Étude transcriptomique et physiologique des effets de l’arsenic sur plusieurs espèces végétales utilisées en phytoremédiation

Abstract

L’arsenic est un élément toxique à faible dose. La présence de ce métalloïde sur un grand nombre de sites résulte souvent de l’activité anthropique. Lorsque les concentrations dépassent les niveaux seuils prescrits par le gouvernement, il est nécessaire de procéder à la décontamination d’un terrain avant de l’utiliser. Plusieurs techniques de remédiation sont alors envisageables. Les techniques traditionnelles, impliquant généralement l’excavation et le traitement de la terre polluée à l’aide de procédures chimiques ou physiques, ont l’avantage de la rapidité, mais elles comportent un coût élevé ainsi que des impacts délétères sur les écosystèmes d’un site. Au contraire, le recours aux habilités naturelles de certaines plantes à accumuler des polluants est une approche moins dispendieuse, durable et consciencieuse de l’environnement. Toutefois, cette alternative nécessite encore des travaux d’optimisation pour rivaliser avec l’efficacité des méthodes dites traditionnelles. L’objectif de cette thèse est d’apporter des outils pour mieux comprendre comment certaines espèces végétales réagissent à la présence d’arsenic dans leur substrat aux niveaux physiologique et moléculaire. Dans cette optique, les travaux de recherche réalisés se sont basés sur une approche pluridisciplinaire incluant une investigation de terrain et des analyses de laboratoire en milieu contrôlé, qui ont permis de générer une liste des gènes dont l’expression est modifiée par la présence du polluant métallique qu’est l’arsenic. Une première a expérience été conduite sur une ancienne cour d’entreposage de poteaux traités à l’ACC et au PCP, de manière à comparer les réponses physiologiques de plusieurs plantes candidates (Salix purpurea, Medicago sativa, Festuca arundinacea et Brassica juncea). Les analyses réalisées sur la terre du site ont révélé la présence d’une contamination multiple aux polluants organiques et métalliques, dont l’arsenic. En parallèle, l’effet d’un apport en fertilisant complet à forte teneur en azote a été testé. Bien que les espèces sélectionnées se soient toutes développées dans les deux conditions étudiées, les résultats montrent un faible impact de l’azote sur leur établissement. Alors que l’arsenic n’a pas été détecté dans les parties aériennes des plantes testées, les analyses de substrats réalisées après quatre ans d’établissement végétal ont révélé une diminution des concentrations de cet élément. Ces résultats suggèrent plutôt une accumulation au niveau racinaire. Un point de précaution sanitaire soulevé par cette étude est la présence de dioxines et de furanes dans les tissus aériens des plantes provenant du site. Une seconde expérience, réalisée en milieu hydroponique contrôlé, visait à explorer la réponse moléculaire de Salix pupurea confronté à différents niveaux d’arsenic. Les comparaisons des transcriptomes de plantes provenant de substrat sain avec ceux de plantes exposées à 5mg.kg-1 d’arsenic ont généré une liste des gènes exprimés spécifiquement en réponse à l’arsenic. En plus d’offrir une meilleure compréhension des voies de transport de l’arsenic au sein de la plante, ces résultats suggèrent l’induction d’une production de tannins qui permettrait de diminuer la toxicité du métalloïde toxique. Cette thèse de doctorat a apporté de nouvelles données qui permettent de mieux appréhender la sélection d’espèces végétales dans un contexte de réhabilitation de sites contaminés à l’arsenic.

The arsenic is a well-described element with high toxicity at low concentration. Its omnipresence around the world is mostly resulting from human activity. When the concentration reaches the toxicity thresholds imposed by the government, it’s imperative to decontaminate the soil before considering using the contaminated area. At this moment, several remediation options can be used. The traditional technics generally involving ground excavation and soil chemical or physical treatment have the advantage of time efficiency at the expense of their cost and their noxious impact on the site ecosystems. A durable, environmentally friendly option is using some plants natural abilities to tolerate and accumulate pollutants from ground. While being a low-cost alternative, this approach requires nonetheless optimization to be able to challenge traditional technics efficiency. The objective of this thesis is to give a better understanding of how some plant species react to arsenic in their growth substrate, at the physiological and molecular levels. In this context, the work done was based on a multi-disciplinary approach merging field observations and controlled analysis in laboratory to generate a list of genes that are differentially expressed in presence of arsenic. In order to compare the physiological responses of several plant candidates (Salix purpurea, Medicago sativa, Festuca arundinacea and Brassica juncea), a study was performed on a former CCA and PCP treated wood storage site. Soil analyses before plants establishment revealed a poly contamination of organic pollutants and metals including arsenic. In parallel, the effect of nitrogen fertilization on plant establishment was monitored. While all the selected species were able to establish on the contaminated site, physiological results suggested a low benefice of nitrogen fertilization. Despite arsenic was not detected in the aerial parts of the plants, its quantitative analysis in ground at the end of the four-year study revealed a decreased concentration. This suggests a potential roots accumulation. An interesting, yet worrying, result is the presence of dioxin and furans in the tested specimens. This suggests that plants grown on dioxin and furans polluted sites could potentially contain those highly toxic pollutants and need to be treated accordingly. Another experience performed in hydroponic and controlled conditions aimed to explore the molecular response from Salix purpurea exposed to different levels of arsenic. Transcriptomes from plants cultivated in a 5mg.kg-1 arsenic substrate were compared to transcriptomes from non-exposed plants in order to get a list of differentially expressed genes that are specifically linked to arsenic response. In addition to give a better understanding of the arsenic path in plants tissues, those results strongly suggest a tannin involvement as an arsenic toxicity management. This PhD thesis has generated innovative tools and data that will be useful to assist plant selection in arsenic contaminated site restoration context.