SymptômesSymptômesd'ozoned'ozone

chezchez le le hêtrehêtre

CelluleCellule âgéeâgée de de mésophyllemésophyllefoliairefoliaire chezchez le le hêtrehêtre

PhytoextractionPhytoextractionde de métauxmétaux

lourdslourds sursur solsolcontaminécontaminé

SécheresseSécheresse à à SalquenenSalquenen/Vs /Vs en 2003en 2003

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BGS, spécialisation 1: sol et végétationCours libre

ANATOMIE FONCTIONNELLE ET ÉCOLOGIE DES PLANTES SUPÉRIEURESEnseignant : Pierre VollenweiderWSL, CH-8903 Birmensdorf/ZH

Objectif du cours: développer une compréhension des relations plante-environnement basée sur l’analyse de la structure anatomique des organes végétaux et de leur modification sous l'effet des contraintes

environnementales.

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Le vacuome

vacuolevacuole autophagiqueautophagiqueaccumulationaccumulation de de produitsproduits de de

dégradationdégradation détoxificationdétoxification de de cadmiumcadmium

quelquesquelques fonctionsfonctions:: référence: Carrier et al. (2003). Planta 216, 939-950.cellule de mésophile dans une aiguille de Pinus ponderosa

paroiparoi cellulairecellulaire::

vacuolevacuole

tanninstannins condenséscondensésnoyaunoyau

chloroplasteschloroplastes

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Les plastides

excrétion de excrétion de plastoglobulesplastoglobules dans la vacuole d'une feuille de hêtre dans la vacuole d'une feuille de hêtre échantillonnée au mois de septembreéchantillonnée au mois de septembre

Table 2. Composition of plastoglobuli (µg) isolated from beech leaves at four stages of senescence based on 1 mg plastoquinone (total).

# Hydroxy fatty acids not included

référence: Tevini et Stegmüller (1985). Planta 163, 91-96.

105140200160Proteins

5580130140Glyco- & phospholipids

4201271528Free fatty acids#

1503859631460Triacylglycerols

125352123-Carotenoid esters

390230965Carotenoids

trace102218Chlorophylls

100111312Phylloquinone K1

98735822a-Tocoquinone

720700780850a-Tocopherol

313560617705Plastohydroquinone

1000100010001000Plastoquinone (tot.)

IV (November)

III (October)

II (September)

I (August)Component

graingrain d'amidond'amidon

vacuolevacuolecytoplasmecytoplasme

plastoglobuleplastoglobulechloroplastechloroplaste

paroiparoi cellulairecellulaire

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Les tissus de revêtement primaires des parties aériennes (III)

transpiration et adaptations structurales de protection contre ltranspiration et adaptations structurales de protection contre la déshydratation chez les xérophytesa déshydratation chez les xérophytes

références:- Jutzi et al. (1992). L'air. vdf, Zürich et Georg eds., Genève- Lüttge et al. (2005). Botanik. Wiley-CH Verlag, Weinheim

FestucaFestuca ovinaovinaPinusPinus ponderosaponderosa

PinusPinus sylvestrissylvestris

PiceaPicea abiesabies

épidermeépiderme

cellulecellule de de gardegarde

appareilappareil stomatiquestomatique

hypodermehypoderme

mésophilemésophile

LignéeLignée de de stomatesstomatesrecouvertsrecouverts d'uned'une couchecouchede de cirrescirres protectriceprotectrice

Les tissus conducteurs: le phloème secondaire

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FIGURE 14.2. Transverse sectionof the bark from an 18-year-old stem of Liriodendrontulipifera. Exceptfor the cortex (co) and remnants of primary phloem, as evidenced by thepresence of primary phloemfibers (f), this bark-all tissues outsidethe vascularcambium-consistsalmost entirely of secondary phloem; the original periderm is still present outside thecortex. Only a verynarrow portion (0.1 mm wide) of thephloem next to thecambium (c) contains mature, living sieve tubes, that is, isconducting phloem(cph), the rest of the phloem isnonconducting. Some rays (r) aredilated. Otherdetail: x, xylem. (x 37. Cheadle and Esau, 1964. Univ. Calif. Publ. Bot. © 1964, The Regentsof the University of California).

FIGURE 14.12. Transverse sectionof secondary phloem of black locust(Robinia pseudoacacia) showingmostly conducting phloem (cp). Cambial activity has resulted thusfar in the production of three newbands of sieve tubes (s) and two of fibers (f). Sieve tubes of thenonconducting phloem (indicatedby arrows) have collapsed. Otherdetails: CZ, cambial zone; dx, differentiating xylem; r, ray. (x150).

FIGURE 14.3. Transverse sectionsof secondary phloem of Pinusstrobus. Conducting phloem (cph) much smaller in amount than thenonconducting phloem (only partlyshown in these figures) , in whichall sieve cells are crushed (cs) and only axialparenchyma cells (pc) and rayparenchyma cells (r) are intact. (…)the axial parenchyma cells arearranged in tangential bands and separate early phloem from latephloem in each increment. Portionsof 7 growth increments can beseen here. Other details: c, cambium; S, sieve cell; x, xylem ; unlabeled arrows point to definitive callose. (Esau, 1977, www.schweizerbart.de).

référencesréférences: : EvertEvert (2006). Esau's plant anatomy. Wiley, Hoboken.(2006). Esau's plant anatomy. Wiley, Hoboken.

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Les mycorhizes: contribution à la formation de la sève minérale

Fig. 15.25 Schematic presentation of components of thenutrient dynamics in and acquisition from the 'hyphosphere' of endo- (VA-) mycorrhizal roots and of additional componentsfound in ectomycorrhizal roots. (Marschner and Dell, 1994.)

morphologiemorphologiestructurestructure

référence: - Egli et Brunner (2002). Les mycorhizes. WSL, CH8903 Birmensdorf.- Marschner (1995). Mineral nutrition of higher plants. Academic Press, london.- Whiteside et al. (2009) Ecology 90, 100-108.

sans mycorhizesans mycorhize

ectoecto mycorhize (ECM)mycorhize (ECM)

endomycorhizeendomycorhize (AM)(AM)

AMAM

ECMECM

ECMECMla rhizosphère (épicéa)la rhizosphère (épicéa)

épicéaépicéa

épicéaépicéa

épicéaépicéa

épicéaépicéa

manteaumanteau fongiquefongique

cortexcortex

endodermeendoderme

réseauréseau de de HartigHartig

cylindrecylindre centralcentral

symbiontesymbionte ((réseauréseau de de HartigHartig))

cellulecellule corticalecorticale

tanninstannins

rhizomorphesrhizomorphes

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Structure de la tige et déterminisme de la niche écologiquegradient édaphiquegradient édaphique

référence:- Heil, G.W., Hansen, K., Muys, B.,

Van Orshoven, J., 2007. Introduction: demand for afforestation management in North-Western Europe. Extrait de: Environmental effects of afforestationin North-Western Europe. Springer, Dordrecht.- Ellenberg, H., 1986. Vegetation Mitteleuropas mit den Alpen in ökologischer Sicht. Ulmer, Stuttgart.- Schweingruber, F.H., 1982. Anatomie microscopique du bois. Deuxième édition, EAFV, Birmensdorf.

Abb . 42 a. Schematischer und vereinfachter Querschnitt durch die mittleren Alpen (etwa vom westlichen Schweizer Jura bis ins Tessin), mit Angabe der Höhenstufen und der auf mittleren Standorten von Natur aus herrschenden Baumarten. Teilweise in Anlehnung an KUOCH (1954) und ELLENBER G (1966). Schneegrenze, Baum - bzw. Waldgrenze und die Grenzen zwischen submontaner, montaner und alpiner Stufe steigen zum Alpeninneren hin an, vor allem infolge der Massenerhebung und des strahlungsreicheren, kontinental getönten Klimas. Scharfe Winter-und Spätfröste sowie Trockenheit schliessen hier die Tanne und noch mehr die Rotbuche und viele Laubhölzer aus .Die Waldgrenze wird in den Innenalpen von der Lärche und Arve oder im Süden von der Lärche allein gebildet. lm Gegensatz zu den von Nadelwäldern beherrschten lnnenalpen sind sowohl die südlichen ais auch die nördlichen Randalpen laubholzreich. In den nördlichen bildet meist die Fichte die Waldgrenze, in den südlichen dagegen die Buche, die in allen ozeanischen Gebirgen Europas eine grosse Rolle spielt.

Figure 1.1. Eco-diagram of oak (Quercus), beech (Fagus), pine (Pinus) and spruce (Picea), under (sub-oceanic climate conditions and under different soilmoisture - soil pH conditions. Letter size and boldness of the names of the treespecies represent the strength of (co-)dominance in this moisture-pH domain(simplified after Hârdtle et al. 2004).

gradient altitudinalgradient altitudinal

chêne (Quercus sp.)chêne (Quercus sp.) hêtre (hêtre (FagusFagus sylvaticasylvatica)) épicéa (épicéa (PiceaPicea abies)abies)

porosité (semiporosité (semi--)diffuse)diffusezone poreusezone poreuse

érable (Acer sp.)érable (Acer sp.)

porosité diffuseporosité diffuse

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Variation circadienne de la structure foliaire

variation circadienne de l'épaisseur de la feuille variation circadienne de l'épaisseur de la feuille

Fig. 4. Diurnal changes in pressure (Pp) (upper panel), together withcorresponding changes in ambient temperature (T, solid line, lowerpanel) and relative humidity (RH, dotted line, lower panel) recorded on a mostly sun-exposed leaf of a plant growing close to the edge of theMa’agan plantation (height 1.3 m). The days from 19 to 21 July 2008 were relatively windless (on average 2.23 ± 1.20 m s-1, n = 144). Note that the relatively rapid small increases and decreases in T associatedwith opposite changes in RH during the morning hours (08:01–09:26 h) led only to a weak Pp response (arrow 1), whereas the continuousincrease in RH observed on 19 July between 11:36 and 13:46 h and on 21 July between 09:50 and 11:31 h (arrows 2) at constant T resulted in a pronounced decrease of Pp.

Daily changes in several subcellular structures size and abundance in Norway spruce (Picea abies(L.) Karst.) needles(…) Spruce saplings were exposed to charcoal-filltered air, (□■) or non-fillteredair + added ozone, (∆▲) and kept well-watered, (■▲) or drought-stressed, (□∆). : controltreatment.

référence: -Zimmermann et al. (2009). Effects of environmental parameters and irrigation on the turgor pressure of banana plants measured usingthe non-invasive,

online monitoring leaf patch clamp pressure probe. Plant Biology 12, 424-436.-Kivimäenpää et al. (2001). Diurnal changes in microscopic structures of mesophyll cells of Norway spruce, Picea abies (L.) Karst., and the effects of ozone and drought. Annals of Botany 88, 119-130.

Banane (Musa Banane (Musa acuminateacuminate))

variation circadienne de la variation circadienne de la micromicro--morphologiemorphologie cellulaire cellulaire

Recyclage des éléments minéraux durant la sénescence foliaire chez le hêtre

référence: Eschrich et al. (1988). Mineral partitioning in the phloem during autumn senescence of beech leaves. Trees 2, 73-83.P. Vollenweider BGS

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calcium

La végétalisation: une solution pour la gestion des sites faiblement contaminés

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absorptionabsorption et et stabilisationstabilisation des des métauxmétaux lourdslourds dansdans la la biomassebiomasse végétalevégétale allocationallocation du du cadmiumcadmium dansdans unun clôneclône toléranttolérant de de saulesaule

Fig. 1. Different schemes of heavy metal distribution between plant rootsand shoots.

références:- Siedlecka (1995). Some aspects of interactions between heavy metals and plant mineral nutrients. Acta Societatis Botanicorum Poloniae 64, 265-272.- Cosio, C., Vollenweider, P., Keller, C., 2006. Localization and effects of cadmium in leaves of tolerant willows (Salix viminalis L.). Part I. Macrolocalization and

phytotoxic effects of cadmium. Environmental and Experimental Botany 58, 64-74.- Günthardt-Goerg and Vollenweider (2007). Linking stress with macroscopic and microscopic leaf response in trees: New diagnostic perspectives.

Environmental Pollution 147, 467-488.

Fig. 4. Cadmium visualization in leaves: autoradiographs of leaves of 6-week-old S. viminalis grown in hydroponics with 2.2×10−3 µM of 109Cd and 10 µM 112Cd. Leaves are ordered according to their position on the shoot. Theyoungest leaf is at the top and the oldest at the bottom (film exposure: 48 h). Bar: 1 cm.

Fig. 4. (…) Cd allocation and adaptation of cell walls to Cd storage in a Cd-tolerant clone of Salix viminalis exposed to 0 ((29) and (31)) and 10 ((30) and (32)) µM Cd under hydroponic conditions. (30) vs. (29) Yellowish to brownishtones indicate where Cd preferentially accumulated in Cd-treated sampleswhereas no signal was observed in control (29). Especially, the cell walls in collenchyma (adc, adaxial collenchyma) provided a safe Cd storage compartment away from sensitive and metabolically more active leaf tissues. (32) Leaves of Cd-treated samples showed adaptation to the storage of Cd by a regular thickening of cell walls with cellulosic material as indicated by a more intense blue fluorescence of the cell walls in (32) vs. (31). Bars: 25 µm ((29) and (30)), 50 µm ((31) and (32).

Recherches présentes et futures en bioindication du stress environnemental

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les les changementschangements climatiquesclimatiques en en courscours, en , en augmentantaugmentant significativementsignificativement les les contraintescontraintes environnementalesenvironnementales constituentconstituent la la principaleprincipalemenacemenace pour la pour la stabilitéstabilité des des écosystèmesécosystèmes. . UneUne augmentationaugmentation du stress du stress abiotiqueabiotique, , notammentnotamment hydriquehydrique, , peutpeut êtreêtre postuléepostulée..

Abb. 1. Simulierte Veränderung der Baumverbreitung anhand eines Beispiels mit Traubeneiche (Quercus petraea), wobei die dunkle Färbung eine hohe Wahrscheinlichkeit darstellt, diesen Baum zu finden. (a) Heutige Verbreitung; (b) Verbreitung nach SRES Szenario B2; (c) Verbreitung nach SRES Szenario A1.

références:- Seiz et Foppa (2007). Système national d’observation du climat (GCOS Suisse), Publication de MétéoSuisse et de ProClim, 92p.- Zimmermann et al. (2006). Wo wachsen die Bäume in 100 Jahren? Forum für Wissen 2006: 63-71

L’écart annuel de la température en Suisse par rapport à la norme 1961–1990 est un exemple impressionnant du changement climatique. La tendance linéaire de 1864 à 2005 s’élève à +1.1 ºC par siècle, ce qui représente unréchauffement total de +1.5 ºC entre 1864 et 2005 (Begert et al., 2005). Considérée globalement, la température est la grandeur mesurée pour laquelle l’influence anthropique sur le système climatique est la mieux étayée. C’est pourquoi de longues séries de mesure de la température sontdéterminantes en matière d’observation, d’analyse et de quantification des changements climatiques.

QuercoQuerco -- Chênes et chênaies face aux changements climatiquesChênes et chênaies face aux changements climatiques: : unun projetprojetde de rechercherecherche du WSL (du WSL (http://www.wsl.ch/forschung/forschungsprojekte/querco/http://www.wsl.ch/forschung/forschungsprojekte/querco/ ) )

http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/