Étude comparative du métabolisme photosynthétique des feuilles et des gousses de soja Glycine max

~ t u d e comparative du mdtabolisme photosynthdtique des feuilles et des gousses de soja Glycine m a

J. C. LATCH& G. BAILLY-FENECH, J. GRIMA-PETTENATI ET G. C A V A L I ~ Centre de physiologie ve'gitale, Unite' associe'e au Centre national de la recherche scientijique no 241, Universite' Paul

Sabatier, 11 8, route de Narbonne, 31 062 Toulouse CEDEX, France

R e p le 20 septembre 1985

LATCH^, J. C., G. BAILLY-FENECH, J. GRIMA-PETTENATI et G. C A V A L I ~ . 1986. Etude comparative du mCtabolisme photo- synthCtique des feuilles et des gousses de soja, Glycine mar. Can. J . Bot. 64 : 1542-1548.

Les variations dans le dCroulement du mttabolisme carbon6 photosynthttique au cours du dCveloppement des feuilles et des gousses de soja ont tt& prCcistes. Les feuilles adultes presentent i la fois le taux de fixation de 14C02 le plus ClevC et I'activitC de la ribulose bisphosphate carboxylase maximale. La biosynthbse des acides aminks est plus intense dans les tissus jeunes, ce rCsultat Ctant relie i la forte activit6 de la nitrate kductase. L'accroissement de l'incorporation de radiocarbone dans la glycine et la strine ainsi que 1'Cvolution de llactivitC de la glycolate oxydase suggbrent que le mCtabolisme photorespiratoire est proportionnellement plus important dans les limbes dgCs. Les organes fructiferes sont caractCrisCs par une photosynthbse nette, des teneurs en chlorophylle et une activitC ribulose bisphosphate carboxylasique trbs infkrieures i celles des feuilles. Toutefois, une participation possible des cosses i l'alimentation en carbone des graines a CtC mise en tvidence. Aprbs fixation de 14C02, les acides organiques sont plus fortement marquCs dans les gousses que dans le limbe foliaire. Les niveaux d'activitt de la glycolate oxydase et la radioactivit6 de la glycine et de la sCrine indiquent que la photorespiration serait plus intense dans les organes fructiferes.

LATCH^, J. C. , G. BAILLY-FENECH, J. GRIMA-PETTENATI, and G. C A V A L I ~ . 1986. Etude comparative du mCtabolisme photosynthktique des feuilles et des gousses de soja, Glycine mar. Can. J . Bot. 64 : 1542-1548.

Changes in photosynthetic carbon fixation processes were comparatively studied in soybean leaves and pods harvested at different growth stages. Newly fully expanded leaves exhibited both the highest I4CO2 assimilation rate and the maximum ribulose bisphosphate carboxylase levels. Amino acids biosynthesis was more important in young tissues and this result agreed with the evolution of nitrate reductase activities. The radiocarbon distribution in glycine and serine suggested that photorespiratory metabolism increases with leaf age; the activity of glycolate oxidase was found to be significantly lower in younger leaves than in mature ones. Net photosynthesis, chlorophyll content, and ribulose bisphosphate carboxylase activity were low in isolated pods compared to leaves. However, the study of photosynthate translocations within the pod revealed that the pod wall could contribute to the carbon nutrition of the seeds. Soluble compounds labelled after 14C02 incorporation and glycolate oxidase activity measurement indicated that organic acids biosynthesis and photorespiratory metabolism are relatively higher in pods than in leaves.

Introduction 1974) et i la texture et a l'tvaisseur des tissus constituant les

I1 est maintenant ttabli que les fructifications des LCgu- mineuses sont capables d'assimiler d u gaz carbonique par photosynthkse. Toutefois, - et quoique d'intensitk variable en fonction de divers paramkres tels que 1'Age des gousses (Kumura et Naniwa 1965; Flinn 1974; Andrews et Svec 1975; Oliker et al. 1978b), l'tclairement (Harvey et al. 1976) ou la temptrature (Spaeth et Sinclair 1983a et 1983b) - cette fixation ne parait -avoir qu'une importance quantitative limitte. Ainsi, chez le haricot, elle ne pourrait justifier au maximum que 3 i 5% de l'augmentation totale de la masse des organes fructiferes (Crookston et al. 1974; Oliker et al. 1978b). Dans d'autres cas, le soja par exemple, le bilan des Cchanges de C02 est m&me parfois ntaatif &ant donnt le volume important d9anhydride carboniqie rejett par respiration, essentiefiement i partir des graines (Andrews et Svec 1975; Quebedeaux et Chollet 1975; Spaeth et Sinclair, 1983~) . Plusieurs parti- cularitts, physiologiques ou anatomiques, peuvent expliquer ces constatations. Les gousses ne renferment que de faibles, teneurs en chlorophylle (Andrews et Svec 1975; Quebedeaux et Chollet 1975; Oliker et al. 1978b) et le nombre de chloro- plastes fonctionnels est restreint (Crookston et al. 1974). Elles prtsentent par ailleurs une activitt ribulose bisphosphate carboxylase (RuBPC) nettement inftrieure i celle observte au niveau du parenchyme foliaire (Crookston et al. 1974; Hedley et al. 1975; Quebedeaux et Chollet 1975). Enfin des difficultts d'approvisionnement du chloroplaste en CO, et en Cnergie lumineuse peuvent se manifester : elles sont dues en particulier

une faible densit6 tpidermique de stomates (Crookston et al.

cosses (Flinn et Pate 1970; Sambo et al. 1977). Au cours de ce travail, une Ctude comparative du mCtabo-

lisme photosynthttique des feuilles et des gousses de soja, Glycine mu (L.) Menill, a Ctt entreprise. Elle a pour but de prtciser l'tvolution du processus en fonction du dtveloppement du vCgCtal et de dtgager les originalitks des deux types d'organes retenus. Le mttabolisme photorespiratoire a t t t plus particulikrement considtrt. Chez les plantes de type C,, l'tmission de gaz carbonique par photorespiration est en effet susceptible de diminuer de f a ~ o n sensible l'intensitt de la photosynthkse (Tolbert 1971; Zelitch 1971) et elle constitue donc un facteur de contrdle suppltmentaire de l'assimilation du carbone.

Materiel et methodes Mate'riel ve'ge'tal

La variCtC de soja M 13, i croissance et floraison de type dCterminC, a ttC choisie cornme matCriel d'Ctude. Les plantes, non nodulCes, sont cultivCes en conditions contr8lCes (Cclairement : 80 W.m-2; hCmtropCriode : 14 h; temperature : 2S°C en phase CclairCe et 18OC en phase obscure; hygromCtrie moyenne : 80% de la saturation), sur milieu synthttique liquide renfermant du nitrate comme source d'azote (Grima-Pettenati 1985). Comparativement 5 des cultures realistes au champ, le cycle de vCgC&tion est con- sidkrablement raccourci : ainsi la floraison se produit en moyenne 35 i 40 jours aprbs le semis, le grossissement des graines debutant 15 i 20 jours plus tard. Cette accClCration du dCveloppement serait due surtout, selon Oliker et al. (1978b), i la valeur ClevCe de la temperature nocturne.

Printed in Canada I'ImprimC au Canada.

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Les feuilles et les gousses utilisCes pour 1'expCrimentation ont CtC prClevCes sur la tige principale, au niveau des quatrikme et cinquikme noeuds. Quatre stades de dCveloppement ont CtC retenus. En c e qui conceme les feuilles, le premier stade (F,) correspond B des organes jeunes dont le limbe a atteint la moitiC environ de sa surface dkfinitive; pour les stades suivants (F,, F, et F,), les Cchantillons sont rCcoltCs 10, 26 et 36 jours, respectivement, aprks le stade 1. Le poids spCcifique du limbe augmente entre F,, F, et F, (280, 310 et 435 mg de matikre skche par dCcimktre cark); il reste sensiblement constant pour F, (433 rng.drn-,), stade auquel la feuille prCsente des symp- t8mes de ~Cnescence. Le dCveloppement des gousses a CtC dCfini en fonction de leur taille : 8- 1 1 mm pour le stade G,, 29-32 mm pour G2, 40-42 mm pour G3 et 50-55 mm pour G,. AU stade G,, les Cbauches des graines sont bien visibles et le stade G,, o t ~ les graines reprksentent pondCralement environ 50% de la gousse, correspond B la phase de mi-remplissage. Les masses moyennes de matikre skche par gousse sont de 5,34, 110 et 380 mg pour G,, G2, G3 et G4, respectivement .

Mesure des teneurs en chlorophylle Aprks extraction des pigments par broyage au mortier (prise

d'essai : 250 i 500 mg de tissu frais), B 4OC, sous radiations vertes, dans un mClange d'acCtone (80%) et d'eau (20%), la densit6 optique de la solution obtenue est mesurCe pour une longueur d'onde de 652 nm. La concentration totale en chlorophylle est ensuite calculCe en utilisant le coefficient de Bruinsma (1961).

Assimilation de 14C02 et ddermination du marquage des ~nitabolites

Le matCriel vCgCtal, constituC de disques de limbe (diamktre : 2 cm) ou de lots de gousses, est introduit dans une enceinte de verre CclairCe (50 W.rn-,). Aprks balayage par un courant d'air dCpourvu de CO,, ayant pour but de favoriser l'ouverture des stomates, le dispositif est mis en prksence de 14C02 (400 volumes par million, 10 $3; 1 Ci =

37 GBq) obtenu par addition d'acide lactique B une solution de NaH1'CO,. La durCe de I'assimilation a CtC fixCe B 5 min, la tempCra- ture Ctant de 20 B 22OC. En fin d'expkrience, les tissus vCgCtaux sont fixCs dans l'azote liquide, puis broyCs B basse tempCrature dans de 1'Cthanol B 80' Gay-Lussac.

Le protocole expkrimental utilisC pour l'extraction des mCtabolites solubles en milieux hydroCthanoliques et leur sCpardtion par chromatographie sur Cchangeurs d'ions, puis par chromatographie de partage sur papier, est identique B celui expos6 antkrieurement (Calmks et al. 1977; Kpodar et al. 1978). Aprks autorddiographie (film Kodak X-Omat S), le marquage des composCs est mesurC par scintillation en milieu liquide (spectromktre Packard, type CSL 460 C). La radioactivitC du culot d'extraction insoluble, prkalablement sCchC sous vide en prCsence de CaC1, et broyC, est dCterminCe selon la mCme technique aprks combustion (oxidizer Packard, type Tricarb 306).

Mesures d 'activitis enzymatiques Nitrate rLductase (EC 1.6.6.1 et 1.6.6.2) - Aprks comparaison des

mCthodes in vitro et in vivo (Grima-Pettenati 1985), la mCthode in vivo a CtC choisie. Elle mesure B la fois 1'activitC de la nitrate rCduc- tase (NADH) (EC 1.6.6.1) et celle de la nitrate rkductase (NAD(P)H) (EC 1.6.6.2), les deux formes Ctant prksentes dans les feuilles de soja (Conejero et al. 1984). Le protocole adopt6 dCrive de celui prCconisC par Bar-Akiva et al. (1970) et Jaworski (1971). L'Cchantillon vCgCtal (300-400 mg de tissu frais), constituC par des disques de limbe foliaire de 1 cm de diamktre, est mis en suspension dans 5 mL de tampon phosphate 0 , l M, pH 7 3 , contenant du nitrate de potassium (0,l M ) , du 1-propanol (1% vlv) et du glucose (0,02 M ) . Aprks infil- tration sous vide, la rCduction des ions nitrate est effectuCe B 1'obscuritC sous atmosphkre d'azote, durdnt 15 min B 30°C. La rCac- tion est arrCtCe par chauffage 20 min B 10O0C, ce traitement favorisant en outre l'exsorbtion du nitrite dans le milieu d'incubation (Robin et al. 1983). Les ions NO; formCs sont ensuite dosCs colori- mCtriquement selon la technique de Griess-Ilosvay dCcrite par Hewitt et Nicholas (1964).

TABLEAU 1. Teneurs en chlorophylle et photosyn- these nette B divers stades des feuilles et des

gousses de Glycine mar

Photosynthkse nette Teneur en

chlorophylle* a b

Feuilles stade F, stade F, stade F, stade F4

Gousses stade G, stade G, stade G3 stade G4

NOTA : Les teneurs en chlorophylle sont exprimiea en milli- grammes par g n m m e de matikre h i c h e . La photosynthkse nerre est exprimie en rnilligrammes de CO, fixi par dicimktre cam6 par heure (a) et en milligramme d e CO, fixi par milligramme de chlorophylle.

Ribulose bisphosphate carboxylase (EC 4.1.1.39) - La mCthode dCcrite par Ranty et CavaliC (1982) a CtC retenue. L'extraction de I'enzyme est effectuCe B 4OC, par broyage de 1'Cchantillon vCgCtal (4 B 5 g de limbe dCnervurC ou de fragments de cosses) B l'aide d'un broyeur B hClice (5 x 30 s) dans 4 volumes de tampon Tris-HCL 0 , l M, pH 7 3 , renfermant du polyclar et du polyCthylkne glycol (respectivement 0 , l et 0,02 g par gramme de vCgCtal frais), du dithio- threitol (10 mM) et de l'acide CthylknediaminetCtraacCtique (1 mM). Le broyat est filtrC sur linon et centrifugC (25 000 x g, 15 min, 2OC); le surnageant de centrifugation constitue l'extrait enzymatique dont 1'activitC carboxylasique est mesurCe extemporanCment selon la technique radiochimique de Wishnic et Lane (1971). On prockde d'abord B une prkincubation du biocatalyseur (5 min 30°C) en prCsence de NaHL4C0, et de MgCl,, l'addition de ribulose 1,5-bisphosphate dkclanchant la rkaction. Cette demikre est stoppCe, au bout de 5 min, par apport d'HC1 5 N, et la radioactivitk acide- stable, correspondant au 14C02 fixC, est dCterminCe.

Glycolate oxydase (EC 1.1.3.1) - Le protocole dlCtude, dCrivant de celui mis au point au laboratoire par M. Piquemal (resultats non publiCs), a CtC expos6 dans une publication prCcCdente (Latch6 et al. 1983). L'extraction, B partir de cosses ou de limbe foliaire, comporte un broyage (mCmes conditions que pour 1'Ctude de la RuBPC) suivi d'un traitement du broyat aux ultrasons (appareil Ultrasonic MSE, amplitude 6). Le surnageant est ensuite rCcupCrC par centrifugation (20 000 x g, 20 min) et 1'activitC glycolate oxydase est chiffrCe par mesure de la consommation d'oxygkne B l'aide d'un oxygraphe Gilson, modkle K-ICC, equip6 d'une microClectrode de Clark. Les essais sont effectuCs en prCsence de KCN qui inhibe ~Clectivement la catalase, ce qui permet d'obtenir 1'CquimolaritC entre la quantitC de glycolate oxydC et le volume d'oxygkne consommC.

DPtennination de la teneur en prothnes La teneur en protCines des extraits enzymatiques est mesurCe selon

la mCthode de Lowry et al. (1951).

R6ultats et discussion Teneurs en chlorophylle et photosynthbe nette

Les rtsultats sont regroupts dans le tableau 1. On constate que les gousses renferment 11 h 13 fois moins de chlorophylle que les feuilles; des chiffres analogues ont t t t avancts par Andrews et Svec (1975), Quebedeaux et Chollet (1975) et Mori et Sodek (1983). Par ailleurs, les teneurs sont maximales durant les premiers stades de dkveloppement et elles dtcrois- sent ensuite de f a ~ o n sensible dans les organes dgts (F,, G,).

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La photosynthkse nette suit une tvolution parallkle lorsque les donntes sont exprimtes par rapport l'unitt de surface. En revanche, la fixation du CO,, considtrte en fonction de la richesse en pigments, reste tlevte pour l'tchantillon F,. La baisse de photosynthkse observee dans ce dernier cas semble donc difficilement imputable i la diminution des concentra- tions en chlorophylles; d'autres paramktres, tels que les variations d'activitk carboxylasique (tabl. 6) ou de teneurs en ribulose bisphosphate carboxylase (Grima-Pettenati, 1985) et l'augmentation de la rtsistance stomatique (J. C. Latcht rtsultats non publits), jouent sans doute un r6le plus important. On remarque enfin que, quel que soit le stade considtrt, l'intensitt de 1'a;similation foliaire est nettement inftrieure aux valeurs correspondantes cittes dans la litttrature B propos des plantes de type C, (Zelitch 197 1). Ceci provient peut-Ctre de la nature du mattriel utilise (disques de limbe), mais surtout d'un dkficit en energie lumineuse : les feuilles et les gousses instrtes sur les quatrikme et cinquikme noeuds, donc situtes B l'inttrieur du couvert, ont kt6 retenues pour l'exptrimentation et les mesures ont t t t effectutes sous un tclairement de 50 W.rn-, qui tquivaut a celui reGu par ces organes dans les conditions normales de culture du soja. Pour un tclairement analogue, Fitter et Hay (1981) rapportent que la photosynthkse nettedes feuilles de soja, dtterminte in vitro, est d'environ 10 mg de C02.dm-2 par dtcimktre carrt par heure, contre plus de 20 rng.drn-,.h-' lorsque le palier de saturation en lumikre est atteint. Par ailleurs, la fixation de CO, mesurte in vivo au niveau de feuilles d'ttages moyens ne reprtsente que 60% de celle enregistrte dans les ttages suptrieurs (Brun 1978). Ces deux types de rksultats sont donc en accord avec les valeurs exposkes dans le tableau 1 pour les kchantillons jeunes (F,, F,) ou adultes (F,). La diminution de l'intensitt photosynthktique dans les feuilles dgtes (F,) est logique et conforme aux observations d'autres auteurs tels que Woodward et Rawson (1976) ou Lugg et Sinclair (1981).

Le rapport entre la photosynthkse nette des feuilles et celle des gousses se situe entre 4,8 et 6,6 pour les stades 2 et 3. 11 est plus tlevt dans les organes jeunes (13-13,5) et pour les tchantillons les plus dgts (12,3) si les rtsultats sont rapportts a la teneur en chlorophylle. Ces donntes confirment que les potentialitts photosynthktiques des organes fructiferes sont faibles; elles montrent en outre que la fixation du CO, par les cosses n'atteint son maximum que durant une ptriode assez brkve. Divers auteurs ont abouti a des conclusions similaires, soit chez le soja (Kumura et Naniwa 1965; Andrews et Svec 1975; Mori et Sodek 1983), soit chez d'autres Ltgumineuses telles que le pois (Harvey et al. 1976; Flinn et al. 1977) ou le haricot (Crookston et al. 1974; Oliker et al. 1978b). Toutefois, selon Sambo et al. (1977), la fixation photosynthttique se maintient a un taux sensiblement constant au moins durant les 34 premiers jours du dtveloppement de la gousse de soja, mais l'augmentation progressive de la masse des graines entraine un accroissement important du dtgagement de CO, respiratoire, ce qui se traduit par une baisse de la photosynthkse nette. Cette dernikre varie en outre fortement selon la position du fruit sur la plante et en fonction de facteurs externes comme la temptrature et l'tclairement (Sambo et al. 1977; Spaeth et Sinclair 1983a et 19836).

Principaux rn6tabolites rnarqub a p r b incorporation de I4CO2 ~ t u d e de la fraction soluble La figure 1A illustre la rtpartition du radiocarbone entre les

difftrentes fractions de mttabolites, stpartes en chromatographie par tchange d'ions 2 partir des extraits foliaires. La

VOL. 64. 1986

FIGURE 1. RCpartition de la radioactivitC de la fraction soluble entre acides aminks (D), acides organiques (m) et composCs glucidiques (El).

part prise par les acides organiques (19,2 -2 1,4 % de la radioactivitt soluble) reste sensiblement constante quel que soit l'dge de l'tchantillon. On note en revanche, du stade F, au stade F,, une augmentation du marquage des composts glucidiques solubles (39,9 - 58,4 %) alors que la radioactivitt des acides amints et des amides libres diminue (40,9-20,2%). Ce dernier rtsultat est a rapprocher des variations observkes au niveau de l'assimilation de l'azote mintral.

Chez le soja, la rtduction des ions nitrate est largement loca- liste dans les feuilles (Hatam et Hume 1976; Conejero 1981 ; Grima-Pettenati 1985). Comme l'indique le tableau 2, l'activitt nitrate rtductase est maximale dans le limbe jeune (stades F, et F2) et il en est de m$me de la teneur en nitrate (Grima-Pettenati 1985); ceci entraine sans doute la formation de quantitks plus importantes d'ions ammonium, alors dis- ponibles pour la biosynthkse des acides aminks.

Les principaux mttabolites marquis sont mentionnks dans le tableau 3. Au stade F,, on peut citer par ordre d'importance dtcroissante : le saccharose, l'a-alanine, le malate, l'aspartate, la strine, les oses phosphorylts et le glyctrate. Aux

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TABLEAU 2. ActivitC de la nitrate rkductase foliaire

Stade F, Stade Fz Stade F, Stade F,

NOTA : Les donntes sont exprimtes en nanornoles de nitrite f o m t par minute par niillignnirne de protiine.

TABLEAU 3. Principaux mCtabolites marquCs aprks fixation de 14C02 par des disques de limbe foliaire

Stade F, Stade Fz Stade F, Stade F,

GIycine 2,O 1,9 1 ,O 0 ,9 SCrine 8, l 8 2 7 ,2 5,6 a-Alanine 14,9 9,3 7,0 4,O Aspartate 10,8 12,s 9 2 7,6 Asparagine 0,9 1 2 0,4 0,1 Glutamate 2 6 2, l 1,8 1,4

Glycolate 0,1 0 2 0 2 0 ,4 GIycCrate 3,s 4,8 4,3 4,4 8-Gly cCrate 0,3 0,8 0,8 0,8 Succinate 0 2 0,3 0 2 0 2 Fumarate 0,1 0,1 0,1 0,1 Malate 12,2 13,2 12,l 12,9 Citrate 1,7 1,5 1,6 1,7 Isocitrate 0,4 0 ,3 0 ,4 0 ,3 Malonate 0 2 0 2 0 2 0,3

Oses phosphorylCs 7,6 5 ,O 6 0 6,5 Glucose 3,9 7 ,9 10,6 11,8 Fructose 3 2 3,8 5,6 6 7 Saccharose 21,3 21,9 25,l 28,9 Maltose 3,l 2,3 2,o 1,9

NOTA : Les rksultats sont exprirnks en pourcentage de la ndioactivitk totale de la fnction soluble.

stades ultkrieurs, les radioactivitks du saccharose, du glucose et du fructose augmentent, alors que celles de la d & e , de l'aspartate et surtout de l'a-alanine diminuent fortement. I1 a CtC constatC, par mesure 2 l'appareil de Warburg, que l'inten- sit6 respiratoire s'accroit en fonction de l 'ige du limbe; l'acide pyruvique pourrait alors &tre utilisC prkfkrentiellement pour alimenter le catabolisme, ce qui expliquerait la baisse de la biosynthkse d'alanine.

Les donnCes relatives aux organes fructiferes sont " regroupCes dans la figure 1B et dans le tableau 4. L'incorporation de radiocarbone dans les acides organiques (essentiellement malate et succinate et, i un degrC moindre, citrate et glycCrate) est nettement plus intense dans les gousses que dans les feuilles. Cette fraction renferme en effet de 42,7% (stade GI) i 3 1,2 % (stade G4) de la radioactivitk totale des composCs solubles. Le marquage ClevC de l'acide malique, et celui des intermidiaires du cycle de Krebs qui en dCcoule, provient vraisemblablement de la forte activitC de la phosphoCnopyru- vate carboxylase caractCrisCe dans les fructifications de LCgumineuses et notamment du soja (Quebedeaux et Chollet 1975; Adams et Rinne 1981), du haricot (Crookston et al. 1974) et du pois (Hedley et al. 1975; Atkins et al. 1977).

La radioactiviti des composCs glucidiques solubles prCsente une importance et une Cvolution similaire dans les feuilles et dans les gousses. Dans ces dernikres cependant, la biosynthbe de saccharose parait moins ClevCe (ou moins rapide), comme en tCmoignent ies pourcentages notables de I4C retrouv~s dans

TABLEAU 4. Principaux mCtabolites marquCs aprks fixation de "CO, par les gousses

Stade G, Stade G, Stade G, Stade G,

Glycine SCrine a-Alanine Aspartate Asparagine Glutamate

Gly colate GlycCrate 8-GlycCrate Succinate Fumarate Malate Citrate Isocitrate Malonate

Oses phosphorylCs Glucose Fructose Saccharose Maltose

NOTA : Les risultats sont exprirnts en pourcentage d e la ndioactivitt totale de la fnetion soluble.

TABLEAU 5 . RadioactivitC de la glycine et de la sCrine

Stades

Glycine 4,9 5,2 3,6 4,5 8,9 8,8 8,9 8,7 SCrine 19,8 22,8 26,l 27,7 31,l 32,l 33,l 35,4

Total 24,7 28,O 29,7 32,2 40,O 40,9 42,O 44,l

NOTA : Les rtsultats son1 exprimis en pourcentage de la ndioactivitf de la fraction acides aminks et arnides libres.

les oses phosphorylCs, le glucose et le fructose. Enfin, le marquage des substances azotCes libres se main-

tient 2 un niveau 2 peu pres constant du stade GI au stade G4 (13- 16% du marquage de la fraction soluble), mais il est quantitativement moins fort que dans le limbe foliaire. La sCrine est le composC prCpondCrant. Comme chez tous les vCgCtaux chlorophylliens, sa formation dans les organes aCriens du soja s'effectue essentiellement par condensation de deux molCcules de glycine, au cours du mCtabolisme photorespiratoire (Latch6 et al. 1978, 1983). L'expression des rCsul- tats par rapport i la radioactivitk de l'ensemble des acides aminks et des amides (tabl. 5) souligne que l'incorporation de I4C dans la glycine et la sCrine est nettement supCrieure, quel que soit 1'Cge des Cchantillons, dans les gousses par rapport aux feuilles.

~ t u d e de la fraction insoluble Dans les tissus jeunes (F,, F,; G I , G,), le culot insoluble

renferme en moyenne 20% de la totalit6 du radiocarbone fixC; cette proportion diminue 1Cgkrement aux stades 3 et 4 . Ces valeurs, assez basses, s'expliquent par la durCe breve (5 min) de l'assimilation de 14C02. Les deux tiers environ de la radio- activitC sont incorporis dans les proteines, essentiellement au niveau de l'a-alanine, l'aspartate, le glutamate, la sCrine et la glycine. Toutefois, aucune mesure prkcise du marquage de ces

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TABLEAU 6. ~volution des activites ribulose bisphosphate carboxylase et glycolate oxydase

Stades

F, Fz F3 F4 GI Gz G3 G4

RuBPC 523 690 640 412 60 81 74 36 GO 83 156 166 148 17 25 25 18 Rapport des activitCs

RuBPCIGO 6,3 4,4 3,9 2,8 3,5 3,2 2,9 2,O

N ~ T A : Les risultats sont exprimis en nanornoles par minute par milligramme de protiines. RuBPC, ribulose bisphosphale carboxylase; GO, glycolate oxydase.

composCs n'a pu &tre effectute, Ctant donnt la trks faible teneur en 14C de la fraction insoluble, en particulier dans le cas des gousses.

Activitks de la ribulose bisphosphate carboxylase et de la glycolate oxydase

L'examen du tableau 6 montre que les deux activitts enzymatiques sont maximales pour les stades de dtveloppement intermtdiaires; elles baissent ensuite au stade 4 , cette diminution Ctant cependant plus prononcte dans les organes fructiferes.

Le processus de carboxylation et la photosynthkse nette (tabl. 1) evoluent de f a ~ o n similaire. ~ ' o x ~ d a t i o n du glycolate constituant une etape essentielle du mktabolisme photorespiratoire, on peut considtrer que le rapport entre 1'activitC de la ribulose bisphosphate carboxylase et celle de la glycolate oxydase (RuBPCJGO) illustre l'intensitt relative de la fixation du CO, et de la photorespiration. On remarque d'une part que ce rapport diminue progressivement du stade 1 au stade 4 dans les deux types de tissus Ctudits. En ce qui conceme les feuilles, ce resultat est en accord avec les travaux de Secor et al. (1982) qui montrent que l'importance relative de la fonction oxygtnasique de la ribulose bisphosphate carboxylase, par rapport 2 sa fonction carboxylasique, augmente dans les tissus foliaires sinescents de soja; la biosynthkse de glycolate, mesurte aprks inhibition in vivo de la glycolate oxydase (Latcht et al. 1983), y est aussi proportionnellement suptrieure (J. C. Latcht et G. Bailly-Fenech, rtsultats non publits). De meme, les recherches de Salin et Homann (1971) sur le tabac, de Kennedy (1976) sur une plante de type C4, Portulaca oleracea, de Thomas et al. (1378) sur le blt et de Passera (1981) sur l'orge concluent a un accroissement de la photorespiration dans les limbes iigts. En revanche, Mahon et Canvin (1972) et Martin et al. (1979), travaillant respectivement sur le blt et la tomate, aboutissent a des conclusions inverses. Ces divergences s'expliquent par la mise en oeuvre de techniques difftrentes et par la complexit6 du problkme; ainsi Fraser et Bidwell (1974) ont soulignt que, in vivo, des paramktres divers intervenaient, la fixation du CO, Ctant con- tr6lte par les resistances stomatique et mtsophyllienne, la photor&piration dCpendant surtout de la ternptrature et du potentiel hydrique.

On constate, d'autre part (tabl. 6), que le rapport des activitts RuBPCIGO est toujours plus faible, en valeur absolue, dans les gousses que dans les feuilles. Ceci indi- querait que les organes fructiferes du soja sont caractCrists par un mCtabolisme photorespiratoire plus intense qui expliquerait l'incorporation plus Clevte de radiocarbone dans la glycine et la strine (tabl. 5). Une constatation analogue peut &tre effectute partir des travaux de Quebedeaux et Chollet (1975); en

D u r e e d e c h a s s e ( h )

FIGURE 2. Repartition de la radioactivitC entre cosses (L) et graines (m) en fonction de la duree de la periode de chasse.

revanche, ce m&me phtnomkne n'est pas observe chez le haricot (Crookston et al. 1974).

Transferts de composks organiques entre cosses et graines De f a ~ o n gtntrale, dans les fructifications de Ltgumineuses,

les cosses se comportent comme des organes de riserve, se vidant de leur contenu au profit des graines durant la phase de maturation. Ce phCnomkne a Ctt observe chez le soja (Sambo et al. 1977; Thome 1979; Calmks et al. 1983) et son importance parait varier selon les cultivars (Fraser et al. 1982). En outre chez le pois (Flinn et Pate 1970; Lovell et Lovell 1970) et le haricot (Oliker et al. 1978a et 1978b), le transfert, vers le grain, de mCtabolites formCs par assimilation photosynthCtique du gaz carbonique dans les cosses encore en voie de croissance a Ctt dCmontrt. Afin de prCciser si cette possibilitC existe tgalement dans le cas du soja, des gousses rCcolttes au stade 3 ont ttC alimentCes en 14C02, et la rkpartition de la radioactivite entre cosses et graines a ttC suivie aprks des durCes de chasse

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variables. Les rCsultats obtenus (fig. 2) permettent de conclure positivement. On enregistre en effet un accroissement pro- gressif de la teneur en I4C des grains (respectivement 18, 32 et 4 9 % du radiocarbone fix6 aprks 2 , 4 et 7 h de chasse). L'analyse des mttabolites marquts montre que le saccharose et, B un degrt moindre, l 'a-alanine, la strine, l'aspartate et le glutamate constituent les principales formes de migration.

Conclusion

Comme le souligne Brun (1978), t tant donnt la composition des graines (en moyenne 4 2 % de prottines, 3 1 % de glucides, 2 0 % de lipides), les besoins en carbone du soja durant la phase de fructification sont particulikrement t l ev t s : l 'tlaboration de 1 g de graine ntcessite en effet l'utilisation de 2 ,13 g de photo- synthttats, contre 1,49 h 1,56 g chez d'autres Ltgumineuses (pois, haricot, lentille) et 1 ,33 a 1,45 g chez les ctr ta les . Le dtveloppement des organes fructiferes, e t donc le rendement d'une culture, va dtpendre trks etroitement du transfert des assimilats elaborts dans les feuilles (Stephenson et Wilson 1976; Bonnemain 1978; Calmks et al. 1983; Grima-Pettenati 1985), l'assimilation photosynthetique du CO, au niveau des gousses ttant trks reduite. Toutefois, ce travail a permis d'ttablir que les cosses pouvaient participer, dans une faible proportion, B l'alimentation des graines. Des differences ont tgalement e t t observees dans le dtroulement du mttabolisme carbon6 des feuilles et des gousses. Ces dernikres sont caracttristes, en particulier, par une biosynthkse plus elevte d'acides organiques a partir de I4CO2 et par un mttabolisme photorespiratoire apparemment plus intense. Enfin, il faut souligner que les organes fructiferes presentent des potentialitts enzymatiques ttendues, comme en ttmoigne la diver- sit6 des composts tlabores aprks fixation de I4CO2. C e rtsultat a ttC confirm6 au cours d'une t tude de la migration des photo- synthttats (Grima-Pettenati 1985). Les feuilles n'exportent qu'un nombre restreint de mttabolites, essentiellement saccharose et asparagine pour des plants de soja non nodules, a partir desquels s'effectue la biosynthkse des divers composts stockts dans les graines. Des recherches sur la physiologie des fructifications paraissent dignes d'inttrzt et elles pourraient en particulier prtciser, dans un but de stlection de nouvelles varittts, comment est contr6lte l'orientation des chainons carbonts vers les difftrents constituants, glucidiques, pro- ttiques ou lipidiques, du grain.

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Étude comparative du métabolisme photosynthétique des feuilles et des gousses de soja Glycine max