Impact de l’ozone troposphérique sur les couverts végétaux

IMPACT DE L’OZONE TROPOSPHERIQUE SUR LES COUVERTS VEGETAUX

(Haagen-smit, 1952) sont les premiers à mettre en évidence l’effet nocif de l’ozone sur les plantes. Depuis la publication de leurs travaux, la phytotoxicité de l’ozone a fait l’objet de nombreuses études. Il est aujourd’hui considéré comme le premier polluant mondial pour les plantes. Bien qu’à l’échelle des temps géologiques, l’O3 reste une contrainte très récente, les recherches menées sur ses effets ont tout de même permis de mettre en évidence une variabilité dans la sensibilité à l’ozone, au sein d’un petit groupe d’espèces végétales considérées : les plantes qualifiées de sensibles (blé, tomate, soja…), les plantes modérément tolérantes (parmi lesquelles le maïs a été placé) et les plantes résistantes (orge, fraisier…) (Mills et al., 2007). Comme c’est le cas pour toute contrainte environnementale, la réponse des plantes dépend de leur sensibilité intrinsèque mais également des modalités de la contrainte subie. Lorsque celle-ci correspond à des concentrations élevées pendant un laps de temps court, on parle alors d’une exposition aigüe. On parle d’exposition chronique lorsque l’exposition est régulière et correspond à des doses d’ozone plus ou moins élevées. Dans les deux situations, les rendements des cultures considérées sont limités. Des expositions chroniques entraînent souvent une réduction de la photosynthèse et une accélération de la sénescence alors que des expositions aigües conduisent à des réponses des plantes s’apparentant à des réponses d’hypersensibilité incluant des lésions foliaires par mort cellulaire programmée, telles que celles causées par des agents pathogènes (Castagna and Ranieri, 2009).

La sélection variétale et les techniques culturales visant à optimiser les rendements amplifient involontairement l’effet délétère de l’ozone sur les grandes cultures, car pour favoriser l’assimilation du carbone par les plantes, des conductances stomatiques élevées sont recherchées. Or ces dernières augmentent le flux entrant d’ozone dans les tissus foliaires. De plus, les périodes de croissance des principales grandes cultures céréalières coïncident avec les périodes où les teneurs en ozone troposphérique sont maximales (Cf Répartition de l’ozone troposphérique). Par exemple, en Ile-de-France, durant la période estivale et lorsque les conditions climatiques sont favorables à son accumulation, il n’est pas rare de dépasser les 90 ppb d’ozone et plus ponctuellement d’atteindre les 150-180 ppb (Source Airparif). Les plantes cumulent donc les effets d’une exposition chronique avec ceux consécutifs des pics d’ozone, ce qui peut doublement affecter la physiologie de la plantes et à terme son rendement.

PHENOLOGIE ET SENSIBILITE A L’OZONE

La phénologie des plantes joue un rôle dans leur sensibilité aux contraintes de l’environnement. Ainsi, il est admis que la période de reproduction et plus spécifiquement celle de la floraison sont les périodes les plus critiques dans le cycle de vie d’une plante (Black et al., 2000). Ceci serait d’autant plus vrai dans le cas des céréales dont les rendements dépendent directement de la fécondation. Pleijel et al. (1998) ont observé qu’une surexposition à l’ozone durant la période s’étalant de l’anthèse à la fin du remplissage des grains avait pour conséquence une baisse des rendements en grain significative chez le blé tendre. Des perturbations de la germination des pollens et de la croissance du tube pollinique, de la floraison et de la fécondation ont ainsi été rapportées (Black et al., 2000). Une exposition à l’ozone durant la phase végétative peut également avoir un impact négatif sur le rendement du blé tendre. Le polluant, en limitant la fixation du carbone durant cette période, compromettrait le remplissage des grains par translocation de carbone (Mulholland et al., 1997-1998). Dans leur méta-analyse, Black et al. (2000) confirment l’impact potentiel de l’ozone tout au long du cycle de développement des plantes et chiffrent les pertes de rendement chez de nombreuses espèces cultivées. Toutefois, certaines espèces, comme Brassica napus et B. campestris présentent des rendements en grains non impactés par une exposition à l’ozone, alors que les tissus végétatifs ne sont pas épargnés. Cela suggère l’existence de mécanismes de compensation entre tissus végétatifs et reproducteurs, en faveur de l’investissement reproducteur (Black et al., 2007) .

IMPACT DE L’OZONE TROPOSPHERIQUE SUR LE MAÏS 

Le maïs est la céréale la plus cultivée au monde, devant le blé (Source USDA). Les pertes potentielles de rendement chez le maïs, en réponse aux concentrations croissantes d’ozone représentent donc de possibles menaces pour la sécurité alimentaire dans le monde. Bien qu’il soit primordial d’évaluer l’impact que l’ozone pourrait avoir sur cette culture, les études traitant de ce sujet sont rares. (Leitao et al., 2007a-b) sont les premiers à étudier l’impact de l’ozone troposphérique sur des plants de maïs cultivés en chambre à ciel ouvert (Open Top Chambers, OTCs), d’un point de vue physiologique et biochimique. Leurs résultats montrent que les activités Rubisco et PEPc diminuent en réponse à l’ozone tout comme la production de biomasse aérienne. Bien que la rareté des études traitant de l’effet de l’ozone sur le rendement du maïs soit un frein à leur compréhension, il existe une fonction exposition-réponse pour l’ozone (en AOT40) et le rendement du maïs (voir ci-dessous) (Mills et al., 2007).

Y= -0.0036x + 1.02 (r²=0.35)

D’après cette relation, une exposition à un AOT40 de 13,9 ppm.h (niveau critique) pendant trois mois, entraîne des pertes de rendement de 5%, ce qui classe le maïs parmi les espèces modérément tolérantes à l’ozone (Mills et al., 2007).

En se basant sur cette relation pour établir des modèles d’impact globaux, Van Dingenen et al. (2009) ont montré que les pertes en rendement des grandes cultures (dont le maïs) imputables à l’ozone sont supérieures à celles dues au changement climatique. De même, Avnery et al. (2011a-b), se basant sur cette même relation, abordent la question de l’impact de l’ozone sur le rendement global du maïs, de nos jours et dans les décennies à venir. Les pertes de rendement, dues à l’ozone, sont d’une part estimées pour l’année 2000 et d’autre part projetées pour l’année 2030, en fonction de différents scénarios climatiques établis par le GIEC. Pour l’année 2000, l’estimation de la perte de rendement global pour le maïs varie entre 2,2% à 5%. Pour l’année 2030 les pertes de rendement sont estimées entre 2,5 et 6% (Fig.11).

SYMPTOMES FOLIAIRES

Les symptômes foliaires furent les premiers témoignages de l’effet de l’O3 sur les plantes (Haagen-smit, 1952). Ils peuvent se traduire par des taches chlorotiques ou nécrotiques réparties en pointillés sur les feuilles, et/ou par une augmentation des teneurs en anthocyanes (Fig.7 ) (Wilkinson et al., 2012; Singh et al., 2014b). Ces symptômes correspondent à une accumulation de radicaux libres qui agissent directement sur l’intégrité des cellules ou se comportent comme des molécules signal entrainant des phénomènes de mort cellulaire (Iriti and Faoro, 2007; Tamaoki, 2008). Ce type d’altérations foliaires a fréquemment été observé en Amérique du Nord et en Europe, où les cultures irriguées méditerranéennes sont les plus touchées (Ashmore, 2005) mais également en Asie (Singh et al., 2014a). De tels dégâts visibles ont des conséquences négatives sur les rendements des plantes cultivées car ils correspondent à une diminution de la surface foliaire fixatrice de carbone. De plus, les pertes de rendement sont encore plus sévères pour les cultures dont la biomasse aérienne représente le produit récolté (laitue, luzerne, maïs…), ou pour les plantes horticoles dont l’aspect général détermine la valeur marchande (Wilkinson et al., 2012).

L’ozone représente un risque pour les plantes, cependant comme dit précédemment, elles présentent différents niveaux de sensibilité. Afin de comprendre à quoi sont dues ces différences de vulnérabilité, nous proposons une rapide approche du devenir de l’ozone dans les tissus foliaires et les mécanismes de défenses dont dispose les végétaux pour lutter contre l’ozone.

EFFETS «CELLULAIRES»

ENTREE DE L’OZONE DANS LES FEUILLES

Pour comprendre les effets nocifs de l’ozone sur les rendements des cultures, il est nécessaire de comprendre comment il pénètre dans les tissus. La perméabilité de la cuticule des feuilles étant quasiment nulle (Kerstiens and Lendzian, 1989), c’est par les stomates que l’O3 pénètre dans la cavité sous-stomatique. Il est largement admis que la première défense des plantes correspond d’ailleurs à une fermeture des stomates, ce qui constituerait une stratégie d’évitement (Pearson, 1995; Overmyer et al., 2008). Ainsi, le nombre de stomates, leur taille et leur ouverture régulent l’intensité des flux d’O3 depuis le milieu extérieur vers la cavité sousstomatique. La fermeture des stomates dépend du fonctionnement des cellules de gardes dont l’activité dépend elle-même des canaux ioniques. Chez Arabidopsis thaliana, par exemple, l’une des premières réponses de la plante à une exposition à l’ozone, est l’augmentation de l’activité des canaux calciques (de la membrane plasmique et du tonaplasme) en réponse à la présence de ROS. Ceci entraîne une augmentation des teneurs en calcium cytosolique dans les cellules de gardes, à l’origine de leur fermeture (Evans et al., 2005; Fiscus et al., 2005). Les canaux anioniques jouent également un rôle essentiel dans la régulation de la conductance stomatique. Deux types en particulier permettent la fermeture stomatique en réponse à l’ozone : ceux de type R (rapidly deactivating) et ceux de type S (slowly deactivating) (Vainonen and Kangasjärvi, 2015). Cependant la réponse des stomates à l’ozone peut s’avérer plus complexe. Par exemple, Vahisalu et al. (2010) ont mis en évidence chez Arabidopsis thaliana, qu’une exposition à 250 nL.L-1 d’ozone entraîne une diminution de 40% de la conductance stomatique en moins de 10 minutes. Cet effet s’estompe dans les 40 minutes qui suivent (Fig.8) et précède une nouvelle diminution de la conductance stomatique qui pourrait correspondre aux effets de l’ozone sur les stomates généralement rapportés dans la littérature. L’usage de mutants slac1 a permis de mettre en évidence l’importance des canaux anioniques de type S dans la réponse rapide des stomates à l’ozone. Notons également que dans certains cas, l’ozone est responsable de perturbations dans le processus de fermeture des stomates (Mills et al., 2009; Wilkinson and Davies, 2010), ce qui facilite l’influx du polluant à l’intérieur des tissus foliaires. Par exemple, dans le cas d’études combinant une exposition à l’ozone et des contraintes connues pour réduire la conductance stomatique, (sécheresse, augmentation du CO2 atmosphérique), l’effet protecteur attendu n’est pas aussi efficace que celui prévu par les modèles de conductance stomatique et des réponses stomatiques ralenties sont observées (« Sluggishness »).

Dans tous les cas, la fermeture des stomates n’est jamais immédiate et complète dès le début d’une exposition à de fortes concentrations en ozone. Ainsi, des molécules du polluant se retrouvent dans les tissus foliaires, plus précisément dans les chambres sous-stomatiques où elles peuvent : 1) réagir avec les parois et membranes cellulaires, selon des réactions d’ozonolyse qui entraînent des peroxydations lipidiques et une altération de la fluidité membranaire ; 2) se décomposer spontanément en espèces réactives de l’oxygène (ROS, Reactive oxygene species) telles que le peroxyde d’hydrogène (H2O2), l’ion superoxyde (O2-°) et le radical hydroxyle (HO°) (Castagna and Ranieri, 2009; Caregnato et al., 2013). A notre connaissance, les paramètres influençant l’équilibre entre les points 1) et 2) ne sont pas encore connus.

SYSTEMES ANTIOXYDANTS : DETOXICATION DES ROS

Les plantes disposent d’autres mécanismes de défense que la régulation stomatique, pour faire face à l’ozone. L’un d’entre eux consiste à mettre en œuvre leurs capacités de détoxication des ROS, via par exemple, les réactions du cycle d’Halliwell-Asada-Foyer (Fig.9) qui représentent d’une manière générale la principale voie métabolique de prévention des stress oxydants (Castagna and Ranieri, 2009). L’ascorbate apoplastique (AsA) est considéré comme le principal anti-oxydant permettant de lutter contre les sous-produits de l’O3, en présence desquels il est oxydé en déhydroascorbate (DHA) (Foyer and Noctor, 2009). L’AsA peut également servir de substrat à l’Ascorbate Peroxydase (APX) qui réduit l’H2O2 en H2O et produit du Monodéhydroascorbate (MDHA). Le MDHA peut être recyclé par réduction en AsA dans le cytosol grâce à la Monodéhydroascorbate Réductase (MDHAR), réaction consommant une molécule de NADPH2 issue de la photosynthèse. Toutefois, si la charge oxydante est élevée, l’AsA présent dans l’apoplasme ne suffit pas à éliminer l’excès de ROS et à prévenir les risques pour la plante. Le pool d’AsA apoplasmique peut être rapidement renforcé par transfert d’anti-oxydants provenant du cytosol, compartiment dans lequel l’activité déhydroascorbate réductase (DHAR) permet la régénération du DHA en AsA grâce à l’oxydation d’une molécule de glutathion réduit (GSH). Le GSH peut également réagir directement avec les ROS cytoplasmiques. Dans toutes ces réactions d’oxydoréduction, c’est la forme réduite GSH qui est impliquée et qui se retrouve oxydée (GSSG). Le GSH peut être régénéré par la Glutathion Réductase (GR) et une molécule de NADPH2 issu de la photosynthèse (Foyer and Noctor, 2011). Les ROS qui n’ont pas été neutralisés par les mécanismes de détoxication apoplasmiques peuvent diffuser vers le cytosol et créer un environnement pro oxydant à l’intérieur des cellules et entraîner une néosynthèse de ROS endogènes dont certains jouent le rôle de molécules signal (Suzuki et al., 2011). Ce processus de génération de ROS peut se propager dans le cytoplasme et affecter les mitochondries, les peroxysomes et les chloroplastes. De plus, temporellement, il peut se poursuivre au-delà de l’épisode de pollution, occasionnant des séries de vagues de radicaux libres qui, similairement à des réactions en chaîne, atteignent les cellules voisines. Ce phénomène est appelé «burst oxydatif ». Il est comparable à celui déclenché lors de la réaction d’hypersensibilité à certains pathogènes, qui se traduit par des altérations des protéines membranaires et pariétales et peut aboutir au programme de mort cellulaire (Programmed Cell Death, PCD) (Joo et al., 2005; Kangasjärvi et al., 2005) et à l’émission de molécules signal (Langebartels et al., 2002). A l’échelle macro-cellulaire, il en résulte un ensemble de dommages foliaires, tels que des nécroses, une sénescence précoce et l’abscission des feuilles (Leitao et al., 2007a; Bagard, 2008).

Table des matières

I] Introduction
II] Synthèse bibliographique
II]-1 Le maïs
II]-1-1 Généralités
II]-1-2 Exigences climatiques
II]-2 Plantes et changement climatique
II]-2-1 Plantes et CO2
II]-2-2 Plantes et température
II]-2-3 Plantes et sécheresse
II]-3 L’ozone atmosphérique
II]-3-1 L’ozone stratosphérique
II]-3-2 L’ozone troposphérique
II]-3-2-1 Formation
II]-3-2-2 Répartition de l’ozone troposphérique
II]-3-2-3 Evolution des concentrations en ozone troposphérique
II]-4 Impact de l’ozone troposphérique sur la santé humaine
II]-5 Impact de l’ozone troposphérique sur les couverts végétaux
II]-5-1 Phénologie et sensibilité à l’ozone
II]-5-2 Impact de l’ozone troposphérique sur le maïs
II]-5-3 Symptômes foliaires
II]-5-4 Effets «cellulaires»
II]-5-4-1 Entrée de l’ozone dans les feuilles
II]-5-4-2 Systèmes antioxydants : détoxication des ros
II]-5-5 Régulation hormonale
II]-5-5-1 Ethylène
II]-5-5-2 Acide salicylique
II]-5-5-3 Acide jasmonique
II]-5-5-4 Acide abscissique
II]-6 Modification des protéines en réponse aux stress oxydants
II]-6-1 Evolution des teneurs en protéines carbonylées durant le développement foliaire
II]-6-2 Evolution du niveau de protéines carbonylées dans les feuilles en réponse à un stress abiotique
II]-7 Protéolyse chez les plantes
II]-7-1 Mécanisme d’action des protéases et classes de protéases
II]-7-2 Protéases à cystéine
II]-7-3 Protéolyse et ozone
III] Objectifs
IV] Matériels et méthodes
IV]-1 Site expérimental
IV]-2 Système de fumigation et condition d’exposition à l’ozone
IV]-3 Indice d’exposition à l’ozone
IV]-4 Matériel végétal et culture du maïs
IV]-4 1 Prélèvements des échantillons végétaux
IV]-5 Paramètres agronomiques
IV]-5-1 Estimation des surfaces foliaires sur le maïs
IV]-5-2 Quantification des Biomasses aériennes
IV]-5-3 Détermination de la teneur en amidon dans les caryopses
IV]-5-4 Détermination des teneurs en carbone et azote dans les tiges, feuilles et grains
IV]-6 Paramètres physiologiques
IV]-6-1 Mesure des teneurs en chlorophylles totales
IV]-6-2 Mesure des échanges gazeux
IV]-7 Paramètres Biochimiques
IV]-7-1 Extraction des protéines foliaires solubles et mesures des activités endoprotéolytiques
IV]-7-1-1 Extraction
IV]-7-1-2 Mesure des activités endoprotéolytiques totales
IV]-7-1-3 Evaluation des activités spécifiques au moyen d’inhibiteurs
IV]-8 Dosage des espèces réactives de l’oxygène foliaires dans l’extrait
IV]-9 Evaluation de l’oxydation des lipides par la méthode thiobarbituric acid-reactive-substances (TBARS)
IV]-10 Extraction des protéines foliaires solubles et détermination du niveau de carbonylation des protéines
IV]-10-1 Extraction
IV]-10-2 Détermination du niveau d’oxydation (groupement carbonyle) d’extraits protéiques foliaires
IV]-10-3 Séparation des protéines foliaires solubles par électrophorèse sur gels de polyacrylamide en conditions dénaturantes (SDS-PAGE)
IV]-10-4 Transfert sur membrane de nitrocellulose et visualisation des protéines oxydées par immunochémiluminescence
IV]-10-5 Visualisation des protéines oxydées après coloration au bleu de Coomassie et analyse par densitométrie des signaux acquis
IV]-11 Dosage des protéines solubles de feuilles de maïs
IV]-12 Analyses statistiques
IV] Résultats
V] Conclusion

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