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UNIVERSITÉ CADI AYYAD N° d’ordre : FACULTÉ DES SCIENCES SEMLALIA - MARRAKECH **************************** THÈSE Présentée à la Faculté pour obtenir le grade de : Docteur UFR : Biologie et santé Spécialité : Biotechnologie Végétale EFFICIENCE DE L’UTILISATION DE L’EAU D’IRRIGATION CHEZ LA TOMATE PAR LA TECHNIQUE DE PRD (PARTIAL ROOTZONE DRYING) ET ÉTUDE DES MÉCANISMES PHYSIOLOGIQUES ET BIOCHIMIQUES IMPLIQUES Par : Hanane TAHI (DESA : Nutrition, Environnement et Santé) Soutenue le 10 mai 2008 devant la commission d’examen: Président : M. BELKOURA Professeur Enseignement Supérieur Université Cadi Ayyad Examinateurs : A. DOUIRA Professeur Enseignement Supérieur Université Ibn Tofail S. EL MADIDI Professeur Enseignement Supérieur Université Ibn Zohr K. FARES Professeur Enseignement Supérieur Université Cadi Ayyad S. WAHBI Professeur Enseignement Supérieur Université Cadi Ayyad C. EL MODAFAR Professeur Enseignement Supérieur Université Cadi Ayyad A La mémoire de mon père La mémoire de Hicham Ma très chère maman Ma grand-mère Simo, Farah et Ilham Mes tantes Aicha et Latifa Mes oncles Mohamed, Abdessadek, Abdellah et Abdelatif Mes cousines et cousins Aux familles El Mansouri et El Alaoui Remerciements Bien qu’une thèse soit un travail individuel, nombreuses sont les personnes qui ont rendu possible la réalisation de ce travail et que je tiens à remercier ici. Je tiens à remercier d’abord, Mr Lahsan Ameziane, Doyen de la Faculté des Sciences Semlalia, Marrakech, pour les efforts qu’il n’a jamais cessé de déployer pour l’épanouissement et le développement de la recherche scientifique au sein de notre établissement. Bien entendu, mon parcours initiatique dans la recherche n’aurait pu se faire sans l’aide du Mr Rachid Serraj, qui est à l’origine du projet INCO dont le financement a permis de réaliser ce travail. Ses conseils et ses critiques constructives m’ont permis d’évoluer dans ma vision de la recherche et dans la façon de la mener. Je lui en garderai toujours une grande reconnaissance et une profonde admiration pour ses compétences tant scientifiques qu’humaines. Je tiens à remercier mon directeur de thèse Mr Said Wahbi, d’une part pour m’avoir donné la possibilité de réaliser cette thèse et d’autre part pour la grande autonomie et la confiance qu’il a eues à mon égard pendant ce projet. Je tiens également à remercier mon co-directeur de thèse Mr Cherkaoui El Modafar pour l’aide, la disponibilité et les conseils qu’il a su me prodiguer au cours de cette thèse. Je les remercie surtout de m’avoir laissé une grande liberté de manœuvre quant au déroulement et à l’organisation de mes recherches. J’adresse mes remerciements aux membres de jury, Mr Mouhsine Belkoura pour avoir eu l’amabilité d’accepter de présider le jury, Mr Allal Douira, Mr Said El Madidi et Mr Khalid Fares pour avoir bien voulu être rapporteurs de ce travail. Special thank to Mr Mauro Centritto for the time that he spent to correct some of our articles. I also thank him for his kindness and his patience to answer all our questions. Je remercie également Mme Rachida Wakrim pour toutes les discussions enrichissantes sur la méthodologie du travail surtout pendant les deux premières années. Un grand merci à Mme Naila Ouazzani, à Mr Es-ssadik El Boustani, à Mr Mohamed El Hafidi et à Mr Khalid Fares qui ont eu la gentillesse de nous accueillir à bras ouverts dans leurs laboratoires pour effectuer différents dosages. J’apprécie également le soutien technique de Khalid et Fouzia qui a permis la conduite avec réussite des expérimentations. J’adresse mes sincères remerciements à l’ensemble de mes collègues et amis de la faculté des Sciences Semlalia Halima, Khadija, Badia, Karima, Nadia, Saida, Aicha, Latifa, Farida, L’Houssine, Mustapha, Lakhlifa et Aziz, que ce soit pour les conseils, les services et plus particulièrement pour l’amitié qu’ils m’ont témoignés. Je tiens aussi à remercier tous les enseignants du département du Biologie Végétale et du laboratoire de Biotechnologie et Physiologie Végétale qui m’ont tant aidé durant la réalisation de ce travail. En dernier lieu, mais de loin le moins important, merci à tous les membres ma famille. Leur soutien m’a été indispensable, spécialement dans les moments les plus durs. FICHE PRÉSENTATIVE DE LA THÈSE - Nom et Prénom de l’auteur : TAHI Hanane - Intitulé du travail : Efficience de l’utilisation de l’eau d’irrigation chez la tomate par la technique de PRD (partial rootzone drying) et étude des mécanismes physiologiques et biochimiques impliqués. - Encadrant : WAHBI Said, Professeur d’Enseignement Supérieur, laboratoire de Biotechnologie et de Physiologie Végétale, FSSM. - Coencadrant : EL MODAFAR Cherkaoui, Professeur d’Enseignement Supérieur, laboratoire de Biotechnologie Valorisation et Protection des Agroressources, FST Marrakech. - Lieux de réalisation des travaux (laboratoires, institution,…) : • Laboratoire de Biotechnologie et de Physiologie Végétale, FSSM. • Laboratoire de Biotechnologie Valorisation et Protection des Agroressources, FST Marrakech. - Période de réalisation du travail de thèse : 2002-2008 - Rapporteurs autres que l’encadrant (nom, prénom, grade, institution) : • DOUIRA Allal, Professeur d’Enseignement Supérieur, Université Ibn Tofail • FARES Khalid, Professeur d’Enseignement Supérieur, Université Cadi Ayyad • EL MADIDI Said, Professeur d’Enseignement Supérieur, Université Ibn Zohr - Cadres de coopération (ou de soutien) : • Projet EU-INCOMED, IRRISPLIT (ICA-1999-00008)- 2000/2003. • NATO Science Programme – Collaborative Linkage Grant LST.CLG.980448, • National Research Council of Italy and the Centre National pour la Recherche Scientifique et Technique of Morocco Agreement of Scientific Cooperation 2006 – 2007. - Ce travail a donné lieu aux résultats suivants (communications, publications,…) : PUBLICATIONS - Tahi H, Wahbi S, Wakrim R, Aganchich B, Serraj R, Centritto M. 2007. Water relations, photosynthesis, growth and water-use efficiency in tomato plants subjected to partial rootzone drying and regulated deficit irrigation. Plant Biosystems, Vol. 141, No. 2 pp. 265 – 274 - Tahi H, Wahbi S, Aganchich B, El Modafar C, Serraj R. 2007. Changes in antioxidant activities and phenol content in tomato plants subjected to Partial Root Drying (PRD) and Regulated Deficit Irrigation (RDI). Accepted in Plant Biosystems - Tahi H, Wahbi S, Aganchich B, Serraj R. 2007. Yield and fruit quality response of greenhouse grown tomato subjected to partial rootzone drying and regulated deficit irrigation. Submitted - Tahi H, Wahbi S, Wakrim R, Aganchich B, El Modafar C, Serraj R Response of leaf expansion and transpiration to soil drying and deficit irrigation in tomato (Lycopersicon esculentum L.). Submitted COMMUNICATIONS 1- H. Tahi, B. Aganchich, S. Wahbi, C. El Modafar et R. Serraj. 2002: Réponses physiologiques et biochimiques de la tomate (Lycopersicon esculentum Mill) au dessèchement partiel des racines et autres contraintes hydriques », dans le cadre des VIII Journées Internationales du Réseau Biotechnologies, Amélioration des Plantes et Sécurité Alimentaire de l’Agence Universitaire de la Francophonie à la Faculté des Sciences Semlalia Marrakech Maroc 2- H. Tahi, B. Aganchich, S. Wahbi, C. El Modafar et R. Serraj. 2004: Réponse des peroxydases et des polyphénoloxydases de la tomate sous régime d’irrigation PRD et RDI», dans le cadre du Congrès International de Biochimie-Forum des Jeunes Chercheurs à la Faculté des Sciences Semlalia Marrakech Maroc. 3- H. Tahi, B. Aganchich, S. Wahbi et C. El Modafar. 2004: Le dessèchement partiel des racines: relations hydriques et effet agronomique, dans le cadre du Premier Symposium Doctoral National Biologie, Santé et Environnement à la Faculté des Sciences Kenitra Maroc. 4- H. Tahi, B. Aganchich, S. Wahbi et C. El Modafar. 2004 : Dessèchement partiel des racines (PRD) : technique d’irrigation permettant une utilisation efficiente de l’eau sans réduction du rendement dans le cadre des 2èmes Rencontres du Végétal en Horticulture, Semences et Paysage à l’Institut National d’Horticulture à Angers France. 5- H. Tahi, B. Aganchich, S. Wahbi et C. El Modafar. 2004 : Effet de l’irrigation par PRD et RDI sur la croissance végétative de la tomate et réponse des peroxydases et polyphénoloxydases, dans le cadre de La Première Rencontre Nationale du Pôle : Bilan et Perspectives à la Faculté des Sciences et Techniques Fès Maroc. 6- H. Tahi, B. Aganchich, S. Wahbi, C. El Modafar et R. Serraj 2004 : Efficience de l’utilisation de l’eau d’irrigation chez la tomate par la technique de PRD « Partial Rootzone Drying » et effet sur l’activité catalase et superoxyde dismutase, dans le cadre des IV Journées Biotechnologiques L’Association Tunisienne de Biotechnologie à Hammamet Tunisie. 7- H. Tahi, B. Aganchich, S. Wahbi, C. El Modafar et R. Serraj 2005 : Evaluation of the Effects of Two Deficit Irrigation Strategies; irrigated deficit irrigation (RDI) and partial Rootzone drying (PRD) on tomato culture, dans le cadre de La Sixième Conférence Internationale de SFRR- AFRICA. Tétouan Maroc. 8- H. Tahi, B. Aganchich, S. Wahbi, C. El Modafar et R. Serraj 2005 : Evaluation de l’effet de deux techniques d’irrigation ; le Déficit par Irrigation Régulée (RDI) et le Dessèchement Partiel des Racines (PRD) sur une culture de tomate, dans le cadre du Deuxième Congrès Méditerranéen des Ressources en Eau dans le Bassin Méditerranéen. WATMED 2. Marrakech Maroc. 9- H. Tahi, B. Aganchich, S. Wahbi et C. El Modafar, R. Serraj 2006 : Water relations, growth and water use efficiency in tomato subjected to partial root drying (PRD) and regulated deficit irrigation (RDI). First Mediterranean congress on biotechnology “MCB1” & the 5th journeys of the A.T.Biotech. March 25-29, Yasmine Hammamat Tunisia. 10- H. Tahi, B. Aganchich, S. Wahbi, C. El Modafar et R. Serraj.2006 : Effet de la technique d’irrigation par le Dessèchement Partiel des Racines (PRD) sur la qualité de fruits chez la tomate, dans le cadre du Deuxième Congrès International de BiochimieForum des Jeunes Chercheurs à Agadir Maroc. 11- H. Tahi et S. Wahbi. 2007 : Réponse d’une culture de tomate sous serre en terme du rendement au dessèchement partiel des racines (PRD) et à une irrigation déficitaire conventionnelle, dans le cadre du Congrès International sur les Plantes Médicinales et Aromatiques à Fès Maroc. Sommaire Introduction générale ---------------------------------------------------------------------------------- 1 Chapitre I: Analyse bibliographique 1. Secteur de la tomate au Maroc -------------------------------------------------------------------- 4 2. La tomate ---------------------------------------------------------------------------------------------- 5 2.1. Taxonomie et généralités botaniques---------------------------------------------------------- 5 2.2. Origine et répartition géographique ---------------------------------------------------------- 7 2.3. Exigences pédo-climatiques -------------------------------------------------------------------- 7 3. Etat hydrique de la plante-------------------------------------------------------------------------- 8 3.1. Paramètres hydriques de la plante ------------------------------------------------------------ 8 3.2. Circulation de l’eau dans la plante------------------------------------------------------------ 9 3.3. La transpiration --------------------------------------------------------------------------------- 10 3.3.1. Nécessité de la transpiration-------------------------------------------------------------- 10 3.3.2. Régulation stomatique de la transpiration ---------------------------------------------- 11 3.4. L’absorption racinaire ------------------------------------------------------------------------- 12 4. Terminologie de la sécheresse et stratégies de résistance ----------------------------------- 13 4.1. Terminologie de la sécheresse ---------------------------------------------------------------- 13 4.2. Les stratégies de résistance-------------------------------------------------------------------- 13 4.2.1. La stratégie d’échappement -------------------------------------------------------------- 13 4.2.2. La stratégie d’évitement ------------------------------------------------------------------ 13 5. La signalétique du stress hydrique -------------------------------------------------------------- 15 5.1. Réponses par médiation d’ABA --------------------------------------------------------------- 17 5.2. Réponses par médiation des sucres----------------------------------------------------------- 18 5.3. Le signal Redox sous conditions de sécheresse --------------------------------------------- 19 6. Effet du stress hydrique sur le comportement stomatique --------------------------------- 21 7. Effet du stress hydrique sur la photosynthèse ------------------------------------------------ 23 7.1. Le processus photosynthétique ---------------------------------------------------------------- 23 7.2. Conséquences du stress hydrique sur la photosynthèse------------------------------------ 24 7.3. Risque de production des espèces réactives de l’oxygène et Moyens de défense ------- 26 8. Effet du stress hydrique sur la croissance ----------------------------------------------------- 27 I 8.1. Contrôle hydraulique de la croissance------------------------------------------------------- 28 8.2. Contrôle chimique de la croissance ---------------------------------------------------------- 29 8.3. Sensibilité des différents organes au déficit hydrique-------------------------------------- 30 9. Effet du déficit hydrique sur la nutrition minérale ------------------------------------------ 31 10. Effet du stress hydrique sur les composantes du rendement ----------------------------- 31 11. Effet du stress hydrique sur la qualité des fruits-------------------------------------------- 32 12. Efficience d’utilisation de l’eau ----------------------------------------------------------------- 33 13. Irrigations déficitaires---------------------------------------------------------------------------- 35 Références bibliographiques------------------------------------------------------------------------- 37 Chapitre II: Etude comparative des effets du PRD et du RDI sur les relations hydriques, la croissance végétative et l’efficience d’utilisation de l’eau chez la tomate. 1. Résumé------------------------------------------------------------------------------------------------ 49 2. Introduction------------------------------------------------------------------------------------------ 50 3. Matériel et méthodes ------------------------------------------------------------------------------- 54 3.1. Expérience 1 ------------------------------------------------------------------------------------- 54 3.1.1. Matériel végétal et conditions de culture ----------------------------------------------- 54 3.1.2. Gestion de l’irrigation --------------------------------------------------------------------- 55 3.1.3. Paramètres mesurés------------------------------------------------------------------------ 56 3.1.3.1. Paramètres physiologiques---------------------------------------------------------- 56 3.1.3.2. Paramètres morphologiques -------------------------------------------------------- 57 3.1.3.3. Paramètres biochimiques------------------------------------------------------------ 58 3.2. Expérience 2 ------------------------------------------------------------------------------------- 58 3.2.1. Matériel végétal et conditions de culture ----------------------------------------------- 58 3.2.2. Gestion de l’irrigation --------------------------------------------------------------------- 58 3.2.3. Mesure de la fraction d’eau transpirable du sol ---------------------------------------- 59 3.2.4. Taux de transpiration ---------------------------------------------------------------------- 59 3.2.5. Taux d’expansion foliaire relative. ------------------------------------------------------ 60 3.2.6. Etat hydrique des plantes ----------------------------------------------------------------- 60 3.3. Analyse statistique des données --------------------------------------------------------------- 61 4. Résultats ---------------------------------------------------------------------------------------------- 62 4.1. Expérience 1 ------------------------------------------------------------------------------------- 62 4.1.1. Statut hydrique des plantes --------------------------------------------------------------- 62 4.1.2. Transpiration ------------------------------------------------------------------------------- 65 4.1.3. Croissance végétative et efficience d’utilisation de l’eau ---------------------------- 65 II 4.1.4. pH de la sève brute et pH apoplastique ------------------------------------------------- 68 4.2. Expérience 2 ------------------------------------------------------------------------------------- 69 4.2.1. Statut hydrique du sol --------------------------------------------------------------------- 69 4.2.2. Relation: transpiration- fraction de l’eau transpirable du sol.------------------------ 69 4.2.3. Relation: taux d’expansion foliaire- fraction de l’eau transpirable du sol. --------- 71 4.2.4. Relations : valeurs relatives du potentiel hydrique foliaire et de la teneur en eau relative- fraction de l’eau transpirable du sol. ------------------------------------------------- 72 5. Discussion -------------------------------------------------------------------------------------------- 76 6. Conclusion-------------------------------------------------------------------------------------------- 81 Références bibliographiques------------------------------------------------------------------------- 82 Chapitre III: Métabolisme oxydatif de la tomate soumise au PRD et au RDI. 1. Résumé------------------------------------------------------------------------------------------------ 86 2. Introduction------------------------------------------------------------------------------------------ 87 3. Matériel et méthodes ------------------------------------------------------------------------------- 90 3.1. Conditions de culture--------------------------------------------------------------------------- 90 3.2. Gestion de l’irrigation-------------------------------------------------------------------------- 90 3.3. Echantillonnage --------------------------------------------------------------------------------- 90 3.4. Techniques analytiques------------------------------------------------------------------------- 90 3.4.1. Extraction et dosage des peroxydases --------------------------------------------------- 90 3.4.2. Extraction des activités polyphénoloxydase, superoxyde dismutase et catalase. -- 92 3.4.3. Dosage des activités enzymatiques. ----------------------------------------------------- 92 3.4.3.1. Dosage de l’activité polyphénoloxydase.------------------------------------------ 92 3.4.3.2. Dosage de l’activité superoxyde dismutase. -------------------------------------- 92 3.4.3.3. Dosage de l’activité catalase.------------------------------------------------------- 93 3.4.4. Dosage des protéines. --------------------------------------------------------------------- 93 3.4.5. Extraction et quantification des phénols. ----------------------------------------------- 93 3.4.6. Dosage du malonyldialdéhyde. ---------------------------------------------------------- 94 3.4.7. Analyses des chlorophylles. -------------------------------------------------------------- 94 3.5. Analyse statistique des résultats.-------------------------------------------------------------- 94 4. Résultats ---------------------------------------------------------------------------------------------- 95 4.1. Au niveau des feuilles--------------------------------------------------------------------------- 95 4.1.1. Evolution des teneurs en chlorophylles. ------------------------------------------------ 95 4.1.2. Evolution de l’activité superoxyde dismutase------------------------------------------ 96 4.1.3. Evolution de l’activité catalase----------------------------------------------------------- 96 4.1.4. Evolution de l’activité peroxydase soluble --------------------------------------------- 97 4.1.5. Evolution de la production du malonyldialdéhyde ------------------------------------ 98 4.1.6. Evolution de l’activité polyphénoloxydase--------------------------------------------- 99 4.1.7. Evolution des composés phénoliques solubles--------------------------------------- 100 III 4.1.8. Evolution de l’activité peroxydase pariétale ----------------------------------------- 101 4.1.9. Evolution des composés phénoliques insolubles ------------------------------------ 102 4.2. Au niveau des racines ------------------------------------------------------------------------ 103 4.2.1. Evolution de l’activité superoxyde dismutase---------------------------------------- 103 4.2.2. Evolution de l’activité catalase--------------------------------------------------------- 104 4.2.3. Evolution de l’activité peroxydase soluble ------------------------------------------- 105 4.2.4. Evolution de la production du malonyldialdéhyde ---------------------------------- 106 4.2.5. Evolution de l’activité polyphénoloxydase------------------------------------------- 107 4.2.6. Evolution des composés phénoliques solubles--------------------------------------- 108 4.2.7. Evolution de l’activité peroxydases insolubles -------------------------------------- 109 4.2.8. Evolution des composés phénoliques insolubles ------------------------------------ 110 5. Discussion ------------------------------------------------------------------------------------------ 112 6. Conclusion------------------------------------------------------------------------------------------ 118 Références bibliographiques----------------------------------------------------------------------- 119 Chapitre IV: Rendement et qualité du fruit de la tomate soumise au PRD et au RDI. 1. Résumé---------------------------------------------------------------------------------------------- 123 2. Introduction---------------------------------------------------------------------------------------- 124 3. Matériel et méthodes ----------------------------------------------------------------------------- 126 3.1. Matériel végétal et conditions de culture -------------------------------------------------- 126 3.2. Gestion de l’irrigation------------------------------------------------------------------------ 126 3.3. Etat hydrique du sol -------------------------------------------------------------------------- 127 3.4. Suivi de la floraison--------------------------------------------------------------------------- 127 3.5. Suivi de la croissance------------------------------------------------------------------------- 127 3.6. Paramètres qualitatifs du fruit -------------------------------------------------------------- 128 3.6.1. pH et acidité titrable --------------------------------------------------------------------- 128 3.6.2. Dosage des sucres totaux --------------------------------------------------------------- 128 3.6.3. Dosage du lycopène --------------------------------------------------------------------- 128 3.6.4. Dosage des polyphénols ---------------------------------------------------------------- 129 3.6.5. Composition minérale de la tomate --------------------------------------------------- 129 3.6.6. Détermination de l’azote total et du phosphore total -------------------------------- 130 3.7. Analyse statistique des résultats ------------------------------------------------------------ 130 4. Résultats -------------------------------------------------------------------------------------------- 131 4.1. Etat hydrique du sol -------------------------------------------------------------------------- 131 4.2. Floraison --------------------------------------------------------------------------------------- 131 4.3. Croissance du fruit---------------------------------------------------------------------------- 131 IV 4.4. Rendement ------------------------------------------------------------------------------------- 134 4.5. Qualité du fruit -------------------------------------------------------------------------------- 135 4.5.1. Poids sec du fruit------------------------------------------------------------------------- 135 4.5.2. pH et acidité titrable --------------------------------------------------------------------- 135 4.5.3. Sucres totaux ----------------------------------------------------------------------------- 137 4.5.4. Lycopène---------------------------------------------------------------------------------- 138 4.5.5. Polyphénols------------------------------------------------------------------------------- 138 4.5.6. Eléments minéraux et teneurs en azote et en phosphore---------------------------- 140 5. Discussion ------------------------------------------------------------------------------------------ 143 6. Conclusion------------------------------------------------------------------------------------------ 147 Références bibliographiques----------------------------------------------------------------------- 148 Chapitre V: Conclusion générale & perspectives Conclusion générale et perspectives-------------------------------------------------------------- 152 V Abréviations A A ABA ARN AT AtHTK1 ATSW BSA CAT Cc Chl Ci cv DHA DO EDTA FTSW GSH GSSG H2O2 l LA ln MDA MDHA MS NADP+ NBT NCED NTR O2 O2OH. ORMVA PF pH POX PPO PRD PS PS I PS II PT PuBP PVP RDI ROS : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : photosynthèse absorbance acide absciccique acide ribonucléique acidité titrable Arabidopsis thaliana Na+/K+ transporter quantité de l’eau transpirable réelle dans chaque pot bovine serum albumine catalase concentration du CO2 au site de carboxylation chlorophylle Concentration intercellulaire du CO2 cultivar dehydroacsorbate densité optique acide diéthylène tetraacétique fraction d’eau transpirable du sol glutathion réduit glutathion oxydé peroxyde d’hydrogène longueur surface foliaire logarithme népérien malonyldialdéhyde monodehydroascorbate matière sèche nicotinamide adénine dinucléotide phosphate nitrobleu de tétrazolium 9-cis-époxycaroténoide dioxygénase taux de transpiration normalisée oxygène ion superoxyde radical hydroxyl office régional de mise en valeur agricole poids frais potentiel hydrogène peroxydase polyphénoloxydase dessèchement partiel des racines poids sec photosystème I photosystème II poids à pleine turgescence Ribulose bis phosphate polyvinylpyrrolidone irrigation déficitaire régulée espèces réactives de l’oxygène RRLE RWC SOD SPSS TR TS v/v TTSW Var VPD VSWC w WUE XET ZEP Ψ 1 O2 3 Chl : : : : : : : : : : : : : : : : : : taux relatif d’expansion foliaire relative teneur en eau relative superoxyde dismutase Statistical Package for the Social Sciences taux de transpiration tomate de saison volume pour volume taux total transpirable dans le même pot variété déficit de vapeur en eau de l’air teneur en eau volumétrique du sol largeur efficience d’utilisation de l’eau xyloglucan-endotransglycosylase zéaxanthine epoxidase potentiel hydrique foliaire oxygène singulet chlorophylle à l’état triplet RESUME L’objectif de ce travail consiste à évaluer l’effet d’un déficit hydrique crée en utilisant la stratégie d’irrigation par dessèchement partiel des racines (PRD : partial rootzone drying) et par déficit contrôlé (RDI : regulated deficit irrigation) sur des cultures de tomate (Lycopersicon esculentum L.) Une première expérience est réalisée afin de comparer les relations hydriques, la croissance végétative ainsi que le pH de la sève xylèmique et le pH apoplastique des plantes de tomate sous les deux contraintes hydriques PRD et RDI. Des plantes sont cultivées dans des conditions contrôlées avec le système « split-root ». Les plantes stressées reçoivent sur un seul côté du système racinaire (PRD) ou sur les deux côtés racinaires (RDI), la moitié d’eau apportées aux témoins durant toute l’expérience. Les deux contraintes PRD et RDI réduisent les relations hydriques. Toutefois, cette réduction est plus prononcée sous RDI. De même, la croissance et les échanges gazeux se trouvent réduits sous PRD et RDI, permettant une amélioration significative de l’efficience d’utilisation de l’eau. Ces résultats peuvent être liés à l'augmentation significative concomitante dans le pH de la sève xylèmique et le pH apoplastique. Une série d’expériences est conduite dans des conditions proches de la première expérience afin de suivre l’évolution du statut hydrique, le taux de croissance et de transpiration en fonction du dessèchement progressif du sol sous PRD et sous RDI. La fraction d'eau transpirable du sol (FTSW) est utilisée pour quantifier l’eau disponible dans le sol. Les variables de l’état hydrique des plantes, l’expansion foliaire ainsi que la transpiration sont bien corrélés à la FTSW. Afin de vérifier l’effet des deux techniques d’irrigation PRD et RDI sur le métabolisme oxydatif des plantes de tomate, une comparaison des changements dans les défenses antioxydantes est menée sur des échantillons foliaires et racinaires issus de la première expérience, en quantifiant quelques paramètres oxydatifs. Les résultats montrent une baisse significative du contenu chlorophyllien. Un niveau élevé de la peroxydation des lipides dans les deux compartimentes foliaires et racinaires indique que les traitements PRD et RDI résultent en un stress oxydatif au niveau des plantes de tomate. Au niveau foliaire, les activités SOD, POX solubles et PPO présentent une augmentation suivie d’une diminution plus loin dans le cycle de dessèchement. Cependant, l'augmentation sous RDI est plus prononcée. En outre, les activités des POX liées à la paroi augmentent considérablement sous RDI et PRD. Au niveau des racines, les activités SOD, POX et PPO augmentent de manière significative et leurs activités montrent une alternance d’accroissement et de baisse suivant l’alternance de l'irrigation sous le traitement PRD. De plus, les quantités des composés phénoliques accumulées par les plantes soumises au traitement PRD s’avèrent les plus importantes comparées à celles sous les deux autres traitements. Une dernière expérimentation est menée sur la tomate, sous conditions de serre, avec le système split-root et les mêmes traitements hydriques : témoin, PRD et RDI. Elle vise l’étude de la réponse agronomique, en termes du rendement et de qualité du fruit, des plantes soumises à une irrigation par le dessèchement partiel des racines PRD ou par la technique RDI. Le rendement des plantes est maintenu sous PRD et sous RDI et l’efficience d’utilisation de l’eau se trouve alors améliorée de 87% en comparaison au témoin. Le pH, les propriétés antioxydantes ainsi que la composition minérale du fruit, à l’exception du calcium sont également maintenus sous les traitements PRD et RDI. Néanmoins, les plantes sous PRD et celles sous RDI répondent par une accumulation des quantités de sucres totaux comparables entre elles mais dépassent significativement celle du témoin. Mots clés : tomate, PRD, RDI, croissance et développement, métabolisme antioxydatif, relations hydriques, rendement. ABSTRACT The purpose of this work is to evaluate the effect of water deficit created by using the strategy of partial rootzone drying (PRD) and the regulated deficit irrigation (RDI) on tomato (Lycopersicon esculentum L.) The fist experiment aims to compare the impact of PRD and RDI on the water relations, plant growth, xylem sap pH and leaf apoplastic pH. Plants were grown under controlled conditions using a split-root system. Stressed plants receive half water applied to the control, on both sides of the roots in RDI and on one side of the roots only in PRD treatments during the experiment. Both PRD and RDI reduce the water relations but this effect is more pronounced under RDI. Vegetative growth and leaf gas exchange decreased, allowing a significant improvement in whole plant WUE. These results may be related to concomitant significant increase in xylem sap pH and leaf apoplastic pH. Series of experiments is led under conditions close to the first experiment in order to follow the evolution of water status, rate growth and of transpiration according to the progressive drying of soil under PRD and RDI. The fraction of transpirable soil water (FTSW) is used to quantify water available in the soil. Plant water status, leaf expansion as well as transpiration are well correlated with FTSW. In order to assess the effect of PRD and RDI on oxidative metabolism, we compared the changes in antioxidative defenses in both tomato leaves and roots. Results showed a decrease in chlorophyll content. An increase in lipid peroxidation in both PRD and RDI treated plants indicates that PRD and RDI create an oxidative stress. At the leaf level, SOD, POX and PPO activities showed an enhancement as compared to the control. Moreover, POX cell-wall associated activities increased significantly under RDI and PRD. At the root level, these activities increase significantly and showed an alternating of increase-decrease following the alternating in PRD treated roots. Results showed also that PRD treated plants accumulated more phenolic compounds in comparison to the other treatments. The last experiment is carried out on tomato plants and aims to study yield and fruit quality responses in plants subjected to PRD or to RDI treatments. Yield was sustained under PRD and RDI and the water use efficiency increased by about 87% as compared to the control. Fruit dry matter and sugar concentration were higher in PRD and RDI than in the control. Irrigation treatment had no significant effect on fruit quality attributes, including juice pH, titratable acidity, lycopene and phenols content and mineral composition. Exception was for lower Ca contents under PRD and RDI conditions compared to the control. Nevertheless, PRD and RDI fruits accumulated more quantities of soluble sugars throughout the experimental period in comparison to control. Key words: tomato, PRD, RDI, growth & development, antioxidative metabolism, water relations, yield. ﻤﻠﺨــﺹ ﺘﻬﺩﻑ ﻫﺫﻩ ﺍﻟﺩﺭﺍﺴﺔ ﺇﻟﻰ ﺘﻘﻴﻴﻡ ﺃﺜﺎﺭ ﺍﻟﺠﻔﺎﻑ ﺍﻟﻤﻨﺸﺄ ﺒﺎﺴﺘﻌﻤﺎل ﺘﻘﻨﻴﺔ ﺍﻟﺘﻴﺒﺱ ﺍﻟﺠﺯﺌﻲ ﻟﻠﺠﺫﻭﺭ PRDﻭ ﺍﻟﺴﻘﻲ ﺒﺎﻟﺘﺠﻔﻴﻑ ﺍﻟﻤﺭﺍﻗﺏ RDIﻋﻠﻰ ﻨﺒﺎﺕ ﺍﻟﻁﻤﺎﻁﻡ. ﺃﻨﺠﺯﺕ ﺍﻟﺘﺠﺭﺒﺔ ﺍﻷﻭﻟﻰ ﻤﻥ ﺃﺠل ﻤﻘﺎﺭﻨﺔ ﺘﺎﺘﻴﺭ ﺍﻟﺴﻘﻲ ﺒـ PRDﻭ ﺒـ RDIﻋﻠﻰ ﺍﻟﻌﻼﻗﺎﺕ ﺍﻟﻤﺎﺌﻴﺔ ﺩﺍﺨل ﺍﻟﻨﺒﺘﺔ ﻭ ﻋﻠﻰ ﻨﻤﻭ ﺍﻟﻨﺒﺘﺔ ﻭ ﻜﺫﻟﻙ ﻋﻠﻰ pHﺍﻷﻭﺭﺍﻕ .ﺘﻤﺕ ﻫﺫﻩ ﺍﻟﺘﺠﺭﺒﺔ ﻋﻠﻰ ﺼﻨﻑ ﻭﺍﺤﺩ ﻤﻥ ﺍﻟﻁﻤﺎﻁﻡ ﻭﻫﻭ SuperRedﻭﺍﻟﺫﻱ ﺘﻤﺕ ﺯﺭﺍﻋﺘﻪ ﺘﺤﺕ ﻅﺭﻭﻑ ﺯﺭﺍﻋﻴﺔ ﻤﺭﺍﻗﺒﺔ ﻭ ﻗﺩ ﺍﺴﺘﻌﻤﻠﺕ ﺨﻼل ﺍﻟﺘﺠﺭﺒﺔ ﻁﺭﻴﻘﺔ ﺍﻨﻘﺴﺎﻡ ﺍﻟﺠﺫﻭﺭ Split-Root؛ﺘﻠﻘﺕ ﺍﻟﻨﺒﺎﺘﺎﺕ ﺘﺤﺕ ﺍﻟﺠﻔﺎﻑ ﺒـ PRDﻭ ﺒـ RDIﻨﺼﻑ ﺍﻟﻜﻤﻴﺔ ﺍﻟﺘﻲ ﺤﺼل ﻋﻠﻴﻬﺎ ﺍﻟﺸﺎﻫﺩ T ﻭﺘﻘﺴﻤﺕ ﻫﺫﻩ ﺍﻟﻜﻤﻴﺔ ﻋﻠﻰ ﻤﺠﻤﻭﻉ ﺍﻟﺠﺫﻭﺭ ﻓﻲ RDIﺒﻴﻨﻤﺎ ﺘﻀﺎﻑ ﻜﻠﻬﺎ ﺇﻟﻰ ﺠﻬﺔ ﻭﺍﺤﺩﺓ ﻤﻥ ﺍﻟﺠﺫﻭﺭ ﻋﻨﺩ PRDﺨﻼل ﻓﺘﺭﺓ ﺍﻟﺘﺠﺭﺒﺔ .ﺃﻅﻬﺭﺕ ﺍﻟﺘﺠﺎﺭﺏ ﺃﻥ ﻜﻠﺘﻲ ﺍﻟﺘﻘﻨﻴﺘﻴﻥ ﺘﺤﺩﺙ ﺘﻘﻠﺼﺎ ﻓﻲ ﺍﻟﻌﻼﻗﺎﺕ ﺍﻟﻤﺎﺌﻴﺔ ﺩﺍﺨل ﺍﻟﻨﺒﺘﺔ ﺇﻻ ﺃﻥ ﻫﺫﺍ ﺍﻟﺘﻘﻠﺹ ﻟﻭﺤﻅ ﺒﺸﻜل ﻜﺒﻴﺭ ﺘﺤﺕ ﺍﻟﺠﻔﺎﻑ ﺒـ , RDIﻜﻤﺎ ﺃﺤﺩﺜﺕ ﺍﻟﺘﻘﻨﻴﺘﻴﻥ ﺍﻨﺨﻔﺎﻀﺎ ﻓﻲ ﺍﻟﻨﻤﻭ ﺍﻟﻨﺒﺎﺘﻲ ﻭ ﻓﻲ ﻓﺘﺭﺓ ﺘﺒﺎﺩل ﺍﻟﻐﺎﺯﻓﻲ ﺍﻷﻭﺭﺍﻕ ﻨﺘﺞ ﻋﻨﻪ ﺍﺭﺘﻔﺎﻋﺎ ﻤﻠﺤﻭﻅﺎ ﻓﻲ ﻓﻌﺎﻟﻴﺔ ﺍﺴﺘﻌﻤﺎل ﺍﻟﻤﺎﺀ ,ﻭ ﻴﻤﻜﻥ ﺇﺭﺠﺎﻉ ﻫﺫﻩ ﺍﻟﻨﺘﺎﺌﺞ ﺇﻟﻰ ﺍﻻﺭﺘﻔﺎﻉ ﺍﻟﻤﻠﺤﻭﻅ ﻓﻲ . pH ﻤﻥ ﺃﺠل ﺩﺭﺍﺴﺔ ﺘﺄﺜﻴﺭ ﺍﻟﺠﻔﺎﻑ ﺒـ PRDﻭ ﺒـ RDIﻋﻠﻰ ﺍﻷﻨﺯﻴﻤﺎﺕ ﺍﻟﻤﻀﺎﺩﺓ ﻟﻸﻜﺴﺩﺓ ﺘﻤﺕ ﻤﻘﺎﺭﻨﺔ ﺍﻟﺘﻐﻴﺭﺍﺕ ﺍﻟﺤﺎﺼﻠﺔ ﻋﻠﻰ ﻤﺴﺘﻭﻯ ﺍﻷﻭﺭﺍﻕ ﻭ ﺍﻟﺠﺫﻭﺭ ﺍﻟﻤﻨﺘﻘﺎﺓ ﻓﻲ ﺍﻟﺘﺠﺭﺒﺔ ﺍﻷﻭﻟﻰ .ﺃﻅﻬﺭﺕ ﺍﻟﻨﺘﺎﺌﺞ ﺘﻘﻠﺼﺎ ﻤﻠﺤﻭﻅﺎ ﻓﻲ ﻜﻤﻴﺔ ﺍﻟﻴﺨﻀﻭﺭ ﻭﺍﺭﺘﻔﺎﻋﺎ ﻤﻬﻤﺎ ﻓﻲ ﺃﻜﺴﺩﺓ ﺩﻫﻨﻴﺎﺕ ﺍﻷﻭﺭﺍﻕ ﻭ ﺍﻟﺠﺫﻭﺭ ﻤﻌﺎ ﺘﺤﺕ ﻁﺭﻴﻘﺔ ﺍﻟﺴﻘﻲ ﺒـ PRDﻭ ﺒـ . RDIﺴﺠﻠﺕ ﺍﻷﻨﺯﻴﻤﺎﺕ ﺍﻟﻤﺩﺭﻭﺴﺔ PPO ,POXﻭ SODﺍﺭﺘﻔﺎﻋﺎ ﻤﻠﺤﻭﻅﺎ ﻋﻨﺩ ﺍﻟﻨﺒﺎﺘﺎﺕ ﺍﻟﻤﻭﺠﻭﺩﺓ ﺘﺤﺕ ﺘﺄﺜﻴﺭ ﺍﻟﺠﻔﺎﻑ ﺒﺎﻟﻤﻘﺎﺭﻨﺔ ﻤﻊ ﺍﻟﺸﺎﻫﺩ؛ ﺇﻻ ﺃﻥ ﻫﺫﺍ ﺍﻻﺭﺘﻔﺎﻉ ﻜﺎﻥ ﺃﻜﺜﺭ ﺃﻫﻤﻴﺔ ﺘﺤﺕ .RDIﻜﻤﺎ ﺒﻴﻨﺕ ﺍﻟﺘﺠﺭﺒﺔ ﻜﺫﻟﻙ ﺍﺭﺘﻔﺎﻋﺎ ﻓﻲ ﻜﻤﻴﺔ ﺍﻟﻤﺭﻜﺒﺎﺕ ﺍﻟﻔﻴﻨﻭﻟﻴﺔ ﺘﺤﺕ ﻤﻔﻌﻭل PRDﺒﺎﻟﻤﻘﺎﺭﻨﺔ ﻤﻊ RDIﻭ . T ﺘﻤﺕ ﺍﻟﺘﺠﺭﺒﺔ ﺍﻷﺨﻴﺭﺓ ﻋﻠﻰ ﻨﺒﺎﺘﺎﺕ ﻁﻤﺎﻁﻡ ﻤﺯﺭﻭﻋﺔ ﻓﻲ ﺃﺼﺹ ﺩﺍﺨل ﺒﻴﻭﺕ ﻤﻐﻁﺎﺓ ﻭﻓﻲ ﻅﺭﻭﻑ ﺘﺠﺭﺒﻴﺔ ﻤﺤﺩﺩﺓ ﻤﻊ ﺍﻋﺘﻤﺎﺩ ﻨﻅﺎﻡ ﺍﻨﻘﺴﺎﻡ ﺍﻟﺠﺫﻭﺭ Split-Root؛ ﺍﻟﻬﺩﻑ ﻤﻥ ﻫﺫﻩ ﺍﻟﺘﺠﺭﺒﺔ ﻫﻭ ﻤﻘﺎﺭﻨﺔ ﺘﺄﺜﻴﺭ ﻨﻅﺎﻤﻲ PRDﻭ RDIﻋﻠﻰ ﺍﻟﻤﺭﺩﻭﺩ ﺍﻟﻔﻼﺤﻲ ﻭ ﺠﻭﺩﺓ ﺍﻟﻔﺎﻜﻬﺔ .ﻟﻡ ﺘﺤﺩﺙ ﺍﻟﺘﻘﻨﻴﻴﺘﻴﻥ ﺃﻱ ﺘﺄﺜﻴﺭ ﻋﻠﻰ ﺍﻟﻤﺭﺩﻭﺩ ﺍﻟﻔﻼﺤﻲ ﻭﻟﻡ ﻴﺴﺠل ﺃﻴﻀﺎ ﺃﻱ ﺘﺄﺜﻴﺭ ﻋﻠﻰ ﺤﻤﻀﻴﺔ ﺍﻟﻔﺎﻜﻬﺔ ﻭ ﻻ ﻋﻠﻰ ﺨﺎﺼﻴﺘﻬﺎ ﺍﻟﻤﻭُﻜﺴﺩﺓ ﺤﻴﺙ ﻟﻡ ﻨﺴﺠل ﺃﻱ ﺍﺨﺘﻼﻑ ﻤﻘﺎﺭﻨﺔ ﻤﻊ ﺍﻟﺸﺎﻫﺩ ,ﻏﻴﺭ ﺃﻥ ﻜﻤﻴﺔ ﺍﻟﺴﻜﺭﻴﺎﺕ ﺘﺤﺴﻨﺕ ﺒﺼﻔﺔ ﻤﻠﺤﻭﻅﺔ ﺘﺤﺕ ﻤﻔﻌﻭل PRDﻭ . RDI ﺍﻟﻜﻠﻤﺎﺕ ﺍﻟﻤﻔﺘﺎﺡ :ﻁﻤﺎﻁﻡ ,ﻨﻤﻭ ﻭ ﺘﻁﻭﺭ ,ﻋﻼﻗﺎﺕ ﻤﺎﺌﻴﺔPRD ,ﻭ RDI ,ﻤﺭﺩﻭﺩ. Introduction générale Introduction générale Introduction générale L'eau est le principal facteur limitant la productivité végétale notamment dans les régions méditerranéennes. Les changements continus du climat se caractérisent principalement par une diminution de la disponibilité de l’eau et un accroissement de la température. Vers 2050, les quantités de précipitations dans les pays du nord de l'Afrique seraient réduites de 20-50% par rapport aux valeurs moyennes actuelles (Ragab et Prudhomme, 2002). Dans le contexte de ces scénarios prévus à propos de la rareté de l'eau, l’irrigation n'est généralement pas une option viable pour alléger les problèmes relatifs à la sécheresse dans les systèmes d’agriculture irriguée. Il est donc probant que les stratégies agronomiques de gestion se concentrent sur l’efficience de l'extraction et de l'utilisation de l'humidité disponible dans le sol. L’agriculture irriguée utilise entre 50% et 90% de la quantité d'eau disponible dans le bassin méditerranéen. Cette dépendance à l’égard de l'irrigation rend la production végétale de plus en plus dépendante des améliorations dans la productivité de l'eau (c’est à dire la quantité de l'eau requise par unité de rendement). D'ailleurs, les pénuries croissantes d’eau et les coûts d’irrigation mènent à une emphase de développer des méthodes d’irrigation qui réduisent au minimum l’utilisation de l’eau tout en améliorant la production (Loomis, 1983 ; Centritto et al., 2000). Ces dernières années, il apparaît clairement que l’application d’un léger déficit hydrique peut améliorer l’assimilation des hydrates carbonés dans les structures reproductrices de la plante et réduit la croissance végétative excessive (Chalmers et al., 1981). Il s’agit d’un déficit par irrigation régulée (RDI : regulated deficit irrigation) (Chalmers et al., 1986). Cette technique est fondée sur la suppression ou la réduction de l'irrigation pendant des périodes spécifiques du cycle de développement de la plante (English et al., 1990). Une nouvelle technique d’irrigation est ainsi développée pour réaliser la même mesure du contrôle de la croissance. Il s’agit du dessèchement partiel des racines (PRD : partial rootzone drying). Dans ce cas, l’irrigation est assurée à la moitié du système racinaire tout en laissant l’autre moitié desséchée (Loveys et al., 2000). Afin d’éviter la mort de la moitié du système racinaire non irriguée suite au desséchement permanent, l’irrigation est alternée entre le côté desséché et le côté irrigué sur une période prédéterminée. Cette technique nécessite une séparation du système racinaire en deux parties (technique connue sous le terme de splitroot) et réduit l’utilisation de la moitié d’eau par rapport aux plantes irriguées normalement. 1 Introduction générale Le PRD et le RDI représentent alors des techniques de gestion efficaces pour augmenter l’efficience d’utilisation de l’eau. L'approvisionnement de l’eau à un niveau sous-optimal résulte en une activation d'une série de réponses qui peuvent avoir comme conséquence le ralentissement de la croissance (Kramer et Boyer 1995). La croissance des plantes dans des conditions déficitaires en eau peut être limitée en raison du statut hydrique affecté et, par conséquent, une assimilation altérée du carbone au profit des organes reproducteurs de la plante (Chaves et Oliveira, 2004). Ces réponses sont contrôlées par des signaux chimiques ou hydrauliques. Ainsi, une irrigation contrôlée crée un équilibre aussi bien de la croissance végétative que de l’utilisation de l’eau. La gamme des cultures auxquelles les méthodes PRD et RDI ont été appliquées est assez variée, mais leur grand succès est pour les cultures horticoles de haute valeur et les cultures à fruit, notamment celles dont la partie récoltée de la plante est son organe reproducteur où elles ont permis une utilisation plus efficace de l’eau d’irrigation sans pour autant diminuer le rendement. 2 Introduction générale OBJECTIFS DE L’ETUDE Notre travail s’intègre dans le contexte général qui s’inscrit dans la continuité des travaux précédents réalisés au laboratoire (Wakrim et al., 2005 ; Wahbi et al., 2005). Ces travaux ont permis d’évaluer l’effet du déficit hydrique crée par l’application des techniques PRD et RDI chez le haricot (Wakrim et al., 2005), l’olivier et la tomate (Wahbi et al., 2005). Les travaux anterieurs achevés sur la tomate ont visé l’étude de quelques réponses physiologiqus des plantes soumises au PRD et au RDI, mais se sont intressés principalement à l’effet des deux techniques sur la phtosynthése. Notre travail consiste à poursuivre les recherches initiées sur la tomate (Wahbi et al., 2005), afin d’approfondir les connaissances sur les réponses physiologiques, biochimiques et agronomiques. Pour atteindre nos objectifs, plusieurs séries d’expériences ont été réalisées pour rechercher l’effet du dessèchement du sol crée par PRD et RDI sur les relations hydriques de la tomate, sur la croissance végétative ainsi que sur l’efficience d’utilisation de l’eau et pour déterminer les relations quantitatives entre ces processus physiologiques et l’état hydrique du sol. En plus de ces paramètres physiologiques, d’autres à caractère biochimique sont analysés. Dans ce contexte, l’effet des différents traitements hydriques sur le métabolisme oxydatif est analysé. Ce travail consiste aussi en l’analyse des réponses agronomiques du PRD et du RDI en termes de comparer leur effet sur les composantes du rendement et de la qualité du fruit. 3 Chapitre I: Analyse bibliographique. Chapitre I CHAPITRE I : Analyse bibliographique 1. Secteur de la tomate au Maroc Le secteur de la tomate au Maroc joue un rôle socio-économique important. Sur le plan social, le secteur est générateur d’emplois puisqu’il crée en moyenne 9 millions de journées de travail par an, aux niveaux de la production, du conditionnement, et de la transformation. Sur le plan économique, les exportations de tomates occupent une place importante puisqu’elles rapportent près de 1,1 milliard de DH en devises (Redani, 2003). La tomate est l’une des cultures les plus importantes parmi les primeurs. Elle représente 27 % de la superficie et assure 63 % de la production globale et 70 % des exportations de primeurs. En effet, avec une superficie de 22 100ha, le secteur de la tomate assure une production totale de 1 205 510 T (FAO, 2004) dont 236 879 tonnes sont destinées à l’exportation. En effet, la production en tomate sous serre contribue avec plus de 60% dans la production globale. Sur une période de dix compagnes, l’évolution de la superficie totale de la tomate s’est caractérisée par une variation mineure depuis 1996/97 jusqu’à 1999/00, elle oscille entre 17 000 et 19 000ha. La superficie subit par la suite une chute de 56 %. Ceci est dû à la chute de la superficie allouée à la tomate de saison (TS) en est en cause, cette dernière dépend dans une large mesure des conditions climatiques. La superficie a connu une augmentation progressive durant les compagnes suivantes avec un taux d’accroissement de 22 % en moyenne (Figure 1b). La région des Doukkala est la principale zone de production au Maroc (5200ha), suivie de la région du sud (Souss Massa), avec près de 3700ha composés essentiellement de tomates en sous serres. La plupart des serres sont situées sur le littoral. La région du Gharb abrite les plus grandes cultures de tomates industrielles du Maroc. Le secteur national des tomates industrielles, évalué à 200 000 T par année, est en constante progression. 4 Chapitre I Tomate sous serre Tomate plein champ Tomate de saison b a 27% 63% 32% 10% 7% 61% Figure 1a : Superficies cultivées (a) et production (b) de la tomate au cours de la compagne 2005/06 24 1000 20 800 16 600 12 400 8 200 4 0 0 Superficie 1200 19 96 /9 7 19 97 /9 8 19 98 /9 9 19 99 /0 0 20 00 /0 1 20 01 /0 2 20 02 /0 3 20 03 /0 4 20 04 /0 5 20 05 /0 6 Production Source : Ministère de l'Agriculture, du Développement Rural et Pêches Maritimes Production (1000T) Superficie (1000 Ha) Figure 1b : Evolution de la superficie et de la production de la tomate au cours de la compagne 2005/06 Source : Ministère de l'Agriculture, du Développement Rural et Pêches Maritimes 2. La tomate 2.1. Taxonomie et généralités botaniques La tomate appartient au genre Lycopersicon qui fait partie de la famille Solanaceae. Le genre Lycopersicon comprend neuf espèces (Rick et Holle 1990), L. peruvianum, L. pimpinellifolium, L. hirsutum, L. cheemannii, L. parviflorum, L. chilense, L. chmielewskii, L. 5 Chapitre I pennellii et L. lycopersicum, distribuées entre deux sous genres caractérisés par la couleur typique de leurs fruits à maturité, soit Eulycopersicon aux baies (1) rouges comestibles et Eriopersicon aux baies vertes non comestibles. Tous les membres du genre Lycopersicon possèdent des fleurs hermaphrodites avec des parties male et femelle fonctionnelles, tous ces membres sont auto-incompatibles, avec comme exception L. pimpinellifolium et certaines variées cultivées de L. esculentum qui est capable d’auto pollinisation. Cette classification a évolué avec plusieurs études utilisant différents types de marqueurs moléculaires (Tam et al., 2005). Avec la découverte récente d’une nouvelle espèce endémique aux Iles Galapagos d’une part, et l’étude combinant la systématique phénotypique et moléculaire, Spooner et al. ont reclassé la tomate dans le genre Solanum (Spooner et al., 2005) et cette nouvelle classification est composée de treize espèces (Peralta et al., 2005). Suite à la germination des graines, les deux premières feuilles sont simples et alternées, alors que celles qui suivent sont composées de 5 à 9 folioles de dimensions variables. La tomate a un système radiculaire important. De nombreuses racines primaires, secondaires, tertiaires prennent naissance sur un pivot puissant. Les racines peuvent atteindre 85 à 90cm de long, mais les principales racines nourricières se rencontrent entre 25 et 35cm de profondeur. L’axe principal de la jeune plante est de type monopodial. Cependant, une fois que l’apex entre en floraison et produit des fleurs, la croissance devient de type sympodial. Cette deuxième forme de croissance est caractérisée par 3-4 nodules de croissance végétative avant la formation d’une inflorescence terminale. Les tiges sont vertes pourvues de poils blanchâtres. Elles portent les feuilles, les fleurs et les fruits. Le plus souvent, elles sont retombantes et demandent à être attachées sur des tuteurs. Deux grandes catégories de tiges sont distinguées, les tiges à croissance déterminée, leur croissance s'arrête après avoir émies un nombre variable de bouquets de fleurs et permet une récolte unique et mécanique en plein champ. Elles donnent des pieds qui ont 60 à 80cm de hauteur. Ce sont des variétés dites d’industrie, destinées à la transformation. Les tiges à croissance indéterminée sont des tiges dont la croissance ne s'arrête pas tant que la condition climatique est favorable. Elles donnent des pieds atteignant 1,40 à 1,60m et parfois plus. De telles variétés nécessitent une culture tuteurée et demandent à être palissées. Les feuilles sont découpées et composées, à folioles ovales, un peu dentées sur les bords grisâtres à la face inférieure. Elles répandent une odeur (1) Baie : fruit à péricarpe entièrement charnu, contenant des graines appelées pépins 6 Chapitre I caractéristique, due à la solanine. La morphologie des feuilles varie considérablement en fonction de l’espèce. Les inflorescences sont des grappes plus ou moins ramifiées formant des bouquets. Suivant le mode de croissance des tiges, de 1 à 4 feuilles, en moyenne, séparent 2 bouquets successifs. Le nombre de fleurs par bouquet diminue au fur et à mesure que l'on s'approche de l'extrémité des tiges. Les fleurs, de couleur jaunâtre, forment habituellement une grappe de 4 à 8 spécimens, mais les types à petits fruits peuvent produire une grappe de 30 à 50 fleurs. Les fleurs sont principalement auto-pollinisées par le vent. L’ovaire comporte deux carpelles soudés à la placentation axile et les placentas sont proéminents. Chez les plantes cultivées, il y a souvent 3 ou 5 loges par suite de la formation de cloisons surnuméraires. Le fruit de la tomate est une baie, il est situé au dessus du plan d’insertion des pièces florales, il dérive du développement accru de l’ovaire après fusion des parois des carpelles (Gillapsy et al., 1993). Cette baie peut être de couleur rouge, verte, jaune ou orangée, de forme ronde plus au moins allongée, lisse ou creusée de sillons. La pulpe charnue de la baie est divisée en loges (3-5) qui contiennent des graines d’un tégument gélifié. 2.2. Origine et répartition géographique Il est fort probable que l’aire d’origine de la tomate se situe tout le long des côtes de l’Amérique du Sud, de l’Equateur au Chili. Elle est domestiquée à partir de l’espèce Lycopersicon esculentum var cerasiforme, fut introduire en Méso-Amérique et cultivée uniquement dans la région de Vera Cruz par les Aztèques. La conquête du Mexique en 1519 permit à la tomate de traverser l’Atlantique. Elle fit son entrée officielle dans la botanique européenne en 1544 dans l’ouvrage du botaniste italien Petrus Matthiolus. Cependant, la littérature scientifique du début du 17ème siècle décrète la tomate impropre à la consommation car celle-ci, étant de la famille des Solanacées, est parente de la mandragore, une plante toxique. Dès le début du 16ème siècle, la tomate connaît une popularité grandissante des populations. Ce n’est qu’au milieu du 18ème siècle que la plante devint comestible. A la fin de ce siècle, la plante se dispersait dans plusieurs endroits en Asie et en Amérique du Nord. Sa dispersion se continua au cours du 19ème et 20ème siècle et aujourd’hui, elle est cultivée partout dans le monde. 2.3. Exigences pédo-climatiques Ayant une origine tropicale, la tomate a des exigences particulières. Elle est sensible au froid, craint beaucoup le gel et les vents chauds et est très exigeante en température. La 7 Chapitre I température est le facteur déterminant dans la production de la tomate. Elle influence la croissance végétative, la formation des grappes florales, la fructification, le développement des fruits, le mûrissement et la qualité des fruits. Les basses températures (<10°C) ralentissent la croissance et le développement des plantes. Il en résulte un raccourcissement des entrenœuds et la formation d’un feuillage abondant au détriment de la production, en plus d’une ramification des bouquets et des difficultés de nouaison. Pas contre, les températures élevées favorisent la croissance de la plante au détriment de l’inflorescence qui peut avorter (Chibane, 1999). Les températures optimales sont comprises entre 20 et 25°C le jour. Les températures nocturnes optimales sont de l’ordre de 13-17°C. La culture de la tomate peut supporter une humidité relative qui varie de très faible à très élevée. Une humidité relative de 75% est jugée optimale. La croissance est généralement favorisée par un taux élevé d’humidité relative, et un taux élevé durant le jour peut aussi améliorer la fructification. Elle permet d’avoir des fruits de bons calibres, avec moins de gerçures et sans défaut de coloration. Lorsque ce taux est bas, l’irrigation est absolument nécessaire, et lorsqu’il est élevé, des maladies peuvent se manifester, notamment le botrytis et le mildiou. La tomate est exigeante en énergie lumineuse et un manque peut inhiber l’induction florale. De même, la réduction de la lumière baisse le pourcentage de germination du pollen. Pour la culture des tomates, l’éclairement a plus d’importance durant les journées courtes et sombres de la fin d’automne et de l’hiver. En général, la tomate n’a pas de besoins particuliers en matière de structure du sol. Néanmoins, elle s’adapte bien dans les sols profonds, meubles, bien aérés et bien drainés. Une texture sablonneuse ou sablo-limoneuse est préférable (Elattir et al., 2003). La culture de la tomate tolère une large gamme de pH (Elattir et al., 2003). Néanmoins, sur des sols à pH basique, certains micro-éléments (Fe, Mn, Zn, Cu) restent peu disponibles à la plante. 3. Etat hydrique de la plante 3.1. Paramètres hydriques de la plante L’état hydrique des plantes est caractérisé par une variable physique, le potentiel hydrique, qui traduit l’état de liaison de l’eau à l’intérieur des tissus végétaux. L’avantage de l’utilisation du potentiel hydrique est qu’il permet de faire la connexion avec le flux d’eau existant dans la plante puisque ce dernier est toujours la résultante d’un gradient de potentiel 8 Chapitre I (toujours vers le potentiel inférieur). Ce flux d’eau, résultante de la demande évaporatoire dans les feuilles, est régi par la loi de la tension- cohésion dans le continuum sol-planteatmosphère (Tyree et Cochard, 2003). Le potentiel hydrique total des plantes est la résultante de la différence entre la pression hydrostatique et la pression osmotique (Passioura, 1980). Il dépend ainsi de la concentration des solutés et de la rigidité des parois cellulaires et il n’est pas lié directement au volume cellulaire (Lawlor, 1995). Il existe aussi une composante gravitationnelle, qui n’est prise en compte que dans le cas des plantes de grande taille. Une autre mesure a été proposée et largement utilisée, la teneur en eau relative (TER). Il s’agit d’un indicateur facilement mesuré, qui normalise la teneur en eau en l'exprimant relativement à l'état de pleine turgescence. C’est une mesure du changement relatif dans le volume cellulaire (Lawlor et Cornic, 2002). La balance hydrique des tissus et des plantes est déterminée par la perte d’eau via la transpiration dans l’atmosphère et son absorption à partir du sol. 3.2. Circulation de l’eau dans la plante Le mécanisme de l’ascension de la sève dans les arbres fut certainement l’un des problèmes les plus discutés et disputés pendant la seconde moitié du 19ème siècle et la première partie du 20ème siècle (Cruiziat et al., 2001). La théorie de la tension-cohésion s’est imposée parmi toutes les autres explications proposées (Dixon et Joly, 1894). D’après cette théorie, Il existe une continuité hydraulique à travers toute la plante, depuis les parois des cellules foliaires où a lieu l’évaporation, jusqu’aux particules du sol entourant les racines. Cette continuité hydraulique est assurée par des « colonnes » d’eau contenues dans les éléments conducteurs et par l’eau d’imbibition des parois de ces éléments, et des cellules vivantes pour ce qui est de la circulation extravasculaire. L’eau du sol qui traverse la plante est tirée vers le haut par la transpiration et la force motrice est générée par la courbure des ménisques air-eau qui se forment au niveau des surfaces d’évaporation dans la feuille. Elle se traduit par l’établissement de gradients de tension depuis la surface des ces ménisques, à travers toute la plante, jusqu’à l’eau du sol au voisinage des racines (Cruiziat et al., 2001). Steudle (2000) a proposé un modèle simplifié de l'écoulement régulier de l'eau à travers la plante (figure 3). L’absorption de l'eau par les racines, le transport dans le xylème et la résistance stomatique sont dénotés par les différentes résistances hydrauliques disposées en série. Habituellement, la résistance de la racine est plus petite que celle de la tige, qui est dominée par des résistances des voies de vapeur dans la feuille qui sont considérées les plus 9 Chapitre I fortes résistances dans le continuum sol-plante-atmosphère. La résistance le long du xylème est relativement faible. Cependant, elle peut devenir plus importante sous conditions de stress, quand de fortes tensions dans le xylème provoquent une cavitation et interrompe ainsi le flux d’eau entre la racine et la tige (Tyree et Sperry, 1988). Par conséquent, pour un flux donné d’eau traversant le système, la résistance hydraulique de la racine par rapport à celle des stomates déterminerait le statut hydrique (potentiel hydrique) de la plante. Afin d'améliorer son statut hydrique (ψ tige), la plante peut améliorer l’absorption d'eau par la réduction du ψ racine, comme elle peut éviter des pertes d'eau par l'augmentation du ψ tige. Figure 3 : Modèle simplifié de l'écoulement régulier de l'eau à travers la plante d’après Steudle (2000) 3.3. La transpiration 3.3.1. Nécessité de la transpiration Chez les plantes vasculaires, la quasi totalité (c’est à dire plus de 90-95% en moyenne) de l’eau puisée dans le sol sous forme liquide par les racines ne fait que traverser la plante avant de s’évaporer dans l’atmosphère. Le moteur de ce transfert est l’énergie solaire qui fournit la quantité d’énergie nécessaire à l’eau, une fois arrivée aux feuilles, pour passer de l’état liquide à l’état vapeur : c’est le phénomène de la transpiration (Cruiziat et al., 2001). La transpiration est considérée comme un « mal inévitable » ; un mal du fait qu’elle peut entraîner la déshydratation de la plante, inévitable vue la structure des feuilles et la nécessité vitale des échanges gazeux pour la plante (Martre, 1999). 10 Chapitre I Pendant la première partie de la journée, la transpiration est un peu plus grande que l’absorption et les organes du végétal perdent de l'eau ; la nuit, les organes se réhydratent jusqu’au lever du soleil. En cas de sécheresse, la récupération nocturne est incomplète et les tissus se déshydratent un peu plus chaque jour. La transpiration permet également aux feuilles de dissiper une partie de l’énergie qu’elles reçoivent sous forme de chaleur latente et limite leur échauffement (Sheehy et al., 1998). 3.3.2. Régulation stomatique de la transpiration La conductance stomatique gs (mmol.m-2.s-1) est une variable physique dont les variations représentent le degré de l’ouverture des stomates et par laquelle la plante répond activement à une disponibilité en eau et à des conditions environnementales. Les stomates sont le siège de la transpiration de la plante et sont présentes soit sur les deux faces d’une feuille (espèces amphistomatiques), ils sont plus gros et actifs sur la face inférieure, soit, le cas le plus fréquent, uniquement sur la face inférieure (espèces hypostomatiques). Une de leurs fonctions est d’assurer la transpiration nécessaire à la plante pour réguler la température de ses feuilles et la maintenir dans une gamme de viabilité. Quand la disponibilité de l'eau aux racines diminue, les plantes tendent à diminuer leur transpiration par deux moyens : un effet à court terme consiste en la fermeture des stomates, réduisant de ce fait le flux de l'eau ; un effet à plus long terme consiste à la réduction de la croissance foliaire et par conséquence une surface foliaire transpiratoire réduite. Ces deux mécanismes de réduction de la transpiration sont des processus adaptatifs qui conservent l'eau pour les étapes postérieures du développement des plantes, mais ils contribuent également à une homéostasie partielle du statut hydrique des tissus (Tardieu, 2005). Le gaz carbonique (CO2) de la photosynthèse pénètre dans les feuilles par les stomates, qui contrôlent aussi la transpiration. La fermeture partielle des stomates pour conserver de l’eau réduit la photosynthèse, et donc la production des plantes. La photosynthèse est intrinsèquement liée à la transpiration, et il n'existe aucun moyen connu d’éviter cet échange "eau contre carbone" (Tardieu et al., 2006). La transpiration est influencée, en outre, par la température, l’humidité, l’agitation de l’air, le nombre et la disposition des feuilles et par les résistances à la diffusion des gaz opposées par les stomates (Nobel, 1999). 11 Chapitre I 3.4. L’absorption racinaire Il est admis que chez les plantes l’absorption se situe essentiellement entre 10 et 100mm de la coiffe racinaire, entre la fin de la zone d’élongation et les zones où les lamelles de subérine se déposent dans les parois des cellules de l’endoderme, ainsi qu’aux points d’émergence des racines latérales (Melchior et Steudle, 1993). L'eau n'est pas absorbée activement, mais se déplace passivement dans la racine en réponse à un gradient du potentiel hydrique mis en place par la transpiration. La complexité anatomique de la racine rend le flux de l'eau également complexe. Ce flux est décrit par un modèle de transport composite (Figure 4) où l’eau emprunte différentes voies à travers différents tissus arrangés en série (épiderme, cortex, stèle) (Steudle, 2000). L’eau circule alors à travers les parois cellulaires, c’est la voie apoplastique (a) ; de cellule à cellule via le plasmodesme, c’est la voie symplastique (b) ; de cellule à cellule en traversant le plasmalemme, c’est la voie transcellulaire (c). Puisqu'il n'y a aucune membrane le long de l'apoplaste, le flux de l'eau domine le long de ce chemin, tandis que le mouvement symplastique est influencé par des gradients osmotiques. La transpiration favorise le flux apoplastique de l'eau et réduit ainsi la résistance hydraulique, mais quand la transpiration est faible ou négligeable (la nuit ou avec le sol sec), la résistance hydraulique augmente sensiblement, puisque le flux de l'eau est conduit par des gradients osmotiques (à travers des membranes) (Steudle, 2000). Figure 4 : Voies de transport de l’eau dans la racine d’après Steudle, (2000) 12 Chapitre I 4. Terminologie de la sécheresse et stratégies de résistance 4.1. Terminologie de la sécheresse La sécheresse est un événement météorologique souvent défini en termes relatifs (Turner, 2003). Dans les régions tempérées du monde, une sécheresse peut s’étendre pour une période dépassant les deux semaines sans précipitation. Alors que dans les régions semi-arides avec des saisons sèches et humides clairement définies, la sécheresse est généralement définie comme une absence de précipitations pour une période assez longue capable de causer un épuisement de l’humidité du sol et un endommagement de la production agricole. La sécheresse agriculturale dépend des conditions atmosphériques comme la température et le VPD (Vapour Pressure Deficit, déficit de vapeur en eau de l’air). Ces conditions affectent le taux de transpiration des végétaux et l’évaporation du sol, la profondeur et la capacité de rétention d’eau dans le sol et les caractéristiques des plantes comme le stade de croissance et la densité des semis. 4.2. Les stratégies de résistance Classiquement, ces stratégies ont été groupées en trois catégories à savoir l’échappement, l’évitement et la tolérance (Levitt, 1972). Pourtant, ces stratégies ne sont pas mutuellement exclusives. En effet, les plantes peuvent combiner tout un ensemble de réponses (Ludlow, 89). 4.2.1. La stratégie d’échappement La stratégie d’échappement implique un développement phénologique rapide avec une floraison et une maturité précoces, une plasticité de développement se traduisant par la variation dans la durée des périodes de croissance qui dépend du degré du déficit hydrique, et une remobilisation des assimilas aux fruits. Cette réponse est bien documentée aussi bien pour les céréales (Bruce et al., 2002) et certaines légumineuses (Rodrigues et al., 1995). La capacité de mobiliser les réserves s’accroît chez les plantes stressées (Yang et al., 2001). Le mécanisme d’échappement repose sur la reproduction réussie avant le début d’un stress sévère. Ceci est important dans les régions arides ou les plantes annuelles peuvent combiner des cycles de vie courts avec des taux élevés de croissance et d’échange gazeux. 4.2.2. La stratégie d’évitement L’évitement de la sécheresse repose sur la capacité des plantes de maintenir un potentiel hydrique des tissus relativement élevé. Ce mécanisme est commun aux plantes 13 Chapitre I annuelles et pérennes et il est associé avec une variété des traits adaptatifs, à savoir une minimisation des pertes d’eau et une maximisation de l’absorption d’eau. La perte d’eau est minimisée par la fermeture stomatique ; la réduction d’absorption de la lumière à travers les feuilles enroulées (Ehleringer et Cooper, 1992), une dense lame de trichome augmentant ainsi la reflectance (Larcher, 2000), ou encore des angles foliaires raides ; ou par la réduction de la surface foliaire à travers une croissance réduite ou une chute des feuilles âgées. L’absorption d’eau est maximisée par un ajustement de l’allocation (Chaves et al., 2003). Autrement dit, un investissement élevé au niveau des racines (Jackson et al., 2000). Dans les régions semi-arides, les gains signifiants de la productivité des cultures résultent d’un enracinement profond (Blum, 1984). Encore, la chute des feuilles âgées qui contribue à une économie d’eau, peut être considérée comme un programme de recyclage à l’intérieur de la plante, permettant la réallocation des nutriments stockées au niveau des feuilles âgées plus qu’aux jeunes feuilles. Durant la sénescence induite par la sécheresse, certaines protéases spécifiques à la sécheresse sont induites, c’est le cas de certaines formes de cystéines protéases (Khanna-Chopra et al., 1999). La sénescence foliaire, conduisant à une provision courte en sucres, est un facteur important dans l’avortement des fruits sous conditions de sécheresse. Par conséquent, les phénotypes à sénescence retardée sont désirables dans les cultures ou le rendement est une source limitée (Levy et al., 1997). Pourtant, une interaction entre la disponibilité de l’eau et de l’azote est observée chez les céréales. Sous conditions hydriques optimales, l’azote abondant retarde la sénescence mais réduit le rendement en graines, alors que sous condition de restriction en eau, une disponibilité élevée en azote augmente l’usage des carbohydrates stockées (Yang et al., 2000). La plupart des réponses de l’évitement permet à la plante un ajustement aux sources faibles en eau et en minéraux (Pooter et Nagel, 2000). Ces ajustements dans les environnements arides incluent une structure foliaire altérée et des proportions importantes des assimilas attribués aux racines (Pooter et Nagel, 2000). 14 Chapitre I 4.2.3. La stratégie de tolérance La tolérance des tissus à un potentiel hydrique faible peut impliquer l’ajustement osmotique (2) (Morgan, 1984), des parois cellulaires plus rigides et des cellules de petite taille (Wilson et al., 1980). Plusieurs espèces d’arbres et d’arbustes dans les régions arides et semiarides combinent une forte concentration des solutés avec une capacité photosynthétique et une conductance stomatique réduites. Le phénomène de dormance partielle des plantes pour survivre la saison sèche est une autre stratégie de tolérance. C’est le cas par exemple de la légumineuse Retama raetam (Mittler et al., 2001). Chez cette espèce, la dormance est évidente par la répression des gènes codés pour les protéines photosynthétiques. Ces protéines sont synthétisées au cours des 6 à 24heures qui suivent la pluie. La plupart de ces adaptations à la sécheresse ne se privent pas d’inconvénients (Mitra, 2001). Un génotype à court cycle de vie produit moins en comparaison par d’autres à cycle de vie normal. Les mécanismes qui confèrent aux plantes une résistance à la sécheresse via une réduction des pertes d’eau, à savoir la fermeture stomatique et la réduction de la surface foliaire, conduisent généralement à une assimilation réduite de CO2. L’ajustement osmotique augmente certes la résistance à la sécheresse en maintenant la turgescence, mais la concentration élevée des solutés responsable de cet ajustement exige un surplus en termes d’énergie (Turner, 1979). Ces stratégies diffèrent quant à leurs conceptions, mais elles ont toutes un coût en terme de rendement final pour la plante (Tardieu et al., 2006). Par conséquent, l’adaptation des plantes à la sécheresse doit refléter un équilibre entre l’échappement, l’évitement et la tolérance afin de maintenir une productivité adéquate (Mitra, 2001). 5. La signalétique du stress hydrique La réponse des plantes aux stress entre autre le déficit hydrique, dépend des caractéristiques du stress et celles de la plante (Figure 5). Un stress se définit par son intensité, sa durée, le nombre d’expositions ainsi que par son association à d’autres stress (Bray et al., (2) L’ajustement osmotique est le mécanisme principal pour maintenir la turgescence cellulaire lorsque le potentiel hydrique diminue, permettant le maintien de l'activité métabolique de la plante et donc le maintien de la croissance et de la productivité. Il se produit quand les concentrations des solutés dans la cellule augmentent pour maintenir le potentiel de turgescence positif. La cellule accumule activement les solutés et il en résulte des baisses de potentiel hydrique favorisant ainsi l'écoulement de l'eau dans la cellule. 15 Chapitre I 2000). Au niveau de la plante, la réponse varie en fonction du stade de développement, des organes ou tissus touchés. Figure 5 : Facteurs déterminant la réponse de la plante à un stress selon Bray et al. (2000) Les mécanismes de réponse au stress peuvent être spécifiques ou communs à plusieurs stress. Lorsque les mêmes voies de réponses sont employées pour répondre à des stress différents, il s’agit d’une cross-tolérance (Pastori et Foyer, 2002). La détermination de la manière dont les plantes perçoivent le déficit hydrique est complexe. La première étape réside dans la transformation d’une réponse à un signal environnemental à une réponse moléculaire. Elle initie ou supprime une cascade de réponse pour transmettre l’information à travers une voix de traduction du signal. Suivant les indices précoces au niveau des procaryotes, ou il a été montré que la perception initiale du déficit hydrique se fait à travers une histidine kinase transmembranaire qui fonctionne comme un osmosenseur (Posas et al., 1996). Urao et al. ont montré que le déficit hydrique, suivi par un stress osmotique, inhibe l’expression d’un osmosenseur AtHTK1 chez l’Arabidopsis (Urao et al., 1999). Cet osmosenseur, constitué d’un domaine histidine kinase, d’un domaine récepteur et de deux domaines transmembranaires, peut être le premier composant percevant le changement dans le potentiel osmotique dans les cellules et inhibant une cascade des signaux. Il en résulte une expression de gènes de déshydratation (Urao et al., 2000 ; Lui et al., 2001). Durant le développement d’un stress hydrique, l’interaction entre les substances amphiphiliques, cationiques et anioniques avec les membranes plasmatiques favorise un changement de l’état physique membranaire, comme elle peut modifier les interactions proteino-lipidiques des membranes transmettant ainsi l’osmosensation par les cellules. Un tel mécanisme est récemment décrit chez Lactococcus lactis (Heide et Poolman, 2000). Un changement de l’état physique des membranes peut aussi réguler l’activité des protéines 16 Chapitre I membranaires intégrées, comme les aquaporines qui sont impliquées dans le contrôle du volume cellulaire ou l’homéostasie de turgescence (Tyerman et al., 2002). Les signaux peuvent avoir lieu localement ou à une longue distance. Ces derniers exigent que les composés chimiques ou les signaux physiques passent à travers la plante en réponse à un stress subi au niveau des racines. Ces signaux peuvent être positifs ou négatifs. Si les cellules répondent à un changement dans la pression hydraulique, la cavitation (3) du xylème peut agir autant qu’un signal hydrique (Chaves et al., 2003). L’importance relative des signaux chimiques et hydriques pour le stress hydrique est encore sujette de débat. Ceci est vrai surtout dans le cas du contrôle de la fermeture stomatique et la régulation de la transpiration ou les deux types de signaux agissent (Comstock, 2002). Après la première perception des changements osmotiques durant le stress hydrique par la stimulation des osmosenseurs, une cascade de traduction du signal impliquant une phosphorylation et une déphosphorylation des protéines a eu lieu par plusieurs protéines kinases et des phosphatases dont les gènes sont régulés positivement par le stress hydrique (Lee et al., 1999). Une fois le stress est reconnu, les réponses à la sécheresse divergent en plusieurs voies selon l’implication ou non de l’ABA, dans la première voie, l’accumulation de l’ABA active plusieurs gènes associés au stress. Les produits de ces gènes sont soit fonctionnels, c’est le cas des aquaporines. Comme ils peuvent être régulateurs, c’est le cas des protéines kinases. La voie indépendante de l’ABA est encore faiblement comprise. Mais elle est rapidement induite par le stress hydrique (Chaves et al., 2003). Malgré que les deux voies fonctionnent indépendamment, une certaine interférence peut avoir lieu entre elles comme il a été suggéré par Kizis et al. (2001). 5.1. Réponses par médiation d’ABA L’accumulation d’ABA sous déficit hydrique peut résulter d’une augmentation d’anabolisme et /ou une diminution du catabolisme (Bray, 1997). ABA est synthétisé aussi bien au niveau des parties aériennes qu’au niveau des racines en réponse à plusieurs types de stress incluant la sécheresse, l’hypoxie et les faibles températures. (3) Les vaisseaux se présentent comme de très fins capillaires aux parois rigidifiées par des dépôts de lignine imperméable. Ces derniers sont interrompus de place en place par des espèces de plaques de micropores appelées les ponctuations. C’est à leur niveau que se trouve l’explication de l’occurrence de la cavitation (Cruiziat et al., 2001). La sève est dans un état métastable puisqu’elle est sous tension inférieure à celle de vapeur saturante correspondant à la température de la sève (Martre, 1999). Il peut s’y produire de la cavitation c’est-à-dire l’apparition d’une phase gazeuse, sous forme de bulles de vapeur d’eau et d’air, dans la phase liquide. 17 Chapitre I La zéaxanthine epoxidase (ZEP), enzyme responsable de la conversion de la zéaxanthine en violaxanthine, une époxydation en deux étapes, le gène de la ZEP a été cloné dans la tomate (Burbidge et al., 1997) et le poivre (Bouvier et al., 1996). En réponse au déficit hydrique, ce gène n'est pas induit dans les feuilles de la tomate, probablement parce qu'il y a assez de substrat pour la ZEP et par conséquent l'induction de gène n'est pas exigée pour la biosynthèse d'ABA. Cependant, au niveau des racines, le contenu du cis-9-epoxycarotenoide est inférieur et l’induction du gène semble essentielle pour fournir le substrat de la biosynthèse d'ABA (Thompson et al., 2000). L’induction des gènes de NCED (9-cis-époxycaroténoide dioxygénase) par le stress hydrique a été observée chez la tomate (Burbidge et al., 1997), l’Arabidopsis (Neill et al., 1998) et l’avocatier (Chernys et Zeevaart, 2000). Chez Phaseolus vulgaris, une corrélation étroite entre l'accumulation de l’ARN messager du gène PvNCED1 et l'augmentation de la teneur en ABA dans des feuilles isolées soumises au déficit hydrique. Une heure après la réhydratation, les teneurs en ces composés retournent à la normale (Qin et Zeevaart, 1999). ABA induit l’expression de plusieurs gènes à travers des protéines kinases ou des phosphatases interagissant avec Ca2+ (Bowler et Fluhr, 2000). Les travaux de Allan et Trewawas (1994) ont montré que ABA peut induire des cascades de signaux de l’intérieur à l’extérieur de la cellule, et multiples récepteurs d’ABA ont été proposés (Walker-Simmons et al., 1997). 5.2. Réponses par médiation des sucres Le statut des carbohydrates des feuilles se trouve altéré quantitativement et qualitativement par le déficit hydrique. Il peut agir en tant que signal métabolique en réponse au stress (Chaves et al., 2003). Le rôle signalétique des sucres dans ce contexte n’est pas totalement clair. En général, la sécheresse peut conduire aussi bien à une augmentation sous stress modéré ou un maintien sous stress intense de la concentration des sucres solubles. Dans les feuilles, malgré la faible assimilation du carbone à cause de l’inhibition de la croissance sous condition de déshydratation sévère, les sucres solubles peuvent diminuer (Pinheiro et al., 2001). Cependant, la synthèse de l’amidon est en général, fortement prépondérante même sous déficit hydrique modéré (Chaves, 1991). Une augmentation dans l'activité invertase acide au niveau des feuilles soumises à une contrainte hydrique, coïncide avec une accumulation rapide du glucose et du fructose dans les feuilles de maïs (Trouverie et al., 2003) et avec une accumulation du glucose, du fructose et 18 Chapitre I du sucrose au niveau des limbes et des pétioles de Lupinus albus L. (Pinheiro et al., 2001). La tendance des changements observés du sucrose des pétioles de feuille est antiparallèle à celle détectée au niveau des limbes foliaires, suggérant que sous l’effet d’un déficit hydrique sévère, le sucrose est exporté en dehors des feuilles (Pinheiro et al., 2001). L'activité de l'invertase acide vacuolaire est fortement corrélée avec la concentration de l’ABA xylèmique (Trouverie et al., 2003). Il existe également une indication que le glucose contrôle directement la biosynthèse d'ABA. En effet, une augmentation de la transcription de plusieurs gènes de la synthèse d'ABA par le glucose des jeunes plantes d'Arabidopsis a été observée (Cheng et al., 2002). Les circuits de régulation complexes peuvent également lier le signal sucre aux signaux de stress, suggérant que les différents types de signaux peuvent être perçus par le même récepteur ou par différents récepteurs et que les voies des signaux convergent en aval (Ho et al., 2001). D'autre part, les sucres véhiculant dans le xylème des plantes sous déficit hydrique, ou les sucres qui pourraient augmenter considérablement dans l'apoplaste des cellules de garde sous la lumière élevée sont susceptibles d’influencer sur la sensibilité des stomates à l'ABA (Wilkinson et Davies, 2002). Une interaction entre le sucre et les voies hormonales d'ABA et d'éthylène (Pego et al., 2000) a été également révélée. Il a été montré, par exemple, que le glucose et l'ABA à des concentrations élevées agissent en synergie pour inhiber la croissance. Tandis qu'à de faibles concentrations ils peuvent favoriser la croissance. D'autre part, l'inhibition de la croissance par le glucose pourrait être surmontée par l'éthylène, même s'il est connu comme inhibiteur de croissance (Leon et Sheen, 2003). Les réponses ainsi que les interactions semblent dépendre aussi bien des concentrations et du tissu concerné (Chaves et al., 2003). Les sucres affectent également l'expression des gènes photosynthétiques par l'intermédiaire d'une voie complexe et interconnectée. L'épuisement des sucres déclenche une augmentation de l'activité photosynthétique, probablement due à une dérépression des signaux de sucre sur la transcription (Pego et al., 2000). 5.3. Le signal Redox sous conditions de sécheresse H2O2 agit comme un signal local ou systémique pour la fermeture des stomates et l’acclimation des feuilles aux fortes irradiations (Pastori et Foyer, 2002). Les effets de H2O2 sur les cellules de garde sont reportés sur Vicia faba par Mc Ainsh et al. (1996). Ces auteurs ont trouvé que les applications exogènes de H2O2 ont induit une augmentation de la teneur en calcium cytosolique et une fermeture stomatique. D’autre part, une application d’ABA sur les 19 Chapitre I cellules de garde d’Arabidopsis a induit une montée de H2O2 et par la suite une fermeture stomatique (Pei et al., 2000). Pourtant, si la production de H2O2 dépasse un seuil, il s’en suit le déclenchement d’un programme de mort cellulaire. H2O2 et autres composées redox jouent un rôle important dans la perception du stress de l’apoplaste, qui agit autant qu’un pont entre l’environnement et le symplaste. Récemment, il a été observé que H2O2 est transporté de l’apoplaste au cytosol à travers les aquaporines, suggérant ainsi que la régulation du signal de traduction peut aussi avoir lieu via la modulation du système de transport (Pastori et Foyer, 2002). H2O2 modifie aussi le flux de calcium dans les cellules et, par conséquent change les voies de signalisation induites par le calcium (figure 6). D'autres systèmes de transport peuvent également être modifiés s'ils sont sujets d’une régulation redox. Pour la régénération, les formes oxydées d'ascorbate doivent agir avec la membrane plasmatique ou retourner au cytosol du fait que l'apoplaste a peu ou pas de puissance réductrice. Les formes réduites et oxydées d'ascorbate agissent elles-mêmes en tant que molécules de signaux de traduction ; par exemple, le monodehydroascorbate (MDHA) est impliqué dans la régulation du cycle de cellules, tandis que le dehydroascorbate (DHA) régule la croissance cellulaire. D'ailleurs, par interaction avec le glutathion, DHA peut déclencher d'autres séquences de signalisation puisque les formes réduites (GSH) et oxydées (GSSG) du glutathion ont également des effets sur l'expression des gènes (Noctor et al., 2000). Une monodehydroascorbate réductase liée à la membrane plasmatique (MDAR) pourrait être impliquée dans le signal de traduction par l'intermédiaire d'une chaîne de transport d'électrons. Le superoxyde lui-même pourrait déclencher une série indépendante de signaux, mais il se convertit en H2O2 par l'action d'une superoxyde dismutase apoplastique (Bolwell et al., 1995). 20 Chapitre I Figure 6 : Mécanismes de signalisation de H2O2/antioxydant à travers la membrane plasmique d’après Pastori et Foyer (2002) 6. Effet du stress hydrique sur le comportement stomatique La fermeture stomatique et l’inhibition de la croissance sont des réponses précoces à la sécheresse, protégeant ainsi les plantes d’une perte d’eau assez considérable, qui peut donner lieu à une déshydratation cellulaire et par la suite la cavitation du xylème et la mort de la plante. Cette réponse est commune et peut résulter d’une déshydratation aussi bien des parties aériennes que des parties souterraines (Schuzle, 1986; Chaves, 1991). L’ouverture et la fermeture des stomates résultent d’un changement dans la turgescence des cellules de garde relativement aux cellules épidermiques. L’énergie métabolique et les changements dans la perméabilité membranaire sont aussi impliqués. Les mécanismes détaillés de la réponse à la sécheresse ne sont pas faciles à rationaliser parce qu’à n’importe quel moment, les stomates répondent à une série complexe de facteurs rangeant l’intensité lumineuse, la concentration de CO2 et l’état hydrique foliaire. Des études dans les années 80 montrent que les stomates se ferment en réponse à un sol desséché même quand le statut hydrique des tiges est maintenu à haut niveau de turgescence, aussi bien par des manipulations expérimentales (Schurr et al., 1992) ou par des expériences split-root (Gowing et al., 1990). L’évidence indique que la fermeture des stomates est probablement régulée via des signaux chimiques originaires des racines. 21 Chapitre I Des hormones autres que l’ABA sont impliquées dans la régulation de la fermeture stomatique soit en isolation ou conjointement avec l’ABA. Une concentration élevée des cytokinines dans le xylème diminue la sensibilité des stomates à l’ABA et promouvait directement l’ouverture des stomates (Wilkinson et Davies, 2002). L’ABA a été identifié comme étant un des signaux chimiques impliqués dans la régulation du fonctionnement stomatique (Schulze, 1986 ; Davies et Zhang, 1991). Cette régulation est complexe et implique le transport à longue distance et la modulation de la concentration de l’ABA au niveau des cellules de garde (Wilkinson et Davies, 2002). Parmi les facteurs impliqués dans cette modulation, le pH de la sève xylèmique et le pH des tissus foliaires. Ces deux pH augmentent les conditions d’une demande évaporative élevée telles le déficit de vapeur de pression d’eau, la forte intensité lumineuse et la forte température foliaire. Une élévation du pH peut partiellement expliquer la fermeture des stomates dans les après midis dans les plantes bien alimentées en eau. L’évidence que la régulation stomatique à travers les signaux racinaires n’est pas toujours facile à réconcilier avec la réponse à court terme des stomates aux perturbations hydriques. Soit dans l’alimentation en eau, quand la conductance du xylème change, soit dans la demande en eau comme dans le cas d’une faible humidité atmosphérique (Chaves et al., 2003). Les stomates répondent directement à des taux d’eau perdue à partir des feuilles à cause d’un changement dans la demande évaporative plutôt au changement de l’humidité de l’air (Maroco et al., 1997 ; Moneith, 1995). Cependant, certains travaux suggèrent que les stomates répondent au changement dans le taux d’eau approvisionnée, à travers le changement dans la pression de la turgescence dans la feuille. Ceci pourrait être traduit à un signal qui pourrait conduire à un changement dans la pression osmotique des cellules de garde, et par conséquence, dans l’ouverture des stomates en réponse aux changements dans la demande ou l’alimentation en eau (Buckley et Mott, 2002). Ces réponses semblent justifier l’idée que la fermeture stomatique empêche le risque que la plante perde son aptitude de transport d’eau (Jones et Sutherland, 1991), avec les stomates agissant comme des régulateurs de pression empêchant la pression du xylème à atteindre les seuils de cavitation (Buckley et Mott, 2002 ; Comstock et Mencuccini, 1998). Le rôle important que les stomates jouent dans l’échange entre la perte en eau et l’absorption du CO2 est lié à leur sensibilité extrême aux facteurs environnementaux et physiologiques internes. Par exemple, sous conditions de champ à midi, une pression de la 22 Chapitre I conductance stomatique est une réponse régulatrice importante pour contrôler la perte d’eau, même dans des conditions de disponibilité d’eau dans le sol, et pour optimiser le gain de carbone en relation avec la perte d’eau (Cowan et Farquhar, 1977). L’intensité de cette dépression varie avec l’humidité de l’air, la température et le statut hydrique de la plante. Cependant, la sensibilité stomatique aux changements dans le déficit de vapeur de pression varie durant le jour (Perreira et al., 1987; Correia et al., 1990) Le changement dans la concentration de l’ABA dans le xylème ou le taux de flux n’explique pas la fermeture de midi (Correia et al., 1990). Pourtant, l’élévation dans le pH de la sève xylèmique, durant le jour peut causer une telle fermeture (Wilkinson et Davies, 2002). Cependant, la conductance stomatique diminue durant la période d’une intense transpiration et peut jouer un rôle, partiellement prépondérant, dans la réponse directe des stomates aux changements de la demande évaporative de l’air. Les rythmes circadiens peuvent être aussi impliqués dans la régulation diurne de l’ouverture des stomates par le biais de l’humidité de l’air et le statut hydrique foliaire (Franks et al., 1997 ; Mencuccini et al., 2000). Autres applications de la dépression de midi dans l’échange de gaz au niveau foliaire incluent une réponse des stomates à une radiation excessive, aussi bien à travers la chaîne métabolique, ou directement provoquée par le cycle xanthophylle (4) dans les cellules de garde (Zeiger, 2000). Comme, elle peut être déclenchée par des effets sur le pH foliaire (Wilkinson et Davies, 2002). 7. Effet du stress hydrique sur la photosynthèse 7.1. Le processus photosynthétique La photosynthèse est le processus physico-chimique par lequel les organismes photosynthétiques utilisent l'énergie lumineuse pour synthétiser des composants organiques. Il en résulte la libération d'une molécule d'oxygène et la consommation d'une molécule de dioxyde de carbone de l'atmosphère qui sera utilisée par la suite dans la synthèse des carbohydrates. (4) Le cycle des xanthophylles est un cycle formé par la conversion dépendante de la lumière de trois xanthophylles (caroténoïdes oxygénés) dans une réaction cyclique impliquant une séquence de dé-époxydations allant d'une molécule di-époxydée violaxanthine (V) via la mono-époxydée anthéraxanthine (A) pour former enfin la zéaxanthine (Z) Ces réactions ont lieu dans le lumen et catalysées par la violaxanthine de-époxydase (VDE) et la zéaxanthine époxydase (ZE) respectivement. Lorsque la capacité du transport d'électrons est excessive, l'enzyme VDE est activée pour catalyser la réaction de la conversion de V en S. Dans le cas contraire, la séquence inverse prédomine et est catalysée par ZE (Adams et Demmig-Adams, 1993). 23 Chapitre I La photosynthèse est induite par la lumière visible (longueur d'onde entre 400 et 700 nm) qui est absorbée par les pigments, essentiellement la chlorophylle a, la chlorophylle b et les caroténoïdes. La lumière est collectée par 200-300 pigments reliés aux complexes de protéines collecteurs de lumière localisés dans la membrane thylacoïdale. Les complexes collecteurs de lumière entourent les centres réactionnels et servent comme des antennes. La photosynthèse est initiée par l'absorption d'un photon par une antenne qui a lieu durant environ 1O-15 s et cause une transition de l'état de base vers un état excité. 7.2. Conséquences du stress hydrique sur la photosynthèse Malgré la nature et le rythme des limitations que le déficit hydrique impose sur l’assimilation du carbone foliaire est encore sous débat (Tezara et al., 1999 ; Lawlor et Cornic, 2002 ; Flexas et al., 2004b), il est généralement accepté que, sous conditions de champ ; la diminution dans la photosynthèse observée en réponse à un déficit hydrique modéré atmosphérique et /ou du sol (teneur en eau relative entre 70% et 75%) est initialement due à la fermeture stomatique (Chaves et al., 2003). Sous déficit hydrique modéré, la concentration de CO2 intercellulaire (Ci) diminue en réponse à la fermeture stomatique, alors que la capacité photosynthétique est maintenue (figure 6). Cette diminution peut induire l'inhibition réversible de quelques enzymes (par exemple la sucrose-phosphate synthase). En même temps, la teneur en amidon diminue et celle des sucres réducteurs est maintenue ou même augmente (Chaves et Oliveira, 2004). Malgré les effets biochimiques précoces du déficit hydrique qui entraînent des altérations dans la photophosphorylation (5) comme décrits par Tezara et al. (1999), il n’est pas généralement accepté que cette réponse soit le plus sensible composant de la photosynthèse au stress hydrique (Flexas et al., 2004b). Des travaux récents par Bota et al. (2004) ont montré la limitation de la photosynthèse par une activité Rubisco et une teneur en PuBP réduite n’a eu lieu que lorsque la sécheresse est très sévère. Les événements primaires de la photosynthèse comme la capacité du transport d’électron sont très résistants à la sécheresse (Cornic et al., 1989). Les variations dans la photochimie du Photosystème II (PS II) peuvent être expliquées par le changement dans la (5) La photophosphorylation est la synthèse de l'ATP à partir de l'ADP et du Pi, couplée au transport des électrons au cours de la photosynthèse. Elle est sous la dépendance de la lumière. Les électrons sont fournis par la photolyse de l’eau. Elle est aussi définie comme la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique sous forme d'ATP. 24 Chapitre I disponibilité du substrat. En effet, le PS II diminue souvent en concomitance avec la photosynthèse (A) sous stress hydrique suggérant que l’activité de la chaîne d’électron photosynthétique est sensiblement liée à celle de l’absorption de CO2 (Loreto et al., 1994). La diminution observée dans l’efficience photochimique dans les feuilles déshydratées traitées par l’ABA, pourrait être presque inversée après une transition rapide des feuilles dans une atmosphère riche en CO2 (Meyer et Genty, 1998). Cette constatation est une indication que la capacité photosynthétique demeure élevée durant la déshydratation et la limitation par le CO2 est le facteur principal responsable de la diminution du taux net de l’absorption du carbone photosynthétique. Une désactivation du Rubisco par une faible teneur en CO2 intercellulaire (Ci) peut justifier l’inhibition du constituant métabolique de la photosynthèse. Cet effet n’est pas renversé après une rapide transition par une atmosphère enrichie en CO2 (Mey et Genty, 1998). D'autres évidences suggèrent qu’une teneur faible en CO2 intercellulaire peut jouer un rôle essentiel comme médiateur des altérations biochimiques dans la photosynthèse (Ort et al., 1994). Une étude récente sur plusieurs espèces soumises à des conditions de sécheresse, suggère que l'altération métabolique de la photosynthèse n’a eu lieu lorsque la conductance stomatique maximale est très faible. Cette valeur est généralement moins de 50 mmol m-2 s-1 (Medrano et al., 2002). Ceci s’accorde avec l’hypothèse de l’effet de médiateur de la rareté de CO2 sur le métabolisme sous conditions de sécheresse. D'un autre côté, la limitation de la photosynthèse par une résistance élevée à la diffusion du CO2 dans le mésophylle sous la sécheresse n’a pas été assez étudié (Centritto et al., 2003). De ce fait, ces auteurs témoignent que la résistance stomatique n’est pas la seule limitation diffusive rencontrée par le CO2 dans son chemin depuis l’atmosphère jusqu’aux chloroplastes. La résistance mésophyllienne au transfert du CO2 peut être suffisamment importante pour diminuer la concentration du CO2 depuis l’espace intercellulaire (Ci) au site de carboxylation (Cc). Sous conditions de champ, les plantes sont sujettes aux multiples stresses en condition de sécheresse, à savoir la lumière intense et la chaleur. La combinaison de la forte irradiation avec la carence en CO2 dans les chloroplastes prédispose les plantes à une faible régulation de la photosynthèse ou à une photoinhibition. 25 Chapitre I Figure 6 : Présentation schématique des effets du déficit hydrique modéré sur la photosynthèse d’après Chaves et al. (2004). 7.3. Risque de production des espèces réactives de l’oxygène et Moyens de défense Sous stress hydrique, quand l’utilisation de la lumière absorbée par la photosynthèse, la photorespiration ou encore par la dissipation thermique n’est pas suffisante pour faire face à l’excès de l’énergie d’électrons, la production des molécules fortement réactives a eu lieu (Foyer et Mullineaux, 1994). Il en résulte le transfert des électrons à l’oxygène par le Photosystème I (PS I), ce qui génère des espèces réactives de l’oxygène (ROS). Le système antioxydant détruit ROS afin de préserver l’intégrité de la cellule. Ce système fait intervenir des molécules enzymatiques et non enzymatiques qui ne sont pas réparties de façon uniforme dans la cellule (Bray et al., 2000). Différents mécanismes permettent de contrecarrer cette accumulation de radicaux toxiques. Un premier consiste à dissiper l'énergie lumineuse sous forme de chaleur (Tardieu et al., 2006), les caroténoïdes sont impliqués dans ce mécanisme via le cycle des xanthophylles (Munné-Bosch et Alegre, 2000). Un deuxième mécanisme est la détoxification, qui consiste à empêcher l'accumulation d'hydroxyles en intervenant à différentes étapes de leur formation. 26 Chapitre I Les superoxydes dismutases (SOD) produisent H2O2 à partir des superoxydes et H2O2 peut ensuite être éliminé aussi bien par les catalases ou encore par les enzymes et les métabolites du cycle ascorbate-glutathione (6) . Les catalases sont induites par H2O2, les ascorbates peroxydases sont induites par différents stress dont la sécheresse (Inze et van Montagu, 1995), et les SOD sont induites par la sécheresse et l'ABA (Kaminaka et al., 1999 ; Guan et Scandalios, 1998). La capacité antioxydante dépend fortement de la sévérité du stress, de l’espèce et du stade de développement. L’acclimation à la sécheresse est généralement liée à une activité élevée des enzymes antioxydantes, rendant ainsi la concentration du ROS relativement faible (Smirnoff, 1998 ; Dat et al., 2000). ROS peuvent aussi servir comme des messagers secondaires pour l’activation des réponses défensives (Dat et al., 2000). 8. Effet du stress hydrique sur la croissance Un déficit hydrique, très modéré et ne présentant pas de symptômes flagrants, se traduit chez beaucoup d'espèces par une modification importante de l'architecture de la plante (Tardieu et al., 2006). Chez la vigne, le nombre de ramifications et le nombre d'organes élémentaires (phytomères) de la tige sont réduits (Lebon et al., 2004). La même réponse est observée chez le riz, où le nombre de talles est réduit en cas de déficit hydrique (Courtois et al., 2000). Pour expliquer la réduction de la croissance observée chez les plantes lors d’un stress hydrique, plusieurs théories hydrauliques d’une part, et biochimiques d’autre part, sont proposées : les théories hydrauliques, sont mises en jeu pour expliquer la diminution de la (6) Le cycle ascorbate glutathion : AA : acide ascorbique ; MDHA : monodéhydroascorbate ; DHA : déhydroascorbate ; GSH : gluthation réduit ; GSSG : gluthation oxydé ; NADPH : nicotinamide adénine dinucléotide phosphate réduit ; NADP+ : nicotinamide adénine dinucléotide phosphate oxydé; APX : ascorbate peroxydase (EC 1.11.1.11) ; MDHAR : monodéhydroascorbate réductase (EC 1.6.5.4) ; DHAR : déhydroascorbate réductase (EC 1.8.5.1) ; GR : glutathion réductase (EC 1.6.4.2). 27 Chapitre I croissance par une réduction de la turgescence au niveau des tissus en croissance ; ou encore par une chute dans le gradient de potentiel hydrique nécessaire à l'entrée d'eau dans les cellules en expansion. Les autres théories, biochimiques, considèrent que les variations de la croissance sont liées à des modifications dans l’extensibilité pariétale sous l’effet des enzymes, des hormones de croissance comme l’acide abscissique, et/ou à des modifications chimiques comme le pH. 8.1. Contrôle hydraulique de la croissance Le rôle des relations hydriques dans le contrôle de la croissance foliaire sous stress a été vigoureusement discuté. Certains auteurs ont souligné le rôle de la turgescence cellulaire ou le statut hydrique des tissus dans la détermination du taux de croissance foliaire. Les équations qui relient linéairement la pression de turgescence et la croissance cellulaire sont suggérées par Lockhart (1965) sur des cellules isolées. Serpe et Matthews (1992) suggèrent que les réductions dans le taux de croissance foliaire chez le Bégonia pourraient seulement être attribuées à la baisse de la turgescence. Des modifications de turgescence ont été aussi observées dans la zone en croissance des racines soumises à un stress hydrique édaphique (Wu et Cosgrove, 2000). La limitation de la croissance par la baisse de la turgescence ne peut donc être exclue, y compris dans les racines qui présenteraient pourtant une plus grande capacité d’ajustement osmotique que les feuilles (Frensch, 1997). En l’absence de toute variation de turgescence, la croissance foliaire chez le maïs (Tang et Boyer, 2002) est étroitement contrôlée par le gradient du potentiel hydrique entre les cellules en croissance et la source d’eau puisqu’il assure l’appel d’eau nécessaire à l’expansion des cellules. Ce gradient induit par la croissance reste faible dans les modèles unicellulaires (Zhu et Boyer, 1992) alors qu’il peut être de l’ordre de 0,5 MPa dans les organes pluricellulaires en croissance (Westgate et Boyer, 1985). Chez la talle de fétuque élevée il est de 0,3 MPa (Martre et al., 1999). Les approvisionnements limités en eau peuvent nettement empêcher la croissance, et les potentiels hydriques abaissés pourraient être une cause (Westgate et Boyer, 1985 ; Nonami et Boyer, 1990). L'eau interne peut être mobilisée pour supporter la croissance quand les approvisionnements externes sont limités (Matyssek et al., 1991b) et les gradients du potentiel hydrique ont été proposés d'assurer l’entrée d’eau dans les cellules en expansion, et la croissance serait réduite du fait de la diminution du flux d’eau nécessaire à l’expansion 28 Chapitre I (Boyer, 2001). Nonami et al. (1997) soulignent que les tensions dans l'apoplaste créent la plupart des gradients du potentiel hydrique et peuvent être rapidement changées, ce qui peut expliquer beaucoup de fluctuations dans les taux de croissance qui sont trop rapides pour être provoquées par le changement de l’expression des gènes ou les effets hormonaux au niveau des plantes pluricellulaires (Boyer, 2001). 8.2. Contrôle chimique de la croissance Les changements de l’extensibilité pariétale sous contrôle biochimique pourraient être un facteur très important dans la réponse de la croissance aux contraintes hydriques. En effet, cette extensibilité des parois diminue fortement en conditions de stress hydrique et la rigidification entraîne une baisse importante de la vitesse de croissance (Nonami et Boyer, 1990). Cette rigidification met en jeu une augmentation des peroxydases pariétales qui, chez une graminée, entraîne l’arrêt de croissance (Bacon et al., 1997). Cependant, l’extensibilité des parois peut augmenter en conditions de stress hydrique permettant un maintien de la croissance à de faibles valeurs de turgescence. L’augmentation de l’activité des expansines (7) ou encore de la sensibilité des parois aux expansines pourrait être à l’origine de cette augmentation d’extensibilité (Wu et Cosgrove, 2000). D’autres enzymes de relâchement, comme les XET (8) , augmente dans la partie apicale des racines de maïs soumises à une baisse de potentiel hydrique (Wu et al., 1994). Cette activité serait responsable du maintien de la croissance dans le cinq premiers millimètres de la racine du maïs. Plusieurs travaux ont suggéré que la régulation de la croissance, lors d’un déficit hydrique, est possible par autres signaux chimiques envoyés des racines vers les feuilles à travers la voie xylèmique par le biais de la transpiration (Davies et Zhang, 1991 ; Davies et al., 1994). Ces substances sont synthétisées au niveau des racines se développant au contact d’un sol desséché (Gowing et al., 1990). Le pH, l’ABA ainsi que la composition de la sève jouent un rôle pilote dans cette régulation (Hartung et Radin, 1989 ; Bacon et al., 1998 ; Wilkinson et Davies, 1997 ; Wilkinson et al., 1998 ; Van Volkenburgh et Davies, 1983). (7) Les expansines sont des protéines non enzymatiques qui catalysent la rupture des liaisons -H entre la cellulose et les pectines ou xyloglucanes permettant ainsi l’extension des cellules pariétales en réponse à la force de tension générée par la turgescence. (8) Les xyloglucan-endotransglycosylases (XET) sont capables de cliver une chaîne de xyloglucanes (hémicelluloses) et de lier l'extrémité réductrice néo-formée à l'extrémité non réductrice d'un substrat donneur (Fry et al., 1992). Cette réaction permet l'expansion de la paroi des végétaux par transglycosylation d'une molécule de xyloglucane nouvellement sécrétée afin qu'elle s'intègre au réseau de xyloglucane-cellulose (Thompson et Fry, 1997). 29 Chapitre I L’ABA pourrait agir de façon indirecte sur la croissance, probablement en stimulant l’activité des peroxydases pariétales (Bacon et al., 1997). Récemment, Sharp et LeNoble. (2002) ont montré que l’ABA limiterait l’effet du déficit hydrique sur la croissance des racines et des parties aériennes en bloquant la production de l’éthylène. D’autres travaux n’excluent pas les cas ou les signaux chimiques et hydrauliques peuvent agir ensemble dans le contrôle de la croissance (Comstock, 2002 ; Liu et al., 2003). 8.3. Sensibilité des différents organes au déficit hydrique Les différentes parties de la plante ne répondent pas de la même manière aux conditions de restriction de l’eau. La régulation des gènes affectant la croissance est assez nettement différente chez les racines et les parties aériennes (Wu et Cosgrove, 2000). Ainsi, vu leur rôle primordial dans le renseignement sur la disponibilité de l'eau dans le sol (Wilkinson et Davies, 2002), la croissance des racines est maintenue à des niveaux modérés du stress hydrique. Cette possibilité du maintien de la croissance est corrélée avec une certaine accumulation d’ABA (Chaves et al., 2003). Des expériences menées sur les racines primaires du maïs ont suggéré que l’accumulation endogène d’ABA sous conditions de sécheresse réduit la production d’éthylène, empêchant ainsi l’inhibition de la croissance induite par ce dernier (Sharp, 2002). Cependant, le maintien de la croissance des racines peut aussi être corrélé avec une élévation de l’activité d’expansine, qui est indépendante de la teneur en ABA (Wu et Cosgrove, 2000). Contrairement aux parties souterraines, la croissance foliaire est sévèrement inhibée dès le début de sécheresse (Chaves et al., 2003). L’expansion des cellules foliaires pendant le stress hydrique est régulée par un changement dans le pH, et l’inhibition de la croissance est contrôlée par une élévation rapide dans l’extensibilité des cellules pariétales en expansion (Hsiao et Xu, 2000). Au niveau foliaire, les conséquences des stresses environnementaux dont le stress hydrique sont plus complexes pour les feuilles des dicotylédones que pour les feuilles des monocotylédones. Pour ces dernières, le taux relatif de la division cellulaire est principalement affecté dans les zones distales du méristème. Alors que les zones proximales sont moins affectées. Les processus d’expansion sont moins affectées que ceux de division, résultant ainsi une longueur moindre des cellules au niveau des plantes stressées (Ben Haj Salah et Tardieu, 1997). Cette réponse est indépendante du temps (Ben Haj Salah et Tardieu, 1995) et elle est différente pour les feuilles des dicotylédones. Les effets d’un déficit hydrique 30 Chapitre I sur la surface foliaire et sur le nombre des feuilles dépendent du moment du stress (Le cœur et al., 1995). Les travaux de Heckenberger et al. (1998) ont montré que le déficit hydrique affecte différemment les zones localisées à proximité de la base et celles localisées au bout de la feuille en terme de l’expansion cellulaire et de l’indice mitotique. 9. Effet du déficit hydrique sur la nutrition minérale Le déficit hydrique affecte aussi bien l’état de nutrition azotée que la quantité d’azote présente dans la plante (Onillon et al., 1995 ; Volaire et al., 1998 ; Diouf et al., 2004). Après des périodes de sécheresse, la quantité d’azote minéral dans le sol est relativement plus élevée et la lixiviation peut être plus importante si le sol reste nu. Aussi, la mortalité des racines durant la période sèche peut libérer encore davantage d’azote dans le sol. Cependant le déficit hydrique induit un déficit de nutrition azotée (Lemaire et Denoix, 1987), qui résulte surtout des réductions de flux d’azote à la racine. Thomas et al. (2004) ont souligné que chez Vigna radiata L., la réduction de la fixation d’azote est plus prononcée par le déficit hydrique que la réduction de la production de la biomasse. Bien que l’absorption d’eau et d’azote ait lieu séparément et pas nécessairement partout dans le système racinaire (Luxmoore et Millington, 1971), l’azote ne peut être absorbé par les racines que lorsqu’il se trouve dans un horizon humide (Garwood et Williams, 1967). 10. Effet du stress hydrique sur les composantes du rendement Dans les conditions hydriques déficitaires, le rendement est considéré comme une fonction des quantités d’eau utilisées par évapotranspiration, de l’efficience d’utilisation de l’eau et de l’indice de récolte (9) (Passioura, 1977). Ainsi, l’amélioration du rendement dans de telles conditions passe par une optimisation d’un de ces termes (Turner, 2001). La variabilité dans le degré de la sensibilité au déficit hydrique, durant les différents stades de développement, a été minutieusement décrite dans la littérature. Muchow (1989) a reporté chez le maïs une réduction dans la production quand le déficit hydrique s’est produit durant les stades aussi bien végétatifs que reproductifs. Pour le Sorgho, Mastrorilli et al. (1999) ont montré que le déficit hydrique affecte la production quand il a eu lieu juste avant ou durant la floraison. Alors que pour une légumineuse Vigna radiata, une faible productivité est obtenue quand les conditions hydriques stressantes ont eu lieu durant la formation des graines (Ney et al., 1994). Une réduction du nombre des fleurs et un faible rendement en (9) C’est le rapport entre le poids sec du fruit et le poids total de la matière sèche. 31 Chapitre I fruits en réponse à une faible disponibilité de l’eau ont été aussi observés pour Capsicum annum (Beese et al., 1982). Lizana et al. (2006) ont souligné chez le haricot, que le déficit hydrique a réduit de 72% le nombre de gousses par plante. Par ailleurs, possédant une forte capacité d’adaptation aux contraintes hydriques, le rendement n’est affecté qu’à partir d’une contrainte hydrique correspondante à 74% de la satisfaction des besoins globaux en eau de la culture du tournesol, seuil au-dessus duquel le rendement reste maximum (Merrien et Grandin, 1990). La période post floraison est particulièrement sensible à la sécheresse. Un déficit hydrique équivalent à 50% de l’évapotranspiration appliqué à différents stades de la culture entraîne une chute du rendement. Néanmoins, un stress hydrique progressif réalisé pendant la phase végétative et maintenu pendant la phase reproductrice, entraîne une adaptation du tournesol qui se traduit par l’amélioration de l’efficience d’utilisation de l’eau pour la synthèse de biomasse sèche totale (Merrien et Grandin, 1990), et permet une meilleure allocation des assimilas vers la graine (Hall et al., 1990), et une augmentation du poids de 1000 graines et de l’indice de récolte (Human et al., 1990). En général, l’abscission des fleurs et des fruits précoces s’accentue souvent par le stress hydrique. Pourtant, cet effet n’est pas universel. Grimes et al. (1970) ont reporté que le stress hydrique provoque un flétrissement sévère des feuilles du coton durant la floraison et inhibe la formation de nouveaux boutons floraux sans avoir d’effet sur la floraison actuelle. 11. Effet du stress hydrique sur la qualité des fruits Chez les espèces à graine, la masse d'un grain et sa dureté sont des critères importants puisqu’ils déterminent le rendement meunier et la dépense énergétique (Tardieu et al., 2006). Un stress hydrique sévère et brutal pendant le remplissage de la graine affecte les caractéristiques physiques des graines comme leur taille (Baldini et al., 1999), leur poids (Unger, 1982) et le pourcentage de coque (Connor et Hall, 1997). La phase de division cellulaire qui détermine le volume de l'organe, et ainsi son poids potentiel, est plus sensible que la phase ultérieure du remplissage des cellules (Gooding et al., 2003). Pour les fruits consommés à l’état frais, le rapport sucres/acidité est un critère principal de qualité (Tardieu et al., 2006). Une sécheresse précoce pendant le développement du fruit induit une amélioration de la qualité par augmentation de la concentration en sucres et de l’intensité de la couleur rouge du fruit (Girona et al., 2003 ; Gelly et al., 2003). Une sécheresse plus tardive, pendant la phase de croissance rapide du fruit, diminue non seulement 32 Chapitre I la taille du fruit mais aussi sa teneur en glucides (Besset et al., 2001) et la crise climactérique(10) intervient plus précocement ainsi que la diminution de la concentration en acide malique (Mills et al., 1994). Une légère sécheresse est souvent favorable à la qualité de ce point de vue, car elle augmente la concentration en acides organiques. Le déficit hydrique s’accompagne également d’une perturbation de la nutrition minérale, d’une part, en modifiant la biodisponibilité dans le sol par des phénomènes d’oxydoréduction, solubilisation/précipitation, et de mobilité dans le sol. D’autre part, en réduisant autant la croissance de la plante que la quantité des composants majeurs qui se trouvent dilués par rapport à d’autres composants dont l'accumulation est moins altérée. Pour cette raison, le poids d’un grain du blé est souvent corrélé négativement avec la teneur en P, Mg, Se, Mn, Ca, K, Sr, Fe (Tardieu et al., 2006). Le déficit hydrique affecte la qualité du fruit en agissant également sur la concentration de certains composants organiques issus du métabolisme secondaire et ont un rôle important dans la détermination de la qualité tels que les composés phénoliques. Des travaux sur la vigne d’Ojeda et al. (2002) montrent un effet positif d’un léger stress hydrique sur ces composés. Des résultats similaires sont reportés en relation avec certains composés du métabolisme secondaire chez la tomate (Dumas et al., 2003). Là aussi, le stade de développement pendant lequel le déficit hydrique a lieu a une grande importance sur les concentrations finales en composés phénoliques (Deloire et al., 2004). 12. Efficience d’utilisation de l’eau L’efficience de l’utilisation de l’eau (WUE) a été définie différemment dans la littérature (Passioura, 1977 ; Turner, 1986). Etant une cible de production, WUE pourrait être définie de plusieurs manières, selon les mesures et les unités de l'échange prises en considération (Condon et al., 2004). Toutes les définitions potentielles consistent en une certaine quantité de l’eau utilisée pour une certaine unité de production. Pour les physiologistes, WUE correspond au rapport entre le gain de carbone lors de la photosynthèse et la perte d’eau par transpiration. Selon les agronomes, elle est définie comme étant le (10) Chez certains fruits la maturation s'accompagne d'une augmentation de la respiration associée à une brusque stimulation de la synthèse d'éthylène. On appelle ces fruits climactériques. Dans d'autres cas, au contraire, le taux de respiration évolue relativement peu et a même tendance à diminuer; la synthèse d'éthylène reste faible. Il s'agit des fruits non climactériques. De manière générale, les légumes feuilles, les racines et les tubercules sont de type non climactérique. Les fruits climactériques se caractérisent par une autonomie de maturation après récolte et une synthèse auto catalytique d'éthylène; l'éthylène émis par le fruit stimule sa propre production. 33 Chapitre I rendement à la récolte obtenu à partir de l'eau rendue disponible par les précipitations et/ou l'irrigation (Condon et al., 2004). L’amélioration de WUE des productions végétales aussi bien irriguées que pluviales paraît être une urgence impérative (Hamdy et al., 2003). Pour cette fin, plusieurs méthodes ont été suggérées à savoir un semis précoce (French et Schulz, 1984a), l’utilisation des fertilisants azotés, l’inclusion des génotypes précoces, la densité élevée de plantation (Richards et al., 2001) et la bonne gestion des sols . La conduite des rotations offre également la possibilité d'augmenter l'utilisation de l'eau surtout que les racines de certaines espèces ont le potentiel de pénétrer plus profond dans le sol que d'autres (Hamblin et Hamblin, 1985). Dans les dernières décennies, les agriculteurs australiens ont adopté des aménagements afin d’obtenir une meilleure efficience d’utilisation de l’eau. Ces pratiques se résument dans l’emploi des niveaux élevés des fertilisants spécialement l’azote et le phosphore, un labour minimal et l’usage des rotations afin d’améliorer la nutrition et la pénétration des racines chez les céréales (Turner, 1997). Quoiqu’il soit possible d’optimiser WUE lors d’une saison de précipitation de l’ordre de 400mm/an, une telle optimisation paraît difficile lors d’un drainage, d’un écoulement, d’un acheminement et/ou une d’imprégnation d’eau résultant d’une précipitation forte et irrégulière (Gregory et al., 1992). Néanmoins, dans presque tous les cas, une amélioration de WUE provient d’une élévation du rendement plutôt que d’une bonne utilisation de l’eau (Turner, 2001). L’efficience d’utilisation de l’eau reflète les multiples stimuli environnementaux perçus et la capacité des génotypes de percevoir l’état hydrique en réponse aux conditions environnementaux (Wilkinson et Davies, 2002). Les pratiques d’irrigation ont toujours provoqué un risque environnemental nuisible à travers un épuisement des réserves en eau de surface et souterraines, une salinisation des sols, un lessivage des nutriments. De tels problèmes peuvent menacer le maintien à long-terme de plusieurs surfaces irriguées. Certains de ces problèmes associés avec l’irrigation pourraient être minimisés en améliorant WUE. Une stratégie capable de corriger WUE en exploitant les mécanismes de réponse à la sécheresse chez certaines plantes pourrait être un outil très utile. En effet, le stress hydrique modéré induit une fermeture stomatique partielle, ce qui amènerait à une amélioration de WUE (Turner, 1997). Cette réponse serait due, d’une part, à la relation non linéaire entre la conductance stomatique et l’assimilation, et d’autre part, à un changement d’allocation des ressources en faveur du développement reproductif sous conditions de stress hydrique (Yang et al., 2000 ; 2001). 34 Chapitre I Comme il a été déjà cité, au niveau des plantes sujettes à un déficit hydrique, les racines interagissent avec le sol desséché afin d’influencer le fonctionnement foliaire via la libération des signaux. Ces substances agissent par réduction de la transpiration et probablement de la surface foliaire afin de réduire les pertes en eau. Ainsi, l’amélioration de WUE passe aussi par la manipulation de l’humidité du sol (English et al., 1990). Cette manipulation repose sur l’exploit des différentes réponses physiologiques des plantes (Loveys et al., 2000 ; Tardieu et al., 1992). Pourtant, le degré approprié du déficit hydrique pourrait être difficile à obtenir (Davies et al., 2002). La faible efficience d'utilisation de l'eau dans l'agriculture est liée à de nombreuses et complexes causes, à savoir des causes environnementales, biologiques, gestionnaires, sociales, et économiques. La complexité du problème exige un cadre conceptuel complet des processus fondamentaux physiques et biologiques comme base pour analyser la situation existante et prévoir des améliorations (Hsiao et al., 2007). Selon les mêmes auteurs, il est plus important d’apporter des améliorations modestes à différents niveaux (absorption de l’eau du sol, transpiration, photosynthèse, et rendement) que de se limiter à améliorer un ou deux étapes (Hsiao et al., 2007). 13. Irrigations déficitaires Dans plusieurs régions du monde, l’irrigation demeure un trait intégral de la production végétale. Traditionnellement, l’irrigation améliore la productivité. Or, les pratiques d’irrigation sont un danger environnemental potentiel à travers l’épuisement des réserves d’eau, la salinisation des sols et la pollution de l’environnement par l’utilisation des produits chimiques. Certains de ces problèmes peuvent être minimisés par une optimisation de l’utilisation de l’eau pour des fins agricoles. Toutefois, cette optimisation exige une meilleure compréhension des réponses physiologiques et biochimiques à différents niveaux hydriques du sol. Il y a quelques années, deux principales pratiques d’irrigation ont été développées. Elles sont basées sur une irrigation déficitaire régulée (RDI : regulated deficit irrigation) (English et al., 1990), ainsi qu’une irrigation par dessèchement partiel des racines (PRD : partial rootzone drying) (Dry et al., 1996 ; Loveys et al., 2000). Le concept de RDI a été proposé la première fois par Chalmers et al. (1981) pour contrôler la croissance végétative des vergers de pêche, et ils ont constaté qu’une économie d'eau d'irrigation pourrait être réalisée sans réduire le rendement. Des résultats similaires ont été rapportés pour le poirier (Mitchell 35 Chapitre I et al., 1989), l'amandier (Goldhamer et al., 2006), le pistachier (Goldhamer et Beede, 2004), le citronnier (Domingo et al., 1996), le pommier (Ebel et al., 1995), l’abricotier (RuizSanchez et al., 2000), la vigne (McCarthy et al., 2002), et l’olivier (Moriana et al., 2003). Le PRD est une technique d’irrigation qui consiste à mettre les racines en contact à la fois d’un sol irrigué et d’un sol desséché avec une alternance au bout d’un certain nombre de jours. En effet, la partie du système racinaire se développant en contact du sol desséché produit des signaux chimiques induisant plusieurs réponses notamment une réduction de l’ouverture stomatique et le contrôle de la vigueur de l’appareil végétatif. Les racines maintenues dans des conditions hydriques optimales maintiendraient le statut hydrique favorable au niveau des parties aériennes. Cette stratégie contribuerait à remédier l’effet du stress (Stoll et al., 2000). L’ABA (Gowing et al., 1990 ; Davies et Zhang, 1991 ; Stoll et al., 2000), ainsi que le pH de la sève brute (Bacon et al., 1998 ; Thompson et al., 1997 ; Wilkinson et Davies, 1997 ; Wilkinson et al., 1998) paraissent être les signaux les plus impliqués dans la transmission de l’information racinaire vers les parties aériennes régulant ainsi la croissance de la plante sous conditions hydriques stressantes. Cette techniques a été appliquée sur plusieurs spèces dont la vigne (Dry et al., 1996 ; Stoll et al., 2000), l’olivier (Wahbi et al., 2005) et le haricot (Wakrim et al., 2005). Pratiquement, cette technique permettrait d’augmenter l’efficience d’utilisation de l’eau et d’améliorer la qualité du fruit sans trop affecter le rendement (Dry et Loveys, 1999; Dry et al., 1996). 36 Chapitre I Références bibliographiques - Allan AC, Trewawas AJ (1994) Abscisic acid and gibberellin perception: inside or out, Plant Physiology 104, 1107-1108. - Bacon MA, Thompson DS, Davies WJ (1997) Can cell wall peroxidase activity explain the leaf growth response of Lolium temelentum L. during drought? Journal of Experimental Botany 48:20752085. - Bacon MA, Wilkinson S, Davies WJ (1998) pH-regulated leaf cell expansion in droughted plants is abscisic acid dependent. Plant Physiology 118: 1507-1515. - Baldini M, Vannozzi GP, Bervillé A, Tersac M (1999) Yield relationships under drought in sunflower genotypes obtained from a wild population and cultivated sunflowers in rain-out shelter in large pots and field experiments. 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Trois traitements hydriques sont appliqués à savoir: le traitement témoin (T) où les plantes reçoivent une quantité d'eau équivalente à celle perdue par transpiration, le desséchement partiel des racines (PRD) dans lequel seule la moitié du système racinaire est irriguée à 50% de la quantité d’eau fournie aux plantes T, permettant à l’autre moitié du système racinaire d'être exposée à un sol sec avec alternance de l'irrigation entre les deux côtés chaque semaine, le dessèchement par irrigation contrôlée (RDI) où les plantes reçoivent la même quantité d’eau que les plantes sous PRD apportée à la totalité du système racinaire. Les résultats montrent que le potentiel hydrique foliaire (Ψp) et la teneur en eau relative (RWC) sont sensiblement réduits sous RDI, alors que les plantes sous PRD montrent des valeurs relativement plus hautes quant au Ψp et RWC. Les plantes sous PRD et celles sous RDI répondent par une réduction d'environ 30% de la biomasse sèche totale comparée de celle mesurée chez les témoins. La surface foliaire, elle aussi, se trouve réduite avec le même degré sous PRD et RDI. Cependant, aucune différence entre les différents traitements hydriques dans la croissance des organes souterrains n’est observée. Pendant les huit premiers jours qui suivent l’application des contraintes hydriques, la transpiration des plantes évolue semblablement sous les trois traitements hydriques. Au delà de cette période, la transpiration quotidienne diminue d'environ 50% chez les plantes sous PRD et RDI, permettant une amélioration significative de l’efficience d’utilisation de l’eau de plantes entières. La croissance foliaire et la transpiration sont sensiblement réduites par PRD et par RDI. Ces résultats peuvent être liés à l'augmentation significative concomitante dans le pH de la sève xylèmique et le pH apoplastique. Dans un deuxième temps, une série d’expérience est conduite dans des conditions proches de la première expérience afin de suivre l’évolution du statut hydrique, des taux d’expansion foliaire et de transpiration en fonction du dessèchement progressif du sol sous PRD et sous RDI. La fraction d'eau transpirable du sol (FTSW) est la variable utilisée pour définir le statut hydrique du sol. Les relations entre les valeurs normalisées des paramètres hydriques et celles de la croissance avec la FTSW sont bien décrites par des fonctions de plateau-linéaire. Cette fonction permet de calculer les seuils de la FTSW pour lesquels les différents paramètres étudiés commencent à diminuer pour PRD et RDI. Les résultats montrent que ces seuils sont pareils pour les traitements PRD et RDI quant à la transpiration. Cependant, le taux d'expansion foliaire n'a pas changé qu’une fois la FTSW atteint 0,63 et 0,54 pour RDI et PRD respectivement. Bien que la diminution des taux d'expansion foliaire et de transpiration commence avant que n'importe quel changement du statut hydrique foliaire ait lieu, une certaine corrélation linéaire est observée entre les valeurs relatives de la croissance et celles du Ψp et de RWC. Mots clés: croissance, PRD, RDI, split-root, statut hydrique, tomate, transpiration. 49 Chapitre II 2. Introduction L'eau est le facteur principal limitant la productivité végétale, particulièrement dans les régions méditerranéennes où les caractéristiques climatiques sont caractérisées par des déficits hydriques assez prononcés. Les scénarios du changement du climat prévoient un état bien plus aride pour le futur proche. L’agriculture irriguée utilise entre 50% et 90% de toute l'eau développée dans le bassin méditerranéen. Cette dépendance à l’égard de l'irrigation fait que la production végétale deviendrait de plus en plus dépendante des améliorations dans la productivité de l'eau (c-à-d la quantité de l'eau requise par unité de rendement). D'ailleurs, le manque croissant de l'eau et les coûts de l'irrigation font appel au développement des pratiques agronomiques qui réduisent au minimum des pertes d'eau et augmentent la productivité (Loomis, 1983 ; Centritto et al., 2000). Le déficit par irrigation régulée (RDI) (Chalmers et al., 1986 ; English et al., 1990) et le dessèchement partiel des racines (PRD) (Dry et al., 1996 ; Davies et al., 2002) sont des techniques d'économie de l'eau d'irrigation qui ont été développées pour réduire l'approvisionnement en eau sans réduction significative du rendement (Gonzalez-Altozano et Castel, 1999 ; Kirda et al., 1999 ; Wakrim et al., 2005). Le PRD et le RDI peuvent résulter de stratégies de gestion efficaces pour augmenter WUE. L'approvisionnement de l’eau à un niveau sous-optimal engendre une activation d'une série de réponses qui peuvent avoir comme conséquence la réduction de la croissance végétale (Kramer et Boyer, 1995). Cette croissance dans des conditions du déficit hydrique peut être limitée en raison de la diminution du statut hydrique et, par conséquent, de l'assimilation altérée du carbone (Lawlor et Cornic, 2002 ; Centritto et al., 2003 ; Chaves et Oliveira, 2004). Cependant, le stress hydrique est un syndrome complexe, impliquant plusieurs facteurs climatiques et édaphiques. Il est caractérisé par trois principaux paramètres, à savoir la synchronisation d'occurrence, la durée et l'intensité (Kramer et Boyer, 1995). Dans la pratique du RDI, l'irrigation est supprimée ou réduite pendant des périodes spécifiques pendant le cycle de croissance des plantes (Alegre et al., 1999 ; Battilani, 2000 ; Goodwin et Macrae, 1990). Quant à l’approche PRD, l'eau est fournie à un côté du système racinaire de sorte que la moitié des racines soit dans des conditions hydriques optimales tout en laissant l'autre moitié se dessécher (Loveys et al., 2000 ; Davies et al., 2002 ; Mingo et al., 2003). Ainsi théoriquement, RDI et PRD peuvent provoquer des syndromes différents du stress hydrique et, par conséquent, différentes réponses physiologiques et de croissance. Beaucoup d'études ont montré que la technique RDI est avantageuse une fois elle est convenablement appliquée. En effet, l’entretien d'un léger déficit hydrique peut diminuer la 50 Chapitre II vigueur végétative et améliorer l’approvisionnement des structures reproductrices aux hydrates de carbone (Chalmers et al., 1986 ; Jones, 2004). Cependant, autres études ont également prouvé que la tolérance du traitement RDI change de manière significative entre les espèces et les cultivars (Mitchell et al., 1984 ; Mc Carthy, 1997 ; Mc Carthy, 1999 ; Goodwin et Macrae, 1990). Quoique le plus grand rendement soit obtenu lorsque l'approvisionnement en eau est optimal, beaucoup de cultures peuvent tolérer des périodes du manque d'eau et peuvent produire un rendement élevé dans de telles conditions. Toutefois, savoir quand appliquer RDI est d'une importance primordiale pour réaliser une économie significative de l'eau avec seulement un effet mineur sur la qualité et sur le rendement (Jones, 2004). Par exemple, des études sur des arbres fruitiers en réponse à RDI ont prouvé que la réduction de l’eau d’irrigation est favorable, en particulier lorsqu’elle est appliquée dans des périodes où la sensibilité des plantes au stress hydrique est moindre, sans produire des réductions significatives de rendement mais avec une amélioration de WUE (Girona et al., 1993 ; Romero et al., 2004 ; De Souza et al., 2005a ; De Souza et al., 2005b). Le PRD est une approche alternative d'irrigation qui permet à la plante d'obtenir suffisamment d'eau par l'emplacement des racines dans un sol adéquatement humide (Davies et al., 2002 ; Jones, 2004 ; Kang et Zhang, 2004). La technique d'irrigation PRD est une extrapolation agronomique du dédoublement du système racinaire « Split-root » (Gowing et al., 1990 ; Davies et Zhang, 1991 ; Davies et al., 2000 ; Stoll et al., 2000). Ces études ont montré que dans des conditions hydriques déficitaires, les signaux chimiques originaires des racines, à savoir l’augmentation de la concentration d’ABA et/ou du pH de la sève brute, peuvent être transportés vers les parties aériennes via le flux de la transpiration pour réduire la croissance et la conductance stomatique même si le statut hydrique de la plante n’est pas perturbé (Davies et Zhang, 1991 ; Davies et al., 1994). Ces signaux agissent sur la fermeture stomatique sans changement de la turgescence foliaire. Comme ils empêchent le développement des effets physiologiques d’un stress hydrique sur la croissance (Stoll et al., 2000 ; Davies et al., 2000 ; Davies et al., 2002). La technique PRD est utilisée chez toute une gamme des plantes comprenant des espèces herbacées telles que la tomate (Davies et al., 2000 ; Mingo et al., 2003 ; Sobeih et al., 2004), le haricot commun (Wakrim et al., 2005), et des espèces pérennes telles que le pommier (Gowing et al., 1990), la vigne (Stoll et al., 2000 ; Dos Santos et al., 2003 ; De Souza et al., 2005a), le chêne (Fort et al., 1997), le bouleau commun (Fort et al., 1998), et récemment dans les oliviers (Wahbi et al., 2005 ; Centritto et al., 2005 ; Aganchich et al., 2007). Ces études ont rapporté les effets de PRD sur 51 Chapitre II l'assimilation du carbone, la conductance stomatique, les teneurs en ABA dans les feuilles, la croissance des plantes, le rendement et la qualité du fruit. En général, ces études ont prouvé que l’efficience d’utilisation de l’eau tire avantage de ce type d'irrigation. Les réponses physiologiques des plantes aux déficits hydriques peuvent être exprimées en fonction de l'eau disponible du sol (Ritchie, 1981). Ce concept est défini par Sinclair et Ludlow (1986) pour exprimer ces réponses comme fonctions de la fraction de l’eau transpirable du sol (FTSW). Cette approche permet d’analyser et de comparer le comportement des plantes vis-à-vis d’un même niveau du déficit hydrique, comme elle permet de faire des comparaisons même entre des cultivars d’une même espèce (Ray et Sinclair, 1997) ou entre différents traitements (Serraj et al., 1999). La notion de la FTSW est utile pour le diagnostic du stress hydrique puisque c'est un indicateur spécifique de ce type du stress. Il est sensible aux variations de la teneur en eau du sol et l’intègre au-dessus du profil entier d’enracinement. Et comme elle ne dépend pas des conditions climatiques spécifiques du jour de la mesure, elle permet la comparaison de plusieurs champs et de plusieurs dates de mesure (Pellegrino et al., 2004). Plusieurs auteurs ont établi que la FTSW peut être liée aux variables décrivant le statut hydrique de la plante ou à la réponse des plantes annuelles au déficit hydrique du sol. Par exemple, Lacape et al. ont rapporté une relation entre le potentiel hydrique de base et la FTSW chez le coton cultivé aux champs et soumis à différents niveaux d’irrigation. Ces mêmes auteurs ont également prouvé que, sur cette gamme de conditions et pour cinq cultivars, la FTSW a été liée au potentiel hydrique foliaire, à la teneur en eau relative et à la conductance stomatique (Lacape et al., 1998). Des rapports similaires ont été obtenus entre la FTSW et la transpiration relative pour différentes légumineuses (Sinclair et Ludlow, 1986). La FTSW a été également liée à la conductance stomatique et au taux d'expansion foliaire à travers une série de conditions de culture et de variétés (Lecoeur et Guilioni, 1998; Lecoeur et Sinclair, 1996; Soltani et al., 2000). Lebon et al. ont montré que la FTSW a été liée à plusieurs variables décrivant la croissance végétative des vignes cultivées en pot (Lebon et al., 2001). Récemment, Brilli et al. ont rapporté la relation entre la photosynthèse et la FTSW chez Populus alba (Brilli et al., 2007). Le choix de l'approche d'irrigation dépend largement des différentes réponses des espèces et des cultivars au déficit hydrique. Actuellement, il n'est pas clair si une plante de haute valeur telle que la tomate réponde différemment à RDI ou à PRD. Le but de cette étude est de comparer les effets physiologiques des systèmes d’irrigation PRD et RDI sur les 52 Chapitre II relations hydriques de la plante, la croissance et l’efficience d’utilisation de l’eau. Afin de vérifier l’hypothèse suggérant qu’en situation du stress hydrique, les réponses des plantes sont liées, entre autres, à une alcalinisation de la sève, une première expérience est menée afin de mesurer les variations du pH chez la tomate soumise aux contraintes PRD et RDI. Dans une deuxième série d’expériences, il s’agit d’analyser les réponses de la transpiration, de l’expansion foliaire et des relations hydriques en fonction de la fraction d’eau transpirable du sol. 53 Chapitre II 3. Matériel et méthodes Deux expériences, réalisées par la technique de culture avec racines séparées, sont achevées en pot sur une seule variété de tomate dans des conditions expérimentales contrôlées afin de comparer les réponses physiologiques des plantes de tomate sujettes à deux contraintes hydriques: le dessèchement partiel des racines (PRD) et le déficit hydrique par irrigation contrôlée (RDI). 3.1. Expérience 1 Le but de cette expérience est de comparer les réponses des plantes de tomate soumises à PRD et RDI. Spécifiquement, nous avons examiné les relations hydriques et la croissance afin de déterminer l'influence de ces facteurs sur l’efficience de l’utilisation de l’eau. 3.1.1. Matériel végétal et conditions de culture Des graines de tomate (Lycopersicon esculentum L.), cv Super Red sont mises à germer dans des germoirs contenant la tourbe commerciale à une densité d’une graine par cm2. Après l’apparition des feuilles cotylédonaires, les jeunes plantules sont délicatement enlevées du sol et l’extrémité de la racine principale est excisée avec une lame de rasoir afin de favoriser le développement des racines latérales. Par la suite, les plantules sont transplantées dans des pots contenant un mélange de tourbe et de sable à raison de 2:1 v/v pendant 8 jours. Les pots sont placés dans une chambre de culture sous des conditions de température et d’éclairement contrôlées. La température est de 28/20 °C avec une photopériode de 16/8h jour/nuit. La densité moyenne de flux de photon de rayonnement photosynthétiquement actif d’environ 600 du µmol m-2s-1 à la hauteur de la plante. Au bout d’une semaine, des jeunes plantes uniformes sont choisies et repiquées chacune dans des deux sacs en plastique. Le système racinaire se trouve alors divisé en deux parts, de telle façon que chaque part soit placée dans un des deux sacs formant le pot. Les deux sacs, étant attachés, sont remplis chacun d'environ 2,4kg du substrat décrit ci-dessus. Les plantes sont maintenues dans des conditions hydriques optimales pendant environ deux semaines jusqu'à ce que les racines soient bien établies. Elles sont ensuite soumises à différents traitements hydriques. 54 Chapitre II Figure1: A) répartition du système racinaire sur deux sacs en plastique formant le pot ; B) fermeture des sachets autour de la base de la tige pour limiter l’évaporation. 3.1.2. Gestion de l’irrigation La veille du lancement du traitement, tous les pots sont saturés puis laissés drainer toute la nuit afin d’avoir le poids à la capacité au champ. Le lendemain, trois traitements hydriques sont appliqués: - Plantes témoins (T) où les deux compartiments de système racinaire sont irrigués à 100% de transpiration - Plantes soumises au déficit hydrique par irrigation contrôlée (RDI) où les plantes reçoivent 50% de la quantité d'eau fournie au témoin, répartie entre les deux côtés racinaires (25% par côté) - Plantes soumises au dessèchement partiel des racines (PRD) où un seul compartiment reçoit 50% de la quantité d'eau fournie au témoin. Alors que l'autre compartiment est laissé dessécher pendant sept jours. Ensuite, l'irrigation est alternée entre les deux côtés toutes les semaines. Figure2 : Réalisation du système d’irrigation PRD ; à tout moment l'eau a été maintenue à un seul côté 55 Chapitre II Toutes les plantes sont irriguées quotidiennement et manuellement vers la fin de l'après-midi. Les quantités de l'eau apportées sont calculées après la pesée des pots. La différence du poids d’un même pot entre deux jours successifs correspond à la quantité d’eau perdue par la transpiration. Les pots témoins sont ramenés chaque jour à 90% de leur capacité au champ, afin de favoriser aux plantes une alimentation en eau adéquate sans toutefois avoir excès d’eau dans le pot. Les pots sont maintenus fermés le long de l’expérience afin de minimiser les pertes d’eau du sol par évaporation. L’application des différents traitements hydriques a lieu au stade végétatif 3-4 feuilles et continue jusqu’à la récolte. 30-33 répétitions sont utilisées par traitement. 3.1.3. Paramètres mesurés 3.1.3.1. Paramètres physiologiques Les paramètres mesurant l’état hydrique de la plante, à savoir le potentiel hydrique foliaire et la teneur en eau relative sont mesurés à chaque prélèvement. Trois répétitions sont utilisées par traitement. La transpiration quotidienne est aussi déterminée. a. Mesure de la transpiration Les plantes sont cultivées dans des pots dont les surfaces sont recouvertes. Le sol se dessèche de ce fait sous l’effet de la transpiration. Ainsi, la transpiration est déterminée comme étant la différence entre deux pesées successives. Presque toutes les répétitions pour chaque traitement sont utilisées pour le calcul de la transpiration. Cependant ce nombre diminue au fur et à mesure suite à la succession des récoltes. Vers la fin de l’expérience, seulement 6 à 7 répétitions sont utilisées. La transpiration est exprimée en gramme d’eau par plante par jour (g plante-1 jour-1). b. Mesure du potentiel hydrique foliaire Le potentiel hydrique foliaire est mesuré par la technique de la chambre à pression de Scholander (modèle SKPM 1400, Skye Instruments, Powys, UK) sur une feuille jeune, entièrement développée. La feuille, fraîchement récoltée, est insérée dans un bouchon pour en assurer son étanchéité et immédiatement placée dans la chambre. L’extrémité coupée dépasse de quelques millimètres à l’extérieur du bouchon afin de pouvoir observer l’affleurement de la sève au niveau de la section des vaisseaux. La pression appliquée est augmentée doucement dans la chambre jusqu’à ce que la sève apparaisse. La pression qui provoque la sortie de la première goutte, exprimée en MPa, correspond à l’opposé du potentiel hydrique de la feuille. Pour plus de précision, l’observation se fait à la loupe binoculaire. 56 Chapitre II c. Mesure de la teneur en eau relative La teneur en eau relative est le rapport entre la teneur en eau de l’échantillon au moment de sa récolte sur la teneur en eau maximale lorsque les cellules sont a pleine turgescence. Elle est calculée selon la méthode décrite par Turner (1981). Elle est effectuée sur des feuilles du même rang foliaire (les trois dernières folioles de la quatrième feuille). Le poids frais (PF) est déterminé à la récolte. Les folioles sont ensuite trempées dans des piluliers contenant de l’eau distillée de telle façon que la base coupée soit en émergée dans l’eau. Les piluliers sont maintenus à l’obscurité et à 4°C pendant 24 h. Les échantillons sont récupérés, égouttés et légèrement séchés par du papier buvard et ensuite pesés pour déterminer le poids à pleine turgescence (PT). Le poids sec (PS) est obtenu après passage des échantillons à l’étuve à 70°C pendant 48 h. Ainsi, la teneur en eau relative (RWC) est calculée selon la formule: RWC = (PF-PS/PT-PS)*100. 3.1.3.2. Paramètres morphologiques La surface foliaire est mesurée sur quatre plantes aléatoirement choisies de chaque traitement tous les jours suivant les prélèvements. La production pondérale des différentes parties des plantes est mesurée à chaque prélèvement sur trois répétitions de chaque traitement hydrique. A la fin de l’expérience, l’efficience d’utilisation de l’eau est calculée. a. Mesure de la surface foliaire La longueur de chaque feuille est mesurée depuis à la base au bout du limbe. La largeur maximale de chaque feuille est aussi mesurée. La surface foliaire (LA, m2) est calculée à partir des mesures de la longueur (l, m) et de la largeur (w, m) selon la formule de Van der Varst et Postel (1972) adaptée à la tomate: LA = 0,25 lw / (1-1,48) lw. Quatre à cinq répétitions sont utilisées par traitement. b. Mesure de la production de biomasse et efficience d’utilisation de l’eau La production pondérale fraîche des feuilles et des tiges est déterminée immédiatement lors du prélèvement. Les racines sont extraites du sol, lavées soigneusement pour réduire au minimum la perte des racines fines, séchées délicatement par du papier buvard puis pesées pour déterminer leur poids frais. Ces différentes parties sont placées à l’étuve à 80 ºC pendant 48 h pour déterminer leur poids sec. Les différentes mesures sont effectuées en utilisant une balance un équilibre électronique (Sauter, RE1E14 modèle, équipement scientifique de Fisons, Loughborough). À la fin de l'expérience, WUE est calculée pour 57 Chapitre II chaque traitement comme le rapport de la biomasse sèche totale de 6 à 7 plantes récoltées en fin d’expérience et l'eau totale utilisée par les plantes pendant la période d'expérience. 3.1.3.3. Paramètres biochimiques Le pH de la sève brute est mesuré sur les mêmes feuilles utilisées pour mesurer le potentiel hydrique foliaire. Alors que pour le pH apoplastique, cinq plantes de chaque traitement hydrique sont choisies aléatoirement pour la mesure qui est effectuée tous les deux jours. a. mesure du pH de la sève brute Suite à la lecture du potentiel hydrique foliaire, une légère surpression est appliquée aux échantillons toujours maintenus dans la chambre à pression de Scholander. Le pH de la première goutte de la sève exsudée ne représente pas le reste de la plante, il peut être plus acide à cause de l’accumulation de la sève au dessus du point de la section ou encore à cause de la contamination des exsudats. Cette première goutte est éliminée délicatement par du papier absorbant. Les échantillons de la sève récoltées sont stockés à -22°C jusqu’à ce qu’elles soient analysés. Les mesures du pH de la sève xylèmique sont réalisées avec une microélectrode à pH (Lazar Research Laboratories, Los Angeles, CA, USA). b. mesure du pH apoplastique L’épiderme de la foliole choisie est soigneusement enlevé. La microélectrode de pH a été immédiatement placée en contact avec l'apoplaste avant que tout dessèchement tissulaire ne soit produit. 3.2. Expérience 2 3.2.1. Matériel végétal et conditions de culture Les conditions de germination et de développement des plantes sont les mêmes que celles de l’expérience 1. Le système racinaire de chaque plante est divisé équitablement et réparti sur deux compartiments du sol séparés. Les pots sont irrigués quotidiennement jusqu'à ce que le système racinaire soit bien établi dans des les sacs formant un pot. La veille du lancement des contraintes hydriques, tous les pots sont saturés et laisser drainer toute une nuit. Le lendemain matin, les pots sont pesés pour établir le poids de chaque pot à la capacité au champ. 3.2.2. Gestion de l’irrigation Trois traitements hydriques sont appliqués avec 30 à 33 répétitions par traitement. Chaque après-midi, tous les pots sont pesés et la transpiration est calculée comme étant la 58 Chapitre II différence dans le poids d’un pot des deux jours successifs. Des plantes témoins (T) sont maintenues dans des conditions hydriques optimales. Les pots témoins sont irrigués sur les deux compartiments pour les ramener à 90% de leur capacité au champ pour permettre aux plantes un approvisionnement adéquat en eau tout en évitant un excès d’eau dans les pots. Des plantes soumises aux contraintes hydriques PRD et RDI sont irriguées de telle façon que le stress hydrique soit développé sans une déshydratation rapide du sol. Alors, la diminution de l’humidité du sol est contrôlée par une irrigation partielle des pots. La baisse nette de la teneur en eau du sol est équivalente à 90g par jour. Les plantes sous traitement PRD reçoivent cette quantité sur un seul compartiment racinaire, alors que l'autre côté se dessèche graduellement. L'irrigation est alternée entre les côtés secs et humides au bout de 8 jours. Les plantes sous traitement RDI reçoivent la quantité de l'eau sur les deux moitiés du système racinaire de manière équitable. 3.2.3. Mesure de la fraction d’eau transpirable du sol Le niveau du stress pour chaque plante est exprimé comme une fonction de la teneur en eau du sol. Celle-ci est déterminée quotidiennement et exprimée par la fraction d’eau transpirable du sol (FTSW). Le concept de la FTSW proposé par Sinclair et Ludlow (1986) est utilisé pour estimer le degré de dessèchement du sol, et de ce fait, l’intensité du stress hydrique imposé. La FTSW est estimée comme le rapport entre la quantité de l'eau transpirable réelle dans chaque pot (ATSW) et l’eau totale transpirable (TTSW) dans le même pot. FTSW = ATSW / TTSW (1) ATSW correspond à la différence entre le poids du pot dans un jour spécifique et son poids final lorsque le taux de transpiration des plantes soumises à la contrainte hydrique chute à une valeur inférieure à 10% de celle des plantes témoins (Soltani et al., 2000). TTSW est déterminée comme la différence entre poids du pot à la capacité au champ et son poids final : TTSW = poids initial du pot – poids final du pot 3.2.4. Taux de transpiration Le taux de transpiration quotidien pour chaque plante correspond à la différence de poids de chaque pot de deux pesées journalières successives. Pour minimiser l’effet des fluctuations journalières dans les conditions ambiantes, Ray et Sinclair (1997) ont fait recours à une normalisation de la transpiration journalière de chaque plante stressée en divisant son taux de transpiration sur le taux moyen de transpiration des témoins : TR = Transpiration de la plante stressée / moyenne des transpirations des témoins (2) 59 Chapitre II Une seconde normalisation est effectuée pour baisser la variabilité entre plantes due à la différence dans la taille entre échantillons d’un même traitement hydrique. Le taux de transpiration de chaque plante soumise au PRD ou au RDI est divisé par la moyenne des taux de transpirations de cette plante durant les premiers 5 jours de l’expérience quand les plantes sont encore sous conditions hydriques optimales. Au début de l’expérience, l’humidité du sol est élevée et le taux de transpiration normalisée (NTR) est égal à 1. Les pots sont ramenés à se dessécher progressivement jusqu'à ce que le NTR correspondant chute en dessous de 0,1 ; cette valeur est définie comme étant le point final du stress hydrique (Sinclair et Ludlow, 1986). La relation entre FTSW et NTR en réponse à un sol de desséchement est évaluée en utilisant l'équation décrite par Muchow et Sinclair (1991) pour le maïs : NTR = 1 [1+ a exp (b * FTSW)] (3) a et le b représentent les paramètres variables de courbe. L'ajustement de la courbe produite par l'équation (3) est examiné en utilisant la régression non linéaire. Des comparaisons entre les traitements hydriques stressants sont basées sur 95 % d'intervalles de confiance pour FTSW. 3.2.5. Taux d’expansion foliaire relative. La surface foliaire de 9 plantes par traitement est déterminée selon la technique décrite ci-dessus et calculée à partir des mesures enregistrées des longueurs et des largeurs des différentes feuilles selon la formule de Van der Varst et Postel (1972). Le taux d'expansion foliaire relative est calculé comme décrit par Liu et al. (2003): Taux d’expansion foliaire relative = (ln LA2 - lnLA1) / (t2-t1) (5) Où LA1 et LA2 sont surfaces foliaires et (t2-t1) le temps entre deux mesures consécutives. Le taux relatif d'expansion foliaire relative (RRLE) pour chaque plante stressée est exprimé comme le rapport entre ses valeurs d'expansion foliaire relative obtenues et la moyenne de celles des témoins. RRLE est exprimé en fonction de la FTSW en utilisant l'équation décrite par l'équation (3). 3.2.6. Etat hydrique des plantes Le potentiel hydrique foliaire et la teneur en eau relative sont estimés selon les techniques décrites ci-dessus. Le rapport entre ces paramètres et la FTSW est évalué suivant les équations suivantes: Les valeurs relatives de chaque paramètre égal 1 si Ci≤ FTSW ≤1, (6a) 60 Chapitre II 1- A* (FTSW –Ci) si FTSW ≤ Ci (6b) Où A est la pente de l'équation linéaire (6a) et Ci est le seuil de FTSW à partir duquel les paramètres mesurés commencent à diverger de la valeur 1. 3.3. Analyse statistique des données Les expériences sont générées en tant que blocs complets randomisés. Les données sont analysées en utilisant l'analyse de la variance (ANOVA) et les moyennes des traitements sont comparées en utilisant SPSS pour Windows (version 10,0). 61 Chapitre II 4. Résultats 4.1. Expérience 1 4.1.1. Statut hydrique des plantes L’évolution dans le temps du potentiel hydrique foliaire des plantes témoins et celles soumises aux traitements hydriques PRD et RDI est exposée dans la figure 1. Chez les plantes témoins, les valeurs du potentiel hydrique foliaire sont maintenues presque constantes, elles oscillent entre -0,22 et -0,32 MPa. Sous traitement PRD, le potentiel hydrique foliaire prend des valeurs similaires à celles des plantes témoins le long de l’expérience. Cependant, le traitement hydrique RDI réduit significativement le Ψp (P < 0,001). Les écarts entre les traitements ne commencent à se manifester qu’à partir du 9ième jour de l’expérience. A la fin du cycle de dessèchement, le Ψp subit une chute aux alentours de -0,92 MPa au niveau des plantes sous RDI. 62 Chapitre II Potentiel hydrique foliaire (MPa) 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 -1,2 0 5 10 15 20 25 Durée des contraintes hydriques (jours) Figure 1. Evolution du potentiel hydrique foliaire mesuré le long de l’expérience 1 chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: témoin bien irrigué (●); dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation contrôlée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type. Chez les plantes témoins, les valeurs enregistrées de la teneur en eau relative (RWC) sont maintenues aux alentours de 88 % durant la période expérimentale (figure 2). Les régimes hydriques stressés PRD et RDI affectent de manière significative (P < 0,001) RWC. Celle-ci diminue graduellement et passe de 88 % à 78 % et 65 % sous l’effet de PRD et RDI respectivement en fin de cycle. Les différences notées entre PRD et RDI sont significatives. Il existe une corrélation linéaire entre RWC et Ψp (figure 3). Cependant, cette corrélation est particulièrement claire pour des valeurs de Ψp inférieures de -0,4 MPa. 63 Chapitre II 95 Teneur en eau relative (%) 90 85 80 75 70 65 60 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 D urée des contraintes hydriques (jours) Figure 2. Evolution de la teneur en eau relative mesurée le long de l’expérience 1 chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: témoin bien irrigué (●); dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation contrôlée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 3-4 répétitions ± l’écart type Teneur en eau relative (%) 95 90 85 80 75 70 65 60 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Potentiel hydrique foliaire (-MPa) Figure3. Relation linéaire entre le potentiel hydrique foliaire et la teneur en eau relative mesurés au cours de l’expérience 1 chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants : témoin bien irrigué (●) ; dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation contrôlée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 9 à 10 répétitions. 64 Chapitre II 4.1.2. Transpiration L’évolution de la transpiration journalière de la plante ne montre de différence entre les trois traitements que 8 jours après l’application du traitement hydrique (figure 4). Les plantes bien irriguées continuent à augmenter graduellement leur transpiration pour atteindre 240 g/j comme valeur de transpiration en fin de cycle. La transpiration diminue sensiblement (P < 0,001) suite aux traitements PRD et RDI, pour prendre des valeurs réduites de 50 % par rapport à celles des plantes témoins. En dépit des différences enregistrées dans la teneur en eau relative et le Ψp entre PRD et RDI. Aucune différence significative dans la transpiration Transpiration journalière (g/jour) quotidienne de plantes entières n'est observée. 500 400 300 200 100 0 0 5 10 15 20 25 Durée des contraintes hydriques (jours) Figure4. Evolution de la transpiration journalière mesurée le long de l’expérience 1 chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: témoin bien irrigué (●) ; dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation contrôlée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 16 répétitions ± l’écart type. 4.1.3. Croissance végétative et efficience d’utilisation de l’eau La restriction de l’alimentation en eau provoque un ralentissement de la croissance pondérale (figure 5). La biomasse totale sèche (figure 5a) et la masse sèche allouée aux feuilles (figure 5b) sont sensiblement (P<0,001) réduites d'environ 30% sous les traitements PRD et RDI en comparaison à celles des plantes témoins. Cependant, aucune différence entre les différents traitements hydriques dans la croissance des organes souterrains n’est observée (figure 5c). De même, la surface foliaire diminue sensiblement (P < 0,001) jusqu'au même degré sous l’effet de PRD et RDI (figure 6). Les différences significatives dans ce paramètre 65 Chapitre II se révèlent après neuf jours de l’application des traitements hydriques. À la fin du cycle de dessèchement, la surface foliaire chute de 372,8 cm2 sous le régime bien fourni en eau à 270,7 Poids sec des racines (g) Poids sec des feuilles (g) Biomasse sèche totale (g) cm2 en régime stressé, soit une réduction d'environ 28%. (a) 20 15 10 5 16 14 12 10 8 6 4 2 3 0 0 (b) (c) 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 2 1 0 0 Durée des contraintes hydriques (jours) Figure5. Accumulation de la biomasse sèche totale (a), de la biomasse sèche allouée des feuilles (b) et de la biomasse sèche attribuée (c) mesurées le long de l’expérience 1 chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants : témoin bien irrigué (●) ; dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation contrôlée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 3 répétitions ± l’écart type. 66 Chapitre II Surface foliaire (cm2) 500 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Durée des contraintes hydriques (jours) Figure 6. Evolution de la surface foliaire mesurée le long de l’expérience 1 chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: témoin bien irrigué (●) ; dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation contrôlée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 4 à 5 répétitions ± l’écart type. En dépit de la diminution de la biomasse sèche totale en réponse au dessèchement du sol autour de la totalité (RDI) ou de la moitié (PRD), ces derniers ont une efficience d’utilisation de l’eau significativement (P < 0,01) plus haute (environ 59%) que le traitement témoin (Tableau 1). Tableau1. Eau utilisée, biomasse sèche totale et efficience d’utilisation de l’eau chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: témoin bien irrigué ; dessèchement partiel des racines (PRD) et déficit par irrigation contrôlée (RDI). Les moyennes ne partageant pas la même lettre sont significativement différentes (P<0,01). Traitements hydriques Témoin PRD RDI Eau utilisée (dm3) 5,43 a 2,44 b 2,47 b Biomasse sèche totale (g plante -1) 21,62 a 15,99 b 16,43 b 67 WUE (g kg-1) 2,88 a 4,52 b 4,62 b Chapitre II 4.1.4. pH de la sève brute et pH apoplastique Durant toute l'expérience, le pH de la sève xylèmique (figure 7a) et pH apoplastique foliaire (figure 7b) montrent des tendances semblables. Tous les deux augmentent considérablement (P < 0,01) suite aux traitements PRD et RDI en comparaison au traitement témoin. Cependant, la différence entre les deux traitements du déficit hydrique ne se révèle pas statistiquement significative. Les valeurs de pH de la sève brute et le pH apoplastique foliaire obtenues pour les plantes stressées en fin de l’expérience sont aux alentours de 6,5 et pH foliaire apoplastique pH de la sève xylèmique de 6,8 respectivement. (a) 6,5 6,0 0 7,0 (b) 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 6,5 6,0 5,5 0 Durée des contraintes hydriques (jours) Figure 7. Variation du pH de la sève xylèmique (a) et du pH foliaire apoplastique (b) mesurés le long de l’expérience 1 chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: témoin bien irrigué (●); dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation contrôlée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 4 répétitions ± l’écart type. 68 Chapitre II 4.2. Expérience 2 4.2.1. Statut hydrique du sol Au niveau des pots bien arrosés, la fraction de l’eau transpirable du sol (FTSW) est maintenue au dessus de 0,87 (fig. 8). Au niveau des pots en déshydratation sous PRD et RDI, la FTSW diminue progressivement jusqu'à ce que toute l'eau disponible dans le sol soit employée par la plante (21 jours après l'imposition su stress). La variation de la FTSW en fonction du temps montre une forte similitude dans le dessèchement du sol entre les pots sous Fraction d'eau transpirable du sol PRD et ceux sous RDI. 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 5 9 13 17 21 Durée des contraintes hydriques (jours) Figure 8. Évolution de la fraction d’eau transpirable du sol mesurée le long de l’expérience 2 chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: témoin bien irrigué (●); dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation contrôlée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 15 répétitions ± l’écart type. 4.2.2. Relation: transpiration- fraction de l’eau transpirable du sol. Une relation cohérente est remarquée entre la NTR et la FTSW pour les deux traitements PRD et RDI. Les valeurs seuils de la FTSW pour lesquelles la transpiration commence à chuter sont 0,49 chez les plantes sous PRD et 0,47 dans le traitement de RDI. Au-dessous de ces seuils, la NTR diminue jusqu'à ce que FTSW soit égale à 0 (figure 9). Toutefois, les différences entre les deux traitements hydriques ne sont pas significatives (Tableau 2). 69 Chapitre II Tableau2. Seuils de la fraction d’eau transpirable du sol estimés par la régression linéaire, chez des plantes de tomate cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques; dessèchement partiel des racines (PRD) et au déficit par irrigation régulée (RDI). Les résultats de la FTSW sont obtenus à partir de 4 différentes expériences. Traitement PRD Traitement RDI Seuil de la FTSW ± écart type Nombre d’observations Seuil de la FTSW ± écart type Nombre d’observations 0,40 0,0089 12 0,44 0,0207 12 0,47 0,0134 12 0,45 0,0151 10 0,44 0,0096 12 0,49 0,0086 12 0,49 0,0024 12 0,47 0,0069 12 70 Chapitre II 1 ,5 a Taux de transpiration normalisée 1 ,0 0 ,5 y = 1 /[1 + 1 5 ,5 e x p (-1 1 ,0 x )] 0 ,0 1 ,5 1 ,0 0 ,8 0 ,6 0 ,4 0 ,2 0 ,4 0 ,2 b 0 ,0 1 ,0 0 ,5 y = 1 /[1 + 1 2 ,3 2 e x p (-1 1 ,0 1 x )] 0 ,0 1 ,0 0 ,8 0 ,6 0 ,0 F ra c tio n d 'e a u tra n s p ira b le d u s o l Figure 9. Variation de la transpiration normalisée, mesurée dans l’expérience 2 en fonction de la fraction d’eau transpirable du sol, chez les plantes de tomate cultivées en split-root et soumises aux contraintes hydriques suivantes; dessèchement partiel des racines (a ;□) et déficit par irrigation régulée (b ;▲). 4.2.3. Relation: taux d’expansion foliaire- fraction de l’eau transpirable du sol. Le modèle choisi ici pour présenter le taux relatif de l’expansion foliaire (RRLE) en fonction de la fraction de l’eau transpirable du sol (FTSW) a fourni une bonne description du rapport comme indiqué par les valeurs élevées de r2 (r2 = 0,90 pour PRD et r2 = 0,94 pour RDI). Le seuil de la FTSW à partir duquel RRLE commence à diminuer est 0,54 pour les 71 Chapitre II plantes sous le régime de PRD. Alors que RRLE des plantes sous RDI ne montre aucune diminution jusqu'à ce que FTSW soit 0,63 (Figure 10). 4.2.4. Relations : valeurs relatives du potentiel hydrique foliaire et de la teneur en eau relative- fraction de l’eau transpirable du sol. Lorsque la FTSW diminue au dessous des seuils, les valeurs relatives du potentiel hydrique foliaire et celles de la teneur en eau diminuent linéairement. Pour le potentiel hydrique, ces seuils sont 0,74 et 0,57 pour PRD et RDI respectivement (Figure 11a). Concernant la teneur en eau relative, les valeurs seuils de la FTSW sont supérieures à celles pour le potentiel hydrique foliaire. Elles sont 0,84 et 0,60 pour PRD et RDI respectivement. Les valeurs seuils de la FTSW pour le traitement PRD sont plus supérieures que celles obtenues dans le système RDI (Figure 11b). 72 Chapitre II 1 ,2 a 1 ,0 0 ,8 Taux d'expansion foliaire relative 0 ,6 0 ,4 0 ,2 0 ,0 1 ,2 1 ,0 0 ,8 0 ,6 0 ,4 0 ,2 0 ,0 b 1 ,0 0 ,8 0 ,6 0 ,4 0 ,2 0 ,0 1 ,0 0 ,8 0 ,6 0 ,4 0 ,2 0 ,0 F ra ctio n d 'ea u tra n sp ira b le d u so l Figure 10. Variation du taux d’expansion foliaire normalisée, mesurée dans l’expérience 2 en fonction de la fraction d’eau transpirable du sol, chez les plantes de tomate cultivées en splitroot et soumises aux contraintes hydriques suivantes ; dessèchement partiel des racines (a ;□) et déficit par irrigation régulée (b ;▲). 73 Chapitre II 10 Potentiel hydrique normalis 9 8 a 7 6 5 4 3 2 1 0 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1,10 TER normalisée 1,00 b 0,90 0,80 0,70 0,60 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Fraction transpirable d'eau du sol Figure 11. Variation du potentiel hydrique foliaire normalisé (a) et de la teneur relative en eau normalisée (b), mesurés dans l’expérience 2 en fonction de la fraction d’eau transpirable du sol, chez les plantes de tomate cultivées en split-root et soumises aux contraintes hydriques suivantes ; dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation régulée(▲). Il existe des relations linéaires entre l’expansion foliaire et le statut hydrique de la plante. Les équations de régression montrent que ces paramètres sont étroitement liés, les coefficients de corrélation étant proches de l’unité. D'ailleurs, le taux d'expansion foliaire relatif a été négativement corrélé avec le potentiel hydrique foliaire relatif comme indiqué par les valeurs élevées de R2. Cependant, le traitement RDI présente les valeurs les plus élevées pour R2 (Figure 12a). De même, l’expansion foliaire est fortement corrélée positivement avec les valeurs de la teneur en eau relative, comme le montre les valeurs de R2 (figure 12b). 74 Chapitre II 1,2 Taux d'expansion foliaire relatif RDI y = -0,1121x + 1,1931 2 1 R = 0,9396 0,8 0,6 0,4 PRD 0,2 y = -0,1878x + 1,2838 2 R = 0,854 0 0 2 4 6 8 10 Potentiel hydrique foliaire relatif Figure 12a: Evolution du taux d’expansion foliaire relatif en fonction du potentiel hydrique foliaire relatif, mesurés dans l’expérience 2, chez les plantes de tomate cultivées en split-root et soumises aux contraintes hydriques suivantes; dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation régulée (▲). 1,2 Taux d'expansion foliaire relatif PRD 1 y = 9,6353x - 8,5165 2 R = 0,9236 0,8 RDI 0,6 y = 3,4317x - 2,4788 2 R = 0,9545 0,4 0,2 0 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05 Teneur en eau relative normalisée Figure 12b: Evolution du taux d’expansion foliaire relatif en fonction de la teneur en eau relative normalisée, mesurées dans l’expérience 2, chez les plantes de tomate cultivées en split-root et soumises aux contraintes hydriques suivantes; dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation régulée (▲). 75 Chapitre II 5. Discussion Cette étude, faite sur des plantes de tomate à croissance rapide exposées à un déficit hydrique, a confirmé des résultats précédents suggérant que les traitements PRD et RDI créent un stress hydrique modéré, qui a affecté de manière significative les relations hydriques comme le reflète les résultats du potentiel hydrique foliaire, de la teneur en eau relative et de la transpiration des plantes entières (Chalmers et al., 1986 ; Jones 2004 ; Kang et Zhang 2004 ; Wakrim et al., 2005). Bien que les plantes sous RDI et celles sous PRD aient reçu approximativement 50% de l’eau fournie aux plantes témoins, la différence dans la disponibilité de l'eau dans le sol a eu comme conséquence une différence dans le statut hydrique des plantes. Il est à noter que sous PRD ce statut, comme exprimé par la teneur en eau relative et le potentiel hydrique foliaire (Kramer et Boyer 1995), est beaucoup plus proche de celui des témoins par rapport au traitement RDI, même si ce dernier traitement a reçu la même quantité de l'eau que le PRD. En dépit de ces différences dans le statut hydrique, le déficit hydrique a eu des effets négatifs similaires sur la croissance des plantes et sur leur transpiration sous PRD et sous RDI. Ainsi, ces résultats semblent contrarier l'hypothèse que les traitements RDI et PRD entraîneraient des réponses de croissance différentes en causant différents mécanismes de stress. Bien que de récentes études sur les vignes cultivées aux champs (De Souza et al., 2003; De Souza et al., 2005a) et sur l'haricot (Wakrim et al., 2005) ont démontré que le potentiel hydrique foliaire des plantes soumises au PRD n’est pas sensiblement différent de celui des plantes sous RDI, dans nos expériences ce paramètre n’est pas affecté par la technique PRD, mais il a sensiblement diminué en réponse au traitement RDI. Cependant, ces résultats confirment ceux d'autres études (Fort et al., 1997; Dry et al., 2000). Sobeih et al. (2004) n'ont également trouvé aucune différence dans le potentiel hydrique foliaire dans une expérience employant le système de split-root sur des plantes de tomate exposées pendant huit jours au traitement PRD. Il est bien argumenté que le potentiel hydrique foliaire peut ne pas être le meilleur indicateur de l'intensité du stress hydrique, puisque les racines se développant dans les parties humides du sol peuvent l’influencer. Tandis que les racines superficielles déshydratées peuvent produire des signaux chimiques induisant la fermeture des stomates, avant que n'importe quel changement de potentiel hydrique foliaire ne soit discernable (Davies et Zhang, 1991; Davies et al., 1994; Liu et al., 2003). Dans notre étude, le potentiel hydrique foliaire est linéairement corrélé avec la teneur en eau relative, malgré que cette dernière soit sensiblement affectée par les différents traitements d'irrigation. D'ailleurs, quoique les plantes sous PRD et celles sous RDI aient 76 Chapitre II montré des valeurs de la teneur en eau relative significativement différentes, la transpiration quotidienne des plantes entières et la quantité totale de l'eau utilisée par les plantes n'ont pas différé d’un traitement d’irrigation à l’autre. Puisque la surface foliaire de la plante est semblable dans PRD et RDI, le taux quotidien de la transpiration par unité de surface foliaire était également semblable. Ces résultats apparemment contradictoires peuvent être expliqués par les effets du déficit hydrique sur la conductance stomatique, qui est considérée comme étant un paramètre intégrateur reflétant l'intensité du stress hydrique des plantes (Medrano et al., 2002). Dans notre étude, il n'y avait aucune différence claire dans le comportement stomatique entre les plantes stressées par un dessèchement du sol de la moitié (PRD) ou tout autour de la totalité (RDI) du système racinaire, Cependant, la conductance stomatique était uniformément inférieure dans ces deux différents traitements d'irrigation en comparaison aux témoins. Le signal accru d’origine racinaire qui est transporté vers les parties aériennes par le biais de la transpiration, a été considéré comme une cause potentielle de la fermeture observée des stomates lors d’un stress hydrique comme le montre plusieurs études (Davies et Zhang, 1991 ; Davies et al., 1994 ; Sobeih et al., 2004). Dans un certain nombre d'expériences dont quelques unes utilisent le système de split-root, il a été constaté que les racines peuvent percevoir la déshydratation du sol et produire des signaux chimiques (élévation dans la concentration d'ABA, dans le pH de la sève xylèmique ou encore dans le pH apoplastique) qui sont transportés aux parties aériennes. Ces signaux pourraient expliquer la réduction observée dans la croissance foliaire et dans la conductance stomatique (Loveys, 1984 ; Wilkinson et al., 1998 ; Gowing et al., 1990 ; Zhang et Davies 1990 ; Gollan et al., 1992 ; Bacon et al., 1998 ; Sobeih et al., 2004). Conformément à ces résultats, les nôtres indiquent une augmentation significative et semblable dans le pH de la sève brute des plantes de tomate sous les deux contraintes hydriques PRD et RDI. Il est raisonnable de supposer que ces signaux chimiques ont été en effet impliqués dans la fermeture observée des stomates. Ainsi, la diminution dans la conductance stomatique peut être le meilleur indicateur de l'intensité du stress hydrique et explique la réduction de la transpiration plutôt que le potentiel hydrique foliaire ou la teneur en eau relative. Dans le traitement PRD, l'irrigation a été alternée entre les deux compartiments du système racinaire permettant seulement à la moitié de ce dernier d’éprouver un déficit hydrique. Tandis que dans le traitement RDI, l'eau a été ajoutée aux deux compartiments du système racinaire, il aurait été prévu une fermeture stomatique plus élevée dans les conditions de PRD puisqu'une partie des racines a été théoriquement soumise à un 77 Chapitre II stress plus sévère que le système racinaire sous traitement RDI. Cependant, la croissance des parties souterraines a été pareillement affectée par les deux conditions stressantes. Ce résultat suggère que, la fermeture des stomates et le taux de transpiration ont répondu principalement à la quantité globale de l'eau fournie aux racines, indépendamment de sa répartition entre les deux compartiments du système split-root. Cette observation est en accord avec les résultats obtenus dans d'autres études (Wakrim et al., 2005). La croissance et l'expansion foliaire des plantes de tomate ont été sensiblement et similairement réduites en réponse aux traitements PRD et RDI. En parallèle à la diminution de la croissance foliaire, le pH apoplastique a été graduellement augmenté au niveau des plantes de tomate soumises au déficit hydrique. Cette observation est en accord, d’une part, avec les résultats de Van Volkenburgh et Davies (1983) prouvant que le pH a affecté les propriétés physiques des parois cellulaires en changeant leur extensibilité, et d’autre part, aux résultats de Bacon et al. (1997) qui ont remarqué une corrélation inverse entre le taux de croissance des feuilles et leur pH. Récemment, Mingo et al. (2003) ont trouvé une forte corrélation entre le taux de croissance du fruit et le pH sous-épidermique des plantes de tomate sujettes au dessèchement du sol et au traitement PRD. Cette étude a été conçue aussi pour comparer le mode d'utilisation de l'eau entre les plantes de tomate soumises à deux techniques d'irrigation PRD et RDI pendant un cycle de dessèchement du sol. Les relations entre les valeurs normalisées du potentiel hydrique foliaire et celles de la teneur en eau relative avec la fraction de l’eau transpirable du sol (FTSW) pourraient être bien décrites par des fonctions de plateaux linéaires comme il est indiqué par les valeurs élevées de R2. La comparaison des deux régimes hydriques appliqués est fondée sur le seuil de la FTSW auquel les processus physiologiques étudiés dans chaque traitement stressant ont commencé à diverger des témoins. Concernant la transpiration, le seuil auquel elle a commencé à chuter obtenue ici pour la tomate est inférieur à celui du soja (0,64 ; Liu et al., 2003) et dépasse celui d'autres plantes, comme le pois chiche (0,34 ; Soltani et al., 2000), le maïs (0,31 ; Ray et Sinclair 1998), et le pois (0,4 ; Lecoeur et Sinclair 1996). Plusieurs expériences ont prouvé qu’en général, la transpiration commence à diminuer pour des valeurs de FTSW comprises entre 0,3 et 0,4 (Ray et Sinclair, 1998 ; Weisz et al., 1994). Pour expliquer ces différences, des séries d’études ont été menées afin de tester l’implication de certains facteurs dans de telles réponses. Les résultats rapportés par Ray et Sinclair (1998) ont montré que la taille du pot n’a aucun effet significatif sur le seuil de la FTSW auquel la transpiration commence à diminuer. De même, 78 Chapitre II et en examinant différentes valeurs de VPD atmosphériques, Ray et al. (2002) ont constaté que peu ou pas de changement du seuil de la FTSW n’a été détecté en réponse aux changements substantiels du VPD atmosphérique auxquels des plantes de maïs ont été soumises. Par ailleurs les travaux effectués par Lecoeur et Sinclair (1996) ont indiqué une forte uniformité dans le rapport de la transpiration à la FTSW à travers une diversité des conditions expérimentales et des techniques de mesure. Cependant, la différence dans les seuils de l'eau du sol pour le taux de transpiration issus à partir d’une diverse gamme d’espèces peut être due au type du sol utilisé dans les différentes études (Liu et al., 2003). D'ailleurs, le seuil de la FTSW est plus élevé dans les sols structurés et fins (Sadras et Milroy, 1996; Sinclair et al., 1998). Bien que le rapport entre la transpiration normalisée et la FTSW soit approuvé, la comparaison des seuils de la FTSW à partir desquels le taux de transpiration a commencé à diverger, aucune différence n'a été détectée entre les traitements d’irrigation PRD et RDI. On peut suggérer que la fermeture des stomates soit déclenchée à la même valeur de la FTSW suite aux traitements PRD et RDI. Si un signal chimique racinaire était impliqué dans le contrôle du comportement stomatique spécialement chez les plantes sous PRD, on s’attendrait à ce que la fermeture soit précoce, vu qu’une partie du système racinaire subit un stress hydrique plus sévère que celui appliqué à la totalité des racines des plantes sous RDI. En outre, les plantes sous PRD et RDI ont fermé leurs stomates avant que n'importe quel changement de statut hydrique ait lieu. Ceci suppose que des facteurs autres que le statut hydrique foliaire pourraient être impliqués dans la régulation du comportement stomatique aussi bien lors d’un dessèchement entier (RDI) ou en partie (PRD) du sol. Plusieurs études ont suggéré que la conductance réduite des stomates pourrait avoir lieu chez les plantes cultivées dans un sol en dessèchement et leur statut hydrique est jugé constant (Gollan et al., 1986). Ainsi, il s'est avéré qu'il y a un mécanisme non-hydraulique qui participe à une réponse pareille (Davies et Zhang, 1991). Quant à la croissance foliaire et comparé à d'autres récoltes, le seuil de la fraction de l'eau transpirable du sol pour l'expansion foliaire obtenue dans notre étude pour la tomate est beaucoup plus élevé que ceux rapportés pour le soja (0,29 ; Liu et al., 2003), le pois chiche (0,48 ; Soltani et al., 2000) et (0,4 ; Lecoeur et Sinclair 1996). Ces différences pourraient être dues aux différents types de sols utilisés dans les études, comme mentionné précédemment. D'autre part, dans cette étude, l'expansion foliaire a commencé à chuter à une valeur de FTSW plus grande que celle pour la transpiration. Ainsi l’expansion des feuilles de tomate est plus 79 Chapitre II sensible que la conductance stomatique au déficit hydrique. Ce résultat est en accord avec ceux d'autres récoltes (Soltani et al., 2000; Sadras et Milroy, 1996). Cependant, il contrarie l'observation de Liu et al., (2003) pour le soja. En plus, nous avons observé que sous le traitement RDI, une réduction d'expansion foliaire a eu lieu à une valeur de FTSW plus grande que celle à la quelle l’expansion foliaire commence à chuter dans le système PRD. Dans notre expérience, le déficit hydrique du sol a été progressivement établi en réduisant la même quantité d'eau d'irrigation. La différence réside dans la manière de la distribution de cette eau. Il convient de noter que dans notre étude, nous avons étudié le taux d'expansion d’une feuille individuelle. La différence entre les valeurs de ce taux dans les systèmes PRD et RDI n'était pas statistiquement significative. Par ailleurs, les résultats ont montré que l'expansion foliaire a commencé à chuter à un statut hydrique du sol plus bas que celui auquel le potentiel hydrique et la teneur en eau relative ont commencé à diminuer. Ceci est vrai pour les deux traitements PRD et RDI. Les corrélations linéaires entre le taux d'expansion foliaire et les paramètres hydriques de la plante ont indiqué que le statut hydrique foliaire pourrait être impliqué dans le contrôle de la croissance foliaire de la tomate sous conditions édaphiques déficitaires. En effet, quelques auteurs ont souligné le rôle essentiel du statut hydrique des tissus dans la détermination du taux de croissance foliaire (Kramer, 1998; Frensh, 1997; Hsiao et al., 1998). 80 Chapitre II 6. Conclusion Les résultats obtenus au cours de ce travail montrent bien que les deux traitements hydriques consistent en un approvisionnement en eau quantitativement semblable, le statut hydrique chute sous l’effet de RDI, alors que le PRD permet à la plante de garder un statut hydrique proche de celui des témoins Les deux traitements PRD et RDI provoquent une réduction significative de la biomasse végétative aérienne par rapport aux plantes témoins, cette réduction ne touche pas la biomasse des organes souterrains. Étant donné que la biomasse totale des plantes est réduite d'environ 30% et l'eau utilisée par la transpiration est réduite par moitié dans les deux traitements du déficit hydrique, l’efficience d'utilisation de l'eau est sensiblement améliorée sous PRD et sous RDI en comparaison aux témoins. La gestion d’irrigation générée par les deux techniques PRD et RDI crée un déficit hydrique modéré dans les deux cas. Ces contraintes affectent les relations hydriques de la plante et limitent la croissance et les échanges gazeux foliaires. Ces effets peuvent être liés aux changements cruciaux du pH de la sève xylèmique et du pH apoplastique foliaire. L’expansion foliaire de la tomate est plus sensible au déficit hydrique édaphique crée progressivement par les deux techniques PRD et RDI que la fermeture des stomates. En réponse aux deux traitements PRD et RDI, le contrôle de la transpiration et de la croissance foliaire passe aussi par les relations hydriques de la plante, comme le montrent les fortes corrélations entre chacun des deux variables et les paramètres hydriques de la plante (le Ψp et la RWC). 81 Chapitre II Références bibliographiques - Alegre S, Girona J, Marsal J, Arbones A, Mata M, Montagut D, Teixido F, Motilva MJ, Romero MP (1999) Regulated deficit irrigation on olives trees. 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Les teneurs en chlorophylles, la peroxydation des lipides ainsi que les activités SOD, POX, CAT et PPO sont mesurées. En parallèle, les composés phénoliques sont quantifiés. Les plantes de tomate sont cultivées, pendant 21 jours dans des conditions contrôlées avec leurs racines séparées également entre deux compartiments de sol (Split-root). Trois méthodes d'irrigation sont appliqués à ces plantes à savoir : irrigation témoin (T), où les plantes reçoivent une quantité de l'eau équivalente à 100% de la transpiration de la plante ; irrigation partielle des racines (PRD) dans la quelle seul une moitié des racines est irriguée à 50% de la quantité de l'eau fournie aux témoins, alors que l’autre moitié du système de racine est exposé à un sol sec et l'irrigation est échangée entre les moitiés chaque semaine ; une irrigation déficitaire contrôlée (RDI) où la totalité du système racinaire reçoit la même quantité d’eau que les plantes sous PRD. Les résultats montrent une baisse significative de contenu chlorophyllien. Toutefois, la dégradation des chlorophylles a et b en situation de RDI est plus prononcée qu’en situation de PRD. Un niveau élevé de la peroxydation des lipides dans les deux compartimentes foliaires et racinaires indique que les traitements PRD et RDI résultent en un stress oxydatif au niveau des plantes de tomate. Vers la fin de l'expérience, les productions de MDA dans les feuilles sous les contraintes hydriques PRD et RDI excèdent les plantes témoins par environ 209 % et 269 % respectivement. Au niveau des racines, aucune différence entre les traitements PRD et RDI n’est à noter. Dans des feuilles, les activités SOD, POX solubles et PPO présentent une augmentation juste après l’application des traitements hydriques déficitaires puis diminuent plus loin dans le cycle de dessèchement. Cependant, l'augmentation sous RDI est plus prononcée. L'activité CAT diminue continuellement depuis le début des traitements PRD et RDI au-dessous du niveau des témoins, et la réduction est moindre sous PRD que sous RDI. Les activités des POX liées à la paroi accroissent considérablement 15 jours après les traitements, où ils excèdent le niveau du témoin de 450% et 230% sous RDI et PRD respectivement. Au niveau des racines, l'activité CAT diminue également sous PRD et RDI. Alors que les activités SOD, POX et PPO augmentent de manière significative et leurs activités montrent une alternance d’accroissement et de baisse suivant l’alternance de l'irrigation sous le traitement PRD. En raison de la différence dans des activités POX et PPO entre les deux contraintes hydriques appliquées, les quantités des composés phénoliques accumulées par les plantes soumises au traitement PRD s’avèrent les plus importantes comparées à celles sous les deux autres traitements. Mots clés: catalase, Lycopersicon esculentum, peroxydase, PRD, RDI, superoxyde dismutase, 86 Chapitre III 2. Introduction La sécheresse est un syndrome complexe impliquant non seulement la privation de l'eau mais également la limitation nutritive, la salinité, et les stress oxydatifs. D'ailleurs, les niveaux de la lumière qui sont optimaux pour la photosynthèse au niveau des plantes bienalimentées en eau deviennent excessifs pour celles souffrant de la privation de l'eau (Luna et al., 2004). La fermeture des stomates lors d’un déficit hydrique limite le flux de CO2 dans les feuilles. Ainsi, l'assimilation photosynthétique du carbone est diminuée en faveur de l’absorption d'oxygène photorespiratoire. Le processus de la fermeture stomatique et le perfectionnement du flux par la voie photorespiratoire augmentent la charge oxydante dans les tissus. Ces deux processus produisent des espèces réactives de l'oxygène (ROS), en particulier le peroxyde d'hydrogène (H2O2). Ce dernier est également produit autant que messager secondaire de l’acide abscissique quant à la fermeture des stomates (Pei et al., 2000). La production de superoxyde par la chaîne de transport photosynthétique d'électron, par l'intermédiaire de la réaction de Mehler, est exacerbée par la sécheresse (Noctor et al., 2002). En conditions optimales, les ROS sont produites d'une façon contrôlée et elles ont des fonctions importantes telles que la biosynthèse des parois cellulaires et la signalisation de Redox (Foyer et Noctor, 2000). Cependant, les conditions contraignantes mènent à une surproduction des ROS. Et pour contrecarrer leur toxicité, les cellules sont bien équipées par un système antioxydatif fortement efficace, qui renferme les enzymes du cycle ascorbateglutathion, la superoxyde dismutase (SOD), les peroxydases (POX) et la catalase (CAT) et des molécules comprenant l'acide ascorbique, le glutathion et les composés phénoliques (Foyer et Noctor, 2000 ; Aroca et al., 2003). Les superoxyde dismutases sont des metalloenzymes qui catalysent la dismutation des radicaux O2-· à H2O2 et à O2. Elles jouent un rôle important contre les effets toxiques des radicaux superoxydes (McKersie et al., 2000). Beaucoup d'études ont montré que la tolérance des plantes au stress hydrique est liée à la surproduction de la SOD dans les chloroplastes (Bowler et al., 1992 ; Martinez et al., 2001). Néanmoins, le mécanisme par lequel la surproduction de SOD accroît la tolérance au stress n’est pas clairement défini. Les principales enzymes de la détoxification de H2O2 sont la catalase, qui est située dans les peroxysomes et les peroxydases qui sont situées dans le chloroplaste, le cytosol et l'apoplaste (Asada, 1992). Les systèmes catalase et peroxydases agissent en association pour contrarier H2O2 (foyer et al., 1994). La catalase détoxifie la majeure partie de H2O2 produite par la 87 Chapitre III photorespiration, tandis que les peroxydases neutralisent les molécules de H2O2 non détruites par la catalase. Bien que ces enzymes détruisent rapidement la grande majorité de H2O2 produit par le métabolisme, elles permettent aussi à des niveaux bas de H2O2 de persister pour maintenir les voies des signaux redox (Noctor et foyer, 1998). Le cycle d'ascorbateglutathion situé dans le cytosol et les chloroplastes détoxifie H2O2 du peroxysome si la catalase est insuffisante pour faire face à sa production (foyer et al., 1994). Des études suggèrent que la croissance est l'un des processus les plus sensibles à la sécheresse (Hsiao, 1973; Boyer, 1985) et la réduction de croissance est le résultat probable des processus de la rigidification des cellules pariétales liées à la formation des réticulations entre les polymères des cellules pariétales (Fry, 1986). La formation des réticulations entre l'extensine et les polysaccharides ainsi que la polymérisation des précurseurs de la lignine sont régulées par les peroxydases pariétales (Fry, 1986). Beaucoup de rapports offrent l'évidence que l'activité des peroxydases extraites à partir des parois cellulaires est inversement liée à l’expansion cellulaire (MacAdam et al., 1992; Bacon et al., 1997; Lard, 1999). La polyphénoloxydase (PPO) est une enzyme plastidique largement distribuée dans le monde végétal (Vaughn et duc, 1984a; Whitaka, 1972). PPO catalyse généralement l'oxydation des composés phénoliques aux quinones en utilisant la molécule d'oxygène comme accepteur d'électron (Sommer et al., 1994). Ces enzymes catalysent deux types de réactions oxydantes: l'hydroxylation des monophénols aux o_diphénols, et l'oxydation de l'o_diphénol aux o_quinones. Les activités POX et PPO augmentent en réponse à différents types de stress biotiques et abiotiques (Rivero et al., 2001). Beaucoup de travaux relient le métabolisme des phénols, aussi bien que la teneur de ces composés, à l'induction d'un certain type de stress aux plantes (Rivero et al., 2001 ; Ruiz et al., 1999). La structure polyphénolique permet la détoxification des espèces toxiques de l’oxygène (Rice-Evans et al., 1996). Les réponses antioxydantes des flavonoïdes réside dans leurs propriétés de détoxifier le radical superoxyde et l'oxygène singulet (Bors et al., 1996) et leur action devient importante sous stress hydrique quand la production des radicaux superoxydes accroît (Sgherri et al., 1996). En revanche, le potentiel antioxydant des polyphénols simples est moins connu (Caldwell, 2001). Les traitements PRD et RDI créent un stress hydrique modéré, qui a affecté de manière significative les relations hydriques. Toutefois, sous PRD le statut hydrique de la plante est beaucoup plus proche de celui des témoins par rapport au traitement RDI, même si 88 Chapitre III les deux traitements ont reçu la même quantité de l'eau. Il n’est pas clair si cette différence dans le statut hydrique créerait une différence au niveau biochimique de la plante. L’objectif de cette étude est de comparer les effets des systèmes d’irrigation PRD et RDI sur le métabolisme antioxydant. Spécifiquement, les variations des activités spécifiques de CAT, SOD et POX sont mesurées. Parallèlement, le contenu chlorophyllien, la production de malonyldialdéhyde et la teneur en phénols sont mesurés. 89 Chapitre III 3. Matériel et méthodes 3.1. Conditions de culture L’essai a été conduit en salle de culture. Les détails de la conduite de l’expérimentation ainsi que les conditions de culture sont décrits dans la partie Matériels et méthodes du deuxième chapitre de ce document. 3.2. Gestion de l’irrigation Trois traitements hydriques sont appliqués: a) Témoin bien irrigué (T) où tous les compartiments sont arrosés manuellement et reçoivent 100% de la transpiration de la plante; b) Déficit hydrique contrôlé (RDI) où les plantes reçoivent 50% d’eau perdue par transpiration répartie uniformément entre les deux compartiments racinaires; c) Dessèchement partiel des racines (PRD) où seule une moitié des racines reçoit 50% de leur transpiration avec alternance toutes les semaines. Toutes les plantes sont irriguées quotidiennement et manuellement vers la fin de l'après-midi. Les quantités d'eau apportées sont calculées après pesée des pots. Les pots sont maintenus fermés le long de l’expérience afin de minimiser les pertes d’eau du sol par évaporation. L’application des différents traitements hydriques a lieu au stade végétatif 3-4 feuilles et continue jusqu’à la récolte. 30-33 répétitions sont utilisées par traitement. 3.3. Echantillonnage Les différentes parties des plantes sont prélevées depuis l’application du traitement hydrique. Les premières feuilles depuis l’apex, complètement développées (deux feuilles par plante) et les racines se développant sur les deux compartiments formant le pot sont prélevées et leur poids à l'état frais est déterminé. Chacune de ces différentes parties est enveloppée et marquée avant d'être stockée dans le congélateur à -20°C pour une analyse ultérieure. Pour chaque échantillon, trois répétitions sont utilisées par traitement. Un échantillon secondaire de différentes parties des plantes est desséché suite à un séjour à l’étuve à 70°C pendant 48 h. 3.4. Techniques analytiques 3.4.1. Extraction et dosage des peroxydases Les peroxydases sont des hémoprotéines qui catalysent l’oxydation de nombreux substrats par le peroxyde d’hydrogène selon l’équation suivante: H2O2 + RH2 ----- Peroxydase ------> 2 H2O + R 90 Chapitre III L’enzyme est spécifique du peroxyde d’hydrogène comme accepteur d’hydrogène mais tolère divers substrats RH2 comme donneur d’hydrogène, par exemple des dérivés phénoliques comme le gaïacol. Incolore au départ, il prend rapidement une teinte brune qui absorbe la lumière dans le bleu ou le vert lorsqu’il est oxydé. Une étude préliminaire a été effectuée afin de déterminer le pH optimum de la réaction (figure 1) Activité peroxydase (U/mg MF) 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 pH Figure1: Influence du pH sur l’activité peroxydase L’extraction et le dosage des activités peroxydases solubles et liées sont ceux mis au point par Bacon et al. (1997) (annexe I). L'oxydation du gaïacol est mesurée en suivant l'évolution de la variation de la DO au spectrophotomètre à 470 nm pendant 3 min. Le mélange réactionnel a contenu 50-100µL de l'extrait enzymatique, 1mL de solution de gaïacol (276µL de gaïacol par 50mL de la solution tampon de phosphate 20mM, pH 5,5). La réaction est initiée par l'addition de 0,03% de l’eau oxygénée préparée juste avant le dosage. L'activité du gaïacol peroxydase est dosée à 30°C et exprimée en unités d'enzymes par mg de protéines, où une unité d'enzymes est définie autant qu’un changement de 0,01 absorbance par minute provoquée par l’enzyme. 91 Chapitre III 3.4.2. Extraction des activités polyphénoloxydase, superoxyde dismutase et catalase. Des échantillons de feuilles et de racines (poids 0,8g à l'état frais) sont homogénéisés dans un mortier dans 9 mL d'une solution tampon phosphate de sodium (0,1M ; pH7,0) en présence de 1mM d'acide diéthylène tétraacétique (EDTA) et 1% de polyvinylpyrrolidone (w/v) (PVP). Après centrifugation à 12 000g pendant 15 min, le surnageant récupéré forme l’extrait brut sue lequel sont effectués les dosages des activités enzymatiques PPO, SOD et CAT ainsi que les teneurs en protéines. 3.4.3. Dosage des activités enzymatiques. 3.4.3.1. Dosage de l’activité polyphénoloxydase. Les polyphénoloxydases sont des métalloprotéines à cuivre responsables de l’oxydation des composées phénoliques en quinones, en utilisant l’oxygène comme accepteur d’électrons (Sommer et al., 2004). Les quinones peuvent se polymériser de façon non enzymatique pour donner lieu à des pigments bruns. L'activité de PPO a été dosée à 30°C en mesurant l'évolution de l'absorbance à 410 nm à l’aide d’un spectrophotomètre. L'activité PPO a été exprimée en unités enzymatiques par mg de protéines. Une unité d'activité de PPO a été définie comme la quantité d'enzymes qui a causé une augmentation d'absorbance de 0,001/ min. La réaction est menée à 30°C dans un tampon phosphate de sodium pH 6,0, en présence de 20mM du pyrocatéchol. La réaction est déclenchée par l'addition de l'extrait d'enzymatique, plusieurs prises d’essai de l’extrait contenant l’activité PPO à mesurer sont réalisées. 3.4.3.2. Dosage de l’activité superoxyde dismutase. La superoxyde dismutase (SOD), découverte par McCord et Fridovich (1969), catalyse la dismutation du radical libre 02.- en oxygène moléculaire et peroxyde d'hydrogène H202, elle régit l’équation suivante : 2 02.- + 2 H+ ----- SOD---> 02 + H202 L’instabilité de l’O2.-, substrat de SOD, fait que les techniques de mesure sont toutes indirectes. L'activité SOD a été essayée en utilisant La méthode proposée d'après DesChamps et Fridovich (1971). Cette méthode évalue la SOD par sa capacité à inhiber un flux d'anion superoxyde généré par le système xanthine-xanthine oxydase. Les radicaux superoxydes 92 Chapitre III produits par ce système réduisent le NBT en bleu de formasan. Une unité enzymatique de SOD correspond à la quantité d'extrait végétal susceptible d'induire une inhibition de 50% de la réaction de réduction du NBT. L’activité est dosée à 30°C dans un milieu réactionnel contenant 0,3mM de la xanthine, 0,6mM de l'EDTA, 0,15mM du NBT, et 50µL de l'extrait enzymatique. La réaction est déclenchée par l'addition de la xanthine oxydase (150µL de la xanthine oxydase par 50mL de la solution tampon phosphate, pH7,8). Le dosage est effectué à 560nm au spectrophotomètre. 3.4.3.3. Dosage de l’activité catalase. La catalase catalyse la dismutation du peroxyde d’hydrogène en dioxygène et eau selon l’équation suivante: H2O2 + H2O2 ----- Catalase ------> 2 H2O + O2 La catalase utilise H2O2 généré par les oxydases tissulaires comme substrat aussi bien qu'un accepteur d'hydrogène. L’activité de CAT a été mesurée par la méthode de Chance et Maehly (1955). La décomposition de H2O2 a été déterminée en suivant le déclin dans l'absorbance à 240 nm pendant 2 min. Le mélange réactionnel de 3mL contient 50mM de la solution tampon phosphate (pH 7,0), 15mM de H2O2 fraîchement préparé dans du tampon phosphate 0,1M à pH7, et 0,1mL de l'extrait enzymatique. La cuve de référence contient le tampon et le H2O2 sans l’extrait enzymatique. La réaction est suivie à 30°C. 3.4.4. Dosage des protéines. Les protéines sont dosées dans chaque extrait enzymatique obtenu de différents échantillons étudiés (feuilles et racines). La teneur en protéines de l'extrait enzymatique est estimée selon Bradford (1976). Les quantités des protéines sont évaluées, en se référant à une droite établie par une gamme étalon de différentes concentrations de BSA. 3.4.5. Extraction et quantification des phénols. Les phénols totaux sont extraits selon la méthode proposée par El Modafar et al. (1996) (annexe II-1). Le contenu phénolique total a été essayé quantitativement avec le réactif de Folin-Ciocalteu selon la méthode de Singleton et Rossi (1965) (annexe II-2). La teneur des phénols a été calculée à partir d'une courbe étalon obtenue avec différentes concentrations d'acide caféique. 93 Chapitre III 3.4.6. Dosage du malonyldialdéhyde. La peroxydation des lipides est le symptôme le plus attribué aux dommages oxydatifs et a souvent employé comme indicateur de stress oxydatif (Zhang et Kirkham, 1994). La teneur en malonyldialdéhyde (MDA), un produit final de peroxydation des lipides, est déterminée en utilisant la méthode décrite par Heath et Packer (1968) (annexe III). 3.4.7. Analyses des chlorophylles. La chlorophylle foliaire a été extraite en trempant 0,05g d'échantillon de feuille dans 20mL de la diméthylsulfoxide dans l'obscurité pendant 72 h selon la méthode décrite par Hiscox et Israelstam (1979). L'absorbance de l'extrait à 665nm et à 649nm est mesurée avec un spectrophotomètre et convertit en teneurs en chlorophylles en utilisant les équations données par Wellburn (1994). Chlorophylle a = 12,19A665 – 3,45A649 Chlorophylle b = 21,99A649 – 5,32A665 3.5. Analyse statistique des résultats. L’analyse des données est effectuée par analyse de la variance (ANOVA). Le test LSD (p<0.05) a été utilisé pour comparer les moyennes des différents traitements, en utilisant SPSS pour Windows (version 10,0). 94 Chapitre III 4. Résultats 4.1. Au niveau des feuilles 4.1.1. Evolution des teneurs en chlorophylles. Les traitements PRD et RDI réduisent les concentrations des chlorophylles a et b (figure 1). Les deux types de plantes présentent des évolutions dans les teneurs de la chl b comparables pendant les 13 premiers jours suivant l’application des traitements (figure 1a). Au-delà, les teneurs baissent graduellement pour atteindre, vers la fin de l’expérience, des valeurs de 88% et 59% respectivement sous PRD et RDI en comparaison aux témoins. Dans le cas de la chl a, les réductions commencent bien avant, elles sont de 83% pour PRD et 51% pour RDI vers la fin de l’expérience (figure 1b). La dégradation des chlorophylles a et b en Teneur en chlorophylle a (% témoin) Teneur en chlorophylle b (% témoin) situation de RDI est plus prononcée qu’en situation de PRD (figure 1). (a) 120 100 80 60 0 5 10 15 20 25 (b ) 120 100 80 60 0 5 10 15 20 25 D u rée d e la con train te h yd riq u e (jou rs) Figure 1. Evolution des teneurs en chlorophylle b (a) et chlorophylle a (b) mesurées le long de l’expérience chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□). Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 95 Chapitre III 4.1.2. Evolution de l’activité superoxyde dismutase Suite à l’application des traitements hydriques PRD et RDI, l’activité spécifique de la SOD augmente (figure 2). Cette augmentation est accentuée après le 3ème jour de la contrainte hydrique pour atteindre un niveau 4 fois et 3 fois plus élevé respectivement sous RDI et PRD vers le 11ème jour du traitement. Au cours de cette durée, des différences significatives (P<0,001) entre les traitements PRD et RDI sont mises en évidence. Au delà, l’activité chute progressivement et pareillement pour atteindre des valeurs plus inférieures que celles Activité spécifisue de la SOD (% témoin) obtenues pour les plantes témoins. 400 300 200 100 0 5 10 15 20 25 Durée des contraintes hydriques (jours) Figure 2. Evolution de l’activité spécifique de la SOD mesurée le long de l’expérience chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□). Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.1.3. Evolution de l’activité catalase L'activité spécifique de la catalase subit des chutes plus ou moins importantes en fonction des contraintes hydriques (figure 3). Les écarts de l’activité CAT n’ont commencé à se manifester qu’au-delà du 5ème jour de la contrainte. Les plantes sous le traitement RDI montrent les chutes les plus importantes. Vers la fin de la période expérimentale, le niveau de la catalase baisse est de 42% en comparaison aux témoins en réponse au traitement RDI, alors 96 Chapitre III que la diminution au niveau des feuilles exposées au PRD est seulement de 61% par rapport Activité spécifique de la CAT (% témoin) aux témoins. 100 80 60 40 20 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique (jours) Figure 3. Evolution de l’activité spécifique de la catalase mesurée le long de l’expérience chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants : le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□). Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.1.4. Evolution de l’activité peroxydase soluble Les traitements hydriques PRD et RDI affectent significativement l’activité de la POX soluble (figure 4). Dans une première phase allant jusqu’au 11ème jour de l’expérience, cette activité accroît graduellement sous PRD et RDI en comparaison aux valeurs moyennes des plantes témoins, l’augmentation est considérablement (P<0,001) prononcée en réponse au RDI qu’en réponse au PRD. Son niveau le plus élevé est d’environ 6 fois et 4 fois respectivement sous RDI et PRD. Au-delà de cette phase, l’activité décroît régulièrement pour atteindre une activité semblable à celle des témoins. Après le 13ème jour du traitement, les activités reprennent et un deuxième pic d'activité apparaît vers le 19ème jour du traitement même quantitativement beaucoup plus inférieur qu’au premier pic (200% pour les deux traitements PRD et RDI), aucune différence significative n’est à noter entre les deux contraintes hydriques. Les activités chutent par la suite vers des niveaux équivalents à ceux des témoins. 97 Activité spécifique de la POX (% témoin) Chapitre III 700 600 500 400 300 200 100 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique (jours) Figure 4. Evolution de l’activité spécifique de la peroxydase soluble mesurée le long de l’expérience chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants : le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□). Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.1.5. Evolution de la production du malonyldialdéhyde Les traitements PRD et RDI affectent de manière significative la production du MDA indiquant la peroxydation des lipides (figure 5). Le MDA s’accumule dans les feuilles dès le début de l’application des contraintes PRD et RDI de manière progressive et comparable jusqu’au 9ème jour de la contrainte. Au-delà, les feuilles sous RDI continuent à accumuler des quantités plus importantes du MDA. Quant aux feuilles soumises au traitement PRD, elles présentent une accumulation moindre. Vers la fin de l'expérience, les productions du MDA sous les contraintes hydriques PRD et RDI excèdent les plantes témoins par environ 209% et 269% respectivement. 98 Chapitre III Teneur en MDA (% témoin) 220 200 180 160 140 120 100 80 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique (jours) Figure 5. Evolution des teneurs en MDA mesurées le long de l’expérience chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□). Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.1.6. Evolution de l’activité polyphénoloxydase L'activité PPO spécifique montre une augmentation graduelle depuis le début jusqu’au 13ème jour de l’expérience (figure 6). La différence entre les traitements se produit entre le 3ème et le 10ème jour du traitement, et les feuilles sous RDI montrent les valeurs les plus élevées de l'activité. Après, une diminution est observée, et les plantes soumises aux deux contraintes montrent un niveau d'activité quantitativement semblable excédant légèrement celui des témoins. 99 Activité spécifique de la PPO (% témoin) Chapitre III 240 200 160 120 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique (jours) Figure 6. Evolution de l’activité spécifique de la polyphénoloxydase mesurée le long de l’expérience chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants : le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□). Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.1.7. Evolution des composés phénoliques solubles L’analyse de l’accumulation des phénols solubles au cours de la période expérimentale révèle pour les deux traitements hydriques PRD et RDI une cinétique d’allure semblable à celles des activités solubles POX et PPO. L’évolution du contenu phénolique soluble peut être décomposée en deux phases (figure 7). Entre le 1ier et le 11ème jour de l’expérience, les phénols solubles s’accumulent sans interruption sous PRD et RDI, la différence entre les deux traitements n’apparaît que dans les deux derniers jours de cette phase. Les plantes sous PRD présentent une accumulation plus prononcée (environ 228%). Les teneurs des plantes sous RDI sont moins importantes (180%). Au-delà du 11ème jour, une réduction progressive et plus au moins importante est discernable. L’analyse des moyennes a fait ressortir des différences entre les régimes hydriques particulièrement entre le 11ème et le 19ème jour. 100 Teneurs en phénols (% témoin) Chapitre III 200 150 100 50 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique (jours) Figure7. Evolution des teneurs en phénols solubles mesurées le long de l’expérience chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□). Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.1.8. Evolution de l’activité peroxydase pariétale Les traitements hydriques PRD et RDI affectent également l'activité POX liée à la paroi cellulaire (figure 8). Une augmentation graduelle et parallèle est remarquée depuis l'application des contraintes hydriques, la différence significative apparaît le 13ème jour de l’expérience. Les plantes soumises au traitement RDI enregistrent l’activité la plus élevée, qui est 4,5 fois plus importante que celle des témoins. Quant à celles sous PRD, elles présentent une situation moindre, mais elle reste plus importante d’un facteur de 2,3 fois que les témoins. Au-delà du 15ème jour, l’activité a chuté aussi bien sous PRD que sous RDI. 101 Activité spécifique de la POX (% témoin) Chapitre III 500 400 300 200 100 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique (jours) Figure8. Evolution de l’activité de la peroxydase pariétale mesurée le long de l’expérience chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants : le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□). Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.1.9. Evolution des composés phénoliques insolubles Sous l'insuffisance hydrique, le contenu de phénols insolubles augmente suivant l'imposition des deux traitements PRD et RDI (figure 9). A partir du 11ème jour de traitement, cette accumulation est significative entre les deux traitements, les plantes sous PRD semblent accumuler des quantités plus importantes qui dépassent largement celles des témoins (environ 300%), les plantes sous RDI montrant une accumulation doublant celle des témoins. Ces valeurs sont obtenues le 17ème jour du traitement. Par la suite, les teneurs en phénols insolubles chutent, mais elles sont statistiquement plus hautes sous PRD sous RDI le reste de la période expérimentale. 102 Teneurs en phénols (% témoin) Chapitre III 300 200 100 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique Figure 9. Evolution des teneurs en phénols solubles mesurées le long de l’expérience chez les plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants : le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□). Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.2. Au niveau des racines 4.2.1. Evolution de l’activité superoxyde dismutase Pendant les trois premiers jours du traitement, il y a un maintien des activités dans des valeurs relativement basses (figure 10). Sous le traitement RDI, l’activité augmente graduellement jusqu'au 11ème jour du traitement quand elle atteint son maximum, elle dépasse sensiblement celles enregistrées au niveau des racines sous PRD le long de l’expérience. Puis, elle diminue sans interruption vers la fin de l’expérience. En réponse à PRD, l'activité SOD subit en outre une augmentation modérée dans les deux parties du système racinaire. Cette activité s’amplifie notablement dans la moitié des racines développée en premier dans le sol desséché, elle dépasse 200% en comparaison au témoin, elle subit une chute avec le temps et prend des valeurs comparables des témoins. Alors l’autre moitié maintenue humide manifeste une activité moindre mais qui accroît au fur et à mesure que le desséchement s’accentue, elle est de 250% vers le 11ème jour. 3 jours après l’alternance de l’irrigation (11ème jour du traitement), l'activité décroît graduellement dans cette même moitié de la racine. 103 Activité spécifique de la SOD (% témoin) Chapitre III 350 300 250 200 150 100 50 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique (jours) Figure10. Evolution de l’activité SOD mesurée le long de l’expérience au niveau des racines de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□,■). Le symbole□ représente la moitié des racines maintenue dans le sol humide en premier. Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.2.2. Evolution de l’activité catalase Lorsque les deux traitements hydriques PRD et RDI sont appliqués, l’activité CAT au niveau des racines (figure 11). La différence entre les deux traitements apparaît dès le 7ème jour et demeure le reste de la durée de la contrainte hydrique. En réponse au traitement PRD, aucune différence entre les deux moitiés du système racinaire n’est enregistrée. Les valeurs de cette activité en fin de l’expérience sont, respectivement sous PRD et RDI, 66 % et 33% en comparaison au témoin. 104 Activité spécifique de la CAT (% témoin) Chapitre III 100 80 60 40 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique (jours) Figure11. Evolution de l’activité SOD mesurée le long de l’expérience au niveau des racines de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants : le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□,■). Le symbole□ représente la moitié des racines maintenue dans le sol humide en premier. Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.2.3. Evolution de l’activité peroxydase soluble Pendant les cinq premiers jours du traitement, les racines manifestent la même activité en réponse aux deux contraintes hydriques (figure 12). Au niveau des racines sous RDI et la partie des racines laissée se dessécher en premier sous PRD, l'activité POX soluble continue à augmenter jusqu'au lendemain de l’alternance de l’irrigation (9ème jour du traitement). Dans cette même période, la deuxième moitié des racines sous PRD maintenue dans des conditions hygrométriques optimales montre une similitude avec les témoins quant à l’activité POX. Audelà du 9ème jour, une chute marquée dans l'activité de cette enzyme sous RDI et dans le côté humide du système racinaire des plantes sous PRD est détectée, cette activité reprend pour montrer un deuxième pic mais moins important le 13ème jour du traitement. Alors que le côté maintenu sec en premier du système racinaire sous PRD montre une activité sensiblement forte qui chute en fin de l’expérience. 105 Activité spécifique de la POX (% témoin) Chapitre III 400 300 200 100 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique (jours) Figure12. Evolution de l’activité POX soluble mesurée le long de l’expérience au niveau des racines de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants : le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□,■). Le symbole□ représente la moitié des racines maintenue dans le sol humide en premier. Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.2.4. Evolution de la production du malonyldialdéhyde Au niveau des racines, les traitements PRD et RDI améliorent significativement la production de MDA (figure 13). Vers la fin de l’expérience, les teneurs sont d'environ 250 % comparées au témoin, aucune différence entre les traitements PRD et RDI n’est à noter. 106 Teneurs en MDA ( % témoin) Chapitre III 250 200 150 100 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique (jours) Figure13. Evolution des teneurs en MDA mesurée le long de l’expérience au niveau des racines de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□,■). Le symbole□ représente la moitié des racines maintenue dans le sol humide en premier. Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.2.5. Evolution de l’activité polyphénoloxydase Après l'application des traitements hydriques, les profils de l’activité PPO montrent une chute parallèle dans les 3 premiers jours de l’expérience (figure 14), l’activité reprend par la suite. Sous PRD, les racines développées dans le compartiment sec du sol exhibent le niveau le plus élevé de l'activité les 7ème et 9ème jours du traitement. Suite à l’alternance de l'irrigation des deux côtés de PRD, l'activité de cette enzyme chute dans cette partie des racines tout en gardant une activité qui dépasse légèrement celle du témoin le reste de l’expérience. Dans la deuxième partie du système racinaire, celle développée en premier en contact d’un sol humide, l’activité accroît graduellement jusqu’au 13ème jour de l’expérience, quand elle présente son maximum. Par la suite, elle subit des chutes et prend des niveaux plus bas que ceux du témoin. Sous le traitement RDI, le maximum d’activité correspond au pic observé le 13ème jour de l’expérience et qui ne diffère pas de celui sous PRD. 107 Activité spécifique de la PPO (% témoin) Chapitre III 250 200 150 100 50 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique (jours) Figure14. Evolution de l’activité PPO mesurée le long de l’expérience au niveau des racines de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□,■). Le symbole□ représente la moitié des racines maintenue dans le sol humide en premier. Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.2.6. Evolution des composés phénoliques solubles Aucun effet de la restriction de l'eau n'est discernable dans les 7 premiers jours du traitement (figure 15). Ensuite, les phénols solubles s’accumulent en quantité importante au cours des contraintes hydriques. L’étude de la dynamique d’accumulation de ces composés révèle une chronologie dans l’apparition des pics reflétant le niveau maximal de l’accumulation. Le premier pic correspond aux racines soumises au traitement RDI, il apparaît le 9ème jour du traitement avec des teneurs qui doublent largement celles du témoin (227%), les teneurs chutent graduellement dans les jours ultérieurs. Le deuxième pic d’accumulation correspond à la part des racines mise en contact en premier lieu avec le côté humide du système PRD, ce plus haut niveau d'accumulation dans cette partie racinaire est détecté le 11ème jour de l’expérience, il est 261% plus important en comparaison au témoin, les teneurs chutent au dessous des valeurs du témoin en fin de la période de la contrainte hydrique. Dans le 15ème jour du traitement, l’autre moitié des racines sous PRD exhibe son maximum d’accumulation avec des teneurs aux alentours de 269% par rapport au témoin. Puis, cette 108 Chapitre III accumulation diminue graduellement et se maintiennent vers la fin de l’expérience autour des Teneurs en phenols (% témoin) valeurs comparables à celles du témoin. 300 200 100 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique (jours) Figure15. Evolution des teneurs en phénols solubles mesurées le long de l’expérience au niveau des racines de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□,■). Le symbole □ représente la moitié des racines maintenue dans le sol humide en premier. Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.2.7. Evolution de l’activité peroxydases insolubles Les contraintes hydriques PRD et RDI affectent également l’activité POX pariétale (figure 16). La comparaison de l’évolution simultanée sous les deux traitements montre que cette activité augmente en réponse au dessèchement du sol autour de la totalité (RDI) et à la moitié sèche (PRD) du système racinaire, elle exhibe un niveau le plus élevé respectivement les 11ème et 7ème jours de l’expérience. Ensuite, elle chute et demeure dans un niveau relativement stable autour des valeurs proches de celles du témoin. L'autre moitié du système racinaire du PRD montre une augmentation d'activité se produisant un jour après l’alternance de l'irrigation c.à.d. un jour après leur dessèchement, celle de l’autre moitié chute simultanément. Elle atteint son maximum le 4ème jour suivant le changement de l’irrigation entre les deux côtés. Après, elle tend vers des valeurs semblables à celles du témoin à la fin de la période expérimentale. 109 Activité spécifique de la POX (% control) Chapitre III 300 200 100 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique (jours) Figure16. Evolution de l’activité POX pariétale mesurée le long de l’expérience au niveau des racines de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□,■). Le symbole□ représente la moitié des racines maintenue dans le sol humide en premier. Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 4.2.8. Evolution des composés phénoliques insolubles Le trait remarquable pour les phénols insolubles est que l'occurrence de leur accumulation n'est pas observée qu’après 11 jours du traitement hydrique (figure 17). La moitié des racines soumise en premier au contact d’un sol humide (PRD) montre un contenu élevé au 11ème jour de l’expérience en composés phénoliques insolubles, le niveau d’accumulation diminue par la suite. Sous RDI, le maximum de l'accumulation juxtapose le précédent, il demeure toutefois moins important. Cependant, le sommet de la teneur en phénols insolubles de la partie sèche des racines sous PRD est observé le 17ème jour du traitement hydrique. Au delà de cette date, le niveau de phénols diminue la durée restante de l'expérience. 110 Teneurs en phénols (% témoin) Chapitre III 300 200 100 0 5 10 15 20 25 Durée de la contrainte hydrique (jours) Figure17. Evolution des teneurs en phénols insolubles mesurées le long de l’expérience au niveau des racines de tomate, cultivées en split-root et soumises aux traitements hydriques suivants: le déficit par irrigation contrôlée (▲) et le dessèchement partiel des racines (□,■). Le symbole□ représente la moitié des racines maintenue dans le sol humide en premier. Les valeurs représentent la moyenne de 3 à 4 répétitions ± l’écart type et sont exprimées en % des valeurs issues des plantes témoins bien irriguées. 111 Chapitre III 5. Discussion Nous considérons que le stress hydrique chez la tomate est en effet un stress oxydatif, comme dans le cas de plusieurs autres espèces (Boo et Jung, 1999). En effet, les processus de la dégradation oxydative semblent procéder dans les membranes photosynthétiques des plantes de tomate se développant dans des conditions hydriques limitées. Dans cette étude, le contenu des chlorophylles demeure inchangé pendant la période initiale des contraintes hydriques PRD et RDI. Puis, la chlorophylle a diminue nettement vers la fin de l’expérience sous le traitement RDI, le régime PRD en cause une légère réduction. En outre sous RDI, la chlorophylle a diminue davantage que la chlorophylle b. Les teneurs en chlorophylles sont un facteur important pour la détermination de la capacité photosynthétique. Une diminution ou encore une stabilité du niveau chlorophyllien sont observées pendant des périodes de sécheresse selon sa durée et sa sévérité (Ashraf et al., 1994; Boo et Jung, 1999; Pukacki et Kaminska-Rozek, 2005; Liu et al., 2006). La réduction des teneurs chlorophylliennes sous l’effet du stress hydrique serait prévue. La structure interne du chloroplaste est un système membranaire complexe, connu sous le nom de membrane photosynthétique ou membrane thylacoïdale, sa stabilité dépend de la stabilité membranaire qui, sous conditions de sécheresse, reste rarement intact (Ashraf et al., 1992). Cependant, certains auteurs (Estill et al., 1991) ont rapporté une augmentation considérable des teneurs en chlorophylles lorsque le milieu de culture est déficient en eau. Majumdar et al. (1991) ont rapporté un accroissement significatif de l’activité spécifique de la chlorophyllase, la première enzyme impliquée dans la dégradation de la chlorophylle sous l’effet du stress hydrique. Suite à la détérioration membranaire, l’enzyme activée se met en contact avec son substrat et il s’en suit la perte des chlorophylles. Une autre enzyme impliquée dans la dégradation chlorophyllienne, il s’agit des peroxydases (Kuroda et al., 1990). Sur des feuilles d'orge en sénescence, ces auteurs ont mis en évidence une augmentation de l'activité des peroxydases conjointement à une diminution des teneurs chlorophylliennes. Il est bien établi que les plantes soumises au déficit hydrique sont exposées aux formes actives de l'oxygène (ROS) et à l'accumulation des radicaux libres liés aux dommages des membranes, à la peroxydation de lipides et à la dénaturation des protéines et de l’ADN (Tardieu et al., 2006 ; Kaminska-Rozek et Pukacki, 2004 ; Smirnoff, 1993). Sous stress hydrique, les feuilles ferment leurs stomates afin d'empêcher une éventuelle perte d'eau, ce qui mène à une réduction de la disponibilité de CO2 pour la photosynthèse. Lorsque la photosynthèse est réduite, le taux de production du pouvoir redox domine le taux de sa réoxydation, principalement par réduction de CO2. Ainsi, une réduction de transport 112 Chapitre III photosynthétique d'électron se produit et génère excessivement ROS dans le chloroplaste (Asada, 1999). Différents mécanismes permettent de contrecarrer l’accumulation des produits toxiques. Dans notre étude, on s’est limité à la réponse de certaines enzymes impliquées dans le mécanisme de la détoxification. Les résultats obtenus mettent en évidence une variabilité dans la réponse enzymatique des plantes soumises aux contraintes hydriques PRD et RDI. L'activité SOD augmente en réponse aux traitements hydriques PRD et RDI. Une réponse semblable sous des conditions du déficit hydrique est rapportée sur des plantes du blé (Zhang et Kirkham, 1994), sur des plantes du pois (Iturbe-Ormaetxe et al., 1998) et sur des cultures de cellules du tabac (Bueno et al., 1998). L’activité accrue de la SOD peut refléter la quantité augmentée de production d'O2-, comme elle indique le rôle possible des effets du SOD sur la dismutation de l'O2- et la protection de l'appareil photosynthétique (stimulez et Hess, 1982; Jiang et Huang, 2001). Dans la présente étude, l'augmentation est plus prononcée sous RDI. L’activité SOD diminue vers la fin de l'expérience. La réduction de l'activité SOD sous la sécheresse pourrait être attribuée à la synthèse réduite ou à la dégradation augmentée de l'enzyme. D'ailleurs, l'accumulation de H2O2 sous la sécheresse pourrait également abaisser l'activité SOD (Zhang et Kirkham, 1994). La catalase décompose et détoxifie H2O2 pour former l'eau et l'oxygène (Smirnoff, 1993). Diverses réponses des activités de CAT au déficit hydrique sont rapportées. Certaines études ont observé que le stress hydrique engendre des activités élevées de la catalase (Bueno et al., 1998 ; Luna et al., 2004). Dans notre étude, l’activité catalase a diminué avec le progrès des deux contraintes hydriques PRD et RDI. Une telle réponse est rapportée chez d'autres espèces (Quartacci et Navari-Izzo, 1992; Zhang et Kirkham, 1994; Jiang et Huang, 2001). La diminution de l'activité CAT pourrait être attribuée à sa photo-inactivation (Feierabend et Engel, 1986; Polle, 1997). L'inhibition de la synthèse de la protéine induite par le stress hydrique (Badiani et al., 1990) expliquent en partie la diminution marquée de l'activité de CAT dans la lumière chez des plantes soumises à un stress hydrique (Zhang et Kirkham, 1994). Les autres enzymes de la détoxification de H2O2 sont les peroxydases. Elles sont situées dans le chloroplaste, le cytosol et l'apoplaste, et elles ont une affinité beaucoup plus élevée pour H2O2 que les catalases (Asada, 1992). H2O2 peut diffuser librement à travers les membranes cellulaires et les peroxydases peuvent détoxifier H2O2 dans le chloroplaste (Nakano et Asada, 1980; Anderson et al., 1983a). Une augmentation significative dans l’activité POX dans les deux fractions examinées est approuvée par les traitements PRD et RDI. La même réponse a été également rapportée sous conditions de sécheresse pour le blé 113 Chapitre III (Zhang et Kirkham, 1994). En revanche, une chute dans l'activité POX au niveau des sapins (Kaminska-Rozek et Pukacki, 2004) et du riz (Boo et Jung, 1999) a été mise en évidence. Un certain nombre d'explications de l’augmentation de l’activité CAT sont possibles. La peroxydase pourrait être de novo synthétisée, au moins dans certains cas (Siegel et Galston, 1967). De même, les concentrations élevées de H2O2 pourraient libérer la POX des structures membranaires, auxquelles elle est normalement associée (Zhang et Kirkham, 1994). Aussi, le stress hydrique pourrait augmenter l'accumulation de ses substrats tels que l'ascorbate, le glutathion et les composés phénoliques, qui, alternativement, sont des détoxifiants des espèces actives de l'oxygène (Foyer et Rennenberg, 2000). Plusieurs rapports ont précisé que des composés phénoliques sont synthétisés par les plantes en réponse au stress hydrique (Ashraf et al., 1994) ou à d'autres stress biotiques et abiotiques (Sgherri et al., 2003; Diaz et al., 2001; Rivero et al., 2001 ; El modafar et al., 1996). Dans notre étude, la diminution de l'activité POX pendant la deuxième moitié du cycle laisse suggérer que la gaïacol peroxydase puisse ne pas être si suffisante dans l’élimination de H2O2. Les peroxydases, qui sont spécifiquement impliquées dans la détoxification de H2O2, incluent le glutathion, le cytochrome c et les ascorbate peroxydases (Jiang et Huang, 2001; Hodges et Forney, 2000). Le rôle de la peroxydase non spécifique dans la protection contre le H2O2 est mineur (Zhang et Kirkham, 1994) et sa fonction est généralement moins définie puisqu'elle catalyse l'oxydation des substrats phénoliques (Boo et Jung, 1999 ; Kaminska-Rozek et Pukacki 2004) et elle pourrait avoir une autre fonction physiologique. Cependant, Bacon et al. (1997) ont rapporté que des changements de l'activité cytoplasmique sont souvent associés à l'induction du système antioxydant. Des accroissements de l'activité peroxydase soluble dans la phase initiale du déficit hydrique peuvent être liées au fait que, comme d'autres processus métaboliques primaires, la réponse des plantes au déficit hydrique est souvent déclenchée par le degré du stress qu'ils ont subi (Zhang et Kirkham, 1994). Le caractère changeant dans l'activité POX pendant 21 jours de la restriction de l'eau a soutenu cet argument. Dans les 11 premiers jours du traitement de la contrainte hydrique, l'activité POX soluble est plus haute au niveau des feuilles sous RDI, bien que les deux stratégies d’irrigation ont permis la même réduction de l'eau utilisée (approximativement moins de 50% en comparaison au témoin). D'autre part, la différence dans le statut hydrique des plantes sous PRD et RDI (Tahi et al., 2007) indique que les feuilles des plantes de tomate sous RDI subiraient un stress hydrique suffisant pour créer des différences reflétées sur le niveau biochimique. 114 Chapitre III Les observations rapportées ici indiquent que L'activité POX pariétale est également induite par les traitements PRD et RDI. Cette induction est observée durant les premiers jours des contraintes, mais la différence entre les deux traitements apparaît dans la deuxième moitié du cycle de desséchement. Plusieurs études ont établi la possibilité du rôle que l'activité POX pariétale puisse avoir dans le contrôle de l'expansion cellulaire. Bacon et al. (1997) soutiennent l’affirmation que l’augmentation de l’activité POX pariétale entraîne l’arrêt de la croissance chez une graminée. Chez Festuca arundinacea Scherb., Mac Adam et al. (1992a) expliquent les différences dans la taille de la zone d'élongation et dans le taux d’élongation foliaire chez deux génotypes différents en termes des différences dans l'activité des peroxydases liées à la paroi. La surface foliaire des plantes sous PRD et RDI diverge de celle du témoin après cinq jours du traitement. En ce moment, l’activité peroxydase pariétale des plantes stressées double déjà l’activité du témoin. L’ensemble de ces résultats suggère qu’un redoublement de l’activité créerait la différence dans la surface foliaire. L'activité PPO spécifique augmente de manière significative au niveau des feuilles de tomate en réponse aux traitements hydriques PRD et RDI. Cette activité est légèrement plus grande sous RDI que sous PRD. L'induction de PPO par le stress hydrique, à notre connaissance, a été rarement rapportée. Mais elle est induite par d'autres stress abiotiques tels que le stress thermique (Rivero et al., 2001). Une augmentation d’accumulation des composés phénoliques solubles et pariétaux est rapportée dans notre étude. Ce résultat est en accord avec celui de Nacif et Mazzafera (2005) mais contredit celui de Sgherri et al. (2004). Ces auteurs présumeraient que l'oxydation des acides phénoliques a dominé sous l’effet de la rétention d'irrigation pendant 14 jours, puisque leur contenu a diminué et les activités POX phénolique spécifique et POX non spécifique ont augmenté. Le degré élevé d’accumulation des phénols associé à l’application des contraintes hydriques PRD et RDI pourrait être du à la réduction du taux de croissance, aboutissant à la disposition des précurseurs de la lignine, qui sont alors métaboliquement détournés à divers phénols (Del Moral, 1972). Nous pouvons présumer que dans les conditions du déficit hydrique, divers phénols sont synthétisés en raison de la réduction du taux de la croissance; les peroxydases et les polyphénoloxydases semblent être induits après une augmentation de l'accessibilité à leur substrat. H2O2 est détoxifié aussi bien par des phénols que par des peroxydases (Zancani et Nagy, 2000). Sgherri et al., (2003) suggèrent que les peroxydases pourraient agir en tant que 115 Chapitre III système de détoxification de H2O2 dans des vacuoles cellulaires en présence des phénols et de l'ascorbate réduit. En outre, Beckman (2000) a précisé que les acides phénoliques sont souvent stockés dans l'apoplaste ou dans la vacuole, ils ont un rôle stratégique dans la signalisation, comme ils interviennent directement dans la défense. En outre, les activités POX et PPO ont atteint leur maximum le 11ème jour du traitement déficitaire en eau. Ces activités sont plus culminantes sous RDI que sous PRD. Cette différence dans les réponses enzymatiques est accompagnée d'un niveau plus élevé des phénols dans les feuilles sous PRD. Des enzymes oxydantes telles que POX et PPO sont impliquées dans l'oxydation des phénols en quinines. Au niveau des racines, toutes les activités enzymatiques mesurées ainsi que les teneurs en phénols sont affectées par les traitements PRD et RDI d’une manière similaire qu’au niveau des feuilles, une élévation dans les activités SOD, POX solubles et pariétales et PPO, une réduction dans l’activité CAT, une accumulation des composés phénoliques et une production accrue de MDA. Il est intéressant de préciser que les changements des activités de SOD, de POX et de PPO suivent l’alternance de l'irrigation. Sur la moitié du système racinaire en contact avec le sol en dessèchement progressif en premier, les activités des enzymes présentent des niveaux élevés des activités pour diminuer après la réhydration de ce côté. En revanche, dans l'autre moitié des racines, ces activités demeurent à des niveaux bas jusqu'à la suspension de l'irrigation qui déclenche l’activation enzymatique. Les réponses différentielles des enzymes antioxydantes au déficit hydrique dans les racines et les feuilles peuvent être attribuées au niveau varié de la génération de ROS dans les deux organes fonctionnellement distincts de la plante. Ce résultat corrobore ceux de Dixit et al. (2001) et ceux de Liu et Huang (2000), les activités antioxydantes étudiées ainsi que le niveau de la peroxydation des lipides sont plus accentués au niveau foliaire sous l’effet respectivement du cadmium et de la température. Les transports membranaires d’électron au niveau du chloroplaste, des mitochondries, des peroxysomes et de la membrane plasmique tous contribuent à la génération de ROS dans les feuilles. Etant un tissu non photosynthétique, le flux de ROS est probablement bas dans les racines. La réduction des activités de SOD, de CAT et de POX induites par le déficit hydrique souligne l'accumulation de l'O2-. et de H2O2. Ainsi, le niveau élevé de ces formes actives de l’O2 peut mener à la production des radicaux hydroxyles (OH·) fortement actifs par l'intermédiaire du métal de transition tel que le fer et le cuivre ; catalyseurs de cycle HaberWeiss (Smirnoff, 1993). OH· est considéré comme la forme active de l'oxygène la plus 116 Chapitre III susceptible pour déclencher la destruction peroxydative des lipides et des dommages conséquents (Zhang et Kirkham, 1994). Les traitements PRD et RDI affectent la production du MDA. L'accumulation du malonyldialdéhyde est souvent considérée comme un indicateur de peroxydation des lipides (Smirnoff, 1995). La peroxydation des lipides membranaires s'est produite par défaut de fonctionnement du système de détoxification, qui pourrait mener aux dommages des composants cellulaires principaux (Monk et al., 1989; Jiang et Huang, 2001). Une telle réponse est rapportée sous l’effet du déficit hydrique chez d’autres espèces (Irigoyen et al., 1992; Zhang et Kirkham, 1994; Jiang et Huang, 2001; Wang et Huang, 2004). Cependant, cette réponse n’est pas vérifiée chez Hypericum brasiliense Choisy où, sous l’influence d’un déficit hydrique, MDA n'a pas augmenté de manière significative au niveau des tiges et des racines de ces plantes (Nacif et Mazzafera, 2005). Selon ces auteurs, une suspension de l’irrigation pendant deux semaines a eu comme conséquence le développement progressif d’un stress hydrique qui n’est pas à la mesure de provoquer une accumulation du MDA. Au niveau des feuilles, moins du MDA est accumulé sous le traitement PRD que sous le traitement RDI, ceci laisse suggérer que moins de peroxydation des lipides développée sous PRD. L'augmentation du contenu du MDA est liée aux réductions dans les statuts hydrique et chlorophyllien des plantes sous RDI. Alors que sous PRD, le statut hydrique est maintenu et la réduction dans les teneurs en chlorophylles sont moindres. Cette différence dans la production du malonyldialdéhyde n’est pas vérifiée au niveau racinaire. Probablement, les racines répondraient à la quantité d’eau approvisionnée à la totalité du système racinaire qui se trouve équitable pour les deux traitements PRD et RDI et non pas à la manière dont elle est distribuée. 117 Chapitre III 6. Conclusion Les résultats obtenus au cours de ce travail montrent que les deux déficits hydriques engendrés par les traitements PRD et RDI induisent des dommages oxydatifs au niveau des tissus foliaires et racinaires de la tomate, comme l’indique la production de malonyldialdéhyde. Au niveau des feuilles, moins de MDA accumulé sous le traitement PRD que sous le traitement RDI, cette différence dans la production entre les deux régimes hydriques PRD et RDI n’est pas évaluée au niveau racinaire. Les deux contraintes hydriques montrent un mécanisme défensif pour se protéger contre les radicaux libres dans des périodes précoces des traitements hydriques. Des augmentations dans les activités des enzymes antioxydantes POX et SOD sont observées. Toutefois, cette induction est plus prononcée sous le traitement RDI. L'activité PPO augmente de manière significative au niveau des feuilles et des racines de la tomate en réponse aux traitements hydriques PRD et RDI. Cette activité est cependant légèrement plus grande sous RDI que sous PRD au niveau foliaire. La différence dans les réponses enzymatiques POX et PPO est accompagnée d'un niveau plus élevé des phénols dans les feuilles sous PRD. 118 Chapitre III Références bibliographiques - Abreu IN, Mazzafera P (2005) Effect of water and temperature stress on the content of active constituents of Hypericum brasiliense Choisy Plant Physiology and Biochemistry 43: 241-248 - Anderson WJ, Foyer CH, walker DA (1983) Light-dependant reduction of dehydro-ascorbate and uptake of exogenous ascorbate by spinach chloroplasts. Planta 158: 442-450. - Aroca R, Irigoyen JJ, Sanchez-Diaz M (2003) Drought enhances maize chilling teloerance. II. 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Les plantes sont cultivées dans des conditions de serre avec leurs racines séparées pareillement entre deux compartiments du sol (split-root). Trois traitements hydriques sont appliqués à savoir : le traitement témoin (T) où les plantes reçoivent une quantité d'eau équivalente à celle perdue par transpiration, le desséchement partiel des racines (PRD) dans lequel seule la moitié du système racinaire est irriguée à 50% de la quantité d’eau fournie aux plantes T, permettant à l’autre moitié du système racinaire d'être exposée à un sol sec avec alternance de l'irrigation entre les deux côtés chaque semaine, le dessèchement par irrigation contrôlée (RDI) où les plantes reçoivent la même quantité d’eau que les plantes sous PRD apportée à la totalité du système racinaire. De point de vue rendement, les résultats montrent que le rendement exprimé en poids sec est maintenu sous PRD et RDI et l’efficience d’utilisation de l’eau se trouve alors améliorée de 87% en comparaison au témoin. Quant à la qualité du fruit, les résultats obtenus montrent que les fruits sous les deux traitements hydriques déficitaires PRD et RDI accumulent plus de poids sec pour se retrouver avec des valeurs d’environ 6,4%. Les fruits des plantes sous PRD et RDI se caractérisent par une acidité similaire à celle des plantes témoins comme le montre les valeurs du pH et celles de l’acidité titrable. Les plantes sous PRD et celles sous RDI répondent par une accumulation des quantités de sucres solubles au cours de la période de l’expérience comparables entre elles mais dépassent significativement celle du témoin ; soit une élévation de 12 et 8% sous PRD et RDI respectivement. Les jus étudiés se caractérisent par des teneurs en lycopène comprises entre 40 et 62 mg/kg de tissu sans aucune différence significative entre les trois traitements hydriques. La teneur en composés phénoliques varie entre 426 à 543g/ kg du tissu pour les trois traitements hydriques étudiés. La composition minérale du fruit, à l’exception du calcium est également maintenue sous les traitements PRD et RDI. Mots clés: Lycopersicon esculentum, PRD, Qualité du fruit, RDI, rendement. 123 Chapitre IV 2. Introduction L’eau est la principale contrainte pour la production végétale dans les régions méditerranéennes, et sa pénurie est aggravée par la forte évaporation potentielle due à la faible humidité et les températures élevées pendant la saison de croissance des plantes. Les changements actuels et ultérieurs de climat prévoient d’une part une diminution de la disponibilité de l’eau et d’autre part, un accroissement de la température (IPCC, 2001). Vers 2050, les quantités de précipitations dans les pays du nord de l'Afrique seraient réduites de 20-50% par rapport aux valeurs moyennes actuelles (Ragab et Prudhomme, 2002). Dans le contexte de ces scénarios actuels et prévus de la rareté de l'eau, l'irrigation n'est généralement pas une option viable pour alléger les problèmes de sécheresse dans les systèmes d’agriculture irriguée. Il est donc probant que les stratégies agronomiques de gestion se concentrent sur l’efficience de l'extraction et de l'utilisation de l'humidité disponible dans le sol. L’efficience d’utilisation de l’eau (WUE) devrait être une question clé pour les travaux de recherche (Al Kaisi et Yin, 2003). Comme elle est actuellement une priorité de la politique des Nations Unies et c’est ce qui est nommée "la révolution bleue" (Annan, 2000). Cette révolution bleue a pour objet d’accroître la productivité par unité d’eau ainsi que d’assurer une gestion plus avisée. La tomate est une plante culturale, stratégiquement importante dans le bassin méditerranéen, et son rôle économique dans les pays de ces régions est bien évident. Plus de 50% de la production mondiale en tomate vient des pays autour de la méditerranée (FAO, 2003). La tomate est cultivée pour son utilisation industrielle et sa consommation à l’état cru. Toutefois, elle est l'une des principales cultures consommatrices de l'eau dans le bassin méditerranéen (Rubino et Tarantino, 1984). La technique PRD a fait l’objet de diverses études sur plusieurs plantes annuelles et pérennes. Certaines recherches menées sur des vignes, mises en culture en pot et en plein champ, ont établi que les vignes irriguées à 50% par le système PRD pouvaient maintenir le même rendement que celles normalement irriguées, avec une augmentation de la WUE jusqu'à 50% sans réduire la charge en raisins ni leur qualité (Loveys et al., 2000 ; Stoll et al., 2000a ; Stoll et al., 2000b ; Dry et al., 2001 ; Loveys et al., 2004). Un maintien de la biomasse du fruit de la tomate et une restriction significative de la transpiration causés par PRD résultent en une augmentation de WUE de 93% (Davies et al., 2000). Kang et al. (2001) 124 Chapitre IV ont constaté que l'irrigation par dessèchement partiel des racines maintient le rendement de Capsicum annuum L. avec une réduction allant jusqu'à 40% dans l'eau d'irrigation. Chez la vigne, WUE est amplifiée d’environ 80% par le traitement de PRD, en raison du maintien du rendement (dos Santos et al., 2003). Zegbe et al. (2004) ont également attesté que l'irrigation partielle du système racinaire (PRD) a amélioré l'efficience d'utilisation de l’eau d'irrigation de 70% et que PRD est potentiellement utile avec des tomates destinées à la transformation, particulièrement dans les environnements ou l'eau est limitée. Kirda et al. (2004) ont comparé le déficit d’irrigation (DI) et le PRD avec une irrigation optimale et ils ont prouvé que la réduction du rendement en maïs était de 10 et de 25% sous DI et PRD respectivement. Selon Wahbi et al. (2005), la réduction du rendement des oliviers, irrigués par la technique PRD est de 15 à 20% contre une réduction de 50% dans la quantité totale de l'eau utilisée pour l’irrigation. Dorji et al. (2005) ont rapporté que le traitement PRD a causé une réduction de 19% du rendement frais de Capsicum annuum L, alors qu’il a permis une économie d'eau d’irrigation en comparaison avec l'irrigation commerciale. Plusieurs signaux racinaires versés dans la sève brute ont été impliqués dans le contrôle des activités des cellules pariétales. L’ABA (Davies et Zhang, 1991; Davies et al., 1994) et le pH de la sève brute, par l'intermédiaire de sa capacité de régir la distribution de l'ABA entre les compartiments foliaires internes (Wilkinson et Davies, 1997), ont été montrés agir en tant que régulateurs de croissance par l'intermédiaire de sa capacité de régir la distribution de l'ABA entre les compartiments internes de feuille (Wilkinson et Davies, 1997). Bien que le rôle de ces signaux dans le contrôle de l'expansion foliaire soit bien documenté, peu d'évidence existe pour suggérer leur rôle dans la régulation de la croissance de fruit quand l'approvisionnement en eau devient limitant. Cependant, les signaux circulés dans la sève xylèmique auront peu d'effet sur l'expansion du fruit de la tomate puisque les connections xylèmiques entre la partie végétative et le fruit sont limitées (Ho et al., 1987 ; Davies et al., 2000 ; Malone et Andrews, 2001). Dans de telles circonstances, il est difficile d’imaginer comment les changements du statut hydrique du sol seront transmis aux cellules en croissance du fruit qui sont relativement isolées chimiquement et hydrauliquement du reste de la plante (Mingo et al., 2003). Le but de cette étude est de comparer les effets des deux systèmes d’irrigation PRD et RDI sur le rendement et les composantes de qualité du fruit et leur incidence sur l’efficience d’utilisation de l’eau. 125 Chapitre IV 3. Matériel et méthodes Une expérience, réalisée par la technique de culture avec racines séparées (split-root), est achevée en pot sur une seule variété de tomate dans des conditions de serre afin de comparer les effets des deux techniques d’irrigation PRD et RDI sur le rendement et la qualité du fruit de la tomate. 3.1. Matériel végétal et conditions de culture Des graines de tomate (Lycopersicon esculentum L.), cv Super Red sont mises à germer dans de la tourbe commerciale. Après l’apparition des feuilles cotylédonaires, les jeunes plantules sont délicatement enlevées du sol et l’extrémité de la racine principale est excisée avec une lame de rasoir afin de favoriser le développement des racines latérales. Par la suite, les plantules sont transplantées dans des pots contenant un mélange de tourbe et de sable à raison de 2:1 v/v pendant 8 jours. Les pots sont placés dans une chambre de culture sous des conditions de température et d’éclairement contrôlées. La température est de 28/20 °C avec une photopériode de 16/8h jour/nuit. La densité moyenne de flux de photon de rayonnement photosynthétiquement actif d’environ 600 du µmol m-2s-1 à la hauteur de la plante. Au bout d’une semaine, des jeunes plantes uniformes sont choisies et repiquées chacune dans les deux sacs en plastique et transférées en serre. Le système racinaire se trouve alors divisé en deux parts, de telle façon que chaque part est placée dans un des deux sacs formant le pot. Les deux sacs, étant attachés, sont remplis chacun d'environ 6kg du substrat décrit ci-dessus. Les plantes sont maintenues dans des conditions hydriques optimales pendant environ deux semaines jusqu'à ce que les racines soient bien établies. Elles sont ensuite soumises à différents traitements hydriques. 3.2. Gestion de l’irrigation Trois traitements hydriques sont appliqués: - Plantes témoins (T) où les plantes sont maintenues dans des conditions hydriques optimales, elles reçoivent chaque jour 400 cm3 pendant toute la durée de l’expérience. Cette quantité d’eau est équitablement distribuée entre les deux compartiments du sol. - Plantes soumises au dessèchement partiel des racines (PRD) où un seul compartiment reçoit 50% de la quantité d'eau fournie au témoin. Alors que l'autre compartiment est laissé dessécher pendant sept jours. Ensuite, l'irrigation est alternée entre les deux côtés toutes les semaines. 126 Chapitre IV - Plantes soumises au déficit hydrique par irrigation contrôlée (RDI) où les plantes reçoivent 50% de la quantité d'eau fournie au témoin, répartie entre les deux côtés racinaires (25% par côté). Toutes les plantes sont irriguées quotidiennement et manuellement au début de la matinée. Les quantités de l'eau apportées sont calculées à partir de la teneur en eau volumétrique du sol dans les pots témoins avant toute irrigation. Les pots sont maintenus fermés le long de l’expérience afin de minimiser les pertes d’eau du sol par évaporation. L’application des différents traitements hydriques a lieu au stade végétatif 3-4 feuilles et continue jusqu’à la récolte. 30-33 répétitions sont utilisées par traitement. Une fertilisation additionnelle a été appliquée un mois après le déclenchement du traitement par un ajout hebdomadaire d’une solution nutritive Hoagland (annexe IV). Les concentrations nutritives ont été ajustées entre traitements proportionnellement à la réduction de la quantité de l'eau d'irrigation appliquée pour s'assurer que tous les traitements d'irrigation ont reçu la même quantité de fertilisants. 3.3. Etat hydrique du sol L’état hydrique du sol est caractérisé par une seule variable, la teneur en eau volumétrique du sol. L’humidité du sol est mesurée quotidiennement dans les deux moitiés formant chaque pot en utilisant le téthaprobe (Delta-T AP4, Delta-T Devices, Cambridge, RU). Les mesures sont prises vers 7h du matin. Les lectures de sonde sont calibrées pour fournir une mesure de la teneur en eau volumétrique de sol (VSWC). 3.4. Suivi de la floraison Afin de vérifier d’éventuelles différences entre les traitements hydriques, un suivi de la floraison est effectué, par un compte des fleurs, depuis l’initiation florale pendant 40 jours dans un intervalle de 4jours. 3.5. Suivi de la croissance Le taux de la croissance du fruit est déterminé sur les deux premiers fruits du troisième faisceau floral en mesurant le diamètre des mêmes fruits tous les 4 jours avec un pied à coulisse. Les mesures, qui sont conduites sur onze plantes par traitement (33 répétitions en total), ont commencé dès possible après l'anthèse et elles sont terminées à la maturation, qui est définie en tant que l'étape du changement de couleur d’environ la moitié de la surface de fruit. 127 Chapitre IV 3.6. Paramètres qualitatifs du fruit Des tomates sont récoltées avec une fréquence hebdomadaire et sont immédiatement analysées. Trois tomates rouge-orange par échantillon, pesées et lavées avec de l'eau distillée. Pour obtenir le jus, des morceaux de fruit ont été homogénéisés dans un mélangeur pendant 2 min. L’homogénat est centrifugé à 12 400g pendant 10 min. Le jus est filtré (Whatman n°4) et utilisé pour les déterminations analytiques. L'homogénat de tomate est mis dans une à 70°C pendant 72 h pour déterminer le poids sec. 3.6.1. pH et acidité titrable L’équilibre entre les saveurs sucrées et acides est un paramètre important de la qualité des tomates, il paraît donc indispensable d’évaluer l’acidité des jus comme critère de qualité des fruits. Le pH est directement déterminé sur le jus (trois répétitions par traitement) à l'aide d’un pH-mètre (Hanna-instrument). Le dosage de l’acidité titrable est réalisé par neutralisation de l’acidité libre totale contenue dans 10 mL de jus de tomate auxquels sont ajoutés 10 mL d'eau déminéralisée avec une solution de NaOH 0,1N ajoutée goutte à goutte jusqu'à pH 8,2. Les résultats sont exprimés en équivalent g d’H2SO4. L-1 en appliquant la formule : Acidité totale = 0,49 x v ou v est le volume de NaOH ajouté en mL. 3.6.2. Dosage des sucres totaux La concentration des sucres solubles des différents échantillons est déterminée sur des jus selon la méthode de Dubois et al. (1965). Sur 1 mL de surnageant mis dans un tube, 0,5 mL de phénol 5% est ajouté. Après agitation, 5 mL de l’acide sulfurique est ajouté. Une seconde agitation est utile avant la lecture de la DO à la longueur d’onde 485 nm. La lecture de la DO des différents échantillons est précédée par celle de la gamme étalon de plusieurs concentrations de glucose. Les résultats sont exprimés en mg de glucose par g de matière sèche. 3.6.3. Dosage du lycopène Des échantillons de tomate fraîche sont été finement transformés en une purée dans un poids égal d'eau distillée avec un mixeur électrique, et sur laquelle la quantité du lycopène est déterminée. Le lycopène total est mesuré sur les échantillons de 5g en trois répétitions de chaque traitement par la méthode de Sadler et al. (1990). L’échantillon est pesé dans une fiole enveloppée avec le papier aluminium pour exclure l’exposition à la lumière et 50 mL d'un 128 Chapitre IV mélange de hexane/acétone/éthanol (2:1:1, v/v/v) sont ajoutés pour solubiliser les caroténoïdes. Les échantillons sont agités pendant 30 min, 10 mL de l'eau distillée est ensuite ajoutés. La solution est laissée se reposer pendant 5 minutes afin de permettre la séparation de deux phases, et la couche supérieure (contenant le lycopène) est récupérée pour le dosage spectrométrique. L’absorbance est mesurée dans une cuvette de quartz à 503 nm contre un blanc d'hexane. La teneur du tissu en lycopène est alors estimée par la relation a proposé par Fish et al. (2002): lycopène (mg/kg tissu) = (A503 * 31,2)/ g de prise d’essai. 3.6.4. Dosage des polyphénols L’extraction des polyphénols est réalisée selon la technique mise au point par El Modafar et al. (1996). 200 mg d’homogénat de fruit de tomate sont extraits en présence de méthanol 80%. L’extrait est en suite agité puis centrifugé à 1000g pendant 15 min, le surnageant récupéré correspond au surnageant 1 et le culot est ré-extrait puis centrifugé, le surnageant 2 est ainsi obtenu. Les deux surnageants correspondent à l’extrait sur lequel la quantité des phénols solubles est déterminée. Le dosage des composés phénoliques est réalisé par la méthode de Folin-Ciocalteu. Le milieu de dosage renferme 50µL de l’extrait, 1,745mL d’eau distillée et 250 µL du réactif de Folin-Ciocalteu dilué au 1/3. Après 3 min, 0,5mL d’une solution de carbonate de sodium à 20% sont ajoutés et la DO est lue à 760nm contre un témoin dont l’extrait est remplacé par du méthanol à 80%. La quantité des phénols est exprimée en g/kg de tissu frais par référence à une courbe étalon établie dans les mêmes conditions avec l’acide ferulique. 3.6.5. Composition minérale de la tomate Pour déterminer les teneurs en minéraux, les homogénats de la tomate sont mis à sécher à 80°C pendant 48h et 1g de matière sèche est soumis à une calcination à 450°C pendant 4 heures dans un mélange d’acide nitrique à 60% et d’acide perchlorique à 60% (85:15, v/v). Les cendres blanches obtenues sont reprises par HCl 6N. La solution est ensuite filtrée sur un filtre de 1,2µm de diamètre de pore. Le sodium, le calcium, le potassium, le magnésium et le phosphore sont dosés à partir de cette solution de minéralisation obtenue. Na, Ca et K sont dosés par spectrométrie à flamme avec l’appareil d’absorption atomique Jenway PFP7. Sachant la longueur d’onde de chaque élément, leurs concentrations peuvent être déterminées après un étalonnage de l’appareil par des concentrations connues. Le Mg, quant à lui est dosé par spectrométrie d'absorption atomique avec l’Unicam 929 AA. De même, l’étalonnage préalable de l’appareil est réalisé par une gamme de solutions 129 Chapitre IV standards dont les concentrations sont choisies en fonction des teneurs des échantillons en Mg. Les résultats sont affichés directement en concentrations. 3.6.6. Détermination de l’azote total et du phosphore total L'azote total kjeldahl (NTK) est mesuré selon la méthode AFNOR (1983), qui consiste en une minéralisation de 0,5g de la matière végétale par l’acide sulfurique concentré à chaud en présence d’un catalyseur de minéralisation à base de sélénium, de sulfate de potassium et de sulfate de cuivre pour augmenter la température d’ébullition de l’acide. L’ammonium ainsi obtenu est dosé par titration avec l’acide sulfurique dilué (N/50) en présence du réactif de Tashiro en tant qu’un indicateur de coloration. Le phosphore total (PT) est dosé selon la méthode AFNOR (1983). Après minéralisation en milieu acide et en présence de persulfate de potassium, les formes organiques et combinées du phosphore sont transformées en orthophosphates solubles. Ces orthophosphates forment en milieu acide, avec le molybdate d’ammonium et le tartrate double d’antimoine et de potassium, un complexe de coloration bleue mesurée au spectrophotomètre 700 nm. 3.7. Analyse statistique des résultats L’analyse des données est effectuée par analyse de la variance (ANOVA). Le test LSD (P<0.05) a été utilisé pour comparer les moyennes des différents traitements, en utilisant SPSS pour Windows (version 10,0). Le nombre des répétitions des différentes analyses pour chaque paramètre a été mentionné. 130 Chapitre IV 4. Résultats 4.1. Etat hydrique du sol Pendant les traitements du dessèchement du sol imposé par les deux régimes d’irrigation (RDI et PRD), les taux de réduction dans la teneur en eau de sol dans le côté du pot laissé se dessécher dans le traitement PRD et celui du sol des deux côtés du traitement RDI sont comparables (figure 1). La teneur volumétrique en eau du sol (VSWC) initiale a diminué de 0,25 à 0,15m3m-3 une semaine après l’application du traitement. Des valeurs de VSWC comprises entre 0,30 et 0,25m3m-3 sont enregistrées dans les deux côtés du traitement témoin et le côté irrigué du traitement PRD. 4.2. Floraison Quelque soit le traitement hydrique appliqué, l’apparition des premiers boutons floraux a eu lieu au sein des mêmes jours. De même, la progression de la floraison n’est pas affectée par les stress hydriques crées par les traitements PRD et RDI (figure 2). Dans une première phase de 12 jours, le nombre de fleurs par plante a triplé, passant d’une moyenne de 20 fleurs à 60 fleurs. Une certaine stabilité du nombre de fleurs est notée durant la semaine suivante pour chuter progressivement au fur et à mesure de l’anthèse. 4.3. Croissance du fruit L’évolution de la croissance du fruit, exprimée par son diamètre, ne montre aucune différence entre les trois traitements hydriques au cours des 34 premiers jours suivant l’anthèse (figure 3). La croissance continue mais diminue sensiblement (P<0,01) par la suite dans les traitements PRD et RDI, pour atteindre des valeurs réduites de 6,84 et 9,43% respectivement par rapport à celles des plantes témoins. 131 Chapitre IV Côté droit Côté gauche 0,35 0,30 0,25 0,20 3 -3 Teneur en eau du sol (m m ) 0,15 Tém oin 0,35 Côté droit Côté gauche 0,30 0,25 0,20 0,15 PR D 0,35 Côté droit Côté gauche 0,30 0,25 0,20 0,15 RDI 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Sem aines du traitem ent Figure1. Changement de la teneur en eau du sol en fonction de la durée des traitements hydriques appliqués au cours de l’expérience aux plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux régimes hydriques suivants: témoin bien irrigué (●,○) ; dessèchement partiel des racines (■,□) et déficit par irrigation régulée (▲,∆). Le côté gauche du PRD est le premier côté desséché en premier. Les valeurs représentent la moyenne de 12 répétitions ± l’écart type. 132 Chapitre IV Nombre des fleurs 60 40 20 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 J our s a p r è s l'a p p a r ition d e s fle ur s Figure2. Evolution de la floraison des plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux régimes hydriques suivants: témoin bien irrigué (●); dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation régulée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 11 répétitions ± l’écart type. Diamètre du fruit (cm) 7 6 5 4 3 2 1 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 J ours ap rès a nthèse Figure 3. Evolution du diamètre du fruit des plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux régimes hydriques suivants : témoin bien irrigué (●) ; dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation régulée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 11 répétitions ± l’écart type. 133 Chapitre IV 4.4. Rendement Pendant l’expérience, tout au long des cinq semaines suivant l’anthèse, l’évolution du rendement exprimé en poids frais total du fruit, n’est pas affecté par le traitement appliqué (figure 4a). Cette évolution diminue considérablement (P<0,01) par la suite en réponse au dessèchement de la moitié (PRD) ou autour de la totalité (RDI) du système racinaire. A la fin de l’expérience, le rendement en poids frais prend des valeurs de l’ordre de 2,8kg plante-1 chez les plantes témoins contre 2,3 et 2,2kg plante-1 dans les traitements PRD et RDI respectivement, soit une réduction de 19 et 22%. Par contre, l’évolution du rendement en poids sec du fruit ne montre pas de différence entre les trois traitements hydriques (figure 4b). Le rendement en poids sec augmente continuellement passant des valeurs de l’ordre de 200g -1 Poids sec total (g plante ) -1 Poids frais total (g plante ) plante-1. (a) 3000 2500 2000 1500 1000 500 4 5 6 7 8 4 5 6 7 8 (b) 200 150 100 50 Semaines après anthèse Figure 4. Evolution du rendement frais total (a) et sec (b) des plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux régimes hydriques suivants: témoin bien irrigué (●); dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation régulée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 11 répétitions ± l’écart type. 134 Chapitre IV 4.5. Qualité du fruit 4.5.1. Poids sec du fruit Le poids sec du fruit augmente continuellement avec le temps, au fur et à mesure de sa croissance (figure 5). Le poids sec des fruits issus des plantes sous les trois traitements hydriques appliqués montre une différence durant les quatre semaines après l’anthèse. Les fruits sous traitement hydrique déficitaire accumulent plus (P<0,01) du poids sec dans les semaines à suivre pour prendre des pourcentages de l’ordre de 6,42 et 6,35% sous PRD et RDI respectivement sans toutefois de différence significative entre les deux. Alors que Poids sec du fruit (%) l’accumulation du poids sec du fruit des témoins ne dépasse pas 5,87%. 7 6 5 2 3 4 5 6 7 8 Semaines après anthèse Figure5. Evolution du poids sec du fruit des plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux régimes hydriques suivants: témoin bien irrigué (●); dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation régulée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 3-4 répétitions ± l’écart type. 4.5.2. pH et acidité titrable Le déficit hydrique édaphique imposé par le dessèchement du sol de la moitié (PRD ou autour de la totalité (RDI) du système racinaire n’affecte ni le pH (figure 6a) ni l’acidité titrable (figure 6b) des jus de tomate. Une légère réduction non significative des valeurs du pH est observée entre la 2ème et la 7ème semaine après anthèse suivie d’une stabilité ou petite augmentation. AT évolue inversement au pH. Toutefois, les deux paramètres sont fortement 135 Chapitre IV corrélés (figure 7). Toute diminution du pH est associée avec une augmentation dans l’acidité titrable. (a) 4,1 pH 4,0 3,9 3,8 AT (g acide citrique/kg tissu) 3,7 0 1 2 3 4 5 6 3 4 5 6 7 7 8 (b) 8 6 4 2 8 Semaines après anthèse Figure6. Evolution du pH (a) et de l’acidité titrable (AT) (b) des jus de fruits des plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux régimes hydriques suivants: témoin bien irrigué (●); dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation régulée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 3-4 répétitions ± l’écart type. 136 AT (g acide citrique /kg tissu) Chapitre IV 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 3,80 3,85 3,90 3,95 4,00 pH Figure7. Relation entre le pH et l’acidité titrable des jus des jus de fruits des plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux régimes hydriques suivants: témoin bien irrigué (●); dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation régulée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 3-4 répétitions (r2=0,75 ; P<0,001). 4.5.3. Sucres totaux La teneur en sucres solubles augmente en fonction du temps (figure 8). Par ailleurs, les traitements hydriques contraignants PRD et RDI permettent une accumulation des quantités des sucres totaux au cours de la période de l’expérience comparables entre elles mais dépassent significativement (P<0,05) celle du témoin. Ces valeurs passent d’environ 18 et 20mg/ g de matière sèche (MS) aux valeurs aux alentours de 29 et 32-31mg/ g de MS chez les plantes témoins et stressées respectivement, soit une élévation de 12 et 8% sous PRD et RDI respectivement vers la fin de l’expérience. 137 Chapitre IV Sucres totaux (mg/g MS) 40 35 30 25 20 15 2 3 4 5 6 7 8 Semaines après anthèse Figure 8. Evolution des teneurs en sucres solubles du fruit des plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux régimes hydriques suivants: témoin bien irrigué (●); dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation régulée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 3-4 répétitions ± l’écart type. 4.5.4. Lycopène Les courbes relatives à l’évolution des teneurs en lycopène des fruits de tomate sous les trois traitements hydriques sont parallèles (figure 9). La quantité du lycopène contenue dans le fruit de tomate augmente significativement au cours de la maturation, elle passe des valeurs de l’ordre de 40 à 62mg/kg du tissu. 4.5.5. Polyphénols De même, le contenu polyphénolique du fruit de tomate n’est pas affecté par les traitements hydriques appliqués (figure 10). Les teneurs en polyphénols augmentent continuellement passant des valeurs de l’ordre de 426 à 543g/ kg tissu. Ces mêmes quantités sont observées pour tous les traitements et ne varient pas de manière significative avec les contraintes hydriques pendant toute la durée de l’expérience. 138 Chapitre IV Lycopène (mg/kg tissu) 64 56 48 40 32 2 3 4 5 6 7 8 Sem aines après anthèse Figure 9. Evolution des teneurs en lycopène du fruit des plantes de tomate, cultivées en splitroot et soumises aux régimes hydriques suivants: témoin bien irrigué (●); dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation régulée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 3-4 répétitions ± l’écart type. Polyphénols (g/kg tissu) 560 540 520 500 480 460 440 420 2 3 4 5 6 7 8 Semaines après anthèse Figure 10. Evolution des teneurs en polyphénols du fruit des plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux régimes hydriques suivants: témoin bien irrigué (●); dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation régulée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 3-4 répétitions ± l’écart type. 139 Chapitre IV 4.5.6. Eléments minéraux et teneurs en azote et en phosphore Les teneurs en Na des fruits demeurent invariables durant toute la période de l’expérience aux valeurs de 15,5µmol g-1. Ces mêmes teneurs sont enregistrées pour les trois traitements hydriques (figure 11a). De même, les contraintes hydriques PRD et RDI n’affectent pas la charge du fruit en potassium (figure 11b). Les teneurs en K augmentent légèrement au cours de l’expérience, passant de 738 à 870µmol g-1. Cependant, le calcium renfermé dans le fruit de la tomate varie sous l’influence des stress hydriques générés par les régimes hydriques PRD et RDI (figure 11c). Alors qu’une diminution dans les teneurs en Ca est examinée sous PRD et RDI durant les 7ème et 8ème semaines après anthèse. Ainsi, les valeurs témoins passent de 16,65 à 22,54µmol g-1, tandis qu’elles ne dépassent pas 19,50 µmol g-1 sous PRD et RDI. Les teneurs en Mg des fruits ne sont affectées par les traitements hydriques appliqués (figure 12a). Les fruits renferment des teneurs comprises entre 49 et 66µmol g-1 tout au long de la durée de l’expérience. De même, le type d’irrigation ne modifie pas les teneurs en phosphore (figure 12b) et celles en azote total (12c). Les premières sont comprises entre 4 et 5mg/g de MS, alors que les secondes sont de l’ordre de 0,63mg/g de MS. 140 Chapitre IV (a) + -1 Na (µmol g ) 18 16 14 12 + -1 K (µmol g ) 2 3 4 5 6 7 3 4 5 6 7 3 4 5 6 7 8 (b) 1000 800 600 1 2 8 (c) 9 2+ -1 Ca (µmol g ) 24 20 16 12 2 8 Semaines après anthèse Figure 11. Evolution des teneurs en Na (a), en K (b) et en Ca (c) contenues dans le fruit des plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux régimes hydriques suivants : témoin bien irrigué (●) ; dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation régulée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 3-4 répétitions ± l’écart type. 141 Chapitre IV (a) Mg 2+ -1 (µmol g ) 80 70 60 50 40 2 3 5 6 7 8 (b) Semaines après anthèse 6 PT (mg/g MS) 4 5 4 (c) NTK (mg/gMS) 0.8 0.6 0.4 2 3 4 5 6 7 8 Semaines après anthèse Figure 12. Evolution des teneurs en Mg (a), en PT (b) et en NTK (c) contenues dans le fruit des plantes de tomate, cultivées en split-root et soumises aux régimes hydriques suivants : témoin bien irrigué (●) ; dessèchement partiel des racines (□) et déficit par irrigation régulée (▲). Les valeurs représentent la moyenne de 3-4 répétitions ± l’écart type. 142 Chapitre IV 5. Discussion Les traitements PRD et RDI permettent d’économiser 50% de l’eau d’irrigation. Le niveau du stress hydrique engendré suite à l’application des deux traitements n’est pas assez sévère pour réduire le rendement des plantes exprimé en poids sec. Bien que le côté non irrigué dans le PRD et la couche supérieure du sol dans le RDI aient montré une réduction significative dans la teneur en eau du sol en comparaison avec les pots maintenus bien irrigués (figure 1), l’eau disponible dans le côté humide et dans la couche inférieure dans PRD et RDI respectivement permet de maintenir le rendement. Comparés avec le témoin, les traitements PRD et RDI réduisent l’accumulation de la biomasse végétative. Cet effet dépressif n’est pas marqué dans le cas des fruits. Le rendement des plantes exprimé en poids sec ne diffère pas significativement entre les trois traitements hydriques. Par ailleurs, des résultats similaires aux nôtres ont été rapportés. Mitchell et al. (1991) ont observé que des niveaux modérés du déficit hydrique ne réduisent pas de manière significative la biomasse sèche des fruits chez Lycopersicon esculentum cultivar UL 883. La même observation est rapporté sur la vigne cultivée au champ en utilisant le système splitroot (dos Santos et al., 2003). Par contradiction à nos résultats, Kirda et al. (2004) ont remarqué que la réduction du rendement de la tomate cultivée au champ sous le traitement PRD n’est pas significative alors que le RDI engendre, par comparaison au traitement PRD, une chute notable du rendement. Le contrôle simultané de la qualité et du rendement du fruit de plusieurs plantes, en particulier la tomate, est un grand défi pour les agriculteurs (Bertin et al., 2000). Il a été démontré que la teneur en eau et la composition chimique du fruit de la tomate peuvent être manipulées par des stresses hydrique et salin avec une petite perte du rendement (Ehret et Ho, 1986a; Mitchell et al., 1991). Le fruit de la tomate est un organe à transpiration lente et plus de 85% de l'eau est fournie par l'intermédiaire du phloème (Ho et al., 1987; Bussieres, 2002). Le maintien du poids sec total du fruit sous PRD est en approbation avec les résultats des travaux antérieurs (Zegbe et al., 2004; Zegbe-Dominguez et al., 2003). La saveur de la tomate est définie par une série d'interactions entre plusieurs paramètres physico-chimiques. Des nombreux travaux ont souligné l'importance des sucres et de l’acidité dans la saveur de la tomate (Kader et al., 1977 ; Malundo et al., 1995). D'ailleurs, jusqu'à 60% du poids sec (PS) du fruit se compose des sucres réducteurs et des acides organiques (Davies et Hobson 1981), faisant du PS du fruit un paramètre important de la qualité de la tomate (Anza et al., 2006). Les valeurs du PS de touts les traitements examinés 143 Chapitre IV au cours de l’expérience étaient entre 5,34 et 6,42% (figure 6). Ces valeurs sont similaires aux valeurs moyennes du PS souvent rapportées par d'autres auteurs (c.-à-d., 4-7%) (Adams et Ho 1989 ; Bertin et al., 2000 ; Leonardi et al., 2000a; Moraru et al., 2004; Anza et al., 2006). La majeure partie du PS correspond aux photosynthétats produits dans les feuilles et transportés jusqu’au fruit comme le sucrose (Guichard et al., 2001). Le déficit hydrique appliqué dans notre expérience via les deux traitements PRD et RDI mène à une augmentation de la matière sèche et la concentration en sucre du fruit mûr. Ces mêmes phénomènes ont été expliqués par Mitchell et al. (1991) par le fait que le stress hydrique n'affecte pas la quantité de matière sèche accumulée par le fruit, il réduit plutôt son accumulation en eau. Cela mènerait à une augmentation de la concentration de la matière sèche. Ho et al. (1987) ont bien expliqué ce phénomène d’une part, par une augmentation de la concentration de la sève du phloème et d’autre part, par une diminution de son flux. Le métabolisme des carbohydrates est notamment sensible au stress. La concentration élevée en sucre au niveau des fruits sous PRD et RDI pourrait être due à la conversion d'amidon en sucres sous déficit hydrique (Kramer, 1983). Les teneurs en lycopène ne sont pas affectées par les différents traitements hydriques (figure 9). Peu d'études ont été consacrées à l`étude de l'influence de la disponibilité de l'eau sur le contenu de lycopène et les résultats sont contradictoires. Une étudie Japonaise a constaté que le déficit hydrique édaphique a augmenté la quantité de lycopène par poids frais dans la tomate (Matsuzoe et al., 1998). Cependant, une autre étude a prouvé que le contenu du lycopène dans le fruit a diminué en réponse à une humidité déficitaire (Naphade 1993). Le contenu du lycopène change de manière significative avec la maturation; il est principalement responsable de la couleur rouge du fruit (Tonucci et al., 1995 ; Arias et al., 2000). Au fur et à mesure que la maturation progresse, la couleur de fruit change du vert en rouge, les chloroplastes se transforment en chromoplastes, la chlorophylle est dégradée et les caroténoïdes dont le lycopène s'accumulent (Alexander et Grierson, 2002). Fraser et al. (1994) ont confirmé que lorsque la coloration orange-rouge devient visible à l'œil, le lycopène commence à s'accumuler et sa concentration augmente 500 fois dans les fruits mûrs. Ces transformations biochimiques sont sous contrôle hormonal surtout celui de l’éthylène (Alexander et Grierson, 2002). Deux propriétés qualitatives du fruit sont importantes surtout pour la tomate destinée à la transformation. Il s’agit d’une part de la couleur du fruit, en particulier la concentration en lycopène en regard de son intérêt pour la santé humaine (Agarwal et Rao, 2000), et d’autre 144 Chapitre IV part sa teneur réduite en eau puisque moins d'énergie serait nécessaire pour dessécher le fruit (Zegbe et al., 2004). L'implication des réactions phénoliques dans les propriétés organoleptiques (Es-Safi et al., 2003) et nutritionnelles (Anza et al., 2006) des aliments a été décrite. Comme ils contribuent à l’activité antioxydante de la tomate (Takeoka et al., 2001). Dans notre étude, les composés phénoliques ne sont pas affectés par les trois traitements hydriques appliqués (figure 10). En revanche, dos Santos et al., (2003) ont observé une réduction dans les teneurs en phénols totaux sous l’effet du traitement PRD bien que cette réduction ne soit pas significative. Ce maintien de la synthèse des phénols sous PRD a été aussi rapporté par Antolin et al. (2006) sur la vigne. A notre connaissance, aucune donnée n’est disponible sur l’effet du déficit hydrique sur les composés phénoliques du fruit de la tomate (Anza et al., 2006; Dumas et al., 2003). Cependant, l'augmentation des composés phénoliques totaux pendant la maturation des tomates a été également rapportée (Cano et al., 2003). Les fruits des plantes soumises aux contraintes hydriques PRD et RDI montrent la même concentration en Na, K, Mg, NTK et PT que les témoins (figure10a). Ce même résultat n’est pas vérifié quant au calcium. En effet, la réduction des niveaux de ces éléments par le déficit hydrique a été rapportée (Mitchell et al., 1991; Plaut et al., 2004). Les teneurs réduites en Ca au niveau du fruit peuvent être expliquées par le fait que le transport de l'eau jusqu’au fruit par la voie xylèmique est très faible et lent, dû à une grande résistance hydraulique dans la voie entre la tige et le fruit, ce qui implique des flux limités du calcium au fruit (Malone et Andrews, 2001). L'approvisionnement en eau aux fruits dépend ainsi principalement de la voie du phloème (Bussieres, 2002). En conséquence, le transport des ions aux fruits est étroit et ils sont principalement enfermés dans les feuilles et peuvent servir à leur ajustement osmotique (Plaut et al., 2004). Les assimilas sont libérés par les feuilles, transportées jusqu’au fruit et servent à leur ajustement osmotique (Plaut et al., 2004 ; Mitchell et al., 1991). Davies et al. (2000) ont affirmé que le PRD augmente l'ampleur de l'isolation hydraulique du fruit. Cet effet pourrait être lié au fait qu'un certain signal du sol humide limite le développement de xylème et puisque la différenciation du xylème est auxine dépendante (Sugiyama et Komamine, 1990), ce signal pourrait bien être l’éthylène puisqu’il inhibe le transport polaire de l’auxine (Beyer et Morgan, 1971). Si c’est le cas dans notre étude, on s’attendrait à une réponse différente entre les deux traitements PRD et RDI quant aux teneurs des différents éléments qui tracent le xylème puisqu’il s’agit d’une réponse hormonale 145 Chapitre IV différente liée à la distribution de l’eau entre les deux compartiments racinaires et non pas à la quantité en elle-même. Quelques auteurs ont montré récemment que les vignes répondent de la même manière à une réduction de la quantité d'irrigation dans des conditions de PRD et de RDI, et que la quantité de l'eau disponible et non pas de la méthode d'irrigation qui est le facteur déterminant des effets induits du traitement PRD (Gu et al., 2004). Cette idée corrobore à nos résultats, mais diffère de ceux d’Antolin et al. (2006). Selon cette équipe, bien que les traitements PRD et RDI aient reçu la même quantité de l'eau, les effets de chaque traitement ont différé. Le traitement PRD induit un rendement plus important, un poids de baie plus élevé et des niveaux d'anthocyanines plus hauts relativement au RDI. Ces différentes réponses pourraient être liées aux différences dans les teneurs de la baie en ABA pendant la maturation. 146 Chapitre IV 6. Conclusion En conclusion, les résultats issus de cette expérience ont prouvé que les stratégies PRD et RDI ont permis la même réduction de la quantité de l'eau utilisée dans l'irrigation par rapport au traitement irrigué normalement, avec le maintien du rendement. En outre de l’amélioration de l’efficience d’utilisation de l’eau d’environ 87%. Quelques attributs appropriés de la qualité du fruit ont été améliorées en termes de la concentration importante en hydrates de carbone sous l’effet des deux traitements hydriques PRD et RDI en comparaison au témoin. L’acidité du jus du fruit, les propriétés antioxydantes et la composition minérale du fruit, à l’exception du calcium, ont été maintenues sous les traitements PRD et RDI. Les propriétés antioxydantes et la composition minérale du fruit, à l’exception du calcium ont été également maintenus sous les traitements PRD et RDI. D'ailleurs, PRD n'a eu aucun avantage clair par rapport au RDI. Des recherches sont recommandées pour apercevoir les avantages globaux de PRD et de RDI qui pourraient potentiellement sauver l'eau de 50% et atteindre la qualité et le rendement stables du fruit d'année en année. 147 Chapitre IV Références bibliographiques - Adams P, Ho LC (1989) Effect of constant and fluctuating salinity on the yield, Quality and calcium status of tomatoes. 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Les résultats obtenus au cours de la première partie de ce travail ont montré que les deux traitements hydriques consistent en un approvisionnement en eau quantitativement semblable. Le statut hydrique a chuté sous l’effet de RDI alors que le PRD a permis à la plante de garder un statut hydrique proche de celui des témoins. Ainsi les valeurs du potentiel hydrique foliaire et de la teneur en eau relative sous PRD étaient plus proches de celles des plantes témoins en comparaison aux plantes sous RDI. Les deux traitements PRD et RDI ont provoqué une réduction significative de la biomasse végétative aérienne; exprimée par la croissance pondérale et la surface foliaire. Les organes souterrains n’ont pas été concernés par une telle réduction. Etant donné que la biomasse totale des plantes est réduite d'environ 30% et l'eau utilisée par la transpiration est réduite de moitié à travers les deux traitements, l’efficience d'utilisation de l'eau est remarquablement plus élevée au niveau de ces plantes en comparaison aux témoins. Sur le plan biochimique, les deux déficits hydriques engendrés par les traitements PRD et RDI ont induit un stress oxydatif au niveau des tissus foliaires et racinaires de la tomate, comme indiqué par la production de malonyldialdéhyde. Au niveau des feuilles, moins de MDA accumulé sous le traitement PRD que sous le traitement RDI, cette différence dans la production entre les deux régimes hydriques PRD et RDI n’est pas évaluée au niveau racinaire. Les deux contraintes hydriques ont montré l’induction d’un mécanisme antioxydant pour se protéger contre les radicaux libres dans des périodes précoces des traitements hydriques. Des augmentations dans les activités des enzymes antioxydantes POX et SOD sont observées. Toutefois, cette induction est plus prononcée sous le traitement RDI malgré que ces deux traitements hydriques imposent le même degré du desséchement du sol. D’autre part, la différence dans les réponses enzymatiques POX et PPO est accompagnée d'un niveau plus élevé des phénols dans les feuilles sous PRD. Au niveau des racines, les activités enzymatiques et les teneurs en phénols sont affectées par les traitements PRD et RDI d’une manière similaire qu’au niveau des feuilles ; 152 Conclusion générale et perspectives une élévation dans les activités SOD, POX solubles et pariétales et PPO, une réduction dans l’activité CAT, une accumulation des composés phénoliques et une production accrue de MDA. Sur le plan agronomique, les résultats ont montré que le rendement exprimé est maintenu sous PRD et RDI. L’eau utilisée pour l’irrigation est réduite de 50% sous PRD et RDI et l’efficience d’utilisation de l’eau est par conséquent améliorée de 87% en comparaison par rapport au témoin. La qualité du fruit a été améliorée sous l’effet des deux traitements hydriques PRD et RDI en comparaison au témoin notamment en hydrates de carbone. L’acidité du jus du fruit, les propriétés antioxydantes et la composition minérale du fruit, à l’exception du calcium, ont été conservés sous régimes PRD et RDI. Le PRD n'a eu aucun bénéfique clair par rapport au RDI. Des recherches sont recommandées pour déterminer les attributions globales du PRD et du RDI qui pourraient potentiellement réduire la quantité d'eau d’irrigation de 50% tout en conservant la qualité et le rendement du fruit. Ainsi il serait donc intéressant de tester ces deux techniques sur des cultures menées au champ. Des expériences similaires à celles détaillées dans le chapitre II seraient à mener au champ avant de conclure sur la validité des stratégies du PRD et du RDI chez la tomate. De plus il serait pertinent d’étudier les effets des deux techniques d’irrigation PRD et RDI sur autres cultures de grande valeur socio-économique, telles que les agrumes, le melon, l’abricotier… Dans de ce travail, l’étude de l’implication des signaux chimiques dans la réponse de la tomate aux déficits hydriques PRD et RDI est limitée à un seul variable qui est le pH. Dans le but de mieux identifier les mécanismes de régulation de la croissance et la transpiration au niveau des plantes sous PRD et RDI, il serait important de compléter ce travail par l’étude d’autres signaux hormonaux comme l’ABA et l’éthylène sur les feuilles et les deux moitiés racinaires de la plante. Nous avons aussi évalué l’importance des activités de certaines enzymes du métabolisme oxydatif. Cependant, nous n’avons pas cherché l’implication des enzymes du cycle ascorbate-glutathion ni des métabolites antioxydants. La prise en compte de l’ensemble du mécanisme de détoxification permettrait de démontrer plus finement son influence sur la tolérance au déficit 153 hydrique. Annexes Annexe I : Extraction des peroxydases solubles et liées Le protocole d’extraction des peroxydases est mis au point par Bacon et al. (1997). 100 mg du matériel végétal frais (feuille ou racine) sont broyés dans 1,5 ml du tampon (le succinate de sodium 50mM, le chlorure de calcium 10mM et le dithiothreitol 1mM). Après centrifugation à 5000g pendant 5 min, le surnagent S1 est récupéré. Cette fraction correspond aux peroxydases solubles. Le culot est rincé deux fois par le même volume de succinate de sodium 50mM, enfin le culot est resuspendu dans le même volume du tampon final d’extraction, le succinate de sodium 50mM et le chlorure de sodium 1M ; qui permet la dissociation des peroxydases liées à la paroi végétale. Le déroulement de l’extraction est résumé dans la figure 1 Broyage de 100 mg de feuilles ou racines en présence de 1,5ml de tampon (pH 5,5) - succinate de sodium 50mM - chlorure de calcium 10mM - dithiothreithol 1mM Centrifugation (5min, 5000g, 4°C) Le culot est repris 2 fois dans 1,5 ml de succinate de sodium 50mM (pH 5,5) Le surnageant est utilisé pour le dosage des peroxydases solubles (Absorbtion à 470nm) Centrifugation (5min, 5000g, 4°C) Le culot est repris dans 1,5ml de succinate de sodium 50Mm (pH 5,5) et de chlorure de sodium 1M Les deux surnageants sont jetés Centrifugation (5min, 5000g, 4°C) Le culot est jeté Le surnageant est utilisé pour le dosage des peroxydases liées (Absorbtion à 470nm) Figure 1: Déroulement schématique du déroulement de l’extraction des peroxydases Annexe II : Extraction et dosage des phénols Ce protocole a été établi par Macheix (1974) et mis au point par El Modafar et al. (1996) 1- Extraction et purification des phénols totaux: 100 mg de matière fraiche foliaire ou pariétale sont homogénéisés dans le méthanol 80% ( à froid) puis mis sous agitation pendant 15 min. une filtration sous verre fritté sépare l’extrait hydroalcoolique et le résidu qui est repris deux fois de suite pour de nouvelles extractions. L’extrait total est ensuite évaporé sous vide jusqu’à obtention de la phase aqueuse. Celle-ci ajustée à un certain volume, est additionnée par une solution de 20% de l’acide métaphosphorique (à1/10V) et une solution de 40% de sulfate d’ammonium. Trois dépigmentations successives par l’éther de pétrole (1/2 V,V) sont suivies de 3 extractions par l’acétate d’éthyle (V/V). L’extrait est évaporé sous vide et le résidu repris dans 1ml de méthanol sert au dosage des phénols solubles. Le résidu est lavé deux fois par centrifugation au méthanol-eau (50/50 : v/v) et à l’eau distillée, le culot est en suite séché à l’étuve pendant 24h à 70°C. Les phénols estérifiés à la paroi sont libérés par hydrolyse alcaline, 50 mg de parois sont incubés en présence de 4ml de NaOH 4N pendant 4h à l’obscurité. Le mélange est ensuite acidifié à pH 2 par HCl 2N. Après filtration sous vide, les phénols sont extraits 3 fois par l’éther diéthylique. Ce dernier est évaporé à sec et les phénols sont repris dans 1ml de méthanol. 2- Dosage des phénols totaux par le réactif de Folin-Ciocalteu: Une quantité variable de l’extrait méthanolique est ajustée à un volume fixe (2ml) par l’eau distillée puis additionnée de 250 µl du réactif de Folin-Ciocalteu dilué au 1/3. Après 3 min on ajoute 0,5ml de carbonate de sodium à 20%. Les tubes immédiatement agités sont ensuite placés 30min à 40°C. L’absorbance est lue à 760nm. La quantité des phénols est exprimée en µg/mg de MF par référence à une courbe étalon établie dans les mêmes conditions avec l’acide caféique. Annexe III : Dosage du malonyldialdéhyde La peroxydation des lipides est mesurée en termes de teneur en malonyldialdéhyde. Le protocole du dosage est celui décrit par Heath et Packer (1968). Pour son dosage, 100mg de matière fraiche sont homogénéisés avec 1,5ml de l’acide trichloracétique (0,1% v/v). L’homogénat est centrifugé à 10 000g pendant 10min. pour 1ml du surnageant sont ajoutées 4ml de l’acide trichloracétique (20% v/v) contenant 0,5% d’acide thiobarbiturique. Le mélange est incubé à 95°C pendant 30 minutes. Il est ensuite refroidi dans la glace puis centrifugé à 10 000g pendant 10min. l’absorbance du surnageant est lue à 532nm et 600nm. La valeur de l’absorbance non spécifique à 600nm est soustraite de celle lue à 532nm. La concentration en MDA est calculée en utilisant le coefficient d’extinction 155mM-1 cm-1 Annexe IV : Composition de la solution nutritive Hoagland Ca (NO3)2 4 H2O ……………... 23,615 g/l KNO3 …………………………………………. 101,10 g/l KH2 PO4 ……………………… 13,50 g/l Mg SO4 7H2O …........................ 12,30 g/l Mg SO4 ...................................... 6,00 g/l EDTA ...………………………. 7,47 g/l Fe SO4 7H2O.............................. 5,57 g/l H3 BO3...................................... 5,72 g/l Mn Cl2...................................... 3,62 g/l Zn SO4 7H2O ............................. 0,44 g/l Cu SO4 5H2O ............................. 0,32 g/l NH4 Mo 4H2O ………………… 0,07 g/l
