I - L`eau et la nutrition minérale
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L’EAU ET LA NUTRITION MINERALE 9 mars trois semaines consécutives TP INTRODUCTION La vie, chez les végétaux et les animaux, ne pourrait pas exister sans l’eau, qui est leur principal constituant. La quantité de celle-ci, correspondant généralement et approximativement à 70% du poids frais de la plante, variera de manière importante en fonction des conditions environnementales ou physiologiques, de même que sa concentration au sein des différents organes et tissus. Au sein d’une plante, le mouvement de l’eau est perpétuel. Dans les parties aériennes et racinaires, interconnectées entre elles par un tissu conducteur, ce mouvement coordonnera l’assimilation de l’eau avec les parties distantes, les feuilles, qui exerceront quant à elles une évapotranspiration assez importante. Le rôle de cette eau sera également de transporter les nutriments, essentiels à la croissance de la plante. Nous aborderons donc dans ce cours la caractérisation du transport de la nutrition minérale ainsi que la capacité incidente d’édification de la plante, et ce à travers l’étude de l’eau et des cellules végétales. L’EAU ET LES CELLULES VEGETALES LES DIFFERENTS ROLES DE L’EAU EN RELATION AVEC LES PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES DE L’EAU Comme nous l’avons observé en biochimie, l’eau occupe une place prépondérante puisque jouant le rôle de milieu réactionnel : toutes les réactions biologiques auront lieu en milieu aqueux. Et ce d’autant plus que l’eau restera sous phase liquide dans les conditions environnementales moyennes propices à la croissance des plantes. L’eau est également un solvant des différents minéraux présents dans le sol qui pourront être ainsi absorbés et assimilés via le transport de la sève. Comme chez les animaux, l’eau permet également une régulation thermique : les plantes l’utilisent afin de répondre aux flux de chaleur et ainsi empêcher un échauffement trop important aux conséquences protéiques dénaturantes. Nous étudierons dans ce cours le parcours de cette eau et ses incidences sur la régulation de la température interne de la plante en vue d’améliorer les capacités de croissance et de développement de cette dernière. Une dernière caractéristique intéressante concerne la transparence de l’eau : les radiations du spectre visible la traversant, les réactions photosynthétiques, la perception de la lumière et les réactions incidentes seront possibles. TRANSPORT DE L’EAU Considérer que le transport de l’eau dans la plante soit actif et nécessite une grande activité métabolique serait invraisemblable. Passif, celui-ci débute par osmose à l’aide d’un système de membrane semi-perméable. Sa mesure est qualifiée d’osmométrie. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 1 L’OSMOMETRIE 1 Prenons l’exemple d’un osmomètre simple, dit osmomètre de Dutrochet , constitué d’un cristallisoir et d’une tulipe séparée par une membrane semi-perméable. Le premier contient de l’eau pure, et le second une solution saline ou sucrée dont l’osmose est à mesurer. Le passage d’eau à travers la membrane en direction du compartiment « impur » induira la montée de la solution dans la tulipe selon une certaine pression qui pourra être mesurée à l’aide d’un contrepiston. L’application d’une pression sur le piston induit l’augmentation de la concentration en soluté : c’est le principe d’osmose inverse, pouvant être appliqué à des fins de purification d’eau. La pression à appliquer afin de restaurer le niveau initial de la colonne correspond à l’énergie potentielle de la solution saline, incidemment à son potentiel chimique. A l’aide d’un système équivalent, il est possible de mesurer la pression nécessaire pour lutter contre l’entrée d’eau ayant pour origine le potentiel chimique. On parle de pression osmotique de la solution, mesurée en Pascal et notée π. OSMOSE ET POTENTIEL CHIMIQUE L’étude du potentiel chimique de l’eau repose sur les propriétés thermodynamiques de ce composé. On parlera d’enthalpie molaire libre partielle de l’eau, notée µ et exprimée en J/mol. Ce potentiel sera déterminé selon les lois de la thermodynamique comme la somme d’une constante, de l’activité chimique de l’eau, des forces de pression sous forme de potentiel de pression, d’un potentiel électrique et d’un potentiel gravitationnel. . . . é , " #$ , #$%%", "% & $&' POTENTIEL HYDRIQUE Les physiologistes utiliseront cependant cette formule de manière simplifiée. Ainsi, pour le terme relatif à l’électricité et bien que l’eau soit un dipôle fort, la charge électrique sera nulle, et nous ne considérerons la composante gravitationnelle comme ne s’appliquant que pour des plantes dépassant 10m de hauteur. Sont donc restantes forces chimiques et de pression. La valeur du potentiel chimique de l’eau, le potentiel hydrique, permet de déterminer l’état d’hydratation d’une plante. Sa formule simplifiée est la suivante : ()* ()+ (), ()- (). 1 http://fr.wikipedia.org/wiki/Henri_Dutrochet LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 2 Avec : • • • • PSIs potentiel de soluté, représente la contribution des composés en solution. Sa valeur maximale est de zéro, et celle-ci diminuera en fonction de l’augmentation de la concentration saline. Il est approximé par la loi de Van’t Hoff (()+ / 01 2 avec i paramètre d’ionisation de la molécule). PSIp potentiel de pression, représente la pression hydrostatique en surplus par rapport à la pression atmosphérique. Très variable, celle-ci pourra être négative, on parlera d’une tension, ou positive, une pression de turgescence, induisant respectivement un flétrissement ou un maintien de la structure du végétal. PSIg potentiel gravitationnel, pourra dans un premier temps être omis, en particulier chez les plantes de laboratoire, celles-ci dépassant rarement la dizaine de mètres requise pour la prise en compte du paramètre. PSIm potentiel matriciel, permet de rendre compte de l’absorption de l’eau sur des surfaces solides selon une certaine force matricielle dépendant de l’état d’hydratation des molécules. Il intervient au sein d’organes très peu hydratés de certaines plantes, et sera particulièrement important lors des premières étapes de l’absorption. Un exemple typique pourrait être celui d’une graine, constituée de 5 à 20% d’eau en poids. Considérant une eau pure, la valeur de PSIw est définie par convention comme nulle. L’expression la plus simple du potentiel hydrique se limite donc à la somme des potentiels de soluté et de pression, qu’il est possible d’exprimer en fonction de Pi et P: ()* ()+ (), 02 Sous certaines conditions, il est ainsi possible de déterminer la valeur du potentiel hydrique PSIw. Par exemple, lorsque PSIp est nul, la valeur de PSIw est directement accessible par des mesures. La valeur du potentiel hydrique nous permet de prévoir le sens du flux net de l’eau dans le végétal. L’eau migre spontanément des potentiels hydriques élevés vers les potentiels hydriques faibles. (" " # $()* 02 0 0 4 5 6 (" " % ()* 02 7 0 Prenons une cellule de potentiel PSIw=-0,7MPa et de pression hydrostatique nulle. Plaçons-là dans une solution hyperosmotique de saccharose (PSIw=-0,9MPa). Le sens de migration de l’eau étant défini par les valeurs des potentiels hydriques, celle-ci doit sortir de la cellule en direction du milieu extracellulaire. Cette sortie engendre en son sein une augmentation de la concentration des composés cytoplasmiques et vacuolaires, incidemment une augmentation de sa pression osmotique π et diminution de son potentiel hydrique, jusqu’à équilibration avec le PSIw du milieu extérieur. Partant d’une cellule aux mêmes caractéristiques que précédemment et la plaçant dans une solution hypotonique (PSIw=0MPa), le flux net aqueux sera ici par définition opposé. L’équilibration ne pouvant se faire par annulation de la pression osmotique, incidemment des concentrations LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 3 en soluté, celle-ci se fera par augmentation de la pression hydrostatique P, induisant le passage de la cellule en état de turgescence. Au sein des plantes, ces mouvements d’eau seront très importants au sein du fonctionnement d’organes comme les feuilles, permettront la régulation des pertes en eau à travers le fonctionnement des stomates, et auront un rôle primordial dans l’allongement cellulaire, etc. LIAISONS DE L’EAU DANS UN VEGETAL Les concentrations en ions au sein des cellules végétales permettent d’obtenir des pressions osmotiques de l’ordre de quelques bars. Observons l’évolution du π interne en fonction du π externe pour quelques phylums de plantes. Les plantes marines dites halophytes possèdent plusieurs mécanismes dont la combinaison leur permet de prospérer en milieu à pression osmotique importante. L’un d’entre eux concerne l’accumulation vacuolaire de composés comme le chlorure de sodium à hauteur de 10g/L, permettant si besoin est d’augmenter la salinité du cytoplasme afin de contribuer à l’augmentation de la pression osmotique cytosolique jusqu’à plusieurs dizaines de bars en vue de contrer le πext. Sont également accumulés dans le cytoplasme des composés organiques osmoprotectants. Les plantes dites glycophytes sensibles sont adaptées aux milieux d’irrigation à faible teneur en sel. Elles pratiquent l’entrée d’ions et d’acides organiques uniquement. Leur potentiel de soluté est en général assez faible, et difficilement adaptable. Incidemment, ces plantes ne se développeront que sur des milieux très peu salés et tolèreront difficilement des modifications salines. Les glycophytes résistantes possèdent les mêmes capacités d’accumulation que les glycophytes sensibles, mais sont capables d’adaptation pour un laps de temps limité via l’accumulation de sel, principalement de potassium, à une concentration de l’ordre de quelques grammes par litre. Etant très sensibles au sodium, celuici ne sera quasiment pas absorbé. Leur adaptation a également lieu à travers des modifications au sein des voies de signalisation et de biosynthèse des acides organiques. Leur résistance dans ces milieux reste néanmoins assez limitée. Les xérophytes, représentées par les cactus, pourront absorber très facilement l’eau du milieu extérieur grâce à un système de mucilage, constitué de molécules s’hydratant facilement et augmentant en volume. Une adaptation au stress hydrique n’induisant cependant pas une adaptation obligatoire à une très forte pression osmotique, les xérophytes sont incapables de contrer un milieu fortement salé, le mécanisme se mettant en place par rapport aux halophytes étant tout à fait différent. Chez les plantes, les potentiels internes évolueront de manière proportionnelle aux potentiels externes de façon à attirer l’eau. En comparaison, les potentiels des champignons pathogènes peuvent atteindre des pressions de l’ordre d’une centaine de bars, leur permettant de pousser dans des milieux à forte pression osmotique, incidemment pénétrer les tissus végétaux. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 4 POTENTIEL HYDRIQUE D’UN ECHANTILLON VEGETAL Différentes techniques permettent de déterminer les valeurs des potentiels hydriques d’échantillons végétaux. Nous pourrons ainsi par exemple déterminer de quelle façon évoluent les transferts d’eau dans ceux-ci. Pour cela, il est possible d’utiliser un soluté modérément perméant, ici le saccharose, selon une gamme de concentrations allant de 0 à 1 M. Nous mesurons les paramètres des échantillons à temps 0 (longueur, largeur et poids de l’échantillon), puis les déposons au sein de notre gamme étalon. Les valeurs des potentiels hydriques s’équilibrent, et nous obtenons une gamme d’échantillons allant d’un état de plasmolyse à turgescence complète. En cas d’échange d’eau nul, nous avons équilibration des potentiels hydriques : P sera donc égal à 0. Le psychromètre, constitué d’une cellule au sein de laquelle se place un échantillon végétal, nous permet, après un temps d’équilibration, d’obtenir directement la valeur du PSIw. Suivant le potentiel hydrique de l’échantillon, nous observons une certaine évaporation de molécules d’eau. Sachant que pour un PSIw avoisinant 0 les molécules d’eau s’évaporent, et que celles-ci auront d’autant plus de mal à sortir du végétal que le PSIw est négatif, et le psychromètre permettant la détermination physique de la quantité d’eau atmosphérique, celui-ci permet incidemment la mesure du volume d’eau se déposant dans le système conducteur, donc la valeur du potentiel hydrique. La bombe de Schrolender, autre système de mesure à équivalence de pression, nous permet d’accéder à la pression propre du végétal. Pour cela, nous appliquons une certaine pression à un système hermétique contenant l’échantillon. Incidemment, lorsque la pression P s’approchera de la pression hydrostatique et la dépassera, les liquides dont la sève pourront être éliminés à contresens via la partie sectionnée. Il existe d’autres systèmes d’osmométrie directe, où les mesures s’effectuent sur les liquides cytoplasmiques extraits de broyats cellulaires. RELATIONS HYDRIQUES DANS LA PLANTE Nous nous intéresserons dans cette partie aux importants flux d’eau au sein de la plante, depuis la translocation de cette eau des parties racinaires vers les parties aériennes jusqu’à son évapotranspiration. Au cours d’une journée, malgré le fait que la masse d’eau transférée puisse dépasser de plusieurs fois celle du végétal, on considère globalement que 5% seulement de l’eau absorbée pour la plante sera utilisée pour son édification. La plus grande partie de celle-ci jouera un rôle au sein du fonctionnement de la LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 5 photosynthèse, de l’évapotranspiration, et de la thermorégulation. TENEUR EN EAU DES VEGETAUX La mesure de l’accroissement d’un végétal au cours du temps peut être réalisée à travers la détermination de son poids sec et non pas de son poids frais, ce dernier n’étant pas représentatif de par sa relation aux transferts d’eau (la masse augmente en fonction de l’augmentation des transferts). Les résidus végétaux secs sont obtenus via une dessiccation rapide à 110°C permettant de stopper tout processus enzymatique suivie d’un traitement pouvant aller de plusieurs heures à plusieurs jours à 60°C sous pression réduite, permettant l’évaporation de l’eau contenue dans les échantillons. Les produits de cette dessiccation nous permettent également d’estimer la teneur en eau d’un végétal à travers la comparaison entre les poids frais et le poids sec d’échantillons végétaux. Cette teneur est exprimée par la (bêtissime) formule suivante : : "&% 4$% ; 100 "&% % La teneur en eau observée dépend de l’espèce végétale, de l’organe, et des tissus considérés. Nous remarquons que l’hydratation de tissus jeunes est extrême. A l’échelle cellulaire, nous observons une forte hydratation du cytoplasme ainsi que de la vacuole, cette dernière possédant jusqu’à 95% de la quantité totale d’eau cellulaire. ABSORPSION DE L’EAU MISE EN EVIDENCE : LE POTOMETRE Afin de caractériser de la façon la plus simple et pédagogique possible la manière dont l’eau sera transportée par la plante, nous utiliserons un potomètre. Celui-ci consiste en un système fermé dans lequel nous inclurons les parties racinaires de notre plante, relié à un mécanisme permettant le maintien d’un niveau d’eau constant. La consommation d’eau pouvant être visualisée par le déplacement d’un indice, nous pourrons ainsi observer la consommation horaire de la plante en fonction de différentes conditions et ainsi analyser les différents paramètres incidents sur les pertes journalières en eau dues à l’absorption racinaire et l’évapotranspiration. La contre expérience peut également être réalisée : en coupant les parties racinaires et foliaires de la plante, nous observons une évapotranspiration quasi-nulle. ELEMENTS EXTERNES INFLUANT SUR L’ABSORPTION Différents facteurs influent sur l’absorption, dont bien évidemment des facteurs climatiques : • Ensoleillement et intensité lumineuse : en cas de très fort ensoleillement, les pertes d’eau sont conséquentes et peuvent égaler en une journée le poids de la plante. Le transfert d’eau en masse est donc très important. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 6 • Caractéristiques du substrat : la qualité du sol dépend de différentes caractéristiques qui incident sur la capacité de la plante à récupérer l’eau qui s’y trouve. Celles-ci sont : o Taille des particules minérales qui le forment o Quantité d’humus qu’il contient, jouant un rôle dans la rétention d’eau o Etres vivants qui l’habitent, incidemment compétition avec d’autres systèmes biologiques CARACTERISTIQUES DU SUBSTRAT Il existe une grande variabilité dans la taille des particules : Un sol sableux est constitué de particules larges (taille supérieure à 50µm), est friable, mais retient mal l’eau entre les pluies. Incidemment, il se dessèche rapidement et perd ses engrais par lessivage. Sachant que plus la taille des particules est faible, plus la quantité d’eau les entourant est élevée, les limons, d’une taille comprise entre 2 et 50µm, possèdent une capacité de rétention d’eau supérieure au sable. L’argile, quant à lui, est d’une taille inférieure à 2µm. Il retient incidemment beaucoup d’eau, mais peut également se compacter et durcir, de même qu’il peut se saturer d’eau et induire des conditions de vie anaérobie pour les organismes s’y trouvant. Il est admis qu’un sol idéal devrait contenir 40% de sable, 40% de limons et 20% d’argile afin de permettre un maintien de l’oxygénation ainsi qu’une capacité acceptable de rétention sans dessiccation rapide. Considérant un sol sablonneux comprenant 10% d’eau, celui-ci possède un aspect humide. L’eau y est facilement accessible pour les racines, puisqu’entourant les particules selon une couche facilement drainée. Considérant un sol limoneux, les molécules d’eau seront fortement liées à cet ensemble de structures du sol, la racine aura incidemment beaucoup de mal à récupérer cette eau, et ce d’autant plus s’il comprend des matières végétales telles la tourbe. Humidifié à 40%, un tel sol présente un aspect sec. Nous rencontrerons dans ces sols deux types de forces : • • Les forces matricielles dont nous venons d’avoir un aperçu, dépendant de la structure du sol et correspondant à des forces capillaires, c'est-à-dire des tensions superficielles entre les molécules d’eau et les particules, Les forces d’imbibition, s’apparentant légèrement aux forces capillaires, mais étant liées aux interactions électrostatiques entre les colloïdes et les molécules d’eau. Ces forces seront très variables en fonction des molécules : ainsi, des composés comme l’amidon s’hydrateront moyennement alors que les graines déshydratées présenteront de grandes forces d’imbibition. Ceci ne se met en place qu’au sein du processus d’hydratation des molécules. D’autre part, nous trouverons dans les sols des différences de LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 7 pression osmotique : en fonction de celle-ci, nous rencontrerons des pressions osmotiques racinaires croissantes, permettant une différence suffisante à l’absorption. Le système racinaire des plantes présente donc une adaptation dans une certaine limite : la pression osmotique racinaire s’approchant de celle du sol, la force d’aspiration de l’eau deviendra de plus en plus faible. Les plantes étant statiques, cette adaptation au milieu est nécessaire. SITES D’ABSORPSION Quels sont les sites d’absorption des molécules d’eau ? AU NIVEAU DES RACINES Nous trouverons au niveau des racines des structures adaptées au prélèvement de l’eau dans le sol. Rappelons la structure de la racine, composée de: • • • • • une coiffe composée de cellules de protection, un méristème apical racinaire, jouant un rôle dans le développement de la racine, une zone de division et de différenciation cellulaire en xylème et phloème, à partir du premier centimètre, mise en place de poils absorbants ayant une certaine durée de vie, à la suite de celle-ci, une zone sans poil absorbants avec mise en place de tissus protecteurs étanches. La zone permettant l’échange d’eau avec le système extérieur pourrait être les poils absorbants. Pour le démontrer, on met en place un système expérimental simple et efficace : l’expérience de Rosène. Il convient alors de se poser la question suivante : en quoi ce système de poils absorbants permet un avantage ? Ceux-ci, émis par des cellules aux vacuoles importantes appartenant à une assise particulière du rhizoderme, sont longs de 1mm et ont un diamètre de 10µm. De par ces caractéristiques, ils permettent l’augmentation de la surface d’échange avec le sol d’un facteur 100. D’un point de vue anatomique, ils possèdent une paroi pectocellulosique très fine, et se retrouvent en nombre très variable, avec entre 200 et 500 poils par cm². Chez certaines graminées, ce chiffre peut atteindre 2000 poils par cm². Cependant, les poils absorbants constituent-ils l’unique système d’absorption des plantes au cours de leur développement ? Chez les arbres ainsi que les eudicotylédones ligneuses et gymnospermes constitués en arbustes ou arbres, incidemment les plantes pérennes, les poils absorbants ne seront plus prépondérants. Un autre système de LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 8 pénétration du sol et de prélèvement d’eau et de nutriments réside en une symbiose avec des champignons, les mycorhizes, qui se propageront dans le sol et permettront un travail racinaire en échange de photosynthétats. Il est possible d’étudier la mise en place dynamique des racines dans le sol en fonction des milieux à l’aide d’un rhizotron. Le cas présenté est simple et permet de repérer les différences de développement entre un système drainant et un système ayant une forte rétention d’eau. On y remarque par exemple une division des racines lors de l’entrée en milieu humus. Il existe donc une dynamique d’adaptation de la plante en fonction des milieux. ABSORPTION AERIENNE Malgré que certaines plantes n’aient pas de connexion directe avec le sol, il faut bien qu’elles puissent s’alimenter en eau. L’année passée, nous avions abordé le cas de plantes vivant de cette façon, les plantes épiphytes. La plupart du temps, ces plantes ne sont pas parasites. Prenons l’exemple des orchidées, dont le système racinaire très différencié, le vélamen, ne correspond en rien à une racine de monocotylée. Le tissu y est ici très épais et comprend beaucoup de cellules corticales dont le rôle est l’absorption et la rétention d’eau. Les potentiels hydriques de ce système seront très faibles, de manière à absorber rapidement les molécules d’eau en contact physique avec celui-ci, voire la bruine. En effet, le différentiel de pression est tel que l’absorption directe de l’eau atmosphérique est possible. Prenons un autre exemple chez le Platycérium, chez lequel les feuilles âgées composent des coupes, des réservoirs accumulant l’eau ainsi que les substances minérales et organiques nécessaire à leur croissance. Ces organes sont dits « coques de Platycérium ». D’autres systèmes au sein desquels les parties aériennes et plus particulièrement les parties foliaires de la plante seront en contact avec un environnement changeant (brouillard, embruns, etc.) utiliseront la forte rosée provoquée par ces conditions afin de récupérer aisément leur eau. Le volume prélevé sera d’autant plus important que le différentiel de potentiel hydrique sera élevé, incidemment que le potentiel hydrique de la plante sera faible. Ces plantes absorberont et accumuleront par exemple l’eau de la rosée matinale afin de l’utiliser au cours de la journée. Ce mode de fonctionnement permet, dans des gérions semi-arides aux périodes de brouillard et de chaleur alternées, un apport nécessaire à leur survie et leur développement. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 9 COMPOSANTES PRINCIPALES DE L’ABSORPTION AU NIVEAU DES POILS ABSORBANTS Le transfert de l’eau au niveau des poils absorbant aura lieu par contact direct à partir du sol et en fonction de la différence de potentiel hydrique. Quel que soit le point d’entrée d’eau dans la plante, il est nécessaire que le contenu vacuolaire, dont les sucs, permettent d’atteindre une valeur de pression osmotique supérieure à Πext. Lors de sa pénétration, l’eau provoquera une hypertonie locale induisant une turgescence due à l’augmentation de la pression hydrostatique exercée sur les parois pecto-cellulosiques de la cellule. AU NIVEAU DES TISSUS INTERNES Au sein des tissus internes, nous observerons un gradient de concentration permettant la montée de l’eau et des nutriments vers les parties aériennes. Afin d’observer ce mécanisme, mettons en place une expérience simple, l’expérience de Dixon. Prenons un système simplifié constitué d’un cristallisoir comprenant du mercure dans lequel baigne un tube rempli d’eau modélisant l’effet réservoir de la plante. Simulons sur cette eau un effet de transpiration : appliquons sur l’eau un plâtre poreux permettant une sortie d’eau sans aucune entrée d’air. L’évaporation de la colonne d’eau exercera une tension au niveau de l’interface eau/mercure induisant une montée progressive de celle-ci. Ainsi, nous aurons en cas d’évapotranspiration la mise en place d’un déplacement d’eau dû aux interactions entre les molécules : on parle de la cohésion des molécules d’eau, créant un appel d’eau tout au long de la tige. Au sein de ce système, le moteur du transport de l’eau est la transpiration. Selon ce processus, il est possible de faire monter une hauteur de 1 mètre de mercure, correspondant à une colonne d’eau de 20 mètres. Extrapolé au monde végétal, ces forces pourront dépasser les 2MPa. Au niveau de la racine, la pression de turgescence due à l’entrée d’eau est en permanence compensée par la tension s’exerçant sur la colonne de molécules d’eau. ACTIVITES PHYSIOLOGIQUES Les transports de l’eau subiront des variations en fonction de l’activité physiologique de la plante. Celles-ci peuvent être relatives à : • • • L’ensoleillement, incidemment l’activité photosynthétique, La température, une température faible limitant les processus biologiques, et une température supérieure à 35°C induisant une limitation de ceux-ci, L’oxygénation des parties racinaires, leurs processus biologiques étant impossibles en condition anaérobie, et ces conditions menant à une putréfaction pure et simple de ces organes. Dans le cas de végétaux de milieux vaseux, ceux-ci possèderont des racines remontant en surface capables d’oxygéner les racines de profondeur. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 10 MECANISMES DE L’ABSORPTION De quelle façon se feront les transferts d’eau des parties racinaires jusqu’aux tissus conducteurs ? Ce mécanisme d’absorption peut être mis en évidence à l’aide d’une expérience simple, l’expérience de Hales, qui permettra d’observer les forces de transfert de l’eau à partir des poils absorbants jusque vers la stèle. Pour cela, il suffit de décapiter une plante et d’y installer un système de manomètre autorisant la mesure de la pression incidence ainsi que l’apparition éventuelle d’un flux net sans partie aérienne. Les résultats varieront fortement d’une plante à une autre, ces variations étant dues aux différentiels de pression osmotique entre le sol et les parties racinaires. Ce système osmotique met cependant en place une poussée dite radiculaire ou racinaire : il y a apparition d’un flux net de sève induisant une augmentation de pression. Cette dernière pourra varier, en fonction des espèces, de 1 Bar dans le cas de l’érable jusqu’à 9 Bars chez le marronnier. Dans la plupart des cas, la pression sera de l’ordre du bar. Certaines plantes dites « à forte transpiration » présenteront une pression quasi-nulle, la plupart de leurs transferts d’eau étant dus à l’évapotranspiration, alors que d’autres, dites « à faible transpiration », présenteront des systèmes de poussée racinaire relativement importants. Cependant, comment se met en place cette poussée racinaire ? Observons une coupe transversale de racine, et observons en les différentes structures : poils absorbants, épiderme, cellules parenchymatiques à méats, cellules à cadre de Caspary, péricycle, et enfin xylème et phloème disposés en alternance. Quel est le mécanisme permettant le déplacement de l’eau des tissus périphériques vers la stèle ? Au niveau du poil absorbant, ce sont les différences de potentiel osmotique vis-à-vis du sol qui permettront la pénétration de l’eau. Au fur et à mesure de l’entrée en profondeur dans le cortex, nous observerons une chute du potentiel hydrique due à une augmentation progressive de l’osmolarité des cellules. L’endoderme jouera un rôle très spécifique au cours du passage de l’eau et des composés minéraux en permettant une sélection des molécules pouvant pénétrer dans la stèle. Au sein de celle-ci, nous observerons une remontée du potentiel hydrique. Les vaisseaux du xylème, structure renforcées très solides, absorberont l’eau principalement à l’aide des forces de tension : le système mis en place n’est donc plus du tout de nature osmotique. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 11 LA TRANSLOCATION DE L’EAU LE TRANSPORT RADIAL Le transfert radial aura lieu à partir des structures cellulaires du parenchyme, où nous trouverons des vacuoles de taille importante, des méats, ainsi que des plasmodesmes assurant une interconnexion cellulaire. Le transfert d’eau pourra avoir lieu selon différents processus : • • • Un transfert apoplasmique, ayant lieu au travers des parois et méats, l’apoplasme correspondant à l’ensemble de la continuité des parois pecto-cellulosiques du végétal, Un transfert par voir transcellulaire, se déroulant quant à lui à travers les plasmodesmes de chaque cellule, le symplasme comprenant l’ensemble des cytoplasmes du végétal, L’eau pourra également être ponctuellement stockée au sein de la vacuole. Arrivée à l’endoderme, la voie apoplasmique est stoppée. Les transferts devant avoir obligatoirement lieu par voie transcellulaire, des transporteurs se chargeront de la translocation des différents composés destinés à la stèle. L’endoderme forme donc un barrage à tout transport apoplasmique, et impose un transport actif des ions et molécules organiques. L’eau diffuse quant à elle par effet de masse en fonction des potentiels hydriques. LA CONDUCTION Tandis que le transport de la sève brute se fera uniquement de manière ascendante, le transport de phloème aura quant à lui lieu dans différentes directions, et ce selon un principe source-puits : des organes génèrent un flux, alors que d’autres composent un puits de réception. SEVE BRUTE Le transport de sève brute aura principalement lieu à travers du xylème, constitué de diverses structures : • • • Fibres : ont pour unique rôle le maintien du tissu Tissus parenchymateux : permettant un contact ainsi qu’un transfert latéral de l’eau entre les vaisseaux, Vaisseaux ou trachéides : constituent un ensemble cellulaire tubulaire aux parois renforcées constitué sur la base d’un réseau de cellules mortes dont les différentes sections cellulaires ont été digérées. Leur taille est assez variable en fonction des espèces végétales considérées, de 40µm de diamètre pour l’érable jusqu’à 400µm chez le chêne. Dans une structure de ce type, l’eau est transférée par principe de capillarité : les forces, incidemment la montée en eau, seront inversement proportionnels au diamètre du tube. Il est ainsi possible, au sein des plus petites trachéides, de faire monter une colonne d’eau de 1,5m. Pour un diamètre de 50µm, 0,6m et 200µM, 0,08m. La moyenne es tla suivante : 50µm h=0,6m, 200µm h=0,08m. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 12 Notons que certains vaisseaux peuvent atteindre 10 mètres de hauteur. Incidemment, quelles sont les limites du système ? La cohésion des molécules d’eau au cours de leur montée entraîne des 2 dépressions responsables de la formation de bulles de cavitation , elles mêmes responsables d’embolies vasculaires de la plante. En effet, la rupture de la colonne d’eau induit la perte de cohésion des molécules. L’eau ainsi stoppée dans sa montée peut alors continuer son transfert en étant déviée à l’aide de plasmodesmes au sein d’un vaisseau proche. Ce phénomène explique la nécessité de régénération de nouveaux tissus conducteurs. Dans des conditions optimales d’évapotranspiration, les vitesses de transfert peuvent atteindre de 1 à 6 mètres par heure. En période hivernale et en fonction de la température, celles-ci peuvent être fortement réduites, avec des vitesses de l’ordre de quelques centimètres par heure, voire nulles. A l’opposé, la montée de sève chez certains grands arbres peut atteindre les 100 mètres par heure. Se pose alors le problème du décalage entre le temps relatif à l’évapotranspiration et la montée de sève. Il est alors nécessaire d’intégrer toutes les forces en présence : • • • Forces de capillarité, jouant un rôle assez faible mais non négligeable, Pression racinaire, qui peut permettre une montée d’eau d’un à plusieurs mètres Aspiration foliaire, principale force chez les plantes Ces trois forces varient en fonction des paramètres de la plante. L’effet d’aspiration induisant une pression négative, la nécessité de l’utilisation d’une structure rigide est expliquée. CIRCULATION ET TRANSPORT DE LA SEVE ELABOREE Au sein des vaisseaux du phloème circule la sève élaborée. Celle-ci, plus dense en minéraux, photosynthétats dont le saccharose, ions, acides aminés et phythormones aborde incidemment une texture sirupeuse. Cette viscosité induit une vitesse de circulation très faible, de l’ordre de 10 à 100cm par heure. Le tissu phloémien comprend des tubes criblés qui, au contraire des trachéides, sont composés de structures cellulaires vivantes. Le transport est effectué de manière rétrograde, selon un processus source-puits. Il convient de noter qu’un organe source produit des glucides, alors qu’un organe puits les utilise ou les met en réserve. Au niveau des parenchymes foliaires, les produits synthétisés seront accumulés et pompés vers les cellules criblées. Dans le cas du saccharose, le transfert sera réalisé à l’aide d’un cotransport à échange de proton, ce dernier dépendant de la force du gradient électrochimique généré par des ATPases à protons. 2 http://fr.wikipedia.org/wiki/Cavitation LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 13 Ce saccharose sera ensuite déplacé par diffusion vers les zones où il sera le plus consommé. Sa migration se fera donc vers les zones de développement, par exemple les méristèmes apicaux. Le principe des puits repose sur une infériorité de la concentration en un composé, incidemment sur des principes d’osmolarité. Au sein d’organes de réserve, le saccharose sera métabolisé en amidon, n’ayant plus d’effet osmotique. L’eau ayant servi au transport vers les puits est alors recyclée au niveau du xylème à hauteur de 5%, les 95% restants ayant participé à l’évapotranspiration. EMISSION D’EAU CHEZ LES VEGETAUX Le matin, nous pouvons observer sur les feuilles de certains végétaux des gouttelettes d’eau. Celle-ci n’a rien à voir avec la rosée, puisque provenant du phénomène de guttation. La nuit, la plante ne subissant pas d’évapotranspiration, la pression racinaire provoque la montée et la répartition de l’eau au sein de la feuille. Certaines structures, les stomates aquifères ou hydatodes, sont alors spécialisées dans le relargage de cette eau sous forme de gouttelettes. Ce mécanisme est spécifique de petites plantes et monocotylées, et a principalement lieu au matin, dans un sol gorgé d’eau et en présence d’air assez humide pour permettre une non-évapotranspiration. Ce système constitue une petite partie des mécanismes de transfert de l’eau. MECANISME DE TRANSPIRATION La transpiration aura lieu au niveau des tiges à travers les lenticelles, qui consistent en des fractures de l’écorce, à hauteur de 10%. Les 90% restants représentent l’évapotranspiration foliaire. Il convient cependant de noter que chez certaines plantes, nous retrouverons des structures de type stomatique sur les tiges, par exemple chez le cactus. Structurellement, la plante possède des épidermes protégés par une cuticule, dépôt cireux limitant l’évaporation directe. Les rayonnements solaires permettent néanmoins la vaporisation de l’eau des cellules végétales et son accumulation sous forme gazeuse au sein du parenchyme lacuneux. Les molécules d’eau d’origine xylémienne se répandent alors dans les tissus et se vaporisent à l’interface entre cellules et lacunes. ANATOMIE DE LA FEUILLE Il existe un rôle direct entre transpiration et photosynthèse fonctionnelle. Au niveau des feuilles, les cellules stomatiques régissant le contrôle de l’ouverture et de la fermeture de cette structure permettent une sortie d’eau et d’oxygène ainsi qu’une entrée de dioxyde de carbone. Une molécule de CO2 est généralement échangée contre 10 molécules d’O2, d’où l’importance du mécanisme d’évapotranspiration dans le but d’une photosynthèse active. Le mécanisme de transpiration joue sur l’utilisation des lacunes, lesquelles étant entourées d’une couche d’hydratation extracellulaire. Un mécanisme basé sur les forces matricielles et tensions superficielles s’y met en place : l’eau enrobera les tissus végétaux afin de constituer une surface d’échange importante avec LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 14 l’atmosphère. L’évaporation de cette eau par la partie infrarouge du spectre lumineux permet ainsi le refroidissement de la plante. Plus la quantité d’eau diminue, plus la tension superficielle est forte, et plus la pression hydrostatique sera élevée. Suivant l’état de l’atmosphère, l’eau sera ainsi plus ou moins attirée. Nous avons donc une force très importante d’attraction des molécules d’eau dans l’atmosphère. Toutes les plantes de grande taille utiliseront ce mécanisme de transfert d’eau, dans la limite des problèmes de cavitation, dont la formation est possible à repérer avec l’aide de systèmes acoustiques. MISE EN EVIDENCE Afin de mettre en évidence ce transfert, il est possible de mesurer la différence de poids d’un système fixe, observer la formation d’eau à l’aide d’un système en cloche, ou enfin mesurer directement les changements de volume à l’aide du potomètre. FONCTIONNEMENT DES STOMATES Il existe deux grands types de stomates : elliptiques chez les eudicotylédones, et de type graminéen ou « en T » chez les monocotylées. Deux cellules de garde y bordent un espace, l’ostiole, et ces cellules de garde sont elles mêmes entourées par le complexe cellulaire des cellules annexe. Au sein d’une stomate, les cellules de garde sont les seules possédant des chloroplastes. En observant dans une coupe différente, les stomates présentent une chambre sous-stomatique permettant les échanges avec l’atmosphère. L’ouverture de ces structures est régie par un système complexe, afin de faciliter ou d’arrêter le passage de l’eau. Celles-ci, en plus d’un échange d’eau, permettront l’entrée de certaines molécules comme l’ozone ou les dioxydes de soufre qui pourront attaquer les cellules fonctionnelles de la feuille et entraîner des pertes d’efficacité photosynthétiques. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 15 LOCALISATION Présents sur toutes les plantes dites supérieures (mousses, fougères, gymnospermes, angiospermes, etc.), leur distribution n’est pas homogène entre la face inférieure et supérieure des plantes. Nous trouverons généralement un plus grand nombre de stomates sur la face inférieure que supérieure, cette dernière étant en contact direct avec les rayonnements lumineux. Ainsi, certaines plantes adaptées aux stress hydriques n’en possèdent pas sur leur face supérieure, et certaines autres espèces adaptées, comme le nénuphar, n’en possèdent pas sur leur face inférieure. La distribution des stomates est donc très variable en fonction des espèces, des conditions de croissance de la plante, de la position des feuilles sur celle-ci, de son exposition à la lumière, et de l’espèce considérée. Ces stomates se retrouveront principalement sur les feuilles, mais aussi sur les pétales, sépales, mais aussi dans certains cas sur des tiges dans le cas de feuilles très réduites. Leur densité variera entre 20 et 400 stomates par mm². Les stomates sont constitués de deux cellules stomatiques de forme très spécifique. Sur celles-ci, nous retrouverons un épaississement de la paroi inégal, épaisse vers l’intérieur, et assez fine sur le bord externe. Nous trouverons d’autre part des fibres tangentielles à la structure, rigidifiant ce système. D’autres fibres longitudinales assureront une amélioration de la résistance de celui-ci. Il existe une alternance dans le temps entre un stomate turgescent et plasmolysé. En turgescence, l’augmentation de la pression hydrostatique induira, d’après sa structure, une cambrure de la cellule stomatique et incidemment une ouverture plus large de celui-ci. En plasmolyse, la cellule aura au contraire tendance à s’allonger et ainsi refermer l’espace stomatique. Jusque dans les années 70, le fonctionnement des stomates était inconnu. Nous observons que ceux-ci sont ouverts à l’obscurité et fermés à la lumière. Entre ces deux phases, deux grandes variations se mettent en place. Nous suivrons ici les flux de potassium et le pH intracellulaire. A la lumière, lorsqu’un stomate est ouvert, les cellules de garde possèdent une concentration en potassium assez forte, décroissant rapidement en périphérie, ainsi qu’un pH de 5,6 dans les cellules de garde décroissant également en périphérie. Ainsi, LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 16 nous avons une certaine concentration en protons aux alentours des celui-ci. Inversement, à l’obscurité, la concentration en potassium est totalement inversée : de valeur haute pour les cellules de la périphérie, elle chute lorsque l’on se rapproche des cellules de garde. Le pH subit le même phénomène. C’est la forte augmentation de concentration en ions potassium, accumulés dans les vacuoles des cellules de garde, qui attirera et permettra une absorption importante des molécules d’eau du fait du gradient mis en place, induisant la turgescence de la cellule, incidemment l’ouverture mécanique du stomate. A l’inverse, chez un stomate en fermeture, il y a répartition du potassium dans les cellules annexes, et chute de sa concentration au sein des cellules de garde. Cette alternance sera étroitement contrôlée par les flux de potassium. Afin de connaître quels sont les paramètres limitant l’ouverture ou la fermeture de ces stomates, nous travaillerons à l’activation ou l’inhibition des différents processus en jeu. Pour cela, nous pouvons utiliser des composés pharmacologiques afin d’étudier le rôle des protons. En utilisant de la fusicoccine, un activateur des pompes à protons, nous observerons une ouverture des structures stomatiques. Quant au vanadate, inhibiteur, une fermeture ou une inhibition de l’ouverture aura lieu. MECANISME D’OUVERTURE Au sein de ce système, nous observons que l’activation d’une pompe à protons ATP-dépendante des cellules de garde aura pour rôle d’excréter les protons en périphérie de ces cellules. Un potentiel électrochimique est créé, qui sera compensé par l’entrée d’ions + potassium, l’entrée d’ions chlorure par antiport Cl /H ainsi que par symport Cl /OH . Simultanément, les sucres accumulés subiront une dépolymérisation en malate et seront transportés dans la vacuole sous forme malate chargé. Les ions potassium et chlorure seront également transportés activement à l’intérieur de la vacuole, induisant une forte augmentation du potentiel de soluté des cellules de garde. Ainsi, les molécules d’eau sont attirées, pénètrent la cellule et induisent augmentation de pression hydrostatique, et turgescence. MECANISME DE FERMETURE La fermeture des stomates est liée à une phytohormone, l’acide abcissique ABA, produit au sein des structures racinaires dès un début de carence en eau. Celui-ci sera transporté jusque dans les feuilles où il interagira avec des récepteurs n’ayant pas encore été caractérisés. Dans le cas des stomates, l’action de cette phythormone est directe, induisant une cascade d’évènements dont l’ouverture de canaux calcium. Les ions sont ainsi libérés de certaines structures cellulaires, bloquant dans un premier temps la pompe à protons et entraînant la fermeture des canaux d’influx du potassium. Dans un second temps, ce calcium permettra l’activation des canaux de sortie du potassium en expulsant LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 17 les différents anions accumulés par canaux spécifiques. Ceci conduira à une chute importante de la pression osmotique, puis plasmolyse. Dans ce mécanisme, certaines formes actives de l’eau seront produites. Elles auront des rôles sur les canaux potassium. CONTROLE DES MOUVEMENTS LUMIERE • • • + La lumière bleue stimule des récepteurs de la membrane activant des pompes K , qui entre dans la cellule. + La lumière active la photosynthèse, qui permet la production d’ATP nécessaire aux pompes K La lumière active la photosynthèse, qui induit une baisse de concentration en CO2, activant l’ouverture stomatique (on ne sait pas pourquoi). En cas de forte concentration en CO2, même en présence de lumière, l’ouverture stomatique sera inhibée. Il existe donc un lien entre activité photosynthétique et mécanisme d’ouverture stomatique, régi par un mécanisme encore mal connu de perception de la concentration en CO2. AGRESSIONS EXTERIEURES • • • En cas de baisse de la concentration en eau, les racines permettront la synthèse d’ABA. Lorsque l’eau devient limitante, même dans de bonnes conditions d’exposition, ce processus régule la fermeture des stomates. En cas de baisse de concentration en eau, la turgescence diminue, induisant mécaniquement la fermeture des ostioles. En fonction des conditions de température du milieu extérieur, à faible température, nous n’aurons qu’une très faible ouverture des stomates foliaires, tandis ce que vers une température optimale de 25 à 30°C, nous observerons une ouverture proche de 95%. HORLOGE INTERNE Les cycles ouverture/fermeture, contrôlés par des systèmes d’horloges internes, sont d’une durée de 24h (on parle de rythme circadien), et sont maintenus même sans alternance lumière/obscurité. VARIATIONS DE LA TRANSPIRATION EFFET DES FACTEURS STRUCTURAUX Les systèmes d’évapotranspiration de la plante sont sujets à de grandes variations, qui auront lieu en fonction de la perte des feuilles annuelle chez les plantes caduques, ou bien chez des plantes adaptées aux climats semiarides, par exemple. On perd ainsi une certaine capacité de transport de l’eau. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 18 Différentes structures vont ainsi être mises en place : la forme des tissus de la feuille variera en fonction des conditions atmosphériques, en atmosphère sèche le tissu palissadique sera beaucoup plus compact et la cuticule sera beaucoup plus épaisse, et nous pourrons observer une variation du nombre de stomates. EFFET DES FACTEURS EXTERNES L’humidité du sol, tout comme celle de l’air, permettra de réguler l’ouverture des stomates par l’ABA. Ainsi, plus l’air est sec, plus la transpiration sera forte, et ce jusqu'à ce que la plante ne puisse pomper d’eau. En cas d’humidité importante, il n’y aura que peu de transferts d’eau vers l’atmosphère, et les phénomènes de transpiration auront lieu via des phénomènes comme la guttation. L’agitation de l’air aura également un rôle important. En effet, s’il n’y a que peu de vent, une couche d’humidité ayant pour origine l’évapotranspiration se mettra en place en périphérie de la feuille et limitera les échanges en eau autour de celle-ci. Le vent déstabilisera cette couche d’air humide. Les plantes CAM auront un comportement de photosynthèse différent. La nuit, ces plantes fixent le CO2 atmosphérique afin de produire des acides organiques qu’elles utiliseront le jour lors de la photosynthèse. Chez ces plantes adaptées à un environnement où l’eau est peu accessible, l’ouverture stomatique se fait la nuit. Contrairement à ce que l’on peut observer chez les plantes classiques, les plantes CAM fonctionnent selon des processus totalement inversés, elles n’obtiendront incidemment pas la même taille que d’autres plantes. Des variations auront également lieu en fonction des conditions de l’année. Ainsi, un arrosage sur des plantes en pleine chaleur les induit en erreur. En cas de gel prononcé sur des plantes à feuilles, l’eau ne peut pas être pompée. Les stomates peuvent cependant s’ouvrir, et l’évapotranspiration conduit au même mécanisme de déperdition d’eau. La transpiration peut être limitée avec l’aide de certains inhibiteurs comme le phénylacétate de mercure permettant de bloquer le transfert d’eau, ou bien certains polymères à rependre sur les feuilles. Vis-à-vis de leur rendement, des plantes transpirant moins mais survivant aux conditions ne sont pas rentables, le mécanisme de transpiration étant totalement lié à celui de photosynthèse. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 19 LA NUTRITION MINERALE INTRODUCTION La croissance d’une plante sur un sol à lieu en fonction de l’eau utilisée au sein des processus d’évapotranspiration et de photosynthèse. D’autres éléments sont cependant nécessaires à sa croissance. Mais demandons son avis à l’un de nos amis Grecs. « Les plantes se forment à partir des éléments du sol. Tout vient du sol. Quand pousse une plante, c’est la terre, en quelque sorte, qui se transforme en plante. » Aristote, 382-325 av. JC Il se trouve que celui-ci a partiellement raison. EXPERIENCES DE VAN HELMONT Les expériences de Van Helmont, en 1577, ont permis de comprendre certains rôles du sol à travers la pesée des masses de sol en fonction du développement de végétaux. La différence de masse étant minime, avec une variation de 0,06kg de sol utilisé pour construire la plante, il apparaît donc qu’une grande partie des constituants de la plante proviendront donc d’autres éléments que le sol. La conclusion de Van Helmont est que l’arbre s’est formé surtout à partir de l’eau d’arrosage, le reste venant du sol. En effet, il paraissait difficilement concevable que l’air, une substance de masse quasi nulle en apparence, puisse contribuer de quelque façon que ce soit à la masse végétale. Cette conclusion n’est pas totalement fausse, dans la mesure où une petite partie de la biomasse provient de l’eau, celle-ci fournissant les atomes d’hydrogène de la matière organique végétale. Ainsi, les 12 hydrogènes de chacune des molécules de glucose proviennent de molécules d’eau. HYPOTHESE DE HALES Un siècle plus tard suite aux progrès de la chimie organique, il est démontré que la matière organique est basée sur des squelettes carbonés. Puisque l’eau ne comprend pas de tels atomes, la biomasse végétale ne peut pas provenir exclusivement de cette dernière. Hales suppose alors qu’une partie importante de la biomasse considérée provient du gaz carbonique. NUTRITION MINERALE VEGETALE Nous savons donc que le sol contribue pour une petite partie et l’eau et le CO2 pour une grande partie à l’édification et la constitution de la masse du végétal en fin de croissance. Cette nutrition va être étudie par différents chercheurs : • Woodward : une culture sur sable ne peut se maintenir en vie si elle est seulement arrosée avec de l’eau distillée. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 20 • • • • De Saussure : tous les minéraux ne sont pas absorbés de faon identique par les plantes, certains sont plus importants. Sprengel : les plantes ont besoin d’une balance particulière de minéraux et l’absence même d’un seul d’entre eux va gêner leur croissance. Début de l’agriculture en tant que science. Boussingault : poursuit les travaux de Sprengel. Le sol a besoin de se renouveler en substances minérales. Von Sachs : culture sans sol, appelée maintenant culture en hydroponie, identifie N, P, K, Mg, Ca, S et Fe comme importants. Les plantes sont des organismes autotrophes, capables de produire de la matière organique à partir de la réduction de matière inorganique. Afin de comprendre les besoins des plantes, nous observerons les travaux réalisés par Von Sachs afin d’appréhender la nutrition minérale chez les végétaux. LES BESOINS EN ELEMENTS MINERAUX Pour comprendre les besoins et la nécessité en minéraux des plantes, les travaux menés au XIX par Von Sachs ont permis de définir quelles étaient les quantités de chaque élément essentiel à la croissance. Pour cela, Von Sachs a joué sur la formulation et le dosage de différentes solutions minérales sur des substrats synthétiques. A l’issue de l’interaction avec les plantes, il est possible de déterminer la quantité d’éléments minéraux restants. Les éléments essentiels identifiés sont donc l’azote, le phosphore, le potassium, le magnésium, le calcium, le soufre et le fer. Dans le cadre d’une culture hydroponique, nous nous rendons compte que plusieurs éléments altèreront plus ou moins le comportement de la plante. Nous devons ainsi nous assurer de la bonne oxygénation de la plante, notamment des racines afin d’éviter l’anoxie induisant la mort des tissus racinaires par privation d’oxygène, et considérer le fait que chacun des substrats utilisés possède des inconvénients : • • • Laine de verre : libération de sodium Laines de plastiques : libération de chlore en quantité importante Laines de verre Pyrex : libération de bore en quantité importante Quel que soit le substrat utilisé, des ions se libéreront de la matrice. Nous devrons donc nous assurer que ceuxci n’altèrent en rien les capacités de la plante. Grâce à ces expériences, ont pu être définis les éléments minéraux nécessaires à la croissance de la plante. ELEMENTS NUTRITIFS ESSENTIELS ET BENEFIQUES A LA CROISSANCE Toute une gamme d’éléments minéraux nutritifs et bénéfiques à la croissance pourra être définie. Une plante est constituée à 90% d’eau, et incidemment de 10% de résidus secs. Parmi ceux-ci, on trouve : • • 90% d’éléments organiques (C, H, O) 10% d’éléments minéraux, que l’on peut séparer en deux catégories : o Eléments minéraux en grande quantité o Eléments minéraux en quantité plus faible On définit ainsi des éléments majeurs ou macroéléments, ainsi que des éléments mineurs ou microéléments. Nous étudierons le rôle respectif de chacun ainsi que la quantité à apporter pour obtenir une croissance optimale. La répartition de ces éléments est donnée dans le tableau ci-dessous. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 21 VARIATIONS DE LA COMPOSITION EN FONCTION DE L’ESPECE Des adaptations de la composition existent en fonction de différents phylums végétaux. Chez les plantes crucifères comme le chou, la moutarde ou les liliacées comme l’ail, nous rencontrerons un besoin important en soufre, puisque présent sous forme complexée à des sucres à hauteur de 1% de la masse sèche. Chez des plantes comme les graminées, la silice constituera une part importante de la structure aérienne, à hauteur de 4 à 5% du poids sec. Celle-ci imprégnera les parois cellulaires permettant d’augmenter leur accroche herbacée. Chez des plantes halophytes, nous retrouverons une concentration importante de sodium dans la vacuole. Chez la pomme de terre ou les feuilles d’épinard, nous retrouverons du potassium en très grande quantité. La bruyère, quant à elle, poussera sur des sols ne contenant que de très faibles quantités de calcium, celui-ci étant toxique pour la plante. EN FONCTION DE L’AGE Au sein de graines en train de germer, les concentrations en minéraux seront importantes, notamment pour le phosphore et le soufre, que nous trouverons en très grande quantité. Les jeunes organes en développement seront caractérisés par une teneur très élevée en N, P, K. Enfin, quand l’organe vieillit, les concentrations de ces trois éléments diminueront progressivement. Notons que la perte de potassium sera compensée par un gain de calcium entraînant l’organe vers un état de sénescence. LES MACROELEMENTS Nous retrouvons parmi les macroéléments des éléments des deux grandes classes d’ions. Certains cations de type métaux comme le potassium, sodium, calcium et magnésium joueront des rôles importants au sein de la cellule. Ils seront absorbés sous forme libre, et quelquefois sous forme complexée. Nous trouverons également 2des anions tel chlorure, seul absorbé sous forme libre, mais aussi soufre sous forme SO4 , phosphore sous forme HPO4 , silicium sous forme SiO3 . La plupart de ces minéraux seront métabolisés et incorporés au sein de molécules organiques, à l’exception notable du chlore. Les nitrates NO3 seront quant à eux absorbés afin de constituer les bases de l’édification de molécules organiques. L’AZOTE L’azote, présent à hauteur d’entre 1 et 5% au sein de la plante, peut être apporté sous forme anionique ou + cationique respectivement en nitrate (NO3 ) ou ammonium (NH4 ). Ce constituant des acides aminés, protéines et molécules de chlorophylle servira à la production des protéines photosynthétiques. Utilisé en permanence LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 22 dans la plante, c’est un élément très mobile se déplaçant des parties aériennes aux parties racinaires, des parties jeunes aux parties à concentration, etc. Notons qu’un kilogramme de sol contient : • • • • 3000 milliards de bactéries 400 millions de mycètes 50 millions d’algues 30 millions de protozoaires, nématodes, autres vers et insectes. Notons l’existence chez certaines plantes d’associations entre racines et bactéries. Les légumineuses, phylum le plus évolué chez les eudicotylédones, ont la particularité de voir leur racines infectées par des bactéries du genre Sinorhizobium au niveau d’organes particuliers sphériques à croissance contrôlée : les nodosités. Ces bactéries permettent la fixation de l’azote de l’air en catalysant la réaction suivante : >? 8A B 6 $"é% 6 2>AD A? Et le rendent ainsi assimilable dans la plante sous forme ammoniacale. De cette façon, la croissance de la plante est permise, malgré que l’azote soit généralement limitant. Il existe donc un système d’interactions entre la plante fournissant des composés carbonés ainsi qu’un abri, et les bactéries qui fixeront en contrepartie l’azote atmosphérique et fourniront la plante en engrais azotés. Celui-ci constitue un cas de mutualisme ou de symbiose. Notons que ces bactéries sont les seuls organismes capables de la fixation de l’azote atmosphérique. Les légumineuses ont un avantage écologique : elles produisent beaucoup plus d’engrais que nécessaire, et favorisent ainsi la croissance des organismes à proximité de la racine, d’où l’importance agronomique de rotations entre légumineuses et cultures à hauts rendements. Leur culture enrichit donc le sol en engrais azotés, et d’autant plus si l’on enfouit une partie de la récolte dans le sol. Une culture de luzerne peut ainsi apporter au sol plus de 300kg d’azote par hectare, ce qui est 45 fois supérieur à la production bactérienne sans association symbiotique. PHOSPHORE Le phosphore, présent à hauteur de 0,1 à 0,5%, jouera aura un rôle important lors de l’utilisation des ressources minérales du sol ainsi que lors du développement de la plante. Celui-ci, principalement absorbé – 2sous forme H2PO4 ou HPO4 , entrera dans la composition d’intermédiaires énergétiques tels que les nucléotides mono, di ou triphosphate, mais aussi au sein des acides nucléiques et au cours des phosphorylations de protéines et de lipides. Egalement utilisé à des fins de régulation des activités enzymatiques, le phosphore sera incidemment un élément très mobile au sein de la plante où il pourra être rapidement mobilisé. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 23 La capacité d’assimilation du phosphore par la plante dépendra du pH du sol : seules des valeurs incluses entre 5,5 et 7 nous permettront d’obtenir un phosphore organique mobilisable. Incidemment, nous retrouverons au sein de sols très acides ou très basiques des formes inorganiques du phosphore, difficilement assimilables par le végétal. Jusqu’à 80% du phosphate étant ainsi indisponible, il est donc nécessaire d’amender le sol afin de le placer des conditions d’acido-basicité optimum pour l’absorption de celui-ci. Notons que le phosphate est très peu mobile, son déplacement étant de l’ordre de 1am/sec, et que sa disponibilité dans le sol est inférieure à 10µM. Enfin, précisons que le phosphate organique est lentement minéralisé. Chez certains végétaux, il est possible d’observer la formation d’un mycorhize, qui est une symbiose mutualiste entre un champignon et une plante. Celle-ci permet l’augmentation de l’absorption de l’eau et des minéraux, plus particulièrement du phosphore, du cuivre et du zinc, de par l’augmentation des surfaces d’échange et les propriétés d’absorption propres aux champignons. Cette association contribue également à l’augmentation de la qualité du sol par modification de sa texture. A l’âge adulte, nous retrouvons 90% de plantes mycorhizées : 83% d’Eudicotylédones, 79% de Monocotylées, et 100% des Gymnospermes. POTASSIUM + Présent à hauteur de 0,5 à 6%, et absorbé directement sous forme ionique K , le potassium joue un rôle essentiel au sein des mécanismes de transfert de l’eau et lors des processus de régulation du potentiel osmotique. Il servira également à la balance cationique pour le transport d’anions, en plus d’être un cofacteur de nombreuses enzymes. Il intervient notamment plus ou moins directement lors des processus de synthèse des protéines, de l’ATP, et lors des mécanismes photosynthétiques. Le potassium est très mobile au sein de la plante. En cas de carence, nous observons une dégradation importante de la plante ainsi que la mise en place d’une chlorose importante. CALCIUM 2+ Présent à hauteur de 0,2 à 1%, le calcium est absorbé sous forme ionique Ca . Nous connaissons déjà son rôle important au sein des cellules animales et végétales : c’est un composant des membranes cellulaires et des parois, il est important lors de l’élongation et divisions cellulaires, et c’est un cation de balance pour le transport d’anions. Il est en revanche très peu mobile dans le plante, sera stocké et relargué en cas de besoin. MAGNESIUM 2+ Présent en de plus faibles quantités (de 0,1 à 0,4%), le magnésium sera absorbé sous forme ionique Mg . C’est un composant essentiel de la chlorophylle, ainsi qu’un cofacteur d’activation de nombreuses enzymes. Il entre dans la composition des ribosomes, et est très mobile dans la plante. SOUFRE Le soufre constitue l’un des derniers macroéléments de la plante. Présent à hauteur de 0,1 à 0,5%, il peut se 2retrouver dans des concentrations variables dépendant de l’espèce considérée. Il et absorbé sous forme SO4 . C’est un composant de certains acides aminés, un précurseur à la biosynthèse de vitamines, hormones et autre LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 24 métabolites de la plante, et enfin un composant de glycosides donnant leur odeur à l’oignon, la moutarde, etc. Il est quasiment immobile dans la plante, car assimilé de manière protéique et stocké. MICROELEMENTS Les microéléments doivent être présents en faible quantité dans le sol afin de permettre un développement normal des végétaux. CHLORE MOLYBDENE Présent à hauteur de 0,2 à 2% et absorbé sous forme ionique Cl , le chlore n’est impliqué dans aucune molécule, mais est utilisé lors du maintien des équilibres hydriques et chimiques (contrion de + K ), et permettra de ce fait de résister à différentes maladies de par le fonctionnement correct de ceux-ci. Il joue également un rôle lors de la photosynthèse, et est très mobile au sein de la plante. Se retrouvant dans une concentration inférieure à 1ppm, le molybdène est absorbé sous forme 2MoO4 . Il joue un rôle important lors de la nutrition azotée en entrant dans la composition de complexes essentiels, où il servira lors de la symbiose à la réduction des composés nitriques + NO3 en composés ammoniacaux NH4 , ainsi qu’à l’absorption et au transport du fer. Fortement lié, il n’est donc pas mobile. FER 2+ 3+ Absorbé sous forme Fe et Fe jusqu’à des concentrations allant de 10 à 1000ppm, le fer permet, entre autres, un contrôle de l’état redox. Il joue un rôle lors de la photosynthèse, ainsi que lors de la synthèse protéique et se retrouve au sein de la molécule de chlorophylle. Ayant une action délétère, il doit être complexé à des protéines et est donc non mobile. Dans le sol, le fer ne sera disponible à l’assimilation qu’en fonction du pH : plus celui-ci est bas, plus la forme 2+ 3+ Fe , soluble et ainsi assimilable au contraire de la forme Fe , sera représentée. Cependant, des baisses importantes de pH ne sont pas compatibles avec les plantes. Il existe donc deux grandes stratégies d’absorption du fer : Les Eudicotylédones acidifieront la rhizosphère, incidemment les grains d’hydroxyde de fer III présents dans le 3+ sol, à l’aide d’un système ATPase à protons. Plus le pH sera abaissé, plus les échanges de Fe seront possibles. Le fer III ainsi libéré sera chélaté par des éléments phénoliques et transporté à la racine où il sera réduit en Fer II. La plante doit donc mettre en place des processus de transport actifs. Une fois internalisé, le Fer II doit être complexé à des protéines afin de ne pas se retrouver sous forme libre. Cette stratégie permettant la conversion d’un fer non assimilable sera utilisée pour d’autres métaux comme le zinc, le cuivre et le manganèse. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 25 Les Monocotylées utiliseront quant à elles une autre stratégie en produisant des phytosidérophores, molécules chélatrices du Fer III permettant son assimilation. Un mécanisme identique est utilisé pour le zinc et le cuivre. Au sein de milieux de culture, nous utiliserons pour cela l’EDTA. La plante, mais également d’autres organismes en compétition, produiront ces sidérophores qui seront excrétés dans la rhizosphère. Une fois le Fer III chélaté, les sidérophores seront 3+ 2+ transportés et digérés avant que le Fe soit réduit en Fe . Cependant, la présence d’une bactérie au sein de la rhizosphère peut être responsable de la production de sidérophores plus affins que les phytosidérophores, ou même du transport des phytosidérophores au profit de cette bactérie. Précisons enfin que les champignons symbiotiques utiliseront également cette stratégie. CUIVRE ET ZINC BORE D’autres métaux, tels le cuivre et le zinc représentés respectivement dans des concentrations de 5 à 20ppm et de 25 à 150ppm, peuvent avoir des effets néfastes si libres au sein de la cellule : ils sont donc fixés par des protéines. Malgré leur faible quantité, ils sont utiles au fonctionnement cellulaire du végétal. Retrouvé à des concentrations différentes chez les Monocotylées et Eudicotylédones –respectivement de 6 à 18ppm et de 20 à 60ppm-, le bore est assimilé sous forme d’acide borique H3BO3. Il est impliqué lors du transport des sucres membranaires, au sein du métabolisme carboné, et est important lors du développement cellulaire, de l’élongation, et de la symbiose. Il est non mobile. 2+ Le cuivre, absorbé sous forme ionique Cu , intervient lors de réactions redox, de l’activation enzymatique, et de la formation de la paroi. Le 2+ zinc, absorbé lui aussi sous forme ionique Zn , joue un rôle lors de la synthèse et l’activation enzymatique, et lors de la production d’auxine. MANGANESE Présent à une concentration allant de 20 à 500ppm 2+ et assimilé sous forme ionique Mn , le manganèse intervient lors de réactions redox et lors du processus photosynthétique à travers la production d’oxygène.Il peut substituer l’ion magnésium lors de l’activation enzymatique de certaines fonctions. Comme tous les métaux, il est non mobile. COBALT, VANADIUM ET SODIUM Ils ne sont pas essentiels chez tous les végétaux. Le cobalt permet la fixation d’azote chez les légumineuses, le vanadium est essentiel chez les algues vertes et favorise la croissance du riz, de l’orge et du maïs, et le sodium peut substituer le potassium dans la balance ionique et favorise la croissance de nombreux légumes verts comme les épinards, la salade, etc. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 26 INTRODUCTION AU DIAGNOSTIC VISUEL DES CARENCES EN MINERAUX ALIMENTATION DES VEGETAUX LE SOL : UN RESERVOIR Le sol, en plus de son rôle évident de support physique au développement du végétal, est un réservoir fournissant un accès à l’eau, aux éléments minéraux du sol, et à l’oxygène. Celui-ci est constitué de différentes couches. En surface se trouve une composante riche en humus, comprenant de 10 à 15% de matière organique, où la flore se dégrade. Nous y trouverons incidemment un grand nombre d’éléments LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 27 utilisables par la plante. Cette composante étant très sensible à l’hydratation, la plante préfèrera puiser son eau au sein de la couche inférieure. Celle-ci, plus pauvre en matière organique, comprendra néanmoins une grande quantité de substances minérales ainsi qu’un humus lessivé. La composante inférieure est enfin représentée par la roche mère, où la plante fera descendre ses systèmes d’assimilation des métaux. Nous trouvons dans le sol un grand nombre d’êtres vivants : la teneur d’un sol fertile en organismes peut aller jusqu’à 0,1%. L’utilisation d’un composé du sol induisant sa perte nette, il est nécessaire de voir de quelle façon celle-ci sera compensée. Le même raisonnement peut s’appliquer aux changements d’acidité liés au développement du végétal à travers l’acidification active de la rhizosphère. Les argiles et les humus joueront un rôle important lors de la fixation des cations, les rendant ainsi peu mobiles. + Ainsi, l’apport d’une source azotée ammoniacale NH4 au lieu d’une source nitrate NO3 induira une absorption différente de par colloïdes présents : l’ammoniac sera fortement fixé, alors que les nitrates seront facilement lessivés. C’est pourquoi il est nécessaire d’observer la structure du sol et considérer l’absorption en nutriments de la plante en fonction de sa croissance. LES DOSES UTILES Il existe, pour chaque type de culture, une dose optimale d’éléments à apporter. Le tracé de la croissance du végétal en fonction de la concentration en un élément adopte une trajectoire parabolique : en augmentant progressivement l’apport, nous passerons par état de déficience, de concentration optimale, puis de toxicité. En observant une association d’éléments favorisant la croissance de la plante, il est possible de rencontrer des facteurs dits limitants, inhibant la croissance du végétal lorsque leur concentration est incluse entre certaines valeurs. Les ions, quant à eux, peuvent interagir de façon bénéfique, ou non. On parlera alors respectivement de synergie, ou d’antagonisme. Afin d’illustrer ce phénomène, nous observerons la croissance d’un végétal pour différentes concentrations en ion magnésium en fonction de la concentration en ion calcium. Il est ainsi possible d’observer un cas de synergie pour une concentration en magnésium de 1,5mM. En fonction de l’augmentation de la concentration des ions, on peut provoquer un effet antagoniste. SOLUTIONS NUTRITIVES ET ENGRAIS La pratique de l’agriculture nécessite la compréhension des cycles biologiques : la matière organique, notamment végétale, sera utilisée par les organismes animaux, puis par les détritivores et décomposeurs afin de reformer de la matière inorganique, capable de boucler le cycle à travers sa réassimilation. La fertilité du sol dépend de ce recyclage. LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 28 L’agriculture induit une rupture de ce cycle, les ions minéraux étant récupérés à travers l’alimentation humaine sans restauration du sol de culture. Celui-ci s’appauvrissant donc cycle après cycle, les plantes sans apport arrêtent rapidement leur développement. Afin de combler ce déficit, on utilise des intrants. Notons qu’avec le système agricole actuel et afin de produire une tonne de blé, un sol perdra 18kg d’azote, 3,6kg de phosphate ainsi que 4,1kg de potassium. L’ajout de fumures organiques ou d’engrais chimique est donc nécessaire. Les solutions nutritives sont adaptées au type de plante cultivée, au type de tissu ou d’organe. Il existe deux types d’engrais : les fumures de redressement, et les fumures d’entretien. La constitution des engrais est généralement donnée selon l’ordre N-P-K exprimé en unités fertilisantes UF. Prenons l’exemple du potassium, dont nous aurons 1kg + sous la forme K2O. Celui-ci comprend 78/94=0,83kg de K directement assimilable, correspondant à 1UF. 16UF + correspondent donc à 16*0,83=13kg de K . ADAPTATION Les espèces végétales seront adaptées à certaines conditions physico-chimiques relatives au sol : • pH • Teneur en calcaire : les plantes utilisant le calcium sont dites calcicoles, on les retrouve sur des terrains assez chauds et secs, alors que d’autres plantes, généralement acidophiles, fuient ce dernier. • Teneur en chlorure de sodium : se référer au début du cours LSV – Semestre 4 – Physiologie Nutrition Végétale – L’eau et la nutrition minérale – 29
