Les terres rares, loin d’être rares dans l’environnement, affectent la physiologie des plantes

Les terres rares (TRs), métaux stratégiques dont la demande explose (nouvelles technologies et transition énergétique) sont des contaminants émergents de nos écosystèmes. Cette étude publiée dans Journal of Hazardous Materials livre pour la première fois une analyse globale et sans a priori des effets de ces métaux sur la plante modèle Arabidopsis thaliana par ionomique et transcriptomique. Elle renseigne sur les modes d’action des TRs sur les plantes et ouvre la voie à l’étude de transporteurs encore insoupçonnés.

Les terres rares regroupent la série des 15 lanthanides ainsi que le scandium et l’yttrium. Ce sont des métaux considérés comme hautement stratégiques et critiques par l’Union Européenne car très demandés par l’industrie high-tech (écrans, éoliennes, …) alors que peu de gisements ont été répertoriés sur notre continent, a contrario de la Chine qui produit la grande majorité des terres rares. En lien avec l’essor des technologies les utilisant, la demande en terres rares a ainsi connu un boom considérable depuis dix ans qui devrait, encore s’amplifier durant les deux prochaines décennies selon les prévisions.

En réponse à cette demande, de nombreux projets miniers sont en cours de développement de par le monde et contaminent l’environnement. De nombreuses autres voies de dissémination des terres rares existent (présence non-intentionnelle de terres rares dans les engrais phosphatés, utilisation de terres rares en agriculture comme engrais ou additif alimentaire pour le bétail, agent de contraste au gadolinium pour les analyses IRM, …). De plus, les terres rares incorporées dans nos objets high-tech sont globalement très peu recyclées. Ces différentes utilisations massives de terres rares concourent ainsi à leur dissémination dans l’environnement et ces métaux sont désormais considérés comme des contaminants émergents.

Dans le cadre du LabEx Ressources 21, des biologistes du CNRS Terre & Univers / CNRS Écologie & Environnement ont étudié l’impact de deux terres rares - lanthane et ytterbium - sur la réponse des racines et des feuilles de la plante modèle Arabidopsis thaliana. En combinant des approches de ionomique et de transcriptomique, ces travaux, publiés dans la revue Journal of Hazardous Materials, dévoilent de nouvelles voies potentielles pour l’absorption des terres rares et les mécanismes de tolérance de la plante.

Une analyse du ionome (ensemble des ions de la plante) a d’abord mis en évidence un appauvrissement des feuilles en manganèse, magnésium et calcium en présence des terres rares étudiées. Ensuite, au niveau du transcriptome, les gènes de réponse aux espèces réactives de l’oxygène sont activés et ceux impliqués dans la redistribution de l'auxine sont dérégulés, ce qui conduit à une profonde modification de l'architecture des racines en présence de terres rares (Figure 2). Ceci pourrait notamment affecter l’absorption de l’eau et des nutriments du sol, et par conséquent toute la physiologie de la plante. De nombreux gènes liés à l'homéostasie du fer sont surexprimés dans les racines et les feuilles, suggérant une compétition entre les terres rares et le fer. Changement de paradigme ! Au lieu d’être véhiculées principalement par les transporteurs de calcium, il semblerait que les terres rares utilisent les voies de transport d’autres éléments comme le fer. Enfin, l'homéostasie des acides organiques (malate, citrate) semble être un mécanisme de tolérance critique en réponse aux terres rares.

En comparaison avec le compartiment racinaire, le nombre de gènes affectés par les terres rares au niveau transcriptionnel est moindre dans les feuilles. Ce résultat est cohérent avec notre précédente étude1 chez une fougère, montrant que les terres rares sont bloquées dans les nervures des parties aériennes (vaisseaux du xylème) et affectent probablement peu le fonctionnement des tissus photosynthétiques des feuilles. Les terres rares sont-elles immobilisées dans le xylème ou une absence de protéines de transport permettant leur sortie des vaisseaux est-elle plutôt à privilégier ? Ces questionnements représentent de nouvelles perspectives d’études futures et viseront à approfondir nos connaissances de l’impact de ces contaminants métalliques émergents.

• 1https://doi.org/10.1021/acs.est.2c06985