Réponses du peuplier soumis à une combinaison de contraintes, ozone et sécheresse : dynamique de la conductance stomatique et des capacités antioxydantes foliaires

par Nicolas Dusart

Thèse de doctorat en Biologie et écologie des forêts et des agrosystèmes

Sous la direction de Yves Jolivet et de Marie-Noëlle Vaultier.

Soutenue le 23-07-2019

à l'Université de Lorraine , dans le cadre de École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine) , en partenariat avec Silva (laboratoire) .

Le président du jury était Nicolas Rouhier.

Le jury était composé de Anne Repellin, Stéphane Herbette, Jean-François Castell.

Les rapporteurs étaient Anne Repellin, Stéphane Herbette.


  • Résumé

    Les modèles climatiques indiquent qu’il est très probable que les végétaux soient de plus en plus exposés à deux facteurs de stress environnementaux : l’ozone troposphérique (O3) et le déficit hydrique du sol, tous deux pouvant provoquer un stress oxydant pour le végétal. Dans des conditions naturelles, ces deux facteurs peuvent être concomitants ou se succéder. L’impact de l’O3 et de la sécheresse nécessite donc une attention particulière. Afin de déterminer les réponses de défense mises en place par les arbres, deux génotypes de Populus nigra x deltoides (Carpaccio et Robusta) ont été exposés aux contraintes séparées ou à leur combinaison en conditions contrôlées dans des chambres de culture. Pour explorer les effets des stress et l’interaction entre les deux contraintes, nous avons ciblé les deux premiers niveaux de défense des plantes que sont le contrôle de l’ouverture/fermeture des stomates et les processus de détoxication cellulaire. Nos résultats montrent que Carpaccio et Robusta sont tous deux relativement tolérants à une sécheresse modérée grâce à un contrôle efficient des stomates. Face à l’O3, cependant, les deux génotypes adoptent des stratégies de réponse différentes : un évitement important pour Carpaccio et une maximisation de l’assimilation au détriment des feuilles pour Robusta. Cela se traduit par une différence de fermeture des stomates. Les deux génotypes ne font alors pas face au même flux d’O3 entrant dans les feuilles, ce qui impacte la détoxication cellulaire, dans laquelle le glutathion semble jouer un rôle majeur. En lien avec les modifications de capacité antioxydante, l’activité des enzymes du cycle ascorbate-glutathion (MDHAR, DHAR et GR) et/ou l’expression des gènes codant pour ces protéines sont modifiées. En combinaison de stress, le déficit hydrique protège le végétal du stress oxydant induit par l’O3 en amplifiant la fermeture des stomates. En revanche, la croissance de l’arbre est impactée par l’effet additif des deux contraintes. De plus, l’induction de voies de régulation hormonales différentes par les deux contraintes pourrait modifier le « cross-talk » complexe régulant la réponse au stress combiné. Enfin, dans le cas d’une succession de stress, l’exposition à l’O3 avant un épisode de sécheresse impacte faiblement la réponse de l’arbre. Cependant, un ralentissement de la fermeture des stomates induit par l’O3 est observé malgré l’arrêt de la fumigation. Il est donc nécessaire de prendre en compte le ralentissement et la fermeture des stomates induit par l’O3 et le déficit hydrique dans les modèles de conductance stomatique utilisés pour calculer l’indicateur du flux d’O3 entrant, le PODy (Phytotoxic Ozone Dose above a threshold of y nmol O3 m-2.s-1).

  • Titre traduit

    Responses of poplar submitted to combined stresses, ozone and drought : dynamics of stomatal conductance and foliar antioxidant capacities


  • Résumé

    Climate models indicate that it is very likely that plants will be more and more exposed to two environmental stressors: ground-level ozone (O3) and soil water deficit, both causing oxidative stress to the plant. Under natural conditions, these two factors can be concomitant or successive. Therefore, the impact of O3 and drought requires special attention. In order to determine the defensive responses adopted by trees, two genotypes of Populus nigra x deltoides (Carpaccio and Robusta) were exposed to separate or combined stresses under controlled conditions in growing chambers. To explore the effects of stresses and their interaction, we targeted the plant’s first two levels of defence: i) the control of stomatal opening and closing, ii) the cellular detoxification processes. Our results show that both Carpaccio and Robusta are relatively tolerant to moderate drought thanks to an efficient stomatal control. However, different response strategies were adopted by the two genotypes to cope with O3. For Carpaccio, the strategy is avoidance, and for Robusta, the strategy is maximization of net CO2 assimilation at the expense of leaves. This results in a difference in the stomatal closure. The two genotypes do not face the same flow of O3 entering the leaves. This impacts cellular detoxification in which glutathione seems to play a major role. Also, the activity of ascorbate-glutathione cycle enzymes (MDHAR, DHAR and GR) and/or the expression of genes encoding these proteins are modified. Under combined stresses, the water deficit protects the plant from the O3-induced oxidative stress by amplifying the stomatal closure. Nevertheless, the tree growth is impacted by the additive effect of the two stresses. Furthermore, the induction of different hormonal regulatory pathways by the two stressors could modify the complex "cross-talk" regulating the response to combined stress. Finally, in the case of a succession of stresses, exposure to O3 prior to a drought episode has a weak impact on the tree's response. However, O3 induced a stomatal sluggishness in closure despite the cessation of fumigation. It is therefore necessary to take into account stomatal closure and sluggishness induced by O3 and water deficit in the stomatal conductance models used to calculate the indicator of O3 flux inside the leaves, PODy (Phytotoxic Ozone Dose above a threshold of y nmol O3 m-2.s-1).


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