Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire de pédologie LPE)

Phytoextraction of heavy metals by hyperaccumulating and non hyperaccumulating plants : comparison of cadmium uptake and storage mechanisms in the plants

Cosio, Claudia ; Védy, Jean-Claude (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 2937.

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    Summary
    Although phytoextraction using hyperaccumulating plants is seen as a promising technique, a lack of understanding of the basic physiological, biochemical, and molecular mechanisms involved in heavy metal hyperaccumulation prevents the optimization of the phytoextraction technique and its further commercial application. The best-long term strategy for improving phytoextraction is therefore to understand and exploit the biological processes involved in metal acquisition, transport and shoot accumulation in plants. In order to compare Cd allocation in leaves and the role of the leaf cells in hyperaccumulating and non hyperaccumulating plants, we used a wide range of techniques and approaches on contrasting ecotypes of Thlaspi caerulescens, Arabidopsis halleri, Arabidopsis thaliana and one high biomass crop Salix viminalis. As a first step, the extent of hyperaccumulation and tolerance was studied in different plants. Five Swiss T. caerulescens populations were compared for their tolerance and Cd hyperaccumulation to two well studied populations: T. caerulescens Ganges (France) and T. caerulescens Prayon (Belgium). We showed that the behaviour of the populations in hydroponics was linked to the characteristics of their soil of origin. However, growing plants in hydroponics with 1 μM Cd seemed to be adequate to discriminate the various populations tested for hyperaccumulation. Cadmium effect on morphological parameters and Cd accumulation in S. viminalis leaves was also monitored. Salix viminalis was surprisingly tolerant to Cd and high Cd concentration in shoots. Because it may give an indication of the tolerance mechanisms employed by the different plants, we studied the general Cd allocation in leaves of hyperaccumulating (Ganges) and non-hyperaccumulating plants (Prayon, S. viminalis). Surprinsingly, when grown in hydroponics the only differences found between Prayon and Ganges at the leaf level was concentration of Cd found in the storage sinks. Results also showed similarities between T. caerulescens and S. viminalis in Cd storage, although the Cd concentrations found in leaves differed greatly. Both point-like accumulation and accumulation at the edges of the leaves were observed. A link could be established with visible symptoms (necrosis). At last differences in Cd localization between young and mature leaves were observed. These differences were attributed to physiological differences between leaves. Salix viminalis and T. caerulescens were both able to reduce Cd toxicity by allocating Cd in less sensitive tissues. Cadmium was found inside the cells and in the cell walls of the leaves of T. caerulescens, but mainly in cell walls and to a lesser extent in the symplasm in S. viminalis. Metal allocation in both plants indicated that the plant general growth strategy governed metal accumulation. We further investigated the role of the leaf cells in allocating Cd in leaves of Ganges, A. halleri and Prayon by characterizing Cd uptake in mesophyll protoplasts. Results indicated that differences in metal uptake could not be explained by different constitutive transport capacities at the leaf protoplast level. However, pre-exposure of the plants to Cd induced an increase in Cd accumulation in protoplasts of Ganges, whereas it decreased Cd accumulation in A. halleri protoplasts. The experiment with competitors eventually showed that probably more than one single transport system are carrying Cd in parallel into the cell. Metal allocation indicates that the principle of metal storage in metabolically less sensitive plant parts governs metal accumulation. Vacuolar compartmentalization and cell wall binding in leaves could therefore both play a role in accumulation of heavy metals. Based on these various results, we suggested that metal storage in plant demands the involvement of more than one compartment. Further work is however needed to assess many steps of the trafficking of metals that remain enigmatic.
    Résumé
    La phytoextraction basée sur l'utilisation de plantes hyperaccumulatrices semble être une technique prometteuse pour la réhabilitation des sols contaminés. Néanmoins un manque de compréhension et de connaissance de base des mécanismes d'hyperaccumulation de métaux lourds au niveau tant physiologique, biochimique, que moléculaire retarde le développement, notamment commercial, de cette technique. Afin de progresser dans la compréhension de ces mécanismes, l'élucidation des processus biologiques de l'absorption et de l'accumulation des métaux dans les parties aériennes des plantes est indispensable. Dans l'optique de comparer la localisation de Cd dans les feuilles de plantes hyperaccumulatrices et non-hyperaccumulatrices, des techniques et approches variées ont donc été mises en oeuvre avec différents écotypes de Thlaspi caerulescens, Arabidopsis halleri, Arabidopsis thaliana ainsi qu'une plante à forte biomasse, Salix viminalis. Les capacités d'accumulation et de tolérance des différentes plantes ont tout d'abord été évaluées. Cinq populations de T. caerulescens provenant de sols suisses ont été comparées avec deux populations bien étudiées: Ganges et Prayon. Un lien entre les performances de ces populations en hydroponie et les caractéristiques de leur sol d'origine a été mis en évidence. La concentration de Cd semblant la plus adéquate pour évaluer le potentiel d'hyperaccumulation de ces plantes en hydroponie était 1 μM Cd. L'effet de Cd sur les caractères morphologiques et l'accumulation de Cd dans les feuilles de S. viminalis ont ensuite été évalués. Salix viminalis s'est montré étonnamment tolérant à Cd et aux hautes concentrations de Cd dans ses parties aériennes. La distribution de Cd dans les feuilles donne des indications sur les mécanismes de tolérance mis en oeuvre par les plantes. Nous avons donc étudié la répartition de Cd dans les feuilles de plantes hyperaccumulatrices (Ganges) et nonhyperaccumulatrices (Prayon, S. viminalis) en hydroponie. Seule la concentration de Cd dans les différents sites de stockage changeait entre Prayon et Ganges. Il existait aussi des similarités de distribution de Cd entre T. caerulescens et S. viminalis, alors que les concentrations en Cd mesurées dans les feuilles différaient grandement. Chez les deux plantes, nous avons observé une localisation de Cd sur le bord des feuilles et sous forme de points répartis sur la surface des feuilles. Une relation entre ces points et les symptômes visibles observés (nécroses) a été établie. Enfin la différence de distribution entre les feuilles jeunes et plus âgées a été attribuée à des différences physiologiques. Salix viminalis et T. caerulescens étaient tous deux capables de réduire la toxicité du Cd en le séquestrant dans des compartiments moins sensibles. Le cadmium était localisé dans les cellules ainsi que dans les parois cellulaires de T. caerulescens. En revanche Cd était localisé principalement dans les parois cellulaires de S. viminalis et plus rarement dans le symplasme. La distribution du métal indiquait dans les deux cas que celle-ci découlait de la stratégie générale de croissance des plantes. La contribution des cellules dans le stockage de Cd au niveau des feuilles a été évaluée par l'étude de l'absorption du métal par les protoplastes du mésophylle de Ganges, A. halleri et Prayon. Les résultats indiquent que les différences de localisation de Cd dans les feuilles de ces espèces ne peuvent être expliquées par une différence constitutive de transport au niveau des protoplastes. Cependant le prétraitement des plantes avec Cd augmentait l'accumulation dans les protoplastes de Ganges, et au contraire la diminuait dans les protoplastes d'A. halleri. Une expérience avec divers compétiteurs a établi que vraisemblablement plusieurs transporteurs participaient en parallèle à l'absorption de Cd dans les cellules. La distribution du métal indiquait que son accumulation était basée sur le principe d'utilisation de compartiments métaboliquement moins actifs. Le stockage dans les vacuoles ainsi que dans les parois cellulaires dans les feuilles peuvent donc jouer un rôle en parallèle dans l'accumulation des métaux lourds. Sur la base de nos résultats, nous suggérons que la séquestration des métaux dans les plantes implique la contribution de manière associée ou simultanée de plusieurs compartiments. Des recherches complémentaires seront néanmoins nécessaires pour identifier plusieurs étapes du transport des métaux au sein de la plante qui restent inexpliquées.