Réponses des Plantes au Stress du Déficit Hydrique et Amélioration de leur Tolérance par Manipulation de leurs Semences
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La sécheresse est considérée comme l’un des facteurs de stress le plus important affectant la croissance des plantes dans les régions arides et semi-arides du monde entier, y compris les pays du Nord d’Afrique dont l’Algérie. Accentuée par les changements climatiques, la sécheresse représente un facteur limitant inévitable dans le secteur agricole pour la production végétale. Des recherches récentes suggèrent que les plantes peuvent être « endurcies » pour mieux tolérer différentes contraintes abiotiques. Dans ce domaine, le priming (amorçage), qui consiste en un traitement prégerminatif, est très étudié et même usité afin d’obtenir de meilleures performances germinatives, une germination synchrone et homogène et même des plantes plus tolérantes à la sécheresse. Outre les traitements prégerminatifs classiques, au sein de notre équipe, nous avons appliqué aux graines une double redéshydratation que nous avons dénommée double hydropriming. Ce traitement inédit, nous a offert les meilleurs résultats. Nous pouvons ainsi déduire que cette double redéshydratation pourrait représenter une méthode très efficace pour l’amélioration de la production végétale et en particulier dans des conditions hydriques défavorables. Certaines conséquences du priming sont peut être dues à la méthylation de l’ADN ou à la conformation spatiale de la chromatine (Chen et Arora, 2013). Ainsi, les phénomènes épigénétiques sont d’une importance capitale pou r la compréhension de nombreux phénomènes en biologie des plantes ; ils jouent un rôle déterminant dans l’adaptation des plantes à leur environnement (Hebrard, 2012). Ces changements épigénétiques sont modulés lors du développement et de l'exposition au st ress, résultant en un mécanisme de défense plus efficace (Bruce et al., 2007 ; Tanou et al., 2012). Paradoxalement, un effet négatif de l'hydropriming a été montré par plusieurs auteurs. En effet, la longévité des semences traitées est souvent réduite (Varier et al., 2010; Boucelha, 2015). Cependant, les processus et les mécanismes impliqués dans ce vieillissement des graines primées ne sont pas encore bien compris.
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- 1. Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene (U.S.T.H.B) Faculté des Sciences Biologiques Laboratoire de Biologie et Physiologie des Organismes Equipe de Physiologie Végétale Dr Lilya BOUCELHA Pr Réda DJEBBAR 08 Mars 2023 Centre de Biotechnologie de Borj-Cédria (CBBC)
- 3. Au cours de leur existence, les organismes vivants, notamment les végétaux, sont souvent soumis à des conditions défavorables considérées comme inductrices de STRESS ou de Contraintes. Dues à l’absence, l’insuffisance ou la prédominance d’un ou de plusieurs facteurs exogènes Perturbations du milieu 01 Déficit Hydrique Contrairement aux animaux qui peuvent se déplacer lorsque les conditions de vie ne leur sont plus favorables, les plantes sont fixées au sol par leurs racines.
- 4. Sècheresse 01 Déficit Hydrique Le déficit hydrique est considéré comme un problème mondial et est l'un des stress abiotiques les plus désastreux et les plus fréquents. Une baisse rigoureuse de la production agricole globale, en menaçant la sécurité alimentaire mondiale. Réchauffement climatique Mauvaise irrigation des champs Il occupe et continuera d'occuper une très grande place dans les chroniques agro-économiques.
- 5. Installation 01 Déficit Hydrique Un déficit hydrique s’installe lorsque l’eau disponible pour la plante ne lui permet pas de répondre à la demande climatique (Djebbar, 2012). Dans les zones arides, l’installation d’une sécheresse se manifeste Restriction de la disponibilité en eau du sol (faibles précipitations) Augmentation de la demande évaporative (fortes températures)
- 6. Installation 01 Déficit Hydrique Le stress hydrique résulte d'un abaissement du potentiel hydrique dans l'air et/ou dans le sol en dessous d'une certaine valeur Génotype Phénotype Caractéristiques du milieu On parle de stress hydrique lorsque les tissus de la plante subissent une baisse de leur teneur en eau qui affecte tout le métabolisme de la plante. Sécheresse Physiologique Salinité du sol Gel Inondation Forte température L’eau existe dans la solution du sol mais les plantes ne sont pas capables de l'absorber
- 7. Statut hydrique de la plante 01 Déficit Hydrique Constituant 80 % du végétal, l’eau est d’une importance primordiale pour les plantes. Elle possède des fonctions mécaniques et biochimiques. La présence de l’eau de manière intracellulaire permet non seulement de maintenir l’organisation en bicouche des membranes mais provoque aussi Une pression de turgescence responsable de la rigidité et de l’élongation cellulaire.
- 8. Rôles de l’eau dans la plante 01 Déficit Hydrique
- 9. 01 Déficit Hydrique La réduction de la teneur en eau et de la turgescence Affectation des relations hydriques de la plante La fermeture des stomates Limitation les échanges gazeux Réduction de la transpiration et de l’assimilation de carbone Sécheresse Statut hydrique de la plante
- 10. 01 Déficit Hydrique Statut hydrique de la plante Statut Hydrique Estimation Taux de rempliçage de la vacuole Force de rétention de l’eau dans la cellule Teneur relative en eau Potentiel hydrique
- 11. La teneur relative en eau (TRE) permet l’estimation de la turgescence cellulaire Estimation du statut de l’eau de la plante, et en particulier le déficit hydrique ce qui permet la comparaison des tissus et des espèces. 01 Déficit Hydrique Teneur relative en Eau
- 12. 01 Déficit Hydrique Teneur relative en Eau
- 13. Potentiel hydrique de la plante 01 Déficit Hydrique Ψ d’une plante est la résultante de deux forces opposées Pour absorber de l’eau du milieu extérieur, la plante exerce une force qui est, en fait, le potentiel hydrique. Potentiel Osmotique Ψs Potentiel de Pression Ψp = - + P Pression osmotique π Produite par les solutés contenus dans la cellule (ions, sucres, acides aminés, ….). Pression de turgescence P Exercée par la paroi et surtout les membranes. Absorber l’eau du milieu extérieur selon le principe de l’osmose Sens opposé à la et tend à faire sortir l’eau de la cellule
- 14. Potentiel hydrique de la plante 01 Déficit Hydrique Conditions hydriques normales La valeur de pression osmotique est supérieure à celle de la pression de turgescence Potentiel hydrique de signe négatif (Ψplante < 0) Séquoia l’arbre Géant atteignent environ 100 m Quelles sont les forces motrices qui rendent se déplacement possible ? L’eau se déplace toujours du potentiel hydrique le plus vers le potentiel hydrique le plus .
- 15. Potentiel hydrique de la plante 01 Déficit Hydrique L’eau se déplace grâce à des différences de potentiel selon un continuum Plante Sol Atmosphère GRADIENT Conditions hydriques normales Racine Feuille Aspiration foliaire
- 16. Potentiel hydrique de la plante 01 Déficit Hydrique L’eau va se déplacer du sol vers l’atmosphère en formant une colonne d’eau continue L’eau monte dans le xylème. Ce phénomène est possible grâce aux caractéristiques de cohésion (liaisons hydrogène) et l’adhérence des molécules d’eau avec les parois du xylème Évaporation de l’eau dans les feuilles « tire » sur les molécules d’eau dans les tubes du xylème. Plus l’eau s’évapore, plus la tension est grande et plus l’eau monte dans le xylème.
- 17. 01 Déficit Hydrique Conductance hydraulique Très fortes tensions dans le xylème peuvent conduire à la formation de bulles d’air (embolie gazeuse) Conductance hydraulique affectée Cavitation La facilité avec laquelle l’eau peut circuler dans le xylème d’un organe.
- 18. 01 Déficit Hydrique Conductance hydraulique Petites protéines intrinsèques intégrées dans les membranes. Le transport de l’eau est facilité par des canaux à eau Impliquées dans les échanges hydriques et les flux hydrauliques . La perméabilité à d’autres molécules (CO2 et H2O2) STRESS HYDRIQUE Régulation des aquaporines Phosphorylation (fermeture/ouverture) Contrôle de l’expression génétique Aquaporines
- 19. 01 Déficit Hydrique Il conditionne l’efficacité de l’utilisation de l’eau (notion de WUE) par la plante représentée par le rapport entre la photosynthèse et l’évapotranspiration Contrôle du bilan hydrique Absorption de l’eau Régulation de l’ouverture / fermeture des stomates Comportement des stomates est très important
- 20. 01 Déficit Hydrique Pour expliquer le contrôle des mouvements stomatiques, deux théories sont proposées : Synthèse Racinaire Théorie hydraulique « Physique » Théorie hormonale « Signaux racinaires » 2 1 ABA L’Acide abscissique est nécessaire à la réponse des stomates au déficit hydrique Mécanismes mécanique obéissent aux phénomènes de la turgescence
- 21. 01 Déficit Hydrique Deux affirmations valables ABA est primordial pour la fermeture des stomates Chaque phénomène se produit à des temps différents Mécanisme hydraulique Mécanisme hormonale Plus lent et régulé plus finiment surtout en conditions de déficit hydrique Expliquer les variations Rapides d'ouverture des stomates
- 22. Facteurs Influençant 01 Déficit Hydrique Facteurs conditionnant la réponse de la plante à un stress (Bray et al., 2000 modifiée)
- 23. Phases de stress 01 Déficit Hydrique
- 24. Effets et Réponses 01 Déficit Hydrique Il est très difficile de faire la distinction entre les effets du stress et les réponses induites au vu des différentes interactions entres les phénomènes. Le stress hydrique est multidimensionnel dans sa nature et affecte les plantes à différents niveaux de leur organisation.
- 25. Effets et Réponses 01 Déficit Hydrique
- 26. Effets et Réponses 01 Déficit Hydrique (https://tradecorp.fr/ modifiée)
- 27. Mécanismes de Tolérance 01 Déficit Hydrique Chez les cellules de tout organisme vivent, une situation stressante impose une faculté de tolérance indispensable pour la survie nécessitant La mise en œuvre de mécanismes permettant la détection du stress, quelle qu’en soit la nature, et les réponses adéquates visant à en moduler les effets. La tolérance des plantes au stress fait intervenir des mécanismes physiologiques, biochimiques et moléculaires impliquant l’expression de gènes et de protéines spécifiques. Tolérance
- 28. Mécanismes de Tolérance 01 Déficit Hydrique Expression de gènes Facteurs de transcription - Amplification du signal - Propagation du signal vers les feuilles - Réponses de la plantes Perception des signaux racinaires Messagers II Ca++, H2O2, ABA Protéines Kinases/phosphatases… DEFICIT HYDRIQUE Cascades de phosphorylation / déphosphorylation Fermeture des stomates Ajustement osmotique Protéines de stress Transduction du signal Chaperonnage
- 29. 01 Déficit Hydrique Indicateurs de Stress Hydrique DEFICIT HYDRIQUE Baisse du potentiel hydrique et de la TRE Fermeture des stomates Accumulation de l’acide abscissique Accumulation de proline (Ajustement osmotique) Stimulation de l’activité des enzymes anti-oxydantes Production de ROS --> Stress oxydatif → Peroxydation des lipides - Intégrité membranaire Diminution du rapport Chl a / Chl b et Chl tot / Caroténoïdes I N D I C A T E U R S Synthèse de protéines de stress chaperonnes (LEA, HSP, …) ROS Antioxydant
- 30. Deuxième partie
- 31. 02 Priming des Semences Adoption de techniques culturales adéquates Sélection de variétés tolérantes Création de génotypes modifiés par génie génétique (OGM) Actuellement Une Nouvelle approche est adoptée consistant à traiter les graines en prégermination Priming des Semences
- 32. 02 Priming des Semences Tout a commencé par ce graphe Application du traitement prégerminatif Ou Priming Ou Amorçage Germination Germination Phase cruciale du cycle de Vie des plantes
- 33. Imbibition partielle de la semence Activités métaboliques Pré-germinatives La phase réversible de la germination Redéshydratation avant l’Émergence de la radicule Traitement prégerminatif Ou Priming Réhydratation et Mise en Germination Activation des Processus germinatifs 02 Priming des Semences Application du Priming
- 34. Types du Priming Hydropriming Traitement hydrique ou Redéshydratation Hormopriming Traitement Hormonal (ABA, GA, SA, Auxines) Chimiopriming Traitement chimique (CaCl2, SNP, H2O2, Si) Osmopriming Traitement osmotique (PEG, NaCl, KCl, KNO3) Traitement inédit Double hydropriming Double cycle Redéshydratation Meilleurs résultats 02 Priming des Semences
- 35. 02 Priming des Semences Types du Priming Pour une meilleure efficacité du priming Boites de Petri tapissées de papier Imbibition Immersion totale dans l’eau Sous ventilation Redéshydrtation Etuve
- 36. 02 Priming des Semences Types du Priming Imbibition partielle des graines Redéshydratation (avant l’émergence de la radicule) Simple Hydropriming MISE EN GERMINATION Double Hydropriming 2 Double cycle d’hydratation / Redéshydratation Réhydratation totale
- 37. 02 Priming des Semences Osmopriming Hydratation avec une solution osmotisante, chimique ou hormonale Redéshydratation (avant l’émergence de la radicule) Hormopriming Chimiopriming Types du Priming MISE EN GERMINATION Réhydratation totale
- 38. 02 Priming des Semences Obtention des plantes plus tolérantes aux stress abiotiques Floraison plus précoce Levée de la dormance Obtention des cultures uniformes Amélioration de la croissance et du rendement Germination homogène (synchronisée) et rapide Effets bénéfiques du Priming
- 39. 02 Priming des Semences Mécanismes du Priming Le priming des semences provoque des modifications Physiologiques Génétiques Moléculaires Biochimiques Forte activation de la dégradation des réserves Simulation de la synthèse des osmolytes Accélération de l’absorption de l’eau Dans l’ensemble, le priming agit sur l’état redox de l’embryon Activation des antioxydants Formation des ROS Travaux de notre équipe
- 40. Signalisation cellulaire Fenêtre oxydative Mécanismes du Priming Une germination ne peut avoir lieu que si la quantité de ROS est comprise entre deux limites inferieure et supérieure Selon cette théorie le stress oxydatif est indispensable au déclenchement de la germination. 02 Priming des Semences Formation des ROS Priming permet l’élargissement de cet intervalle d’où les effets bénéfiques sur la germination et la dormance
- 41. 02 Priming des Semences Mécanismes du Priming Détection de l’anion superoxyde (O2 -) Vigna unguiculata Hydropriming + Osmopriming-PEG Détection du peroxyde d’hydrogéne (H2O2) PEG 30 %
- 42. 02 Priming des Semences Mécanismes du Priming Détection du peroxyde d’hydrogéne (H2O2) Hydropriming + Chimiopriming-Si Fenugrec
- 43. 02 Priming des Semences Mécanismes du Priming Le priming des semences provoque des modifications L'accumulation de composants de signalisation latents qui seront utilisés lors d’une nouvelle exposition à un stress. Ces mécanismes moléculaires permettent aux plantes de mémoriser les événements du priming précédents et de générer, ensuite, des Empreintes de Mémoire. Contrôle épigénétique Physiologiques Génétiques Moléculaires Biochimiques Méthylation de l’ADN
- 44. 02 Priming des Semences Ce qui justifie nos travaux passés et en cours Les mécanismes ne sont pas encore bien connus, il reste à élucider beaucoup d’autres aspects Mécanismes du Priming
- 45. 02 Priming des Semences Graines traitées Obtenir des plantes plus tolérantes au stress hydrique Résultats obtenus dans notre équipe pour trois modèles biologiques Plantes tolérantes Vigna unguiculata Blé tendre Fenugrec Légumineuse à multiples vertus médicinales Légumineuse à grand intérêt économique et nutritionnel Céréale (poacée) à grand intérêt économique et nutritionnel
- 46. Étude des paramètres biométriques et physiologiques des parties aériennes Étude des paramètres liés au stress oxydatif Mise en germination Mise en pots Croissance d’une dizaine de jours Plantules issues de graines témoins et prétraitées Application des différents types du priming des graines Arrosage régulier Arrêt d’arrosage 02 Priming des Semences Plantes tolérantes
- 47. 02 Priming des Semences Paramètres physiologiques 0 2 4 6 8 10 12 Temoin 6h Imbib PEG 30 % 3h hydro 6h hydro 3h double hydro Conductance stomatique (mmoles H 2 O s -2. m) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Temoin 6h Imbib PEG 30 % 3h hydro 6h hydro 3h double hydro TRE (%) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Temoin 6h Imbib PEG 30 % 3h hydro 6h hydro 3h double hydro Efflux d'ions (%) +57.28 % +271.6 % -78.4 % Vigna unguiculata Simple et double Hydropriming + Osmopriming-PEG
- 48. 02 Priming des Semences Paramètres biochimiques 0 10 20 30 40 50 60 Temoin 6h Imbib PEG 30 % 3h hydro 6h hydro 3h double hydro Teneurs en proline libre (mg.g -1 MVS) 0 10 20 30 40 50 60 70 Temoin 6h Imbib PEG 30 % 3h hydro 6h hydro 3h Double Hydro Teneurs en caroténoïdes (mg.g -1 MVF) 0 1 2 3 4 5 6 Témoin 6h imbib PEG 30% 3h hydro 6h hydro 3h Double hydro Teneurs en chlorophylles totales (mg.g -1 MVF) -86.84 % +245.71 % +321.25 % Vigna unguiculata Simple et double Hydropriming + Osmopriming-PEG
- 49. 02 Priming des Semences Paramètres physiologiques Simple et double Hydropriming + Osmopriming-PEG Blé tendre
- 50. 02 Priming des Semences Paramètres biochimiques Blé tendre Simple et double Hydropriming + Osmopriming-PEG
- 51. 02 Priming des Semences Paramètres biochimiques Simple et double Hydropriming + Osmopriming-PEG Blé tendre
- 52. 02 Priming des Semences Paramètres physiologiques et Biochimiques Hydropriming + Prétraitements SNP + CaCl2 Fenugrec Mezzi ou Melzi et al. 2021
- 53. 02 Priming des Semences Paramètres physiologiques et Biochimiques TRE +35 % +74 % +234 % Hydropriming + Chimiopriming-Si Fenugrec +8 %
- 54. 02 Priming des Semences Paramètres physiologiques et Biochimiques Diminution des dommages oxydatifs par le chimiopriming avec le silicium MDA Intégrité membranaire Hydropriming + Chimiopriming-Si Fenugrec -25 % -18 %
- 55. SOD Catalase APX -29 % -34 % -93 % -28 % +48 % -24 % -23 % 02 Priming des Semences Paramètres physiologiques et Biochimiques +83 % GPOX Hydropriming + Chimiopriming-Si Fenugrec +53 %
- 56. 02 Priming des Semences Paramètres physiologiques et Biochimiques Caroténoïdes -20 % CANET Hydropriming + Chimiopriming-Si Fenugrec Diminution des activités enzymatiques et non enzymatiques chez le lot Si-Prim, en conditions stressantes -17 %
- 57. Paramètres physiologiques et Biochimiques 02 Priming des Semences Hydropriming + Hormopriming Acide gibbérellique Fenugrec 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 CANET en mg.g-1 MVS 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Teneurs en Proline en mg.g-1 MVS 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Teneurs en MDA µ mole.g-1.MVF Gueridi Sabrina et al. En cours de publication
- 58. 02 Priming des Semences Croissance et développement 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Temoin 6h imbib PEG 10% PEG 30% 3h hydro 6h hydro 3h double hydro Longueurs des parties aériennes (cm) +103.31 % Vigna unguiculata Simple et double Hydropriming + Osmopriming-PEG
- 59. 02 Priming des Semences Croissance et développement Simple et double Hydropriming + Osmopriming-PEG Blé tendre
- 60. 02 Priming des Semences Croissance et développement Hydropriming + Chimiopriming SNP + CaCl2 Fenugrec Mezzi ou Melzi et al. 2021
- 61. 02 Priming des Semences Croissance et développement A. Contrôle ; B. Imbibition Si-6h ; C. Hydropriming ; D. Chimiopriming-Si. Stade floraison Formation de la gousse +31 % Floraison et Fructification plus précoces Hydropriming + Chimiopriming-Si Fenugrec
- 62. 02 Priming des Semences Croissance et développement Hydropriming + Hormopriming Acide gibbérellique Fenugrec Stade floraison Lot traitement acide gibbérellique Gueridi Sabrina et al. En cours de publication
- 63. 02 Priming des Semences Le traitement appliqué aux graines par priming La plante adulte n’est pas directement touché par ce traitement Alors comment expliquer ses effets bénéfiques au niveau des plantes adultes ? Priming Signalisation Embryon Mémorisation Epigénétique Futur Projet
- 64. 02 Priming des Semences Entrevoir un Projet Etude des aspects épigénétiques Embryons des graines primées et plantes ayant issues Voies très intéressantes Amélioration de la tolérance des plantes aux stress abiotiques Sècheresse
- 65. 02 Priming des Semences Déshydratation Activation de certains gènes de tolérance à la déshydratation Tolérance aux stress abiotiques Synthèse d’osmolytes (proline, sucres) Ajustement osmotique Activation des enzymes Anti-oxydatives au niveau de l’embryon au cours de la croissance Acclimatation des plantes Exposition des plantes à un stress à un stade très juvénile Contrôle épigénétique Levée du stress 2éme exposition Plantes plus tolérantes Types priming
- 66. 02 Priming des Semences Amélioration des performances germinatives Amélioration du développement et du rendement Floraison plus précoce Amélioration de la tolérance aux stress Activation de l’hydrolyse des réserves Forte synthèse des osmolytes Activation des enzymes antioxydantes Priming des semences Effets Diminution des dommages oxydatifs Conclusion Mécanismes Inconvénient AGEING
- 67. 02 Priming des Semences Inconvénient du priming Paradoxalement, un effet négatif de l'hydropriming a été montré par plusieurs auteurs. Longévité des semences très réduite Vieillissement des graines dénommé « Ageing » 0 20 40 60 80 100 120 1 jour 15 jours 1 mois 2 mois 4 mois 6 mois 8 mois 10 mois 12 mois Temoin 3h hydro 6h hydro 3h double hydro Capacité de germination (%) Temps après l'application de la redéshydratation
- 68. 02 Priming des Semences Inconvénient du priming Notre équipe a essayé de trouver des explications Cet ageing est lié à l’oxydation et la cabronylation des protéines
- 69. 02 Priming des Semences Perspectives Analyses protéomiques et épigénomiques des embryons des graines ayant subi un priming et des plants dont elles sont issues. En identifiant l’expression de certains gènes candidats et le contrôle épigénétique. Validation des résultats en menant des essais au champ par semis en conditions normales et en conditions de déficit hydrique. Etude plus approfondie des mécanismes régissant l’ageing des graines redéshydratées. Ainsi que la proposition des protocoles post-stockage permettant de prolonger la longévité de ces graines. Confronter les plantules issues de graines traitées à d’autres contraintes telles que la salinité ou les basses températures. Etudier la descendance des graines primées « 2éme génération » pour valider ou pas la transmission de cette mémoire. Défi
- 70. ● Pr Chedely ABDELLY ● Pr Chokri MESSAOUD ● Pr Mohsen HANANA Remerciements Mention spéciale ● Dr Walid ZORRIG Aucun mot ne nous permettra de vous remercier assez pour tout ce que vous avez fait pour nous Toute Notre Gratitude