Les microorganismes symbiotiques et la tolérance au sel des plantes

Les microorganismes symbiotiques et la tolérance au sel des plantes

(Hocher et al., 2019). Ces bactéries sont capables de convertir le diazote atmosphérique enammonium qui peut être utilisé par les plantes couvrant ainsi leurs besoins en azote (Boivin et al., 2019). Cette conversion se réalise grâce au complexe enzymatique nitrogénase par laréaction suivante : N2 + 8H + 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi (Bulgarelli et al., 2013).Ce type de symbiose nécessite la formation de nouveaux organes racinaires, appelés nodules qui sont le siège de l’ activité symbiotique où les bactéries se transforment en « bactéroïdes » de plus grande taille et fixent l’azote atmosphérique qu’ils transfèrent à la plante sous une forme combinée assimilable et en contrepartie, la plante fournit les éléments nutritifs assurant le développement de la bactérie (Selami, 2017). Selon le genre de bactérie impliqué, il existe deux types de symbioses fixatrices d’azote ; celle impliquant les légumineuses avec des protéobactéries du genre Rhizobia, et celle impliquant les plantes actinorhiziennes avec les actinobactéries du genre Frankia (Hocher et al., 2019). Contrairement au rhizobium, lesFrankia qui sont des actinomycètes filamenteux du sol à gram positive, sont capables de fixer le diazote non seulement à l’état symbiotique mais aussi à l’état libre (Sy, 2006). Ils présentent une large spectre d’hôtes avec un degré de spécificité variable et peuvent se différencier en trois types cellulaires, tous présents à l’état symbiotique (sauf quelques exceptions) : les hyphesseptées et ramifiées, les vésicules sphériques et cloisonnées et les sporanges, multiloculaires (Selami, 2017). Les symbioses fixatrices d’azote sont responsables de la réduction de plus de120 millions de tonnes d’azote atmosphérique par an (Cotin-Galvan, 2014). De ce fait, les plantes impliquées dans ce mécanisme sont largement utilisées pour la restauration des sols dégradés et en agroforesterie (Ribeiro-Barros et al., 2019).

La symbiose mycorhizienne

Le mot mycorhize, créé par Franck en 1885, est d’origine gréco-latine ; il vient de l’association de deux mots, l’un grec « mykés » qui signifie champignon et l’autre latin « rhiza » qui veutdire racine (Adjanohoun et al., 2017). Ainsi, la mycorhization est une association durable baséesur des échanges réciproques entre les racines des végétaux et certains champignons du sol (Duponnois et al., 2013). Ils existent différents types de mycorhizes, en fonction de la morphologie de l’interaction, caractérisés par une interaction superficielle (ectomycorhize) ou interne (endomycorhize) (Selami, 2017) (voir figure 3).
Les ectomycorhizes : les champignons couvrent les meilleures racines nourricières en formantune gaine d’hyphes appelée «manchon» et poussent leurs hyphes étroitement entre les cellulesépidermiques ou corticales des racines nourricières du premier et du second ordre (Tedersoo etBahram, 2019) sans pénétrer les cellules végétales. Elles impliquent une très grande variété de champignons Basidiomycètes, Ascomycètes ou Zygomycètes (Tedersoo et al., 2010).
Les endomycorhizes: dans ce type de symbiose les hyphes fongiques se trouvent à l’intérieurdes cellules corticales (Duponnois et al., 2013). Plusieurs types d’endomycorhizes peuvent êtredifférenciés en fonction de la morphologie de l’appareil fongique intracellulaire : lesmycorhizes des Ericacées et des Orchidées où les hyphes du champignon forment un peloton àl’intérieur des cellules du parenchyme cortical et les mycorhizes à arbuscules où les hyphes duchampignon se ramifient à l’intérieur des cellules du cortex racinaire (Duponnois et al., 2013).
Cependant, il existe un troisième type de mycorhize qui présente à la fois la présence du manchon mycélien et le développement d’hyphes inter et intracellulaires ; les ectendomycorhizes (Selami, 2017). Elles se rencontrent chez les Arbutacées, les Monotropacées et sont formées par des Basidiomycètes (Duponnois et al., 2013).Dans cette étude nous intéressons uniquement à la symbiose endomycorhizienne à arbuscules.

La symbiose endomycorhizienne à arbuscules

La symbiose endomycorhizienne à arbuscule est un phénomène naturel largement répandu, impliqué dans la nutrition minérale d’une grande majorité des espèces végétales terrestres et dans le cycle du carbone entre les plantes et le sol (Drigo et al., 2010).
Les champignons impliqués dans cette symbiose appartiennent à l’ordre des Gloméromycetes et colonisent plus de 80% des plantes à fleurs du fait qu’ils sont des symbiotes obligatoires(s’appuie sur le carbone fourni par la plante) (Javot et al., 2007). Dans ce type de symbiose, le transport des différents nutriments minéraux et carbonés estbidirectionnel à travers les interfaces symbiotiques au sein des cellules racinaires de l’hôte (Wang et al., 2017). Ainsi, ce type de symbiose est un mutualisme où les CMA peuvent fournir à la plante hôte jusqu’à 80% du phosphate, 25% d’azote, 10% du potassium, 25% du zinc et 60% du cuivre, en échange qu’ils reçoivent 20% du carbone de la plante hôte (Parniske, 2008).
Cette symbiose n’exige pas la spécificité d’hôte car une plante donnée peut être mycorhizée par différentes espèces de champignons et ces derniers sont capables de mycorhizer simultanément deux plantes adjacentes d’espèces ou de genres différentes (Lee et al., 2013). Ce large spectre d’hôte des CMA pourrait être dû à l’hétérogénéité des matériels génétiques de ces organismes, leur conférant alors une diversité dans les systèmes de reconnaissance et de signalisation entre partenaires (Smith et Read, 2008) cité par (Ndour, 2017).
– Etablissement de la symbiose endomycorhizienne
Le processus de la mise en place de la symbiose endomycorhizienne peut être scindé en trois phases :
– la phase a-symbiotique: elle correspond à la germination spontanée des spores et l’émission d’un tube germinatif sous l’effet de facteurs environnementaux et sans contact physique avec le partenaire végétal (Bécard et al., 2004). Le tube germinatif développe des hyphes qui vontcroitre et se ramifier pour la recherche d’un hôte (Selami, 2017).
– La phase pré-symbiotique: elle correspond d’une part à la libération des exsudats racinaires (les strigalactones) induisant l’activité métabolique et une ramification intense des hyphes du champignon qui poussent vers les racines de la plante hôte (Waters et al., 2017). D’autre part, les champignons sécrètent des signaux diffusibles (les facteurs Myc) entrainant dans les cellules végétales des variations de concentration en calcium dans le cytosol et le noyau, la régulation de la transcription des gènes et la ramification des racines (Balzergue, 2012). Ces échanges de signaux se font sans contact direct entre les deux partenaires provoquant ainsi la mise en place de la symbiose proprement dite.
– La phase symbiotique : Cette phase correspond à l’infection et à la colonisation des racines de la plante par le champignon. Une fois que le champignon est en contact avec l’épiderme de la racine il y a la formation des hyphopodes puis il s’en suit la mise en place d’un appareil de pré-pénétration (PPA) favorisé par une réorganisation de la cellule épidermique située sous l’hyphopode (Balzergue, 2012). Les hyphes, à travers le PPA pénètrent la racine et se développent dans les cellules corticales racinaires, formant des structures très ramifiées appelées arbuscules qui sont des organes de réserves des champignons (Wang et al., 2017).
Ainsi, le transport des nutriments vers la plante hôte serait assurer par les hyphes intra et extracellulaires et en retour la plante approvisionne le champignon en carbone (Selami, 2017).

Effet des champignons mycorhiziens à arbuscules sur la tolérance au stress salin chez les plantes

La symbiose mycorhizienne à arbuscules améliore la performance et la résistance des plantes au stress salin par une atténuation du stress qui leur permet d’améliorer leur croissance (Bhardwaj et al., 2014). En effet, beaucoup d’auteurs ont démontré une croissance et un développement plus important chez les plantes inoculées avec des CMA par rapport aux non inoculées en condition de stress salin (Djighaly, 2019 ; Diagne, 2016). Des résultats similaires ont été obtenues par Leye et al., (2015) qui ont démontré que l’inoculation des plantes de Jatropha avec trois souches de CMA (Glomus mosseae, Rhizophagus fasciculatus, Glomus aggregatum) entraine une amélioration de la croissance et de la biomasse à des niveaux de salinité supérieurs à 300 mM et d’eau de mer diluée (50% EM) (Leye et al., 2015). De même, les travaux de Djighaly (2014) ont aussi montré une augmentation de la hauteur moyenne et de la production en biomasse sèche totale des plantes inoculées avec la souche Rhizophagus fasciculatus par rapport aux plantes témoins (Djighaly, 2014).
Cette amélioration est en général attribuée au rôle important que jouent les CMA dans la nutrition hydrominérale des plantes (Trouvelot et al., 2015). En effet, les hyphes du champignon très denses, ramifiés provoquent une augmentation de la surface d’absorption des racines en eau et en nutriments notamment le phosphore (Gerbeaud, 2014). Plusieurs auteurs ont montré que les CMA entrainent une amélioration de la nutrition minérale (P, N, K, Ca, Cu, Fe, Zn) des plantes en condition saline (Chakraborty et al., 2019 ; Druege et Franken, 2019). Des résultats similaires ont été obtenues par Navarro et al., (2014) qui ont démontré que les CMA modifient les réponses de l’hôte au stress salin en améliorant la nutrition des plantes en P, Cu, K et Fe (Navarro et al., 2014). De plus, les CMA augmentent la disponibilité et l’efficacité de l’utilisation de l’eau grâce aux filaments très fins des hyphes qui peuvent contribuer jusqu’à 20% du total d’eau absorbé par la plante (Ruth et al., 2011) et à la régulation d’aquaporines dont la plupart peuvent transporter de l’eau ainsi que d’autres molécules (CO2, O2, silicium, bore, urée ou ammoniac) d’importance physiologique pour la performance des plantes (Chun et al., 2018). De ce fait, ils participent au maintien de la pression de turgescence des feuilles et influencent positivement la photosynthèse, la transpiration et la conductance stomatique (Wang et al., 2017). En plus, les CMA participent à l’augmentation de l’accumulation d’osmorégulateurs et de certaines enzymes antioxydantes impliquées dans le système de défense de la plante (Evelin et al., 2009). Les résultats de Hashem et al., (2016) ontmontré que l’inoculation des CMA chez les plantes de Lupinus termis exposées au stress salin a provoqué une augmentation de l’accumulation de composants osmotiques tels que la proline, la glycine bétaïne et les sucres entraînant le maintien de la teneur en eau des tissus et a amélioré les activités des enzymes antioxydantes comme la superoxyde dismutase (SOD), la catalase (CAT), l’ascorbate peroxydase (APX) et la peroxydase (POD) qui éliminent les espèces réactives de l’oxygène (ROS) ; ce qui permet une atténuation du stress salin (Hashem et al., 2016).
Tous ces mécanismes apportés par les CMA aident la plante à maintenir sa croissance réelle dans un environnement stressant en atténuant l’impact négatif du stress sur la croissance et le développement des plantes (Kumar et Verma, 2018). De ce fait, l’association des CMA avecles plantes est un recours pour la réhabilitation des terres dégradées par la salinisation.

Effet des bactéries fixatrices d’azote sur la tolérance au stress salin chez les plantes

Les bactéries fixatrices d’azote améliorent la tolérance des plantes aux stress salins favorisant leur croissance (Oshone et al., 2017). Ainsi, les travaux de Ngom et al., (2016) ont montré que l’inoculation de C. glauca et C. equisetifolia avec les souches Frankia CcI3 et CeD a considérablement amélioré la croissance des plantes sous stress salin (Ngom et al., 2016). Cette amélioration se manifeste par un accroissement de l’absorption des nutriments, de la production d’hormones végétales, de l’accumulation d’osmorégulateurs et d’antioxydants favorisé par les bactéries (Chakdar et al., 2019). Du fait de leur capacité à fixer l’azote, à solubiliser les phosphates et à mobiliser le potassium, les bactéries favorisent l’absorption des nutriments qui peuvent être très utiles pour l’atténuation du stress salin (Yadav et al., 2015). De plus, ces bactéries jouent un rôle important dans la détoxication des ions Na+ par régulation des transporteurs vacuolaires impliqués (H+ /ATPase) chez la plante pour l’atténuation du stress (Chatterjee et al., 2018). En outre, diverses espèces bactériennes comme certaines souches de Frankia possèdent aussi la capacité de produire des hormones végétales telles que l’auxine (généralement l’acide indole acétique), la gibbérelline, l’acide abscissique etc. (Perrine-Walker et al., 2010) qui sont connues pour moduler le développement et l’architecture des racines ainsi que la signalisation en réponse au stress (Chen et al., 2017). Les études de Egamberdieva (2010)révèlent que les racines des semis sous 100 mM de NaCl inoculés avec des souches de Pseudomonas produisant l’acide indole acétique (AIA), augmentent leur croissance de près de 52% par rapport au témoin (Egamberdieva et al., 2010).
Ainsi, vue le rôle important que jouent les bactéries fixatrices d’azote dans la symbiose pourl’atténuation du stress salin chez les plantes, ce mécanisme a été largement utilisé pour la restauration des terres dégradées par la salinité (Sharma et al., 2013). Les études de Vincent(2018) suggèrent que la symbiose fixatrice d’azote contribue de manière significative dansl’adaptation des Acacia spirorbis à des sols dégradés (Vincent, 2018).
Cependant, l’amélioration de la croissance des plantes par les microorganismes dépend de l’efficience de la symbiose et de la tolérance intrinsèque de la plante hôte (Djighaly, 2019). Sayed (2011) révèle que lors d’une symbiose actinorhizienne les souches de Frankia sélectionnées doivent être adaptées à la fois aux conditions environnementales et aux espèces végétales hôtes (Sayed, 2011). Ngom et al., (2016) affirment que l’inoculation de C. glauca et C. equisetifolia avec les souches Frankia CcI3 et CeD a amélioré la croissance des plantes sous stress salin selon les couples symbiotiques Casuarina-Frankia associés (Ngom et al., 2016). De même, pour la mycorhization, les résultats de Djighaly et al., (2018) ont montré une croissance plus importante chez les plantes de Cassuarina inoculées avec R. fasciculatus que chez les autres individus inoculés avec deux autres types de champignons (Djighaly et al., 2018). De plus, il a été démontré que des isolats de Glomus mossea issus de sols salés augmentaient significativement le poids sec chez le cotonnier par rapport à des isolats issus de sols non salés (Tian et al., 2004).

Généralités sur le Melaleuca

Classification botanique

Le Melaleuca leucadendron (L. 1767) appartient au règne des Plantae, sous règne des Tracheobionta, division des Magnoliophyta, classe des Magnoliopsida, ordre des Myrtales, famille des Myrtaceae, genre des Melaleuca (Patel et al., 2018).

Description du genre

Le genre Melaleuca appartient à la famille des Myrtacées qui comprend plus de 3.000 espèces réparties dans 140 genres dont principalement les Eucalyptus, Melaleuca, Eugenia, Syzygium, Myrcia, Psidium et Calyptranthes (Chabert, 2014).
Le nom botanique Melaleuca composé de deux termes empruntés au grec : melan μέλαν « noir » et leucos λευκος « blanc » fait référence au motif noir et blanc sur les troncs de ces espèces (noirâtre et comme brûlé dans sa partie inférieure, blanchâtre dans sa partie supérieure) (Franklin et al., 2007). Il a été officiellement décrit pour la première fois sous le nom de Myrtus en 1762 dans « especies Plantarum » par Carl Linnaeus qui lui donna en 1767 le nom de Melaleuca (Patel et al., 2018). Le genre Melaleuca comprend environ plus de 250 espèces d’arbres et d’arbustes (Hussein et al., 2007) qui sont connues sous le nom d’arbres à thé très riches en huiles essentielles (Farag et al., 2004). Ce genre n’a jamais été formellement définis morphologiquement mais les publications taxonomiques diagnostiquent le genre par la combinaison de fruits capsulaires triloculaires et d’inflorescences «en brosse» (Edwards et al., 2010). Ces dernières étant caractérisées comme des têtes ou des épis de fleurs sessiles ayant des étamines nettement plus longues que les pétales. Les étamines sont fondamentalement fusionnées en cinq faisceaux opposés aux pétales et ont des anthères polyvalentes (Edwards et al., 2010). Parmi les espèces de ce genre se trouve le Melaleuca leucadenron (L.) qui est un arbre atteignant parfois 20 m de haut avec un tronc recouvert d’écorce épaisse et blanche de papier (parfois rosâtre ou crème) et de branches fines (Patel et al., 2018). Les feuilles disposées alternativement sont plates, étroites en forme de lance et effilées en pointe présentant 5 (parfois jusqu’à 9) nervures longitudinales. Elles sont longues de 75 à 270 mm et larges de 6,5 à 40 mm (Brophy et al., 2013). La floraison peut se produire à tout moment de l’année et les fruits sont des capsules ligneuses de 3,9 à 4,9 mm de long en grappes lâches le long des tiges (Brophy et al., 2013). Cette espèce est d’origine australienne et elle a une croissance relativement rapide ; la croissance moyenne en hauteur atteint souvent 1 à 2 m par an (Doran et Gunn, 1995).

Usages

Traditionnellement les autochtones utilisaient l’écorce des arbres de Melaleuca leucadendron (L.) pour fabriquer des canots d’écorce, pour construire des huttes étanches, envelopper lesaliments avant de les cuire dans les fours souterrains mais aussi les feuilles écrasées étaient utiles pour les infections respiratoires et les fleurs pour faire une boisson sucrée (Patel et al., 2018). Beaucoup d’espèces de la famille des Myrtacées sont souvent productrices d’huiles essentielles qui possèdent des propriétés thérapeutiques (Chabert, 2014). A cet effet, les espècesdu genre Melaleuca fournissent des huiles essentielles dont la composition qualitative est assez proche mais diffère quantitativement d’une espèce à une autre (Pierrick, 2019). En effet, beaucoup d’auteurs ont affirmé que ces huiles ont des propriétés antimicrobiennes, antifongiques, antivirales, antiseptiques mais aussi antioxydantes (Farag et al., 2004 ; Noosidum et al. 2008 ). Les études de Farag et al. (2004) révèlent que les huiles essentielles de Melaleuca ericifolia, Melaleuca leucadendron et Melaleuca armillaris présentent des effets inhibiteurs contre le Bacillus subtiles et Aspergillus niger et contre le virus Herpès simplex de type 1 (HSV ‐ 1). En plus, le Melaleuca armillaris permettait l’amélioration des paramètres du superoxyde dismutase. Noosidum et al. (2008) ont aussi rapporté que les huiles essentielles de Melaleuca leucadenron (L.) présentent des propriétés irritantes et répulsives importantes contre Aedes aegypti (L.). De plus, le Melaleuca leucadendron (L.) peut être utilisé dans la chimioprévention du cancer ou dans la thérapie anticancéreuse (Surh et Yun, 2012).
Cependant, les Melaleuca ont un intérêt écologique considérable plus important que leur valeur commerciale (Tran et al., 2015). En effet, ces espèces sont largement utilisées pour la valorisation et la restauration des terres dégradées par le défrichement ou par la salinisation ; du fait de leur résilience, leur croissance rapide et leur tolérance à la salinité (Broadhurst et al., 2005). Ainsi les résultats obtenus par Ndour (2006) affirment que les Melaleuca sont capables de se développer sur les tannes enherbées et arbustives de même que les bas-fonds (Ndour, 2006). Ces espèces sont aussi utilisées pour l’atténuation des changements climatiques grâce à leur capacité à stocker des quantités importantes de carbone (Tran et al., 2015). En outre, l’importance de son bois qui peut être utile pour la construction de poteaux et de copeaux de bois fait que cette espèce est largement cultivée dans les parcs des zones tropicales et subtropicales (Patel et al., 2018).

La tolérance au stress salin des Melaleuca

Les espèces de Melaleuca sont résistantes aux contraintes environnementales et s’adaptent aux sols acides, infertiles et marécageux (Naidu et al., 2000 ; Aini, 2012). Les Melaleuca sont très tolérantes au sel ; elles sont capables de se développer dans des sols sodiques ou salins avec une tolérance très élevée (Tran et al., 2015 ; Nguyen et al., 2009). En effet, Tran et al. (2015) ont rapporté que les grains de Melaleuca leucadendron (L.) sont capables de germer et pousser dans des sols très sodiques présentant un pourcentage de sodium échangeable de 21,16% dans l’horizon supérieur (0-10 cm) du sol. De plus les études d’Aini et al., (2012) portant sur l’évaluation de la réponse écophysiologique de trois espèces de Melaleuca (M. Halmaturorum, M. thyoides et M. nesophila) à la salinité ont montré que toutes les espèces ont survécu à des concentrations élevées de sel. Cette tolérance à la salinité s’explique par le fait que ces espèces ont la capacité à exclure les ions Na+ et Clˉ hors des cellules évitant leur toxicité mais aussi de produire des osmolytes comme la proline ou ses dérivés pour ajuster leur pression osmotique (Carter et al., 2006) ou encore de séquestrer le sel dans les racines minimisant l’exposition des cellules foliaires qui contiennent les appareils photosynthétiques (Aini, 2012). Ainsi les Melaleuca ont été classées parmi les espèces les plus tolérantes au sel et même il a été affirmé qu’elles sont plus résistantes au sel que les espèces d’Eucalyptus et de Casuarina pouvant se développer dans les zones très salées (Aini, 2012). De ce fait, elles sont largement utilisées pour la restauration des terres dégradées par la salinisation, mais aussi en agroforesterie et ensylviculture.
Cependant, une meilleure résistance au stress peut être obtenue par une association des plantes et de champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) (Evelin et al., 2009). Toutefois, les études de Ndour et Ngom (2014) ont montré que l’inoculation avec R. fasciculatus a entrainé une atténuation du stress salin chez les plantes de Melaleuca (M. viridiflora et M. acacioides) cité par (Ndong, 2018).