Short Communication

Potentiel intracellulaire du mesophylle d'epinard (Spinacia oleracea L. cv. Nobel) en relation avec la lumiere et l'induction florale

Intracellular Potential of Spinach Mesophyll Cells (Spinacia oleracea L. cv. Nobel) in Relation to Light and Floral Induction

MicHEL MoNTAVON et HUBERT GREPPIN

Laboratoire de Physiologie vegetale, Universite de Geneve, CH-1211 Geneve, Suisse

Received November 27, 1984 · Accepted December 19, 1984

Summary Using glass microelectrodes we studied (in spinach, a long-day plant) the characteristics of the

intracellular potential of mesophyll cells as well as its response towards light, in particular dur-ing the transfer of the plant to an inductive photoperiod (transfer from short day to continuous photoperiod).

When 20 minutes treatments of alternating white light (2 minutes) and darkness (2 minutes) are provided every 2 hours (during the photo-or nyctoperiod), the amplitude of the bioelectri-cal response increases after the transfer and follows a circadian pattern (Figs. 1 and 2). This phe-nomenon (amplification effect), specific to the transfer of vegetative plants, is probably linked to changes in energy metabolism or to structural modifications, e.g. properties of membranes. Bonzon eta!. (1981) found a similar behavior of energetic charge and redox potential of the leaf after the transfer.

The diversity of bioelectrical responses (amplification effect) obtained with different cells of the leaf suggests a metabolic specificity among apparently identical cells of the same tissue.

Key words: Intracellular potentia~ Spinach leaf, light, floral induction.

Introduction

Chez les plantes vertes, !'irradiation par de la lumiere visible entra~ne un change-ment du potentiel intracellulaire. Ces fluctuations, de nature complexe, sont large-ment decrites dans la litterature (Liittge et Pallaghy, 1969; Pallaghy et Liittge, 1970).

Independemment de son action sur le plan energetique, la lumiere peut etre utilisee pour le controle du developpement. Chez les plantes a sensibilite photoperiodique, les durees respectives du jour et de la nuit determinent le passage du developpement vegetatif au developpement reproducteur. Lors des etapes precoces de !'induction flo-rale, il est possible que 1' activite electrochimique ainsi que la permeabilite membra-

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naire soient modifiees (Greppin et Horwitz, 1975; Greppin et al., 1978). Le but de ce travail est de mettre en evidence un eventuel changement de Ia reaction bioelectrique photoinduite et de detecter un hypothetique signal electrochimique dans Ia feuille lors de !'induction.

Materiel et methodes Deja decrits anterieurement (Montavon et al., 1983), nous rappelerons brievement leurs prin-

cipales caracteristiques. Les plantes sont des epinards (Spinacia oleracea L. cv. Nobel) £ges de 4 semaines et cultives en jour court (8 heures de lumiere blanche, 20.4 W /m2 de 400 a 700 nm, par 24 heures) a une temperature de 20 oc. Les plantes sont transferees 1 jour avant 1' experience dans le dispositif experimental equipe d'un eclairage similaire a I' enceinte de culture et protege par une cage de Faraday garantissant en outre un climat similaire mais hautement stabilise. Une feuille est placee dans la cuvette de mesure dans laquelle diffuse du liquide APW (Etherton, 1968). Le signal mesure par la microelectrode est enregistre sur un oscilloscope (Tektronix 5113 N) et sur un enregistreur a plume multicanal (Watanabe MC 641). La microelectrode, rem-plie de KCl 0.5 M, a une resistance comprise entre 10 et 30 MO. L'insertion de la microelectrode, effectuee a l' aide d'un micromanipulateur electrique, se situe entre 1 et 4 mm de la nervure prin-cipale. Le nombre d'hyperpolarisations ainsi que le profil de la depolarisation consecutive permet d' estimer le nombre de cellules traversees et de confirmer la position intravacuolaire de la pointe de la microelectrode dans une cellule du mesophylle (Montavon et al., 1983). La bonne reactivite de la cellule vis-a-vis de la lumiere est contr6lee avant et apres !'experience. Les expe-riences debutent 1 heure apres !'insertion.

Resultats Lors du jour court, le potentiel intracellulaire d'une cellule du mesophylle presente

a 1' enclenchement de Ia photo peri ode une reaction «light on» et a son declenchement une reaction «light off» (Montavon et Greppin, 1980; Montavon et al., 1983). Rappe-lons que ces reactions sont des fluctuations alternatives et transitoires du potentiel globalement inversees l'une par rapport a l'autre. A Ia lumiere, apres que les phases rapides de Ia reaction «light on» se sont derouiees, le potentiel intracellulaire montre des oscillations, amorties plus ou moins rapidement selon les plantes.

A pres le transfert inducteur en lumiere continue (1' epinard etant une plante de jour long), nous n'observons aucun phenomene nouveau qui serait en relation avec }'induction florale, aussi bien a partir de la photoperiode critique (11eme heure) qu'apres 24 heures de lumiere alors que !'evocation apicale a deja commencee des la 15eme heure (Auderset et Greppin, 1976).

Les plantes induites (soumises 3 jours auparavant a 32 heures de lumiere continue) ne presentent pas de caracteristique permettant de les differencier des plantes vegeta-tives. Si l'on interrompt la photoperiode par 20 minutes d'obscurite et la nyctopt!-riode par une meme duree mais de lumiere blanche, ce traitement etant applique toutes les 2 heures, no us n' observons de modulation ni de la reponse a ce traitement ni de la reaction qui lui est consecutive lors du transfert inducteur. L'experience sui-vante (Fig.1) a consiste a interrompre egalement toutes les deux heures le traitement

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I

0 IOmV d~t mV ts rc

• •• •• l{

20 40 temps (min}

Fig.l: Tests de sensibilite. Exemples de fluctuations du potentiel intracellulaire de cellules du mesophylle soumises aux alternances rapides (2 minutes) de lumiere et d'obscurite (le test: t.s.) et suivies de la reaction consecutive (rc). I, test insere dans la nyctoperiode; II, test insere dans la photoperiode. Le potentiel moyen estime (-----)est la deviation de potentiel sans tenir compte de la fluctuation oscillatoire induite par le traitement lumineux alternatif du test. Les triangles representent !'amplitude de la deviation; les carres, !'amplitude de la fluctuation oscillatoire induite par le test (moyenne des 3 derniers pies). Les symboles vides representent une reponse globale du potentiel moyen estime de type «light on», alors que les symboles pleins indiquent une reponse du m~me potentiel de type «light off». Sensitivity tests. Examples of intracellular potential changes of mesophyll cells during the fast alternating (2 minutes) light-dark treatment (the test: t.s.), followed by the consecutive reaction (rc). I, test given during the nightperiod; II, test given during the photoperiod. The estimated average potential(-----) is the potential deviation estimated without taking into account the alternating response. The triangles represent the amplitude of the potential deviation; the squares, the amplitude of the alternating responses induced by the test (mean of the 3 last oscil-lations). Open and closed symbols refer to light on and light off type responses of the estimated average potentials respectively.

photoperiodique par un traitement (test de sensibilite} de 2 minutes de lumiere suivies de 2 minutes d'obscurite alternativement, ceci pendant 20 minutes. Une fluctuation alternative synchrone du potentiel est mise en evidence; mais surimposee a cette fluc-tuation, on remarque une reponse globale (potentiel moyen estime} du type «light off» lorsque le test est insere dans la photoperiode et du type «light on», lorsqu'il est insere dans la nyctoperiode. Sur la figure 2 sont reportes les parametres decrits a la figure 1 (amplitudes des fluctuations du potentiel moyen estime et, de la reponse au test} lors du transfert inducteur de plantes vegetatives et de plantes induites (ayant

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a-=~~~~--~~~~~~~~~~ 8 16 24 t 8(h.du j.)16 24 8 16

emps O(h.d ed.)8 16 24 32

Fig. 2: Evolution des parametres du test de sensibilite, decrit a la figure 1, insere toutes les 2 heures lors d'un jour court suivi du transfert inducteur en lumiere continue, mesures chez une plante vegetative (V eg.) et chez une plante induite {Ind.). Les symboles sont expliques ala figure 1. Sont egalement representees la photoperiode critique (Pc) et les heures du jour et de la duree de la photoperiode inductrice. Development of the sensitivity test parameters (see Fig. 1} recorded every 2 hours in a vegeta-tive plant (Veg.} and in an induced plant (Ind.) during a short day followed by inductive transfer in continuous light. See Fig. 1 for symbols and further explanations. Hours of the day and of the inductive transfer are indicated and the critical photoperiod is shown {Pc}.

subi 3 jours auparavant une journee de lumiere continue). Si l'on considere }'ampli-tude de la reponse au test, elle est plus faible en periode d'obscurite qu'en celle de lumiere aussi bien chez les plantes induites que vegetatives. Elle est maximale apres deux a quatres heures d' eclairage.

Lors du transfert inducteur de jour court en lumiere continue, elle augmente forte-ment seulement chez les plantes vegetatives. Cet effet que nous nommerons «effet d'amplification» est maximum apres 16 heures d'eclairage, il peut atteindre jusqu'a 7 fois la valeur mesuree en jour court. 11 n'appara!t plus chez les plantes deja induites. Le potentiel moyen estime indique egalement la presence d'un effet d'amplification attenue specifique aux plantes vegetatives subissant un traitement inducteur. Notons que }'amplitude de la reaction consecutive au test de sensibilite (non reporte a la Fig. 2) presente un profil similaire a la reaction consecutive generee par le traitement

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de 20 minutes de lumiere ou d'obscurite continue. Chez les plantes vegetatives toutes les cellules du mesophylle ne manifestent pas la m&me reactivite. Certaines ant un important effet d'amplification lors du transfert (5 a 7 fois !'amplitude en JC), pour d'autres ce rapport n'est que de 2 a 3; enfin, quelques cellules se signalent par aucun effet d' amplification.

Conclusion La modulation de la reponse bioelectrique rapide lors du transfert inducteur ( effet

d'amplification) suggere une modification conjointe des caracteristiques membra-naires du mesophylle. D'autre part, l'absence d'effet d'amplification chez les plantes preablement induites indiquerait une modification transitoire liee specifiquement aux &apes primaires de !'induction florale.

Ce type de reponse (caracteristique de !'induction et non de l'etat floral) n'est pas unique, il est analogue aux resultats de Bonzon et al. (1981) qui montrent une fluctua-tion similaire, bien que mains precoce, de la charge energetique et du potentiel redox de la feuille lors du transfert inducteur.

La diversite des reponses bioelectriques (effet d'amplification) entre les differentes cellules de la feuille serait un indice d'une specialisation fonctionnelle de cellules mor-phologiquement identiques du m&me tissu. On peut imaginer des cellules liees prf-ferentiellement au declenchement du developpement, plus particulierement lors de 1' emission ou de la propagation du stimulus floral.

Bibliographie AuoERSET, G. et H. GREPPIN: Saussurea 7, 73-103 (1976). BoNZON, M., M. HuG, E. WAGNER et H. GREPPIN: Planta 152, 189-194 (1981). ETHERTON, B.: Plant Physiol. 43, 838-840 (1968). GREPPIN, H. et B. A. HoRWITZ: Z. Pflanzenphysiol. 75, 243-249 (1975). GREPPIN, H., G. AuoERSET, M. BoNZON et C. PENEL: Saussurea 9, 83-101 (1978). LOTTGE, U. etC. K. PALLAGHY: Z. Pflanzenphysiol. 61, 58-67 (1969}. MoNTAVON, M. et H. GREPPIN: Comptes rendus des seances de la SPHN (Geneve) 15, 71-80

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