Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La croissance et la capacité d'absorption d'azote de la microalgue d'eau douce Chlorella vulgaris co-immobilisée dans des billes d'alginate, en présence de la bactérie promotrice de croissance des microalgues Azospirillum brasilense Cd, ont été étudiés. La co-immobilisation des microalgues avec A. brasilense conduit à deux phénomènes indépendants directement affectés par des facteurs de culture, tels que la forme azotée, le pH et la présence d'une source de carbone. Premièrement, la croissance de la population de microalgues augmentait sans une augmentation de la capacité d'absorption d'azote par les cellules seules, ou deuxièmement, la capacité des cellules à absorber l'azote augmentait sans une augmentation de la population entière de microalgues. Ces phénomènes étaient dépendants de la densité de la population des microalgues, qui était à son tour affectée par les facteurs de culture. Cela renforce la conclusion selon laquelle la taille de la population de microalgues contrôle l'absorption d'azote chez les cellules de C. vulgaris -plus la population est élevée (peu importe les paramètres expérimentaux), moins les cellules absorbent d'azote. Les résultats ont montré que YAzospirillum affectait la croissance de la Chlorella vulgaris. L'un des processus proposés par lequel XAzospirillum promeut la croissance des plantes supérieures, est la production de phytohormones, principalement 1' acide 3-indole acétique (auxine ou AI A). Par conséquent, l'effet de cette phytohormone, produite par plusieurs souches de VAzospirillum et favorisant la croissance de microalgue, a été étudié. Cinq souches de type sauvage â!Azospirillum {A. brasilense souches Cd, Sp6, 8-1 et Sp245 et A. lipoferum JA4) et leurs mutants déficients en production d'AIA : A. brasilense SpM 7918 (modifié de A. brasilense Sp6), A. brasilense FAJ0009 (modifié de A. brasilense Sp245), A. brasilense S-l-gfp (modifié de A. brasilense 8-1) et A. lipoferum 3A4::ngfp\5 (modifié de A. lipoferum JA4) ont été co-immobilisés avec C. vulgaris en billes d'alginate. Aucune production d'AIA n'est possible sans l'apport de tryptophane, nos résultats corroborant des observations antérieures selon lesquelles la production d'AIA chez Azospirillum est induite par la présence de tryptophane. Les taux élevés de tryptophane étaient délétères sur la croissance des pousses de C. vulgaris utilisées. Cette recherche montre que que l'AIA produit par 1' Azospirillum spp. est impliqué dans la croissance du C vulgaris immobilisé dans des billes d'alginate, et que la co-immobilisation avec différentes souches d'Azospirillum spp. atténue les effets délétères du tryptophane sur le C. vulgaris. Co-immobilisation de Chlorella vulgaris avec Azospirillum brasilense affecte l'absorption d'ammonium par les microalgues par le biais de métabolismes indéfinis. Les résultats présentés dans ce travail montrent clairement qu'il y a un effet & Azospirillum sur les activités spécifiques de la Glutamine synthétase (GS) et de la Glutamate déshydrogénase (GDH) de Chlorella. Lorsque Chlorella coimmobilisée absorbe plus d'ammonium que Chlorella seule, les deux enzymes fonctionnent en même temps, et les activités spécifiques par cellule de la GS et de la GDH sont plus élevées. Toutefois, dans les cas où seule l'activité GS augmente, mais pas celle de la GDH, l'activité GS plus élevée n'est pas suffisante pour atteindre une absorption d'ammonium plus élevée au niveau de la culture. En résumé, il y a un effet positif d'A. brasilense sur l'activité de la glutamine synthétase et de la glutamate déshydrogénase chez Chlorella. La régulation et la relation de l'activité enzymatique avec la concentration initiale en ammonium demeurent floues .Les données présentées dans ce chapitre dans leur ensemble montrent que les activités plus élevées de GS et de GDH augmentent l'absorption d'ammonium par Chlorella. / Growth and capacity to absorb nitrogen in the freshwater microalgae Chlorella vulgaris when co-immobilized in alginate beads with the microalgae growth-promoting bacterium Azospirillum brasilense Cd and the mechanisms involved were studied in this work. Co-immobilization of the microalgae with A. brasilense leads to two independent phenomena directly affected by culturing factors, such as nitrogen species, pH, and presence of a carbon source. First, growth of the microalgae population increased without an increase in capacity of the single cells to absorb nitrogen; second, the capacity of cells to absorb nitrogen increased without increasing the microalgae population. These phenomena were dependent on population density of the microalgae, which was, in turn, affected by culturing factors. This supports the conclusion that the size of the microalgae population controls absorption of nitrogen in C. vulgaris cells—the higher the population (whatever the experimental parameters), the less nitrogen each cell takes up. The results show that Azospirillum affects the growth of Chlorella vulgaris. One of the mechanisms proposed by which Azospirillum promotes growth of higher plants is the production of phytohormones, mainly the auxin indole-3-acetic acid (IAA); therefore the effect of this phytohormone produced by several strains of Azospirillum in promoting growth of the microalgae was studied. Five wild type strains of Azospirillum {A. brasilense strains Cd, Sp6, 8-1, and Sp245 and A. lipoferum JA4) and their indole-3-acetic-acid déficient mutants, A. brasilense SpM 7918 (modifïed from A. brasilense Sp6), A. brasilense FAJ0009 (modified from A. brasilense Sp245), A. brasilense %-\-gfp (modified from A, brasilense 8-1), and A. lipoferum lA4::ngfp\5 (modified from A. lipoferum JA4) were coimmobilized with C. vulgaris in alginate beads. No IAA production occurred without tryptophan. Our results corroborate previous observations that IAA production in Azospirillum is induced by the presence of tryptophan. It was found that high levels of tryptophan are deleterious to the growth of the C. vulgaris strain we used. This study demonstrated that IAA produced by Azospirillum spp. is involved in growth promotion of C. vulgaris immobilized in alginate beads, and that co-immobilization with several strains of Azospirillum spp. alleviated the deleterious effects of tryptophan in C. vulgaris. Co-immobilization of Chlorella vulgaris with Azospirillum brasilense affects ammonium absorption by the microalgae via undetermined metabolism. The results presented in this work show clearly that there is an effect of Azospirillum on the specific activity of the enzymes glutamine synthetase (GS) and glutamate dehydrogenase (GDH) in Chlorella. When coimmobilized Chlorella absorbs more ammonium than Chlorella alone, both enzymes are operating at the same time, and the specific activity per cell of GS and GDH are higher. However, in cases when only the activity of GS increases, but not of GDH, this GS higher activity was not sufficient to yield a higher absorption of ammonium at the culture level. There is a positive effect of A. brasilense on the activity of glutamine synthetase and glutamate dehydrogenase in Chlorella. However, the regulation and the relation of the enzymatic activity with initial ammonium concentration are still unclear.

L’activité de croissance des plantes se trouve souvent limitée par les conditions contraignantes de l’environnement. La salinité du sol est l’une des majeures contraintes abiotiques qui ne cesse d’envahir les surfaces cultivés chaque année. Elle entraine chez les espèces glycophytes des perturbations d’ordre osmotique, nutritionnel et métaboliques. La nutrition et le métabolisme de l’azote minéral constituent des étapes primordiales dans la synthèse des acides aminés et des composés azotés indispensables chez les plantes. Par conséquent, l’étude de l’expression des enzymes impliquées dans l’assimilation d’azote telle que l’asparagine synthétase (AS, EC 6.3.5.4) chez l’arabette des dames (Arabidopsis thaliana) permet d’avancer nos connaissances sur la régulation transcriptionnelle du métabolisme azoté sous stress salin. Au cours des travaux de recherche entamés dans le cadre de cette thèse, un intérêt particulier est accordé au gène ASN2 chez Arabidopsis. Les résultats obtenus ont montré que la mutation ASN2 a accentué les effets du NaCl sur l’assimilation de l’ammonium. Le mutant asn2-1 se montre plus sensible au stress salin que le sauvage malgré que l’absence des transcrits du gène ASN2 est associé à une expression importante du gène ASN1. L’inhibition de l’activité glutamine synthétase (GS, EC 6.3.1.2), la faible activité aminatrice de la GDH (NADH-GDH, EC 1.4.1.2) sous stress salin ainsi que l’absence des transcrits ASN2 seraient à l’origine de l’accumulation de l’ammonium chez le mutant asn2-1. Toutefois, l’application exogène de l’ammonium nous a montré que l’action du NaCl sur l’expression de l’asparagine synthétase n’est pas directement liée à l’accumulation endogène d’ammonium. L’accumulation d’autres métabolites tels que l’asparagine, la glutamine et la glutamate pourrait être à l’origine des effets du sel sur l’expression des gènes ASN. / Plant growth activity is often limited by constraint environment conditions. Soil salinity is one of major abiotic stress which is becoming more problematic every year. In glycophytes species, it induced osmotic, nutritional and metabolic disturbances. The nitrogen nutrition and metabolism constitute an essential step in amino acid and nitrogen compounds synthesis in plants. Therefore, studying the expression of enzymes involved in nitrogen assimilation such as asparagine synthetase (AS, EC 6.3.5.4) in Arabidopsis thaliana will improve our knowledge on the transcriptional regulation of nitrogen metabolism under salt stress. In the present work of this thesis, a special attention was taken on AS gene (ASN2) wild type and mutants. Obtained results showed that ASN2 mutation accentuated the salt-induced effects on ammonium assimilation. The asn2-1 mutant was more sensitive to salt stress than the wild type, while the ASN2 transcript absence was associated with an important ASN1expression. The observed inhibition of glutamine synthetase (GS, EC 6.3.1.2) activity, the low aminatrice GDH (NADH-GDH, EC 1.4.1.2) activity under salt stress as well as the ASN2 transcript loss brought to an ammonium accumulation in asn2-1mutant. However, exogenous ammonium application showed that NaCl effect on asparagine synthetase expression was not directly related to the endogenous ammonium accumulation. Other metabolites accumulation such as asparagine, glutamine and glutamate could be involved in the obtained salt-effects on ASN expression in Arabidopsis.

L’orge (Hordeum vulgare L.) est l'une des céréales les plus importantes du monde et l’une des premières cultures domestiquées. Elle a été utilisée pendant des siècles pour l'alimentation humaine. Comme toutes les autres plantes, l'orge est dépendante de l'azote inorganique. L’efficacité de remobilisation de l'azote est donc très importante pour le remplissage des grains et pour la teneur en protéines du grain. L'objectif de ce travail est de donner une image du métabolisme des feuilles sénescence chez l'orge lorsque les plantes sont cultivées dans des conditions limitantes ou non en nitrates. Les analyses biochimiques, physiologiques et moléculaires de la sénescence des feuilles d'orge ont été réalisées. La gestion de l'azote pendant la sénescence des feuilles a été suivie par l'évolution des différents composés azotés au cours du vieillissement de la feuille. Une étude de profilage métabolique a été effectuée afin de déterminer les caractéristiques métaboliques de la sénescence des feuilles dans l'orge. En parallèle, les enzymes impliquées dans la remobilisation de l'azote ont été étudiées. Leurs activités et les niveaux de leurs transcripts ont été mesurés. Une attention particulière a été portée aux glutamine synthétases et asparagine synthétases et aux protéines de la machinerie de l'autophagie, processus connus pour jouer un rôle dans la remobilisation de l'azote pendant la sénescence des feuilles. A partir de toutes les données de séquences disponibles, ADNc, EST et séquences génomiques, cinq gènes codant pour les isoformes de glutamine synthétase cytosoliques (GS1), cinq gènes codant pour les isoformes d’asparagine synthétase (AS) isoformes et 19 gènes codant pour des protéines de la machinerie de l'autophagie ont été identifiés. Les expressions de tous les gènes identifiés ont été suivies au cours de la sénescence des feuilles et en fonction de l'alimentation en nitrates. La plupart de ces gènes sont sur-exprimés dans les feuilles sénescentes et de façon différentielle en fonction des conditions de nutrition. Toutes les données de séquences fournies par ce travail seront utiles à d'autres études translationelles et d'association génétique. / Barley (Hordeum vulgare L.) is one of the most important cereals in the world. It was one of the first domesticated crops and was used for centuries for human food. As all plants, barley has a fundamental dependence of inorganic nitrogen and nitrogen remobilization efficiency is very important for grain filling and grain protein content. The aim of this work was then to give a picture of the leaf-senescence metabolism in barley leaves when plants are grown under low or high nitrate conditions. Biochemical, physiological and molecular analyses of barley leaf senescence were performed. Nitrogen management during leaf senescence was monitored measuring changes in the different nitrogen pools during leaf ageing. In addition a large metabolite profiling study was performed in order to determine the metabolic hallmarks of leaf senescence in barley. In parallel enzymes involved in nitrogen remobilization were studied measuring their activity and the transcript levels of their coding genes. There was a special focus on glutamine synthetase and asparagine synthetase enzymes and for autophagy machinery that are known to play a role in nitrogen remobilisation during leaf senescence.From all the sequences data available, cDNA, EST and genomic sequences, we could identified five genes coding for cytosolic glutamine synthetase (GS1), five genes coding for asparagine synthetase (AS) and 19 genes coding for autophagy machinery proteins. Transcript levels of all the genes identified were monitored during leaf senescence and depending on nitrate nutrition. Most of these genes were over-expressed in senescing leaves and differentially expressed depending on nitrate conditions. In addition to the characterization of autophagy, GS1 and ASN genes, phylogenic and gene structures were analysed. All the sequences data provided by this work will be helpful to further translational and genetic association studies.

Le colza d’hiver (Brassica napus) est cultivé pour l’huile contenue dans ses graines ainsi que pour les tourteaux qui sont une source de protéines pour l’alimentation animale. La culture de colza demande de forts apports d’azote et cette espèce est caractérisée par sa faible efficacité d’utilisation de l’azote. Une forte proportion de l’azote absorbé est restituée au sol lors de la chute précoce des feuilles au stade végétatif. L’amélioration de la remobilisation de l’azote est donc de première importance pour améliorer le rendement de cette culture tout en satisfaisant le besoin de réduction des intrants. La glutamine et l’asparagine jouent un rôle important dans le transport de l’azote au sein de la plante, notamment au cours de la sénescence foliaire. Les deux familles multigéniques des glutamine synthétases cytosoliques (GLN1) et des asparagine synthétases (ASN) assurent leur synthèse. Ce travail de thèse s’est intéressé à ces enzymes chez deux Brassicacées : le colza et Arabidopsis thaliana. Dans un premier temps, l’expression des gènes GLN1 a été étudiée chez Arabidopsis par une combinaison d’approches de biologie moléculaire, cellulaire et de cytologie. Les spécificités d’expression de chacun des cinq gènes d’Arabidopsis ont été mises en évidence. L’identification des gènes BnaGLN1 chez Brassica napus a permis une analyse de leur expression en fonction de l’âge des feuilles et de la disponibilité en azote. Les profils d’expression observés chez le colza se sont révélés similaires à ceux des gènes homologues d’Arabidopsis, amenant l’hypothèse d’une conservation des fonctions chez les deux espèces. Le rôle des gènes GLN1 d’Arabidopsis dans la remobilisation de l’azote vers les graines a été étudié grâce à un marquage ¹⁵N effectué sur des mutants simples. Le rôle des gènes GLN1 dans la remobilisation de l’azote des tissus végétatifs vers les tissus reproducteurs a été mis en évidence sans toutefois cibler spécifiquement une isoforme. L’étude de la famille ASN chez Arabidopsis a permis de mettre en évidence des profils d’expression spécifiques en fonction des organes, de l’âge des tissus et de la disponibilité en azote pour chacun des trois gènes. Le marquage ¹⁵N a également révélé une implication des gènes ASN1 et ASN2 dans la remobilisation de l’azote de la rosette vers les tissus reproducteurs. Les travaux présentés dans ce manuscrit sont une base pour de futures approches translationnelles vers le colza. / Winter oilseed rape (Brassica napus) is grown for its oil-rich seeds and for proteins, used in animal feed cake. It requires high nitrogen inputs due to the low efficiency of nitrogen utilization that characterizes this species. A large proportion of absorbed nitrogen is indeed returned to the soil when leaves fall. Improving nitrogen remobilization to promote seed filling is then required to improve yield and limit fertilizer use. Asparagine and glutamine are important amino acids for phloem translocation. This thesis focuses on the two multigenic families in charge of asparagine and glutamine synthesis: cytosolic glutamine synthetase (GLN1) and asparagine synthetase (ASN). Studies were performed on the two Brassicaceae, rapeseed and Arabidopsis thaliana. The GLN1 gene expressions were investigated in Arabidopsis by a combination of molecular biology and cytology. The five GLN1 genes are differentially expressed in Arabidopsis depending on ageing and nitrogen availability. The identified BnaGLN1 genes in Brassica napus also showed age and nitrogen dependent expressions. Interestingly, expression profiles were similar between homologous genes in Arabidopsis and rapeseed, suggesting that homologous genes share similar function in the two species. The role of Arabidopsis GLN1 genes for nitrogen remobilization to the seeds was monitored using ¹⁵N tracing experiments on individual mutants. The GLN1 genes play a role in the remobilization of nitrogen from the rosette leaves to the reproductive organs. However, their effect is weak and non-specific of one GS1 isoform. ASN genes also presented specific expression profiles depending on organs, age and nitrogen availability. The ¹⁵N tracing revealed that ASN1 and ASN2 are both involved in nitrogen remobilization from the rosette to the seeds. Our studies provide a basis for future translational approaches to improve oilseed rape.

Sept accessions représentant la diversité génétique du Sorgho (Sorghum bicolor) ont été cultivées dans une condition de carence (N⁻) et une condition non-limitante (N⁺) en nitrate. Les paramètres de croissance (taille de la plante et le nombre de feuilles), les paramètres physiologiques (teneur en nitrate, teneur en protéines, concentrations totales en carbone et azote) et l'activité de la glutamine synthétase (GS) ont été mesurés dans les feuilles et les racines des plantes de sorgho à trois stades précoces de développement végétatif (2, 4 et 6 semaines après germination). Les résultats montrent que : i) les valeurs obtenues pour l’ensemble des paramètres sont généralement plus faibles en situation de carence en nitrate ; ii) la taille des plantes et le nombre de feuilles sont plus grands sous un régime non-limitant ; iii) tous les paramètres étudiés sauf la teneur en Carbone, étaient sensibles à la disponibilité en azote. Cependant, les différents génotypes étudiés affichent de grandes variations dans leurs réponses aux deux conditions de cultures. On observe une variation de la taille des plantes entre les génotypes au cours du développement végétatif précoce, mais pas pour le nombre de feuilles. De même, on observe une grande variation dans les réponses physiologiques entre les différents génotypes. Des corrélations fortes et significatives ont été détectées entre la taille des plantes et la teneur en nitrate. Cependant ces corrélations varient selon les conditions de cultures et les génotypes étudiés. En outre, la teneur en nitrate et l'activité GS mesurés aux stades précoces de croissance, semblent être de bons marqueurs pour discriminer entre les différents génotypes pour leur aptitude à absorber ou assimiler les nitrates dans les deux conditions de cultures. L’expression dans les feuilles et racines de deux génotypes de sorgho, de deux copies d’un gène candidat pour l’efficacité d’utilisation d’azote, SbNRT1.1 codant pour un transporteur de nitrate, varie en fonction de la disponibilité en nitrate, de l’organe et de l’âge de la plante. Notre étude constitue une première contribution à l’analyse de l’efficacité d’utilisation d’azote chez le sorgho par une approche physiologique et une approche génétique. Les résultats obtenus ouvrent des perspectives pour de futures études fondamentales mais aussi des recherches finalisées qui conduiront à l’identification de génotypes valorisant mieux l’azote. / Seven accessions of Sorghum bicolor were grown with low (N⁻) and optimal (N⁺) nitrate supply. Growth parameters (plant height and leaf numbers), physiological parameters (nitrate, protein, total N and total C contents) and the activity of glutamine synthetase (GS) were studied in leaves and roots of sorghum plants at three time points of early vegetative growth (2, 4 and, 6 weeks post emergence). Plant height and leaf number were higher with nitrate supply. Except for carbon, all studied parameters were sensitive to N availability and values were typically lower when nitrate supply was low. However, different genotypes displayed considerable variation in their response to N regimes. Variation among genotypes during early vegetative development was observed for plant height, but not for leaf number. Likewise, physiological parameters varied among accessions. A significant and strong correlation, N- and accession-dependent, was detected between plant height and nitrate content. Moreover, nitrate content and GS activity at early growth stages appeared to be good markers to discriminate between nitrate uptake and assimilation capacities of different accessions under both N conditions. In some sorghum accessions, protein and total N content were indicative of high nitrate reduction and assimilation even under N limitation. Chlorophyll content was also sensitive to N availability. Furthermore, expression studies of SbNRT1.1gene copies in leaves and roots of two accessions reflected variability in expression dependent on nitrogen condition, plant organ, plant age, and gene of interest. This study is helpful to characterize different aspects of the N metabolism in sorghum and may aid in the identification of sorghum genotypes with enhanced nitrogen use efficiency, a trait that is of key interest in one of the most important crop plants in arid and semi-arid regions.

Ce travail a pour objectif d'améliorer la connaissance des mécanismes physiologiques qui président à la tolérance à l'ennoyage du chêne. La principale contrainte de l'ennoyage est un déficit en oxygène (hypoxie). Les réponses à ce stress sont étudiées chez le chêne pédonculé (réputé tolérant) et le chêne sessile (plus sensible), à des stades précoces de développement des semis, en présence des cotylédons. Une période de drainage est incluse pour mimer un ennoyage temporaire. La croissance des semis a été suivie, notamment au niveau de l'architecture racinaire. La contribution de la nutrition azotée (assimilation et allocation) a été évaluée en suivant au préalable le devenir des éléments minéraux azotés dans la rhizosphère. La gestion des réserves glucidiques (amidon et sucres solubles) des organes de réserve (cotylédons) et des organes en croissance lors du développement des semis a été mise en relation avec la tolérance à l'ennoyage des chênes. Il ressort des paramètres de croissance étudiés que l'ennoyage a peu d'effets sur la première vague de croissance foliaire mais inhibe la deuxième vague, alors que la croissance racinaire est particulièrement inhibée. Néanmoins, le chêne pédonculé est capable d'une forte colonisation racinaire des horizons superficiels du sol ennoyé et, après drainage, son aptitude à régénérer des racines est plus efficace que chez le chêne sessile. Dans la rhizosphère, l'ennoyage entraîne un basculement réversible des formes azotées nitrates / ammonium. Les modifications du métabolisme azoté sont globalement similaires entre les deux espèces. L'assimilation de l'azote, via la nitrate réductase et la glutamine synthétase, n'est pas réellement perturbée mais, les deux espèces présentent une carence azotée au niveau foliaire. L'assimilation et l'allocation azotée n'apparaissent pas comme des traits discriminants de la tolérance à l'ennoyage chez ces espèces. Sous ennoyage, l'accumulation totale d'amidon est réduite mais elle reste active dans la partie basale du pivot et dans la tige des deux espèces. Elle est cependant plus élevée chez le chêne pédonculé. L'ennoyage restreint la mobilisation des réserves cotylédonaires d'amidon, notamment chez le chêne pédonculé. L'activité des α amylases cotylédonaires corrobore le taux de mobilisation de l'amidon. La tolérance à l'ennoyage des semis de chêne n'est pas associée à une stimulation de la mobilisation des réserves glucidiques cotylédonaires. Le chêne pédonculé serrait plus économe en glucide que le chêne sessile (faible mobilisation cotylédonaire / stockage d'amidon élevé / meilleure croissance). Cette particularité pourrait constituer un marqueur physiologique important de la tolérance à l'ennoyage chez les chênes.

La nutrition azotée des bactéries et des plantes est actuellement un sujet de grande importance, notamment pour comprendre comment améliorer les voies métaboliques aboutissant à l’assimilation de l’azote et à plus grande échelle, optimiser des apports d’engrais et augmenter le rendement des cultures. Dans ce contexte, la réaction d’amidation catalysée par la glutamine synthétase (GS), qui fixe l’ammonium (NH₄)⁺ en glutamine, est cruciale car elle est à la fois le point d’entrée de l’azote dans les végétaux, et une étape-clef du recyclage de l’azote (en particulier, NH₄⁺ photorespiratoire). Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à la cinétique enzymatique et au mécanisme chimique de la GS. Des systèmes analytiques (HPLC, RMN , GC-MS) ont  été optimisés pour permettre la mesure de l’activité enzymatique in vitro et pour réaliser des analyses par spectrométrie de masse à ratio isotopique. Avec ces techniques, nous avons pu regarder précisément les effets isotopiques ¹²C/¹³C, ¹⁴N/¹⁵N et H₂O/D₂O (solvant) lors de la catalyse, en utilisant la GS d’E. coli et d’Arabidopsis thaliana (GS1,2). Nos résultats montrent qu’il n’y a pas d’effet isotopique ¹²C/¹³C, mais qu’il y a un fractionnement ¹⁴N/¹⁵N de »16‰. En outre, il y a un effet inverse du solvant (réaction 1.5 à 2 fois plus rapide dans D₂O).  Cela suggère que la création de la liaison C----N (amidation) est partiellement limitante (engagement catalytique de »14% seulement) et que le réseau de ponts hydrogènes dans le site actif est crucial pour déterminer la vitesse de la réaction. L’apparition d’effets ¹⁴N/¹⁵N inverses dans certaines circonstances et les effets drastiques causés par une substitution du cofacteur métallique (Mg²⁺) suggèrent en outre que l’étape d’amidation peut être réversible et que la coordination par un métal joue un rôle très important pour stabiliser les intermédiaires de la réaction, en interaction avec le solvant. Ainsi, dans son solvant naturel qu’est H₂O, la GS réalise une réaction ‘chimiquement difficile’ (barrière énergétique élevée de l’amidation) rendue possible par le clivage de l’ATP et son caractère exergonique. / Nitrogen nutrition in bacteria and plants is currently an important topic, in particular to identify key points for metabolic improvements in N assimilation and more generally, to optimize fertilization and crop yield. In such a context, the amidation reaction catalyzed by glutamine synthetase (GS), which fixes ammonium (NH₄)⁺ into glutamine, is of crucial importance since it both represents the N entry in plants and the main step of N recycling (such as photorespiratory (NH₄)⁺. Here, we examined GS kinetics and chemical mechanism. Analytical methods (HPLC, NMR, GC-MS) have been set up so as to measure in vitro activities and isotopic abundance by isotope ratio mass spectrometry. These gave access to isotope effects (¹²C/¹³C, ¹⁴N/¹⁵N et H₂O/D₂O – solvent) during catalysis, with the GS from either E. coli or A. thaliana (GS1,2). Our results show that there no ¹²C/¹³C isotope effect but there is significant ¹⁴N/¹⁵N isotope fractionation of ca. 16‰. In addition, there is an inverse solvent isotope effect (reaction 1.5 to 2 times faster in D₂O). This suggests that forming the C----N bond (amidation) is partially rate-limiting (catalytic commitment of ca. 14% only) and the H-bond network in the active site is of substantial importance for the reaction rate. The occurrence of inverse ¹⁴N/¹⁵N isotope effects under certain circumstances as well as the drastic impact of changing the metal cofactor (Mg²⁺)) indicate that the amidation step can be reversible and that the coordination by the metal plays a key role in stabilizing reaction intermediates, by interfacing the solvent. In other words, in its natural solvent H₂O, the GS catalyses an intrinsically ‘difficult’ reaction (high energy barrier of amidation) made possible by both ATP cleavage and its exergonic nature.

Les neutrophiles sont généralement considérés résistants aux glucocorticoïdes. Cependant, peu d’études comparant l’effet de ces drogues sur les neutrophiles et les autres leucocytes sanguins (monocytes, lymphocytes et éosinophiles) ont été rapportées. Dans notre étude, nous avons évalué la réponse aux glucocorticoïdes de ces deux populations cellulaires chez le cheval et l’homme. Les cellules, préalablement isolées du sang de 6 chevaux et 4 sujets humains sains, ont été incubées pendant 5 h en présence de lipopolysaccharide (LPS; 100 ng/mL) seul ou combiné avec de l’hydrocortisone, de la prednisolone ou de la dexaméthasone (10-8M et 10-6M). L’expression d’ARNm pour l’IL-1β, le TNF-α, l’IL-8, la glutamine synthétase et le récepteur α des glucocorticoïdes (GR-α) a été quantifiée par qPCR. Les neutrophiles équins ont également été incubés pendant 20 h en présence de ces 3 glucocorticoïdes et la survie cellulaire a été évaluée par cytométrie de flux et microscopie optique. Nous avons démontré que les glucocorticoïdes inhibaient l’expression des gènes pro-inflammatoires induite par le LPS pour les deux populations cellulaires chez les deux espèces étudiées. L’expression de la glutamine synthétase était également significativement augmentée par les glucocorticoïdes chez les neutrophiles et les autres leucocytes sanguins équins. De manière générale, l’intensité de la réponse aux glucocorticoïdes s’est avérée similaire dans les 2 populations leucocytaires et chez les deux espèces. Les glucocorticoïdes augmentaient également la survie des neutrophiles équins, phénomène également rapporté dans d’autres espèces. Ainsi, les glucococorticoïdes exercent des effets d’intensité comparable sur les neutrophiles et les autres leucocytes sanguins. Nous spéculons que la faible réponse à la corticothérapie observée lors de maladies inflammatoires chroniques neutrophiliques comme l’asthme sévère ou la Maladie Pulmonaire Obstructive Chronique (MPOC) ne s’explique pas par une corticorésistance intrinsèque des neutrophiles. / Neutrophils are generally considered resistant to glucocorticoids compared to other inflammatory cells. However, there are few studies comparing the effects of glucocorticoids in neutrophils and those of other blood leukocytes (monocytes, lymphocytes and eosinophils). In our study, we assessed glucocorticoid-responsiveness in equine and human peripheral blood neutrophils and in neutrophil-depleted leukocytes. Cells were isolated from 6 healthy horses and 4 human healthy subjects. They were incubated for 5 h with or without lipopolysaccharide (LPS; 100 ng/mL) alone or combined with hydrocortisone, prednisolone or dexamethasone (10-8M and 10-6M). IL-1β, TNF-α, IL-8, glutamine synthetase and Glucocorticoid Receptor α (GR-α) mRNA expression was quantified by qPCR. Equine neutrophils were also incubated for 20 h with or without the three glucocorticoids and cell survival was assessed by flow cytometry and light microscopy. We found that glucocorticoids down-regulated LPS-induced pro-inflammatory mRNA expression in both cell populations and species. These drugs also significantly increased glutamine synthetase gene expression in both equine cell populations. The magnitude of glucocorticoid response was generally similar in both cell populations and species. As reported in other species, glucocorticoids significantly increase the survival in equine neutrophils. Based on these results, it appears that glucocorticoids exert effects of similar magnitude on neutrophils and on other blood leukocytes. We speculate that the poor response to glucocorticoids observed in some chronic neutrophilic human diseases such as severe asthma or Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) is not explained by an inherent attenuated response of neutrophils to these drugs.

Les neutrophiles sont généralement considérés résistants aux glucocorticoïdes. Cependant, peu d’études comparant l’effet de ces drogues sur les neutrophiles et les autres leucocytes sanguins (monocytes, lymphocytes et éosinophiles) ont été rapportées. Dans notre étude, nous avons évalué la réponse aux glucocorticoïdes de ces deux populations cellulaires chez le cheval et l’homme. Les cellules, préalablement isolées du sang de 6 chevaux et 4 sujets humains sains, ont été incubées pendant 5 h en présence de lipopolysaccharide (LPS; 100 ng/mL) seul ou combiné avec de l’hydrocortisone, de la prednisolone ou de la dexaméthasone (10-8M et 10-6M). L’expression d’ARNm pour l’IL-1β, le TNF-α, l’IL-8, la glutamine synthétase et le récepteur α des glucocorticoïdes (GR-α) a été quantifiée par qPCR. Les neutrophiles équins ont également été incubés pendant 20 h en présence de ces 3 glucocorticoïdes et la survie cellulaire a été évaluée par cytométrie de flux et microscopie optique. Nous avons démontré que les glucocorticoïdes inhibaient l’expression des gènes pro-inflammatoires induite par le LPS pour les deux populations cellulaires chez les deux espèces étudiées. L’expression de la glutamine synthétase était également significativement augmentée par les glucocorticoïdes chez les neutrophiles et les autres leucocytes sanguins équins. De manière générale, l’intensité de la réponse aux glucocorticoïdes s’est avérée similaire dans les 2 populations leucocytaires et chez les deux espèces. Les glucocorticoïdes augmentaient également la survie des neutrophiles équins, phénomène également rapporté dans d’autres espèces. Ainsi, les glucococorticoïdes exercent des effets d’intensité comparable sur les neutrophiles et les autres leucocytes sanguins. Nous spéculons que la faible réponse à la corticothérapie observée lors de maladies inflammatoires chroniques neutrophiliques comme l’asthme sévère ou la Maladie Pulmonaire Obstructive Chronique (MPOC) ne s’explique pas par une corticorésistance intrinsèque des neutrophiles. / Neutrophils are generally considered resistant to glucocorticoids compared to other inflammatory cells. However, there are few studies comparing the effects of glucocorticoids in neutrophils and those of other blood leukocytes (monocytes, lymphocytes and eosinophils). In our study, we assessed glucocorticoid-responsiveness in equine and human peripheral blood neutrophils and in neutrophil-depleted leukocytes. Cells were isolated from 6 healthy horses and 4 human healthy subjects. They were incubated for 5 h with or without lipopolysaccharide (LPS; 100 ng/mL) alone or combined with hydrocortisone, prednisolone or dexamethasone (10-8M and 10-6M). IL-1β, TNF-α, IL-8, glutamine synthetase and Glucocorticoid Receptor α (GR-α) mRNA expression was quantified by qPCR. Equine neutrophils were also incubated for 20 h with or without the three glucocorticoids and cell survival was assessed by flow cytometry and light microscopy. We found that glucocorticoids down-regulated LPS-induced pro-inflammatory mRNA expression in both cell populations and species. These drugs also significantly increased glutamine synthetase gene expression in both equine cell populations. The magnitude of glucocorticoid response was generally similar in both cell populations and species. As reported in other species, glucocorticoids significantly increase the survival in equine neutrophils. Based on these results, it appears that glucocorticoids exert effects of similar magnitude on neutrophils and on other blood leukocytes. We speculate that the poor response to glucocorticoids observed in some chronic neutrophilic human diseases such as severe asthma or Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) is not explained by an inherent attenuated response of neutrophils to these drugs.