Croissance, activité peroxydasique et modifications ultrastructurales induites par le cadmium dans la racine de tomate

Croissance, activité peroxydasique etmodifications ultrastructurales induites par lecadmium dans la racine de tomate

Wahbi Djebali, Wided Chaïbi et Mohamed Habib Ghorbel

Résumé : Ce travail a pour objectif d’évaluer l’accumulation du Cd au niveau des organes de jeunes plants de tomate(Lycopersicon esculentum var. Ibiza F1) ainsi que ses effets sur la croissance, l’activité peroxydasique et l’ultrastructurede la racine. Les plantes préalablement cultivées sur une solution nutritive de base puis traitées pendant 10 jours avecdifférentes concentrations de CdCl2 (0, 5, 10, 20, 50, 100 µM) ont montré une forte accumulation du cadmium au ni-veau des tissus racinaires, accompagnée d’une réduction de la croissance. L’augmentation de l’activité peroxydasiquedécelée à ce niveau, reflète un état de stress oxydatif induit par le cadmium. L’étude ultrastructurale effectuée dans larégion apicale de la racine a mis en évidence une intense vacuolisation au niveau des cellules méristématiques ainsique des dépôts denses aux électrons dans les vacuoles et les plastes. De part et d’autre de la paroi, un système mem-branaire d’aspect myélinique et (ou) vésiculaire se développe dans un espace périplasmique important. Ces résultatssuggèrent une accumulation endocellulaire du métal, conduisant à une désorganisation des systèmes membranaires pro-bablement en relation avec l’installation d’un état de stress oxydatif.

Mots clés : cadmium, tomate, peroxydases, ultrastructure, racine.

Abstract: Accumulation of Cd in the organs of young tomato plants (Lycopersicon esculentum var. Ibiza F1), as wellas its effects on growth, peroxidasic activity, and root ultrastructure were evaluated. Plants previously cultivated in abasic nutrient solution and then treated for 10 days with different concentrations of CdCl2 (0, 5, 10, 20, 50, 100 µM)accumulated high quantities of cadmium in their root tissues and showed reduced growth. Increased peroxidasic activityobserved at this level reflects a state of oxidative stress induced by cadmium. An ultrastructural study of the root apexshowed a strong vacuolization in the meristematic cells as well as deposition of electron-dense material in vacuoles andplastids. On either side of the cell wall, a medullated-like and (or) vesicular membrane system developed over a signif-icant periplasmic space. Results suggest an endocellular metal accumulation leading to a disorganization of membranesystems, probably related to the onset of an oxidative state of stress.

Key words: cadmium, tomato, peroxidases, ultrastructure, root.

[Translated by editorial staff] Djebali et al. 953

Introduction

De nos jours, l’usage des fertilisants minéraux et des pro-duits phytosanitaires ainsi que l’utilisation des boues et deseaux usées figurent parmi les principales sources de conta-mination des sols cultivés par le cadmium. De plus,l’augmentation de l’incorporation du Cd dans les êtres vi-vants près des zones contaminées est aggravée parl’existence de concentreurs biologiques. En effet, la plupartdes organismes vivants concentrent les polluants dans leurstissus avec souvent un phénomène d’amplification biolo-

gique des polluants le long des chaines trophiques, ce quiaccroît les risques toxicologiques (Ravera et al. 1977; Wa-gner 1993).

En conditions de stress métallique, l’une des caractéristi-ques remarquables de certains végétaux supérieurs est leuraptitude à concentrer l’excès de métaux absorbés au niveaude certains organes (Hardiman et Jacoby 1984).

À l’échelle de la plante entière, l’étude de la répartition ducadmium entre les tissus montre dans la plupart des cas ungradient acropète décroissant. Cette situation a été souventobservée chez de nombreuses espèces comme par exemplele haricot (Weigel et Jäger 1980), Thlaspi caerulescens (Vaz-quez et al. 1992b) et Typha latifolia (Ye et al. 1997). Plu-sieurs études ont souligné l’importance de la racine en tantque site d’accumulation privilégiée des métaux lourds, com-parativement aux autres organes de la plante (Jarvis et al.1976; Hardiman et Jacoby 1984; Obata et Umbeayashi 1993;Baker et al. 1994). Ceci constitue un moyen permettant à laplante de limiter au maximum l’exportation des polluantsmétalliques vers les organes aériens et notamment le limbefoliaire, réputé comme étant beaucoup plus vulnérable àl’égard de ces polluants.

Can. J. Bot. 80: 942–953 (2002) DOI: 10.1139/B02-062 © 2002 CNRC Canada

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Reçu le 14 décembre 2001. Publié sur le site Web desPresses scientifiques du CNRC, http://revcanbot.cnrc.ca, le17 septembre 2002.

W. Djebali, W. Chaïbi1 et M.H. Ghorbel. Laboratoire dePhysiologie Végétale, Nutrition et Métabolisme Azotés etProtéines de Stress UR 09/20, Département des SciencesBiologiques, Faculté des Sciences de Tunis, CampusUniversitaire, 1060 Tunis, Tunisie.

1. Auteur correspondant (couriel : [email protected]).

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La phytotoxicité du Cd se manifeste au niveau des végé-taux par une inhibition de leur croissance et la perturbationde plusieurs processus physiologiques tels que la nutritionminérale (Ouariti et al. 1997a; El Alami 1998; Boussama1999), le transport de l’eau (Poschenrieder et al. 1989), laphotosynthèse (Krupa et al. 1993), le métabolisme gluci-dique (Greger et Bertell 1992), le métabolisme azoté (Oua-riti et al. 1997a; Boussama et al. 1999; Gouia et al. 2000) etle métabolisme lipidique (Ben Youssef et al. 1998; Jemal etal. 2000). L’accumulation du cadmium au niveau des orga-nes exposés directement à la contamination, et son interfé-rence avec ces processus clés, aurait sans doute des effetsd’ordre structural et ultrastructural.

À l’échelle cellulaire, des investigations histochimiques etmicroanalytiques visant à localiser les métaux lourds in situont montré l’importance de la paroi pectocellulosique (Li-gnell et al. 1982; Galsomies et al. 1992; Vazquez et al.1992a, 1992b), et de la lamelle moyenne séparantl’endoderme du péricycle (Lindsey et Lineberger 1981) dansl’accumulation de ces éléments, surtout chez les plantes ac-cumulatrices. Cependant, ce mode de rétention superficiellene semble pas jouer un rôle important dans les racines de to-mate : le suivi de l’évolution des contenus racinaires et pa-riétaux en Cd chez les racines de cette plante a montré quela paroi ne retient que 10 % à 15 % du contenu total raci-naire (El Alami 1998).

À l’intérieur de la cellule, l’excès de métaux absorbéspeut faire l’objet d’une association à des ligands organiquesafin de maintenir ces ions à un niveau d’activité particulière-ment bas dans le cytosol. L’association avec des acides inor-ganiques (phosphates et sulfures) et (ou) organiques (malateet citrate) ou la séquestration dans des organites spécialiséssemble être parmi les moyens de détoxication intracellulai-res utilisés par les plantes supérieures (Van Balen et al.

1980; Godbold et al. 1984; Verkleij et al. 1991; Wagner1993). Parmi les autres procédés de bioprotection figureaussi la synthèse de peptides de stress métalliques qui peu-vent assurer le transport de ces métaux vers le compartimentvacuolaire (Neumann et al. 1994). Cependant, ces élémentspeuvent être aussi transportés vers les feuilles via la tige oùils seront également accumulés et (ou) redistribués vers lesorganes reproductifs ou végétatifs jeunes, ainsi que vers lesracines (Cataldo et al. 1987).

De plus, il a été démontré, chez la tomate, quel’accumulation endocellulaire du Cd au niveau de la racineaffecte sérieusement sa composition en acides gras et en-traîne une baisse de son contenu en phospholipides (Ouaritiet al. 1997b). Les changements dans la composition en aci-des gras, constituants essentiels des membranes biologiques,peuvent avoir de graves conséquences sur la structure et lefonctionnement des systèmes endomembranaires (Ouzouni-dou et al. 1992; De Vos et Schat 1991; Obata et al. 1996).D’autre part, certaines des études concernant l’action ducuivre sur les biomembranes apportent des preuves indirec-tes concernant l’altération de leur constituants lipidiquessuite à une supraproduction d’oxyradicaux libres conduisantà une peroxydation des lipides et une stimulation del’activité de certains enzymes antioxydantes (Luna et al.1994; Weckx et Clijsters 1996). Des études ultrastructurales,bien que très fragmentaires, ont montré que le Cd a une ac-tion sur tous les systèmes membranaires de la cellule, se tra-duisant par une désorganisation de leur structure (Baszynskiet al. 1980; Ros et al. 1992; Smith 1983).

D’autre part, du fait que le niveau de l’activité peroxyda-sique peut représenter un bon marqueur de l’intensité dustress oxydant induit par les métaux lourds (Gaspar et al.1982), nous avons jugé utile d’examiner la variation de ceparamètre en fonction du niveau d’accumulation racinaire ducadmium chez la tomate.

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Cd (µM)

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Fig. 1. Variation de la masse de matière sèche (MS) des partiesaériennes (T + F) et des racines (R) en fonction de la doseexterne en cadmium. Les résultats sont exprimés en pourcents dutémoin (racine = 0,080 26 g; partie aérienne = 0,7303 g). Chaquevaleur représente la moyenne ± intervalle de confiance.

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Cd (µM)

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Fig. 2. Masse de matière sèche (MS) des racines exprimée enpourcent du total de la plante. Chaque valeur représente lamoyenne ± intervalle de confiance.



Matériel et méthodes

Conditions de cultureLes graines de tomate (Lycopersicon esculentum var. Ibiza

F1) sont d’abord lavées à l’eau distillée et stérilisées dansl’eau oxygénée à 10 % (v/v) pendant 20 min. Après plu-sieurs rinçages à l’eau distillée, les graines sont mises à ger-mer dans des boîtes de Pétri sur disque de papier filtreimbibé d’eau distillée. La germination est conduite àl’obscurité et à 25°C. Les plantules âgées de 6 jours sont en-suite transférées et maintenues en culture hydroponique surdes solutions nutritives de base contenant : 1 mM MgSO4,2,5 mM Ca(NO3)2, 1 mM KH2PO4, 2 mM KNO3, 50 µMEDTA-Fe-K, 30 µM H3BO3, 10 µM MnSO4, 1 µM ZnSO4,1 µM CuSO4, 30 µM (NH4)6Mo7O24 et continuellement aé-rées par bullage d’air comprimé. Après 12 jours de culturesur milieu nutritif de base, les plantes sont transférées surd’autres milieux ayant la même composition, mais enrichisde différentes doses de CdCl2 (0, 5, 10, 20, 50 ou 100 µM).La durée du traitement par le Cd est de 10 jours. Les cultures

sont effectuées en salle conditionnée, sous plafond lumineuxoù l’intensité lumineuse est de 150 µmol photons·m–2·s–1. Latempérature est de 18°C pendant la nuit et de 25°C pendantle jour. La photopériode est de 16 h et l’humidité relative estenviron 70 %.

Techniques analytiques

Étude de la croissanceAu terme des cultures, les plantes au nombre de 20 sont

séparées en racines et parties aériennes. Les racines, préala-blement plongées dans trois bains successifs d’eau distilléepuis séchées sur papier filtre, sont mises, avec leur partiesaériennes correspondantes, dans une étuve à 70°C pendant48 h pour la détermination de la masse de matière sèche(MS). La mesure de la longueur des racines a été effectuéeau moyen d’un pied à coulisse.

Dosage du cadmiumLe système racinaire ainsi que la partie aérienne (n = 5)

préalablement séchés sont soumis individuellement à uneminéralisation à chaud par un mélange nitro-perchlorique(3:1, HNO3–HClO4, v/v) selon la méthode décrite par VanAssche et al. (1988). Après évaporation complète du mé-lange et obtention d’un résidu sec de couleur blanchâtre, unvolume standard (20 mL) d’une solution d’acide nitrique à 1% (v/v) est ajouté au résidu sec. Le dosage du Cd est fait surl’extrait nitrique à l’aide d’un spectrophotomètred’absorption atomique Perkin Elmer Analyst 300. Les résul-tats sont exprimés en microgrammes par gramme de matièresèche.

Dosage de l’activité gaïacol peroxydaseLe système racinaire entier de plantes traitées par diffé-

rentes doses de Cd est broyé dans un mortier à 0°C en pré-sence d’un milieu d’extraction constitué d’un mélange detampon phosphate (50 mM) de pH 7, d’EDTA (10 mM) et

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Fig. 4. Effet de différentes doses de cadmium sur l’activitégaïacol peroxydase (GPX) exprimée par rapport à la matièresèche au niveau des racines de plantes traitées par le Cd pendant10 jours. Chaque valeur représente la moyenne ± intervalle deconfiance.

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Cd (µM)

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Fig. 3. Teneurs en cadmium des parties aériennes (T + F) etracinaires (R) en fonction de la concentration en Cd dans le mi-lieu de culture. Chaque valeur correspond à la moyenne ±intervalle de confiance.



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Fig. 5. Méristème de racine de plante traitée par 10 µM de Cd : vacuolisation intense des cellules méristématiques aussi bien auniveau du cortex (ct) que du cylindre central (cc). Fig. 6. Méristème apical de racine témoin montrant le cylindre central (cc), la zonecorticale (ct) et une partie de la coiffe (cf).

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de cystéine (5 mM). Le broyat est centrifugé pendant 20 minà 12 000 ×g. Le surnageant est récupéré pour le dosage del’activité gaïacol peroxydase (EC 1.11.1.7). Cette activité estdéterminée en mesurant l’oxydation du gaïacol à 470 nm enprésence de H2O2 (Cakmak 1994). Le milieu réactionnel, devolume final égal à 1 mL, est composé de tampon phosphate(50 mM), de gaïacol (0,05 % v/v), de H2O2 (10 mM) et del’extrait enzymatique (50 µL). L’activité enzymatique de lagaïacol peroxydase est exprimée en micromoles de gaïacolconsommé par minute par gramme de matière sèche. Les ré-sultats obtenus représentent la moyenne de six répétitions in-dividuelles par traitement.

Microscopie électronique à transmissionLe méristème apical issu de la racine principale de plantes

traitées par 10 µM de Cd est fixé à 4°C par une solution deglutaraldéhyde maintenue à pH 7,4 par une solution de caco-dylate de sodium. Les échantillons sont ensuite lavés avec lemême tampon et post-fixés dans une solution de tétroxyded’osmium tamponnée par du véronal (0,1 M) (Sabatini et al.1963). Après plusieurs lavages à l’eau distillée, les échantil-lons sont déshydratés par des bains successifs d’alcool éthy-lique de concentrations croissantes. Les inclusionsdéfinitives sont réalisées dans un mélange de résine (Spurr1969). Seules les coupes dont les couleurs d’interférencesont grises ou argentées (épaisseur de 600 à 900 � (1 � =0,1 nm)) sont recueillies et déposées sur une grille de cuivrede 3 mm de diamètre. Les sections ultrafines sont contras-tées par l’emploi d’une solution alcoolique d’acétated’uranyle et par le citrate de plomb (Reynolds 1963). Lesobservations ont porté sur au moins six échantillons prélevéssur des plantes témoins ou traitées par une dose de 10 µM deCdCl2 à l’aide d’un microscope électronique (JEOL 3015).La densité ribosomale a été déterminée par un comptage ef-fectué sur 20 unités de surface préalablement quadrillées surles photos (au nombre de 10 pour chaque traitement) descoupes ultrafines prises en microscopie électronique à ungrossissement de 100 000 fois. Les coupes semi-fines(0,5 µm), destinées à la microscopie photonique, sont colo-rées par une solution de bleu de toluidine puis lavées à l’eaudistillée.

Dans ce travail, les résultats sont exprimés sous forme demoyennes ± intervalles de confiance calculés au seuil de 95% de probabilité en utilisant le logiciel de statistique Statis-tica Edition 97.

Résultats

Effets du cadmium sur la croissanceAu niveau racinaire (fig. 1), le traitement des plantes par

de faibles doses de Cd (5, 10 et 20 µM) n’a aucun effet surla croissance. Au delà de cette concentration l’effet dépressifdu Cd est de plus en plus marqué. Par contre, une baisseconsidérable de la croissance pondérale est observée au ni-veau de la partie aérienne dès la plus faible dose de Cd.Cette baisse est aussi, comme c’est le cas pour les racines,fonction de la dose du cadmium, mais, dans tous les cas, leseffets dépressifs restent toujours plus importants au niveaude la partie aérienne qu’au niveau des racines.

Une réduction de la croissance en longueur de la racineprincipale a été également observée suite au traitement parle cadmium. Cette réduction peut atteindre 50 % ou pluspour les doses les plus élevées.

L’action du cadmium se traduit aussi par une modificationde la distribution de la biomasse entre organes aériens et ra-cinaires. La figure 2 montre un accroissement de la propor-tion de biomasse allouée à la croissance racinaire auxdétriments de la partie aérienne pour toutes les concentra-tions de CdCl2.

Accumulation et distribution du cadmiumLa teneur endogène en cadmium dans la plante dépend

étroitement de la dose de ce dernier dans le milieu de culture(fig. 3). Le niveau d’accumulation du métal n’est pas lemême dans les différents organes de la plante. En effet, lesystème racinaire accumule, en terme de teneur, beaucoupplus de cadmium que la partie aérienne. Pour la dose 50 µMpar exemple, la teneur en cadmium dans la partie aériennen’est que de 498 µg·g–1 MS, alors qu’elle est de 2727 µg·g–1

MS dans la racine.L’examen de la répartition du Cd accumulé à l’intérieur de

la plante a montré que la majorité de cet élément se trouvepiégée dans la racine. Le pourcentage du Cd retenu à ce ni-veau varie entre 97 % et 84 % du Cd total absorbé par laplante, la part des parties aériennes dans ce processus aug-mentant avec la dose de Cd dans le milieu de culture.

Activité gaïacol peroxydaseNos résultats (fig. 4), exprimés par grammes de MS, ont

montré une stimulation progressive de l’activité des peroxy-dases totales solubles au niveau des tissus racinaires au furet à mesure de l’augmentation de la concentration en Cddans le milieu de culture.

Effet du cadmium sur l’ultrastructure racinaireLa capacité d’accumulation des organes aériens étant plus

faible, la tolérance au Cd chez la tomate, au moins pour lesconcentrations inférieures à 20 µM, pourrait résulter d’unstockage préférentiel du Cd dans certains compartiments descellules racinaires. Une étude ultrastructurale pourrait donc

Fig. 7–10. Racine de plante traitée par 10 µM de Cd. Fig. 7. On note l’abondance des formations vacuolaires (v), montrant desprécipités denses aux électrons (de). Les différentes vacuoles ont tendance à confluer entre elles (flèches); nu, nucléole. Fig. 8. Vacu-oles (v) de forme allongée renfermant des inclusions osmiophiles (de) ou une partie du cytoplasme (cy). Fig. 9. Vacuoles de formeannulaire ou allongée montrant une partie du cytoplasme (cy) isolée à l’intérieur et des masses denses aux électrons (de); p, plaste.Fig. 10. Vacuoles multivésiculaires (vm) montrant une importante vésicule entourée par une membrane simple et renfermant denombreuses petites vésicules (vi) ainsi qu’un matériel fibrillaire. L’ensemble est en contact avec le plasmalemme (pl) localement élargi.La vésicule semble recevoir du matériel membranaire par invagination du plasmalemme (flèche); d, dictyosome. Fig. 11. Cellulescorticales de racine de plante témoin montrant un noyau (n) central et des vacuoles (v) peu développées avec une substance claire auxélectrons.



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fournir des indications intéressantes sur les perturbations in-tracellulaires provoquées par la présence du Cd dans le mi-lieu de culture.

Cette analyse a été réalisée au niveau du méristème raci-naire, la concentration en Cd choisie étant de 10 µM. Celle-ci n’entraîne pas une diminution de la croissance pondéraleau niveau de la racine (fig. 1), alors que la quantité du Cdaccumulé dans cette dernière représente 95 % du Cd totalabsorbé par la plante.

Sur des coupes longitudinales axiales de méristèmes raci-naires, des vacuoles de plusieurs types et dimensions peu-vent être caractérisées dans la majorité des cellulescorticales et quelques cellules centrales des plantes traitées(fig. 5) par rapport au témoin (fig. 6). Les unes sont globu-leuses et de petit diamètre (0,1 µm), les autres ont des di-mensions plus importantes (0,3 µm) (fig. 7). Ces vacuolespeuvent être contigües et ont tendance à confluer entre elles(fig. 7, flèche).

Dans d’autres cellules superficielles du cortex, existentdes vacuoles de formes filamenteuses (fig. 8), chacune pou-vant entourer une partie du cytoplasme (fig. 8 et 9).

D’autres vacuoles renferment des vésicules plus ou moinsnombreuses (fig. 10) dont certaines présentent des débrismembranaires. Elles constituent des vacuoles multivésiculai-res probablement impliquées dans des processus d’autophagiecellulaire. Ces vacuoles sont généralement en rapport directavec un espace périplasmique élargi localement contenantdes structures membranaires (fig. 10, flèche).

D’autre part, la majorité des vacuoles possèdent chacuneune ou deux masses denses, plus ou moins accolées à la faceinterne du tonoplaste ou encore situées dans les zones inter-nes de la substance vacuolaire (fig. 7–9) alors que, dans lescellules racinaires de plantes témoins, toutes les vacuolessont sphériques ou ovales et ne présentent aucun précipitédense aux électrons (fig. 11).

Dans le cas des cellules de racines témoins, le plasma-lemme se trouve étroitement accolé à la paroi pecto-cellulosique (fig. 12). Suite au traitement par le Cd, un es-pace périplasmique plus ou moins important se développeentre le plasmalemme et la paroi (fig. 13–16). En effet, lescoupes ultrafines montrent un plasmalemme sinueux se déta-chant de la paroi, sauf au niveau des plasmodesmes (fig. 13).En outre, la contraction du cytoplasme laisse entrevoir desespaces périplasmiques contenant des structures membranai-res de type myélinique (fig. 15 et 16) ou vésiculaire (fig.14); ces structures peuvent être plus ou moins abondantes.Certaines d’entre elles forment des digitations entre le cyto-plasme de la cellule et sa paroi pectocellulosique (fig. 15);d’autres semblent plutôt localisées dans des vésiculesd’endocytose ou d’exocytose (fig. 14).

Chez les plantes témoins, le cytoplasme des cellules api-cales de la racine est riche en ribosomes. Ils sont répartis

d’une façon uniforme dans le cytosol et peuvent être libresou associés en rosette formant des polyribosomes (fig. 17).Après le traitement par le cadmium, la répartition des ribo-somes est modifiée. Le cytosol présente un aspect contractéavec un groupement plus important des ribosomes en poly-somes (fig. 19 et 20, flèche). Le comptage des ribosomesmontre qu’après le traitement, le maximum de fréquence sesitue entre 55 et 85 par µm2, alors que chez le témoin, lesdensités les plus fréquentes se situent entre 120 et 130par µm2. Il y a donc une diminution de la densité ribosomaleà la suite du traitement.

Dans les racines des plantes exposées au Cd, bien que lesplastes soient, comme chez les témoins, caractérisés par unematrice dense et des crêtes courtes et claires (fig. 18), ilsrenferment très souvent un ou plusieurs globules denses auxélectrons (fig. 19) occupant parfois tout le stroma plastidial(fig. 20) avec absence d’amidon. Ces globules sont identi-ques à ceux observés au niveau des vacuoles (fig. 7–19).

Discussion

Nos résultats ont montré que le Cd induit une inhibitionde la croissance de la tomate, qui dépend non seulement desa concentration dans le milieu, mais aussi de l’organeconsidéré. La majeure partie du métal prélevé sur le milieuse trouve préférentiellement localisée dans les racines. Cesdernières montrent des teneurs cinq fois plus élevées quecelles de la partie aérienne malgré la faible proportion de labiomasse investie à ce niveau. Ceci confirme l’importancedu système racinaire dans la limitation de l’exportation ducadmium vers les tissus aériens.

Nos résultats ont également montré que dans le méristèmeapical, les cellules corticales et centrales les plus exposéesau Cd expriment souvent une intense vacuolisation du cyto-plasme. Des résultats similaires ont été obtenus avec le Znchez Festuca rubra (Davis et al. 1991), avec l’Al chezAllium cepa (Fiskesjö et al. 1988), le maïs (Bennet et al.1985) et Picea rubens (McQuattie et Schier 1990), et avec leCu dans les racines de Thlaspi ochroleucum (Ouzounidou etal. 1992). Chez la tomate, la vacuolisation du cytoplasme setrouve souvent accompagnée de phénomènes de dépôt et deséquestration non décelables chez le témoin. Ces dépôts den-ses aux électrons observés au niveau vacuolaire peuvent cor-respondre, comme l’ont suggéré certains auteurs, à desprécipitations de cadmium en association avec des élémentstels que le silicium, l’oxalate (Van Balen et al. 1980), oumême des peptides de la catégorie des phytochélatines (Rau-ser 1986; Rauser et Ackerley 1987). Des granules densesaux électrons contenant du cadmium ont été également déce-lées dans le cytoplasme et la vacuole des cellules corticalesracinaires d’Agrostis gigantia et de Zea mays contaminées

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Fig. 12. Plasmalemme (pl) d’une cellule corticale de racine de plante témoin étroitement accolé à la paroi pecto-cellulosique (pp) etprésentant quelques plasmodesmes (pd). Fig. 13–16. Cellules corticales de racines de plantes traitées par 10 µM de Cd pendant 10jours. Fig. 13. La rétraction du cytoplasme entraîne un décollement du plasmalemme (pl) et la naissance d’un large espacepériplasmique (ep) sauf au niveau des plasmodesmes (pd). Fig. 14. La contraction du cytoplasme laisse entrevoir des formationsvésiculaires (fv) dans les espaces périplasmiques (ep); certaines d’entres elles se trouvent dans le cytoplasme (flèche). Fig. 15.Présence de digitations (di) dans l’espace périplasmique en association avec un plasmalemme (pl) localement peu visible et à proximitéd’une partie du noyau avec son enveloppe (en) et son nucléole (nu). Fig. 16. Formations membranaires (fm) réalisant un réseauenchevêtré, dans l’espace périplasmique, en continuité avec le plasmalemme (pl); d, dictyosome; re, reticulum endoplasmique.



par CdSO4 (Rauser et Ackerley 1987) ainsi que chez Thlaspicaerulescens (Vazquez et al. 1992b).

D’autre part, des dépôts de cadmium en association avecdes teneurs élevées en peptides ont été signalés au niveau dela vacuole dans des cultures cellulaires de Lycopersicon pe-ruvianum (Neumann et al. 1994). De telles observations per-

mettent de constater que l’accumulation du Cd au niveau desvacuoles peut se faire non seulement sous une forme cristal-line comme le suggèrent certains auteurs mais aussi sousforme d’une association peptides–cadmium (Rauser et Glo-ver 1984; Rauser 1986). Chez Lycopersicon peruvianum, cetype d’association met en évidence le rôle des phytochélati-

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Fig. 17 et 18. Cellules de racines de plantes témoins montrant une répartition homogène des ribosomes libres (r) dans le hyaloplasme(Fig. 17) ainsi que des plastes (p) de forme plus ou moins allongée avec un stroma (st) dense aux électrons et des crêtes claires (c)(Fig. 18). Fig. 19 et 20. Cellules de racines de plantes traitées par 10 µM de Cd pendant 10 jours montrant des dépôts denses auxélectrons (de) dans le stroma des plastes (p) et dans certaines vacuoles (v) (Fig. 19); la figure 20 montre l’importance de ces dépôtsopaques de forme globuleuse (de) qui occupe presque tout le stroma du plaste (p).



nes dans les processus de tolérance aux métaux lourds. Il estpossible que des formations de ce type existent chez Lyco-persicon esculentum.

La prolifération de l’appareil vacuolaire observée au seindu cytoplasme des cellules racinaires des plantes traitéespeut être la conséquence d’une séquestration de certains ter-ritoires cytoplasmiques (Marty 1982), probablement induitepar le cadmium. Dans ce cas, les vacuoles formées pour-raient constituer un moyen de compartimenter l’agenttoxique. D’autre part, vu leur abondance dans les assises cel-lulaires superficielles de la racine, ces zones d’exclusionsont susceptibles de limiter l’accès du Cd aux couches cellu-laires profondes. Dans ce cas, le parenchyme cortical, tissule plus concerné par ces manifestations, pourrait constituer,comme l’ont suggéré Vazquez et al. (1992a), une gaine deprotection pour les tissus sous-jacents.

Suite à l’application du Cd, des vacuoles multivésiculairesapparaissent dans le cytoplasme; elles sont souvent en rap-port direct avec des espaces périplasmiques élargis contenantde nombreuses structures membranaires. Ces formationspeuvent constituer un autre mode de compartimentation per-mettant de piéger l’agent nuisible et d’assurer éventuelle-ment son transport ultérieur vers d’autres territoiresendocellulaires. Cette forme de compartimentation permetentre autres de diminuer son activité ionique dans les liqui-des cellulaires.

Tous les changements affectant les systèmes endomem-branaires peuvent résulter d’un stress oxydatif, d’autant plusqu’on a pu détecter au niveau des racines une forte activitéperoxydasique, probablement liée à l’installation de ce typede stress. De plus, il a été démontré que, chez la même va-riété de tomate et dans les mêmes conditions expérimentales,le cadmium induit une baisse dans les teneurs en lipides po-laires (Ouariti et al. 1997b). Ces derniers font partie inté-grante de la structure lamellaire des membranes. De ce fait,les variations affectant la composition lipidique des membra-nes peuvent altérer de façon plus ou moins importante aussibien l’organisation des compartiments endocellulaires queles transports transmembranaires. Les mêmes effets ont étéobtenus avec des suspensions cellulaires de Lycopersicon pe-ruvianum, qui montrent des délétions au niveau du plasma-lemme ainsi que la présence de gouttelettes osmiophilesdécelables au voisinage immédiat des sites altérés (Neumannet al. 1994).

Après exposition au Cd (10 µM), les cellules méristémati-ques racinaires présentent souvent un cytoplasme contractéavec formation de larges espaces périplasmiques où appa-raissent des structures membranaires ressemblant à des digi-tations ou à des vésicules. Elles sont en relation avec laparoi pectocellulosique. Ces observations conduisent à pen-ser que, dans le cas des racines traitées par le Cd, le cyto-plasme subit des modifications comparables à cellesprovoquées par une plasmolyse. Chez Diatoma linkii, unecontamination par une dose de 5 ppm d’Al entraîne uneplasmolyse cellulaire (Simon et al. 1997). Ce comportementcorrespond vraisemblablement à une perte, au moins par-tielle, de la turgescence cellulaire. S’agit-il d’un processuscorrespondant à une plasmolyse au sens classique du terme ?Dans le cas des tissus racinaires de tomate exposés au Cd, lacontraction du contenu cytoplasmique se trouve accom-

pagnée par des changements dans la répartition des riboso-mes au sein du hyaloplasme. Cette contraction du cyto-plasme ne peut être imputée à une augmentation en valeursabsolues du potentiel osmotique de la solution externe,compte tenu de la part excessivement faible du CdCl2, mêmeà la dose la plus élevée (100 µM), par rapport à celles desautres osmolytes présents dans la solution de culture. Il estpar contre possible que ceci résulte à la fois d’une perte decertains électrolytes osmotiquement actifs comme le potas-sium (Ouariti 1997), d’une inhibition dans la synthèse decarboxylates (Greger et al. 1993) et de difficultés dansl’alimentation en eau (Mukherji et Roy 1977).

Nos résultats ont montré aussi des variations territorialesde la densité ribosomale, avec des accumulations sous formede rosettes, ou de polysomes par endroits, et une diminutionde la densité des ribosomes dans d’autres. Celle-ci peut êtrecorrélée avec une augmentation de l’activité protéolytiquesignalée chez la tomate lorsqu’elle est soumise à un stressinduit par le Cd (Chaffei 2000). Ceci n’est pas sans consé-quences sur les teneurs en protéines. En effet, sous l’effet duCd, la synthèse des protéines peut être également perturbéecomme l’ont montré les travaux de Norton et Kench (1977)effectués in vitro sur des ribosomes isolés.

Dans les racines de tomate exposées au Cd, la présence dedépôts denses au sein du stroma plastidial constitue un faitmarquant. Des dépôts analogues ont été localisés dans lesplastes de haricot (Vazquez et al. 1992a), plante beaucoupplus sensible au Cd que la tomate. L’incorporation du Cddans ces organites cellulaires peut correspondre à une préci-pitation sous forme de sels insolubles (oxalates et phospha-tes) ou solubles (malates et phytochélatines). Ces formes decomplexation semblent jouer un rôle de premier ordre dansles processus de détoxification en maintenant à un niveauparticulièrement bas la concentration endogène en ions po-tentiellement toxiques compatible avec le bon déroulementde l’ensemble des processus cellulaires (Daniel et Chamber-lain 1981).

En conclusion, ce travail a permis de montrer que la to-mate traitée par le cadmium manifeste une certaine tolérancevis-à-vis de ce métal, tout au moins pour les concentrationsinférieures à 20 µM. La racine parait être le site principald’une acccumulation endogène de ce métal. Celle-ci est ac-compagnée d’une vacuolisation intense des cellules méristé-matiques, et la présence de précipités à l’intérieur desvacuoles et des plastes. Une éventuelle compartimentationdu cadmium au niveau de ces organites est à suggérer, ce quisuppose la participation de ligands et d’agents précipitants àces niveaux. Cependant, une étude microanalytique est né-cessaire pour permettre de déterminer la nature de ces préci-pités.

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Croissance, activité peroxydasique et modifications ultrastructurales induites par le cadmium dans la racine de tomate