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JF Perrin mise à jour nov.2004/2019
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Sommaire de la page et liens vers les paragraphes cités. |
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1. Réduction du diazote en
ammoniac par une activité nitrogénase puis
assimilation de l'azote ammoniacal ainsi obtenu
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Il n'y a que chez les procaryotes que l'on trouve des êtres vivants capables d'assimiler le diazote et cette capacité est liée à la possession d'une nitrogénase.
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La réaction catalysée peut s'exprimer, si on ne tient pas compte de l'énergie apportée par l'hydrolyse de l'ATP en ADP + Pi par : N2 + 8 e- + 8 H+ ———> 2 NH3 + H2 Remarque. L'enzyme catalyse la réaction la réduction de N2 en 2 NH3 mais aussi de 2 H+ en H2 !! La réaction a priori plus "simple pour l'esprit" N2 + 6 e- + 6 H+ ———> 2 NH3 n'est pas catalysée ! |
Une caractéristique essentielle de toutes les nitrogénases doit être mentionnée : elles sont fortement inhibées par le dioxygène. L'assimilation du diazote est un processus anaérobie. Et comme des organismes aérobies comme les Azotobacters sont capables d'une telle assimilation en culture en mileiu aérobie, cela signifie qu'ils disposent alors de systèmes protecteurs de leur nitrogénase : ces systèmes vont permettre d'éviter tout contact entre le dioxygène et la nitrogénase au niveau intracellulaire
Une propriété particulière interessera le biochimiste : les nitrogénases acceptent toutes l'acétylène comme substrat et le réduise en éthylène. C'est fort pratique dans un laboratoire pour mesurer les activités nitrogénases en détectant l'éthylène formé par chromatographie en phase gazeuse ... encore faut-il être capable de travailler en atmosphère sans dioxygène (par exemple sous argon) dans les milieux réactionnels puisque les nitrogénases sont inhibés par ce gaz.
Et finalement c'est l'azote ammoniacal issu de la réaction catalysée par la nitrogénase qui va être finalement incorporé en N organique via un système classique à la glutamine synthétase/GOGAT ou à la glutamate déshydrogénase.
Voici un rapide (et incomplet) aperçu de quelques diazotrophes.
Fixation "libre" |
Fixation du diazote après symbiose obligatoire |
Fixation du diazote très favorisée après symbiose | |||
Certains Clostridium, le plus célèbre est Clostridium Pasteurianum, sont fixateurs du diazote. Ils sont chimioorganotrophes fermentatifs anaérobies stricts, la nitrogénase n'est pas spécialement protégée du dioxygène... On rappelle que les Clostridium sont des bacilles Gram+, capable de sporuler en spores thermorésistantes, fermentatifs anaérobies stricts. |
Les Azotobacter (et autres Azomonas et Beijrinckia)
sont des chimioorganotrophes aérobies spécialistes de la fixation libre du
diazote. Ils protègent leur nitrogénase du dioxygène inhibiteur. Cette protection semble réalisée par
des activités cytochrome oxydase particulièrement actives (le dioxygène n'a même plus l'occasion de
traîner auprès de la nitrogénase ) et/ou par la présence de pigments piègeant le dioxygène. |
De nombreuses bactéries de type phototrophe anaérobie peuvent fixer N2 lorsqu'il n'y a pas d'autre source d'azote telle que nitrate, NH3 ou des acides aminés. On peut citer des bactéries vertes sulfureuses comme Chlorobium limicola, des bactéries pourpres sulfureuses comme Chromatium vinosum des bactéries pourpres non sulfureuses comme Rhodospirillum rubrum. Remarque. Dans la catégorie "bactéries phototrophes anaérobies", on rencontre des phototrophies facultatives, des photoorganotrophies ou des photolithotrophies ... une multitude d'univers métaboliques ... |
Certaines Cyanobactéries (les bactéries photolithotrophes qui réalisent une photototrophie très semblable à celle des plantes vertes avec photolyse de l'eau et 2 photosystèmes) sont diazotrophes. Remarque. La diazotrophie des cyanobactéries est généralement libre mais on trouve des symbioses, par exemple chez Anabaena azollae qui s'associe à la petite fougère aquatique Azolla au niveau des cavités des feuilles. En Asie du sud-est, Azolla est utilisée comme "engrais vert" dans les rizières. |
Les Rhizobium (et Bradyrhizobium et Azorhizobium) sont des micro-organismes chimioorganotrophes aérobies stricts fixateurs de N2 après pénétration dans une plante hôte (toujours une légumineuse ou une plante du genre Parasponia) et établissement d'une symbiose avec elle. Ils sont l'objet du paragraphe 3 de cette page. |
L'actinomycète Frankia présente la caractéristique de pouvoir fixer N2 en culture libre en aérobiose mais d'être écologiquement en symbiose avec des plantes non légumineuses. |
Sur une surface terrestre, la fixation de N2 par la symbiose Rhizobium-légumineuse possède un potentiel quantitatif beaucoup plus important que la fixation par les fixateurs libres (25 à 60 kg d'N2 par ha dans le premier cas contre 5 kg/ha dans l'autre).
Une "conversation" s'engage entre des Rhizobium libres et une plante |
A l'état libres les Rhizobiums n'assimilent pas N2 et ont besoin d'azote ammoniacal ou aminé pour se développer. La plante légumineuse émet des substances (des flavonoïdes) sélectivement perçues par les Rhizobium. Une souche bactérienne n'ira pas vers n'importe quelle plante (chimio-tactisme). Les batéries colonisent le sol à proximité immédiate des poils absorbants et s'attachent aux poils absorbants (la reconnaissance est une reconnaissance spécifique, probablement de type polysaccharides de surface des bactéries / protéines lectines de la légumineuse. Les bactéries sécrètent des facteurs chimiques spécifiques appelés facteurs de nodulation (facteurs nod de nature lipo-oligosaccharidique) qui stimulent la production de nombreux poils absorbants courts et incurvés ainsi que des facteurs mitogènes pour les cellules du cortex des racines 
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| Invasion du poil absorbant et formation d'un cordon d'infection | Les bactéries vont alors percer la paroi cellulaire du poil absorbant. La
membrane du poil absorbant va s'invaginer et former un tube appelé cordon
d'infection qui va s'enfoncer dans la cellule.
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| Un nodule devient visible | Le cordon gagne les cellules du cortex de la racine (ce qui implique le "percement "
des parois cellulaires) et se ramifie. Les cellules en division (un méristème donc) forment
un nodule qui devient visible).
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| Au stade finale, des rhizobium sont enfermées dans des vésicules au sein des cellules. | Le cordon infectieux bourgeonne et des bactéries sont ainsi régulièrement enfermées dans les cellules hôtes
au sein de vésicules limitées par une membrane. Les rhizobiums se différencient alors : fin des
divisions cellulaires et acquisition de la capacité à fixer le diazote. On parle alors de formes
bactéroïdes. Le processus infectieux se poursuit durant toute la vie du nodule. Le nodule
établit des relations vasculaires avec le système vasculaire racinaire ce qui permet l'apport en
carbone et l'exportation de l'azote organique fixé vers les autres parties de la légumineuse
infectée.
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Conséquence de l'infection, la cellule végétale "infectée" fabrique diverses protéines
particulières aux nodules (et appelées nodulines), notamment :
- la glutamine synthétase et la glutamate synthase (GOGAT) qui permettent l'assimilation de NH3
produit par la nitrogénase ;
- une protéine qui , associée à l'hème produit habituellement par les bactéroïdes,
constitue la leghémoglobine. La leghémoglobine, de structure proche de l'hémoglobine,
est indispensable à la fixation du diazote. Elle paraît protéger la nitrogénase de
l'effet inhibiteur du dioxygène en délivrant du dioxygène au "compte-goutte" aux bactéroïdes :
le dioxygène est consommé immédiatement, au fur et à mesure, par le métabolisme énergétique
aérobie, sa concentration n'atteint jamais le niveau toxique pour la nitrogénase.
