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Theses Year : 2013

Contribution to the cadmium absorption modeling by sunflower roots (Helianthus annuus L.) in relation with root system architecture

Contribution à la modélisation de l’absorption du cadmium par les racines du tournesol (Helianthus annuus L.) en relation avec l’architecture racinaire.

Abstract

Cadmium (Cd) is naturally occurring in soils that are also enriched by human activity. Cd contaminates food crops because of its absorption by plant roots. Because it is a toxic element for living organisms, its concentrations in food and feed plant products are subjected to regulatory limits. Therefore, it is necessary to understand the transfer of this metal from the soil to the edible plant part, especially for sunflower (Helianthus annuus L.), our model plant that can accumulate more Cd than other crop species. This study tested the hypothesis that the amount of Cd absorbed by sunflower was related to the root architecture. We characterized, at the individual roots level, a longitudinal variation of the influx of Cd2+ absorption in relation with the culture medium, the order and the age of roots. These variations were attributed to the development of apoplastic barriers (cellulose, lignin and suberin deposition) that restrict the absorption of Cd2+ into the cytosol. By simulation, it has been shown that these variations could theoritically impact the total absorption of Cd2+ in hydroponics depending on the root architecture while in solid substrate (sand) the impact was much more limited. Furthermore, a comparison of 14 sunflower cultivars showed that the variability in Cd concentrations in shoots was rather due to differences in absorption independent of root architecture and in variations in the root to shoot distribution. The longitudinal variation in the Cd root influx can then be considered of minor importance compared to the between cultivar variability in Cd uptake, the origin of which remains to be determined. In the perspective of modelling the total uptake of Cd in soil conditions, it could then be possible to assume a global mean influx of Cd independent of the root architecture
Le cadmium (Cd) est naturellement présent dans les sols qui sont aussi enrichis par l'activité humaine. Le Cd contamine les produits végétaux alimentaires car il est absorbé par les racines des plantes. Elément toxique pour les organismes vivants, les concentrations dans les produits consommés sont soumises aux règlementations pour l’alimentation humaine et animale. Il est donc nécessaire de comprendre le transfert sol-organe consommé du Cd, spécialement pour le tournesol (Helianthus annuus L.), notre plante modèle, pouvant accumuler plus de Cd que d’autre plantes cultivées. Ce travail a testé l'hypothèse que la quantité de Cd absorbée par le système racinaire du tournesol était liée à l'architecture de ce dernier. Nous avons caractérisé au niveau des racines individuelles une variation longitudinale de l’influx d'absorption du Cd2+ en lien avec le milieu de culture, l'ordre et l'âge des racines. Ces variations ont été attribuées à la dynamique de développement des barrières apoplasmiques (dépôts de cellulose lignine et subérine) qui limitent l'internalisation du Cd2+ dans le cytoplasme cellulaire. Par simulation, il a été montré que ces variations pouvaient théoriquement impacter l'absorption totale de Cd2+ en fonction de l'architecture racinaire en hydroponie mais beaucoup moins sur substrat solide (sable). En outre, une comparaison de 14 cultivars de tournesol cultivé en hydroponie a montré que la variabilité des teneurs en Cd dans les parties aériennes était plutôt liée à des différences d'absorption indépendantes de l'architecture racinaire et à des variations de répartition dans la plante. Les variations longitudinales d'absorption du Cd peuvent alors être considérées comme mineures face à des variations inter-cultivars dont l'origine reste à élucider. Dans une optique de modélisation du prélèvement total en conditions de sol, il serait alors possible de ne considérer qu’un influx moyen de Cd pour la totalité du système racinaire indépendamment de son architecture
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  • HAL Id : tel-00960832 , version 1

Cite

Marie-Aline Laporte. Contribution to the cadmium absorption modeling by sunflower roots (Helianthus annuus L.) in relation with root system architecture. Earth Sciences. Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2013. English. ⟨NNT : 2013BOR15214⟩. ⟨tel-00960832⟩

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