1 Recherche de marqueurs physiologiques de tolérance à l'ennoyage chez le chêne pédonculé (...

1

Recherche de marqueurs physiologiquesde tolérance à l'ennoyage

chez le chêne pédonculé (Quercus robur L.) etle chêne sessile (Quercus petraea [Matt] Liebl.)

avec le soutien financier de la Communauté d’Agglomération du Pays de Montbéliard

Directeur : Pierre-Marie BADOTEncadrant : Badr ALAOUI-SOSSÉ

Laboratoire de Chrono-environnementUMR UFC / CNRS 6249 USC INRA

Institut National de la Recherche Agronomique

BASTIEN GÉRARD

2

L’ennoyage = excès d’eau dans le solpermanent, temporaire, saisonnier, récurrent, exceptionnel

+ Activités anthropiques qui modifient les régimes hydriques :urbanisation croissante, travaux de terrassement,

champs d’expansion des crues

Changement climatique global : alternance fortes pluies / intenses sécheresses

Les zones forestières sont particulièrement concernées(en France ~ 2 millions d’ha ; Lévy et Lefèvre 2001)

Où, quand, comment ?

Plaines alluviales, le long des cours d’eauFonds de vallonsFormations géologiques imperméables

Inondations, remontées de nappes, fortes précipitations, fonte des neiges,irrigation excessive

3

germination des graines retardée ou inhibéediminution de la survie des semis

Chez les espèces peu tolérantes :

problèmes de régénération des peuplements

baisse de la croissance et de la productivité

dépréciation commerciale

L’ennoyage exerce une pression sélective

sur les essences forestières

Streng et al. (1989), Angelov et al. (1996), Guo et al. (1998), Kozlowski (2002), Walls et al. (2005)

L’ennoyage en zones forestières

4

Le chêne pédonculéQuercus robur L."Qr "

Le chêne sessileQuercus petraea Liebl."Qp"

Distribution spatiale contrainte par la présence

de nappes d’eau temporaires ou permanentes

Comment Q. robur est capable de mieux tolérer l’ennoyage ?différences interspécifiques et tolérance à l’ennoyage chez les jeunes semis de

chêne

processus physiologiques de tolérance à l’ennoyage chez les ligneux ?

Dreyer et al. (1991), Wagner et Dreyer (1997), Schmull et Thomas (2000), Shahriari (2003), Parelle et al. (2006)

Problématique

5

Déficit en

oxygène

Le sol = 3 compartiments

O2

ANOXIE

HYPOXIE

NORMOXIE

Action directe sur la microflore du sol

Evolution de la composition

minérale du sol

Bactéries aérobies

facultativement aérobies

anaérobies strictes

ou anaérobies strictes

Conséquences de l’ennoyage

6

Eh(mV)

400

0

200

600

300

500

100

-100

O2

N2

NONH4

+

NO3-

Réduction des oxydes métalliques

Solubilisation du Mn et du Fe

NO3- NH4

+NO2-

NO N2O N2 NH3

Fe2+

Mn2+

Dénitrification

Disparition du NO3-

H2S

CH4

NO2-

NO3-

NH4+

Minéralisation de l’azote en présence d’oxygène

NH4+

Norga

NO2-

MnO2

Fe2O3

Mn2+

Fe2+

et inhibition de la respiration racinaire

Perturbation de la disponibilité des éléments minérauxpour les plantes


7

Colin-Belgrand et al. (1991), Blom (1999), Kozlowski (1997), Anderson et Pezeshki (2001), Parelle (2006)

racines d’adaptation (superficielles)lacunes et aérenchymes, lenticelles hypertrophiées

Réponses morphologiques racinaires

Réponses physiologiques

métabolisme énergétique cellulaireinhibition de la respiration

fermentation alcoolique stimulée

Drew (1997), Vartapetian et Jackson (1997), Gibbs et Greenway (2003)

inhibition de la croissancedégradation du système racinaire

(nécroses) → baisse de conductivité hydraulique

et déficit hydrique

McLeod et al. (1999), Else et al. (2001), Nicolás et al. (2005)

réduction de la conductance stomatique

inhibition de la photosynthèseDreyer et al. (1991), Pezeshki et al. (1996), Wagner et Dreyer (1997),

Schmull et Thomas (2000)


8

Partie IPartie I

Partie IIPartie II

Partie IIIPartie III

Développement, croissance aérienneet architecture racinaire des jeunes

semis

Nutrition azotée

Gestion des réserves glucidiqueset importance des cotylédons

Points d’études

Recherche de paramètres de discrimination entre espèces / ennoyage

Paramètres de croissance Qr / Qp ?

Efficience d’utilisation de l’azote Qr / Qp ?

Efficience d’utilisation du carbone Qr / Qp ?

9

TémoinsEnnoyés

Germination

Récoltes J15 R1 D+10R1 R2J0

transplantation

Matériels et méthodes

Stades de développement des semis et récoltes

Ennoyés puis Drainés

Drainage

10

Photopériode : 14 hLuminosité : 300 à 400 µmol.m-

2.s-1

Température : 22°C / 14°C Humidité atmosphérique : 70%

Espèces étudiées : Chêne pédonculé (Quercus robur L.) : Qr Chêne sessile (Quercus petraea [Matt] Liebl.) : Qp

Substrat expérimental

mélange 8/1 (v/v)sol forestier / tourbe

Témoinarrosage à 70% de

la capacité au champs

Ennoyésnappe d’eau maintenue à la

surface du sol

- 207 mV+ 415 mV

Matériels et méthodes

11

- 207 mV+ 415 mV

transplantation Drainage

-60 -40 -20 20 60 800 40

Témoins

Ennoyés

Ennoyés puis Drainés

Temps(jours)

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

Eh

(m

V )

Témoins EnnoyésEnnoyéspuis Drainés

Suivi du potentiel d’oxydoréduction

12

Travail sur des très jeunes semis de chêne :capacité d’installation (régénération) ?

Réponses morphologiques différentes dès les premiers

stades de croissance ?

Kozlowski (1997)

Chez les arbres, le maintien de la croissance racinaire, la mise en place de nouvelles racines (superficielles) sont des caractéristiques importantes assurant la survie en conditions d’ennoyage

Partie IPartie IDéveloppement, croissance aérienneet architecture racinaire des jeunes

semis

13

Mise en place des étages foliaires

Ennoyéspuis Drainés

Drainage

Témoins

Ennoyés

1er étage foliaire relativement peu affecté mais 2ème étage

drastiquement réduit (Qr ≥ Qp)

et croissance aérienne

Surface foliaire et longueur de tige

-85 à -90 %

Qr 33 à 78 %Qp 0 à 21 % 2ème étage

après drainage, forte reprise de la croissance,

Qr > Qp

~ 100%

14

EnnoyésTémoins Ennoyés puis Drainés

Accumulation de biomasse

Qr ≈ Qp Qr ≈ Qp Qr > Qp

-50 %>

-70 à -50 %>>

≈ Qr > Qp

et RGR(MS) Relative Growth Rate ( g g-1 j-1 )

E≈

T≈

RGR

Qr > Qp30

38

50

11

15

17

RGRQr > Qp

3

27

37

7

16

22

RGRQr > Qp

47

47

29

33

37

20

mais pendant la 2ème vague, taux de croissance racinaire élevé, Qr > Qp

après drainage, forte reprise de la croissance, Qr >> Qp

Biomasses - des feuilles réduites mais pas des tiges - du système racinaire très réduites

15

80 60 40 20 0 604020 80 60 40 20 0 604020

Nombre de racines latérales

Architecture racinaire détaillée

colonisation racinaire de l’horizon de surface Q. robur > Q. petraea

Sous ennoyage initiation racinaireQ. robur : uniquement en surfaceQ. petraea : tout au long du pivot

+ effet provenance ?

élongation racinaireQ. robur : maintenue en surfaceQ. petraea : inhibée

Quercus robur Quercus petraeaTémoins Ennoyés

Pro

fond

eur

(cm

) 10 - 12

0 - 2

2 - 4

4 - 6

6 - 8

8 - 10

> 12

10 - 12

0 - 2

2 - 4

4 - 6

6 - 8

8 - 10

> 12

R1Récoltes

R2

Ennoyés Témoins

1500 50 100150 501002001500 50 100150 50100200

Longueur cumulée des racines latérales (cm)

16

Architecture racinaire détaillée

R1 D+10Récoltes

Quercus robur Quercus petraeaEnnoyés puis

DrainésEnnoyés puis

Drainés

Longueur cumulée des racines latérales (cm)1500 50 100 250200 1500 50 100 250200

*** *

**

***

**

Pro

fond

eur

(cm

)

10 - 12

0 - 2

2 - 4

4 - 6

6 - 8

8 - 10

> 12

Nombre de racines latérales0 604020 0 604020

Capacité d’élongation racinairependant l’ennoyage Q. robur > Q. petraeaet après drainage Q. robur >> Q. petraea

17

Naa, Prot

GOGAT

GS

Répercussions des changements de la disponibilité de l’azotesur l’assimilation et l’allocation azotées des semis ennoyés ?

NO3- NH4

+NO2

-

Dénitrification

NO3-

NH4+

NO2-

NRNiR

NH4+

En situation de carence azotée, les plantes augmentent fortement le prélèvement en ammoniumMorot-Gaudry (1997)

Chez les arbres : sensibilité à l’ennoyage corrélée à la détérioration du métabolisme azoté Kreuzwieser et al. (2002)

Contribution de la nutrition azotée / différence de tolérance à l’ennoyage?

Partie IIPartie II Nutrition azotée

18

Témoins Ennoyés

forte dénitrificationaccumulation de NH4

+ ≈ disparition de NO3-

NO3-

NO2-

NH4+

-nmol.g-1(MS)

1000

0,5

100

10

3

1000

O2

N2

NO

NH4+

NO3-

NO3- NH4

+NO2

-

Dénitrification

Drainage = ré-oxygénation→ réactivation des voies

métaboliques aérobies

Drainage

Variations des teneurs en azote minéraldans le sol rhizosphérique

19

NO2-

NR

NO3-

GS

NH4+

NH4+

N

Très forte carence en nitrate et réduction du système racinairemais : assimilation des nitrates reste opérationnelle !

Nutrition azotée : assimilation

Globalement :

capacité max. NR (NRKNO3)

activité NR(NRH2O)

>

Sous ennoyage : la NR reste fonctionnelle ≈ Témoin

<

20

R1 R1 D+10 R2 R1 R1 D+10 R2

Quercus robur Quercus petraea

Témoin EnnoyéEnnoyé

puis Drainé

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

nKat

als

mg

- 1(P

rot)

n:4n:3n:4 n:4n:4

GS

NH4+

N

NO2-

NR

NO3-

NH4+

Nutrition azotée : assimilation

Dans les feuilles : pas de différence majeureQr ≈ Qp et T ≈ E

Activité GS non affectée : maintenue ou stimulée

assimilation de NH4+ maintenue

Dans les racines :

21


0

50

100

150

200 Racines Latérales

n:3n:3 n:4n:4

aaGS

NH4+

NO2-

NR

NO3-

NH4+

Nutrition azotée : allocation

Témoin Ennoyé Ennoyépuis Drainé

Aci

des

am

inés

µm

ol g

- 1 (M

S)

0

20

40

60

80

100Feuilles du 1er étage

N total (soluble et insoluble) = même observation

parties racinaires / aériennes

22

NGS

NH4+

NO2-

NR

NH4+

NO3-

Nutrition azotée

Assimilation azotée non affectée,

la nutrition azotée n’apparaît pas comme un critère discriminant dans la tolérance à l’ennoyage

? Diminution du transfert d’azote via le xylème ?

GSNR

N

NGSNR

mais perturbation de l’allocation azotée

Dans l’ensemble

Qr ≈ Qp

23

voiesfermentaires

ATP+ NAD+

mitochondrie

O2

respiration

tricarboxylique

Saccharose

Pyruvate

GlycolyseNADH

NAD+ ADP

ATP

Amidon

Glucose 6-P

glucides solubles

Partie IIIPartie IIIGestion des réserves glucidiques

et importance des cotylédons

L’allocation des sucres aux organes ennoyés est perçue comme une étape limitante de la tolérance à l’ennoyage chez de nombreuses espèces

Yamamoto et al. (1995), Angelov et al. (1996), Gravatt et Kirby (1998), Pezeshki (2001), Islam et Macdonald (2004), Kreuzwieser et al. (2004) Kogawara et al. (2006)

Chez Q. robur et Q. petraea, est-ce que la gestion des réserves glucidiques contribue à la différence de

tolérance à l’ennoyage ?

Généralement, meilleure tolérance des espèces avec de larges réserves d’amidon avant l’ennoyage, à condition d’avoir la capacité de les mobiliser

Gravatt et Kirby (1998), Arpagaus et Braendle (2000), Das et al. (2005)

très jeunes semis avant la constitution

des réserves d’amidon !

24

Chez les herbacées tolérantes à l’ennoyage : forte mobilisation des réserves amylacées et exportation des sucres solubles / inhibition chez les espèces plus sensibles

Guglielminetti (1995), Perata et al. (1997), Mustroph et Albrecht (2003), Loreti et al. (2003), Kato-Noguchi et al. (2008)

… jeunes semis avant la constitution des réserves d’amidon :

mobilisation des réserves

(1) comportement des

cotylédons ?

Amylases

cotylédons

25

Am

idon

mg

orga

ne - 1

0

600

800

400

1000

200

R1 R2 R1 R2J0 J0

Am

idon

mg

g - 1

(MS

)

0

600

200

400


Témoin Ennoyéet après drainage, rapide mobilisation

→ similaire aux témoins

Chez Qr, la mobilisation de l’amidon est fortement

ralentie par l’ennoyage !

Amylases

cotylédons

Comportement des cotylédons,réserves amylacées

sous ennoyage

26

Sucres réducteurs

0

1,5

1,0

0,5

2,0

2,5

J15 R1 R1 D+10 R2 J15 R1 R1 D+10 R2J0 J0

Saccharose

0

0,3

0,1

0,2

Amylases

cotylédons


Témoin Ennoyé Ennoyépuis Drainé

Suc

res

mm

ol g

- 1(M

S)

Comportement des cotylédons,glucides solubles

Sous ennoyage :les teneurs en sucres

réducteurs restent plus faibles (Qr < Qp)

et les teneurs en saccharose plus élevées

(Qr > Qp)

après drainage, comportement similaire aux témoins

27

Seule l’α-amylase est considérée avoir un rôle majeur dans l’hydrolyse de l’amidon Dunn (1974), Sun et Henson

(1991)

Amylases

cotylédons

Comportement des cotylédons,hydrolyse de l’amidon


α-Amylase

J15 R1 R1 D+10 R2 J15 R1 R1 D+10 R2J0 J0

U m

g - 1

(Pro

t)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Témoin EnnoyéEnnoyé

puis Drainé

Activité plus faible sous ennoyage et Qr < Qp

→ bonne concordance avec les taux de mobilisation des réserves amylacées

28

Amylases

cotylédons

Amylases

cotylédons

Témoins

Ennoyés

Après drainage, mobilisation des réserves → forte croissance post-stress chez Qr

Comportement des cotylédons

Sous ennoyage, la mobilisation de l’amidon est fortement réduite chez Qr !

(-)

?Limitation de l’exportation du

saccharose ?

→ espèce tolérante ≠ espèces herbacées

29

… jeunes semis avant la constitution des réserves d’amidon :

(1) comportement des cotylédons

Chez Q. robur et Q. petraea, est-ce que la gestion des réserves glucidiques contribue à la différence de

tolérance à l’ennoyage ?

(2) comment les jeunes semis vont gérer leur réserves glucidiques

(capacité à constituer des réserves)

?

mobilisation des réserves ?

Gravatt et Kirby (1998)

Chez les arbres, la tolérance à l’ennoyage est corrélée à l’accumulation d’amidon en fonction des organes

accumulation d’amidon racines - tiges - feuilles

espèces tolérantes

espèces sensibles

30

Répartition de l’amidon


R1 R2 R1 R2

Am

idon

mg.

plan

t - 1

0

200

400

100

300

500

Amidon total

TémoinEnnoyé

R1 R2 R1 R2

100

200

300

0

400

Racine Pivot

0

20

40

60Tiges du 1er étage

0

20

40

Feuilles du 1er étage

Am

idon

mg

orga

ne - 1


Amidon par organe

Sous ennoyage, accumulation d’amidon réduite et Qr > Qp

Accumulation totale d’amidon réduite dans les racines mais augmentée dans les tiges

31

R2

R1Récoltes

Pro

fond

eur

(cm

)

10 - 12

0 - 2

2 - 4

4 - 6

6 - 8

8 - 10

> 12

10 - 12

0 - 2

2 - 4

4 - 6

6 - 8

8 - 10

> 12

080 40 40 80 120 160 200 080 40 40 80

Témoins Ennoyés


Témoins Ennoyés

Amidon en mg section-1 du pivot

Répartition de l’amidon

Sous ennoyage,très forte accumulation d’amidon dans la partie supérieure du pivot

Qr >> Qp

32

accumulation d’amidonracines - tiges - feuilles

espèces tolérantes

espèces sensibles

Malgré l’inhibition de l’accumulation totale d’amidon dans les racines, accumulation dans les tiges et dans la partie supérieure du pivot

Les processus de stockage de l’amidon sont maintenus sous ennoyage

Globalement, même comportement des deux espèces / accumulation d’amidonmais Qr >> Qp

→ caractéristiques ≈ espèces tolérantes à l’ennoyage (Gravatt et Kirby,1998)

Gestion des réserves glucidiques

33

semis entierspertes cotylédonaires

1,4 2,1 1,3 0,8rapport

COT des semis entiers 663,2 ± 97,3 403,7 ± 46,8 612,4 ± 167,5 329,3 ± 96,2

pertes de COT cotylédonaires 480,0 ± 69,7 196,8 ± 18,2 455,5 ± 126,7 423,9 ± 53,6

variablesQuercus robur Quercus petraea

T E T E

*

ε*

Carbone Organique Total (COT) accumulé à la récolte R1et pertes de COT des cotylédons entre J0 et R1


" bilan de carbone " sous ennoyage ?

Qr : " bilan carboné positif "

Qp : " bilan carboné déficitaire "

34


" bilan de carbone " sous ennoyage ?Quercus petraea

" bilan carboné déficitaire "Quercus robur

" bilan carboné positif "

C réserves(Amidon)

C structure C réserves

(Amidon)

C structure

cotylédons cotylédons

mobilisation des réservescotylédonaire

<

croissance

>

accumulation du C

>

C C

assimilation du C ?

??

pertes de C ?

gains C

pertes C

gains C

pertes C

35

Respiration de croissanceRespiration de maintenance

gains C

pertes C

assimilation du C

pertes C

gains C



Quercus petraea" bilan carboné déficitaire "

Quercus robur" bilan carboné positif "

pertes de C ?et économies du

C ?

NécrosesÉlimination de produits fermentaires (éthanol)

Mécanismes de recyclage de l’éthanol

Racines superficielles → limitation du déficit en O2

(respiration résiduelle, rendement énergétique)

Hypothèses :

36

perspectives

Quel est le coût carboné du stress hypoxique chez les jeunes semis de

chêne?

Quantité de C perdue par respiration et par le

catabolisme anaérobie (production d’éthanol) ?

Flux de C : marquage au 13C → répartition des photoassimilatsC structure / réserve / catabolisme

+ évaluation du taux de recyclage de l’éthanol (flux d’éthanol via le xylème)


37

FINMerci de votre attention

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