chaque année enlever les tissus aérien, et prélever dans le sol les métaux lourds. C’est une Echelle de temps longue car ce sont des végétaux à croissance lente qui ne font pas beaucoup de biomasse la phythoremédiation est vrai si on a des centaines d'années devant nous. —> on va parler plutôt de stabilisation des sol par des plantes, le faite d'avoir des plantes qui arrive à survivre dans ces milieux va stabiliser les éléments dans le sol et éviter que les éléments par exemple passe dans la nappe phréatique. = le sol restera pollué mais il y aura des conséquences environnementales moins importante.

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On a vu que sur la fin du XIXe siècle on avait créé des milieux de culture et que l'on avait testé en Hydroponie c'est milieu de culture: Cultures en hydroponie : On ne fait pas pousser les plantes sur des sols mais sur un milieu liquides, ce milieu liquide doit être oxygéné sinon les plantes meurt d’anoxie.

- soit on bulle de l'ère qui va oxygéner en permanence la solution, les racines baigne dans la solution oxygénée. (A)

- Soit on fait un système où il y a de l'air en permanence autour des racines, et seulement une partie va pouvoir récupérer l'eau : on a une circulation permanente. Mais les racines ne sont pas dans l'air comme ça, il faut un substrat inerte : laine de roche, perlite, vermiculite ( il n'apporte pas d'éléments minéraux mais vont servir de support aux racines ).

- On peut avoir aussi des système de brumisation des racines ( aéroponie) :

- Ou des systèmes de flux et reflux on immerge

pendant quelques minutes, et ensuite on vide : on fait ça plusieurs fois par jour.

—> c'est ce qui va être utilisé dans les serres on va avoir des fraisiers et des salades. C'est assez développé on peut voir sur l'image que on a pas de sol mais des sacs contenant des laines de roches, et on leur apporte non seulement l’eau mais aussi les éléments nutritifs.

Eléments essentiels pour les plantes : on les partages en macro et micro-éléments :

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Macroéléments ( pas parce que ils sont gros mais parce qu'ils sont en quantité importante dans le végétal) : > 0,1% dans la matière sèche.

- Ceux qui ne sont pas issu du sol on ne va pas le voir. —> l'azote et le macro éléments avec le composer le plus important.

- et pour certaines plantes très rare le silice peut-être ajouter à cette liste de macro éléments.

Ensuite on a les micros éléments : Microéléments ( éléments dont la teneur) : < 0,1% dans la matière sèche ( si on récapitule on a 17 éléments essentiels divisés en 2 groupes ( a connaitre) : Macroéléments : (C, H, O) + N, P, K, S, Mg, Ca Microéléments : Fe, Mo, B, Cu, Mn, Zn, Cl, Ni Nécessaires en très petites quantités On va aussi avoir des éléments bénéfiques : ils vont être essentiel mais seulement pour certains groupes de plantes : Ce sont des groupes restreints de végétaux ou végétaux vivant dans des milieux particuliers qui vont avoir besoin d'éléments particuliers : Silicium (SiO44-) Aluminium (Al3+) Cobalt (Co2+) Sodium (Na+) Sélénium (SeO42-) Sous quelle forme ces éléments minéraux peuvent être absorbé ? On a vu que c'était essentiellement sous la forme ionique, a pars le bord ( H3BO3) il peut être sous une forme non chargé ou sous forme ionique. si c'est sous forme ionique ce soit des cations soit des anions :

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On a plutôt des formes cationique, dans le sol on verra ensuite que on a de la matière organique qui sont plutôt porteur de charges négatives et donc les cations vont compenser ceci. Donc on a plus de cations dans la matière organique, essentiellement le K+ dont on a déjà vu le rôle au niveau stomatiques et le Ca2+. Quelle va être le rôle des éléments minéraux sur la physiologie du végétale ? On partage ces éléments minéraux en quatre groupes par rapport à leurs fonctions physiologiques. 1. Le groupe 1 : constitue aux fonctions de constituants essentiels des composés organiques. = ce sont les constituants majeur. - l'azote est présent dans les acides aminés et les acides nucléiques ont une base azotés dans leur monomères - Le soufre va être constituants des acides aminés sulfuré. Il va aussi être important comme cofacteur d’enzyme. + il va être important car il est dans la cystéine et donc dans le glutathion fait l’acide aminés glu-cys-gly. = va être important car il va maintenir l’état redox.

Azote, sou fe

2. Le groupe 2 : va avoir pour rôle tout ce qui est lié à la conservation de l'énergie ou à l'intégrité structurel. - le phosphate c'est le composant de l’ATP, il est dans tous les sucres phosphate, on va avoir des groupements phosphate dans toutes les molécules phosphorylé mais également dans l’ADN/ARN : il est dans les A-A est dans les phospholipides. - Le B va crée des complexes avec les constituants de la paroi, il va être important pour la synthèse des acides nucléiques = ça va être un cofacteur d’enzyme + et il va être important aussi pour l'élongation cellulaire. 3. Le groupe trois : ils vont intervenir au maintien de l’osmorégulation, et les cofacteur enzymatique et les molécules de signalisation. - on a vu le rôle du K (potassium) l’osmorégulation, et c’est aussi un cofacteur de nombreuses enzymes - Le Ca et le constituant majeur des paroie, et c’est aussi un cofacteur de nombreuses enzymes, on a vu que c'était un messager secondaire qui allait activé certaines voie de signalisation. - Mg important : pour la molécule de chlorophylle au centre il y a un mg et si la chlorophylle perd son magnésium elle devient une autre molécule qui n'a plus ses propriétés de pigment+photochimie. + cofacteur très important des enzymes.

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- Cl l’anion qui accompagne souvent le potassium il est important pour l’osmorégulation et

également pour la photosynthèse. - Zn est cofacteur d’enzyme - Na est important pour l’osmorégulation ( essentiellement pour le sodium)+ important pour les métabolisme C4 4. Dans ce groupe sont mis les composés qui vont être impliqué dans les réactions rédox.

- On va avoir le fer qui est le cofacteur des cytochromes qui va être un élément nécessaire a la -

-

synthèse des chlorophylles ( le fer n’est pas un constituant des chlorophylle mais il est important pour la synthèse des chlorophylles ) Le Mn, a été vu au niveau du PSII + c'est un cofacteur de nombreuses enzymes Le Cu important pour la photosynthèse et tous les transferts d’électron au niveau du thylakoides. + présent d dans la chaîne de transport des électrons mais au niveau mitochondrial. = tous les flux d'électrons dépendent de ce cuivre + cofacteur de nombreuses enzyme Ni : qui est constituant de l’uréase et certains enzyme Mo : cofacteur d’enzyme, dont la nitrate reductase

—> les éléments ont été classés dans certaines fonctions claires, mais certains ont plusieurs fonctions qui sont totalement différente : Ex Ca = composant majeur de la paroi pectocellulosique (pectines) C'est lui qui va permettre aux chaînes d’acide polygalacturonic (orange) des peptides d’avoir cette structure en boites a oeuf. = et donc sans ce cations et ses chaînes on aurait pas un arrangement de ses peptines qui permettent la structure de la paroi. = ici c'est un rôle de structure on a des concentration très élevé de calcium dans la paroi et dans l’apoplasme. + la concentration est de l’ordre de mM. Ex Ca = élément dans la signalisation cellulaire induisant la cascade de phosphorylations (Kinases, CDPK) —> C = μM à nM = des voies de signalisation sont induit par des oscillation calcique ou des augmentations de teneur en calcium ( par ex l’activation de kinase appelé calcium dépendante kinase CDPK) —> ici on a la présence de calcium comme molécule signal et on va avoir des concentration beaucoup moins importante C = μM à nM. Chaque espèce va avoir des besoins différents, c'est le cas aussi des espèces cultivées. De façon générale les espèces cultivées ont des besoins importants par rapport aux espèces sauvages : car on les pousse on veut qu'elle produisent beaucoup de biomasse = donc on leur donne plus de minéraux que ont toutes les plantes sauvages

- Mais parmi les espèces cultivées on a quand même certaines variations, certaines espèces demande beaucoup plus d'éléments minéraux.

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- Donc si on est sur un sol qui est pauvre en éléments minéraux ça veut dire beaucoup de fertilisants.

—> on va avoir la betterave qui est une plante qui va avoir besoin de beaucoup de fertilisation car elle nécessite beaucoup de phosphore et de potassium.

- On peut avoir des exigences qui sont différentes selon les éléments, le colza va avoir beaucoup de besoin de phosphore mais moyennement de potassium. - la pomme de terre va aussi être une plante qui sera très exigeante et aura besoin de potassium et de phosphore. - Les céréales vont être un peu exigeante avec des différences comme avec le blé dur qui aura besoin de moyennement de phosphore.

- Le colza va être très exigeant en phosphate et moyennement en potassium. On peut voir avec l'exemple sur une terre qui n'est pas riche en éléments minéraux, si on n'y ajoute notre phosphore qui est en fertilisants on peut voir que la plante va beaucoup plus pousser. CM suivant. On va pouvoir faire une analyse de la croissance en fonction de la quantité d'éléments dans le milieu : On peut voir un graphique de l'influence de la concentration en élément minéral nutritifs sur la croissance d'une plante. Cette courbe est en trois phases: Déficience : Un faible apport supplémentaire augmente la croissance de manière significative Dose Optimale : ( croissance a l’optimum) Aucune réponse de croissance à l’augmentation de l’élément dans le milieu. Si on augmente la concentration, la plante le stocke (vacuole) sans l’utiliser = consommation « de luxe » Toxicité : Concentrations qui induisent des effets négatifs sur la croissance ( la croissance diminue avec l’augmentation de concentration d’éléments) , apparition de symptômes avec des nécroses ( ou les cellules meurt sur des feuilles en particulier) etc…

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La dose critique et la dose qui est défini, comme la dose qui permet d'obtenir 90 % de la croissance optimal. On peut définir plus particulièrement dans la zone de déficience: La déficience : c'est toute la zone où on a une réduction de la croissance sans symptômes et on va parler de la carence quand non seulement on va avoir toute cette zone de déficience mais en plus on va avoir l'apparition de symptômes de carence. Tout ceci est vrai pour un élément mais on va avoir une courbe de réponse pour tous les éléments. Puisque le végétal va avoir besoin de différents éléments et ces différents éléments sont tous ou pas présent dans le milieu. On peut voir la courbe en fonction de la croissance et de la concentration de A dans le milieu, en rouge on retrouve la même courbe donc on a pas de facteur limitant l'élément B par exemple n'est pas limitant. Si par contre on obtient la courbe violette, au lieu d'avoir une montée à partir de la dose critique on a un arrêt brusque de la croissance. Ceci indique que l'on a un autre facteur qui va limiter la croissance qui n'est pas lié à la concentration de A dans le milieu. —> donc là par exemple on est dans un cas B est limitan...