Études de la réponse du métabolisme énergétique à la carence en fer dans les cultures cellulaires de Solanum tuberosum

Le fer est un micronutriment important pour la croissance et le développement des plantes. Il agit comme cofacteur pour plusieurs enzymes et il est  important pour des processus tels que la photosynthèse et la respiration. Souvent, le Fe dans le sol n’est pas bio-disponible pour la plante. Les plantes ont développé des stratégies pour solubiliser le Fe du sol pour le rendre disponible et assimilable pour elles. Il y a deux stratégies, la première est caractéristique des dicotylédones et la seconde est caractéristique des monocotylédones. Le modèle utilisé dans cette étude est une culture cellulaire de Solanum tuberosum. Une partie de la recherche effectuée a permis la mesure d’activité et d’expression relative de certaines enzymes impliquées dans le métabolisme énergétique et la fourniture de précurseurs pour la synthèse d’ADN : la Nucléoside diphosphate kinase, la Ribonucléotide reductase, la Glucose 6-phosphate déshydrogénase et la 6-Phosphogluconate déshydrogénase dans les cellules en présence ou en absence de Fe.  Chez certains organismes, la déficience en Fe est associée à une perte de croissance qui est souvent liée à une diminution de la synthèse d’ADN. Chez les cultures de cellules de S. tuberosum, les résultats indiquent que la différence de biomasse observée entre les traitements n’est pas due à une variation de l’activité ou l’expression relative d’une de ces enzymes. En effet, aucune variation significative n’a été détectée entre les traitements (+/- Fe) pour l’activité ni l’expression relative de ces enzymes. Une autre partie de la recherche a permis d’évaluer l’activité des voies métaboliques impliquées dans la stratégie 1 utilisée par S. tuberosum. Cette stratégie consomme des métabolites énergétiques: de l’ATP pour solubiliser le Fe et du pouvoir réducteur (NAD(P)H), pour réduire le Fe3+ en Fe2+. Des études de flux métaboliques ont été faites afin d’étudier les remaniements du métabolisme carboné en déficience en Fe chez S. tuberosum. Ces études ont démontré une baisse du régime dans les différentes voies du métabolisme énergétique dans les cellules déficientes en Fe, notamment dans le flux glycolytique et le flux de C à travers la phosphoenolpyruvate carboxylase. En déficience de Fe il y aurait donc une dépression du métabolisme chez S. tuberosum qui permettrait à la cellule de ralentir son métabolisme pour maintenir sa vitalité. En plus des flux, les niveaux de pyridines nucléotides ont été mesurés puisque ceux-ci servent à réduire le Fe dans la stratégie 1. Les résultats démontrent des niveaux élevés des formes réduites de ces métabolites en déficience de Fe. L’ensemble des résultats obtenus indiquent qu’en déficience de Fe, il y a une baisse du métabolisme permettant à la cellule de s’adapter et survivre au stress. Iron is an important micronutrient for plant growth and development. It participates as a cofactor for several enzymes and is important for processes such as photosynthesis and respiration. Often soil Fe is not bioavailable to the plant. Plants have developed strategies to solubilize the Fe in the soil to make it available and easy to assimilate. There are two strategies, the first is characteristic of dicotyledones and the second is characteristic of monocotyledones. The model used in these studies is a cell culture of Solanum tubersoum. A first part of the research involved the study of expression and activity of enzymes required in energy metabolism and the provision of precursors for DNA synthesis: Nucleoside dehydrogenase, Ribonucleotide reductase, Glucose 6-phohate dehydrogenase and 6-Phosphogluconate dehydrogenase.  In several organisms, Fe deficiency induces a loss of biomass which is often associated with a decrease in DNA synthesis. In S. tuberosum cell cultures, the results indicate that the loss of biomass observed in Fe deficiency is not linked to a change in the activity or relative expression of these enzymes. Indeed, no significant changes were detected between treatments (+/- Fe) for activity or relative expression. In another part of the research, we evaluated the activity of the metabolism pathways involved in strategy 1, which is used by S. tuberosum. This strategy consumes energetic metabolites: ATP to solubilize Fe and reducing power (NAD(P)H) to reduce the Fe3+ to Fe2+. Metabolic flux studies were done to investigate the alterations of carbon metabolism during Fe deficiency in S. tuberosum. These studies demonstrated that in Fe deficient cells, there is a decrease in the fluxes of some pathways of energy metabolism. Particularly, in the glycolytic flux and the anaplerotic flux of PEPC. Under Fe deficiency there would be a depression of metabolism in S. tuberosum which would allow the cell to slow its metabolism to maintain its vitality. In addition to the fluxes, the levels of pyridine nucleotides were measured since they serve to reduce Fe in the strategy 1. The results show an increase in the reduced forms of these metabolites during Fe deficiency. All results together point out that during Fe deficiency the metabolism decreases, allowing the cell to survive and adapt to the stress.

Keyphrases: Solanum tuberosum, Culture cellulaire, Fer, Déficience, Stress, Métabolisme carboné, Métabolisme énergétique, Flux glycolytique, Flux anaplérotique, Stress, Cell culture, Iron, Carbon metabolism, Energetic metabolism, Deficiency, Glycolytic flux, Anaplerotic flux