Effet de la contrainte hydrique sur la photosynthèse foliaire: De l'utilisation expérimental des relation A/Ci et ACc

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1 Effet de la contrainte hydrique sur la photosynthèse foliaire: De l'utilisation expérimental des relation A/Ci et ACc 1-Introduction Mesure de l état hydrique des plantes... 4 a-le contenu en eau... 4 b-le potentiel hydrique L ajustement osmotique : maintien du contenu en eau en condition de sécheresse Les stomates se ferment chez les plantes lorsque le potentiel hydrique foliaire diminue Alimentation en eau des tissus. Liaison entre la photosynthèse et la conductivité hydraulique des feuilles... 8 a-la conductance hydraulique du système sol/plante/atmosphère (SPA)... 8 b-la résistance hydraulique de la feuille est la plus grande résistance hydraulique de la plante... 8 c-la résistance hydraulique principale de la feuille se trouve dans la partie non vasculaire... 9 d-de quoi dépend l état d hydratation d une feuille?... 9 e- Chez des plantes ne souffrant pas de sécheresse, la conductance stomatique est corrélée à K f.. 1 f- L assimilation nette du CO 2 mesurée sous lumière saturante dans les conditions normales est corrélée à K f... 1 g-durant une sécheresse, la conductance hydraulique des feuilles est corrélée avec ψ f potentiel hydrique de base La diminution de la production végétale durant une sécheresse est causée principalement par la diminution de la croissance foliaire Effet stomatique et effet non stomatique d une contrainte hydrique a-comment détecter un effet stomatique et comment savoir s'il contribue seul, ou bien avec des effets non-stomatiques, à la baisse de la photosynthèse foliaire d'une plante soumise à contrainte? b-peut-on apprécier l importance relative de la fermeture des stomates dans l'inhibition de la photosynthèse foliaire par le manque d'eau? c-de l attention que l on doit porter aux artéfacts lorsque l on fait des mesures La suppression de l épiderme de la feuille : une autre façon d aborder le problème a-arrachage de l épiderme inférieur b-mesure à teneurs ambiantes de CO 2 très élevées Les apports de la mesure de l émission de fluorescence de la chlorophylle sur une feuille intacte a-le Photosystème II est résistant à la déshydratation b-variation du flux photosynthétique d électrons lors d une sécheresse : la teneur en CO 2 dans les chloroplastes (Cc) diminue durant la déshydratation d une feuille c-estimation de Cc, la fraction molaire de CO 2 dans les chloroplastes Le métabolisme de la plante est profondément affecté par le manque d eau a-signal sécheresse b-la sécheresse induit une accumulation d ABA c-la sécheresse déclenche la synthèse de nouvelles protéines d-la sécheresse induit une synthèse de molécules «protectrices» et osmotiquement actives Gabriel Cornic. Janvier 28 1

2 e-la faible teneur de CO 2 qui prévaut dans les chloroplastes durant la sécheresse est probablement l un des signaux qui modulent le métabolisme foliaire Et chez les plantes poïkilohydriques? a-les plantes reviviscentes récupèrent rapidement leur activité même après une forte sécheresse 31 b-les plantes reviviscentes en condition hydrique limitante perdent leur eau beaucoup plus vite que leur proche parentes non reviviscentes c-la contrainte hydrique induit de fortes variations de surface foliaire chez les plantes reviviscentes Résumé Bibliographie Abréviations courantes : A : assimilation nette de CO 2 par la feuille ; Ca, Ci et Cc : respectivement fraction molaire de CO 2 dans l air, les espaces intercellulaires d une feuille et dans les chloroplastes ; DFQP : densité de flux quantique ; DH : déficit hydrique ; gs CO2 et gs H2O : respectivement la conductance stomatique pour la diffusion du CO 2 et de la vapeur d eau ; KP et K f : respectivement la conductance hydraulique de la plante et de la feuille ; PPNA : production primaire nette des parties aériennes ; RWC : relative water content ; SPA : Sytème sol/plante/atmosphère ; WUE : water use efficiency (efficience de l utilisation de l eau) ε C, ε matière sèche : respectivement le rendement hydrique de l assimilation du CO 2 et de la production de matière sèche ; Ψ w, Ψs,Ψt,Ψ sol Ψ a Ψ f : respectivement le potentiel hydrique de l eau, le potentiel osmotique, le potentiel de turgescence, le potentiel hydrique dans le sol, l air et la feuille. Gabriel Cornic. Janvier 28 2

3 1-Introduction. Effet de la contrainte hydrique sur la photosynthèse foliaire : De l utilisation expérimentale des relation A/Ci et A/Cc La sécheresse affecte considérablement la croissance des plantes : c est, sans doute (avec le température), l un des facteurs majeurs qui limite la production végétale en conditions naturelles : que l on songe, par exemple, aux grands déserts du centre de l Australie, ou bien, en Afrique, au Sahara ou à la Namibie. Les végétations y sont parcimonieuses, alimentées par des précipitations donnant moins de 3 mm d eau par an, et soumises à une forte évaporation. Même dans les zones tropicales, où les pluies fournissent en moyenne 26 mm d eau annuellement, la réserve en eau du sol peut diminuer fortement durant la saison sèche et limiter la croissance de la végétation (Cornic et Massacci, 1996). Productivité primaire nette aériennes (T ha -1 an -1 ) Précipitation annuelle (mm an -1 ) Figure 1. Relation entre la productivité primaire nette aérienne (PPNA) de zones herbacées du sud ouest africain en fonction des précipitations annuelles (PPa). Dans cette zone les températures courantes ne présentent pas de grandes différences d un point à un autre (d après Breckle, 22). Equation de la droite ajustée aux données : PPNA =.15PPa.391 R 2 =.982 A titre d exemple la Figure 1 montre que la production des parties aériennes (PPNA) des zones herbacées du sud ouest africain varie linéairement avec les précipitations annuelles. L équation de la droite qui est ajustée à ces données montre que PPNA = lorsque les précipitations sont de 37,2 mm an -1. La pente de la relation (,15 T ha -1 mm -1 = 1,5 kg ha -1 mm -1 ) permet le calcul du rendement hydrique maximum de la production de matière sèche (ε matière sèche, appelé aussi efficacité de l utilisation de l eau ou water use efficiency (WUE)) de la façon qui suit. Le volume d eau que représente une précipitation de 1 mm (,1 m) sur 1 ha (1 m 2 ) est de,1 m x 1 m 2 = 1 m 3 c'est-à-dire 1 L. D où ε matière sèche = 1,5 kg/1 L =,15 kg L -1 = 1,5 g L -1. Dans cette zone africaine, un litre d eau, c'est à dire 1 kg d eau, est nécessaire pour produire 1 g des parties aériennes végétales. Cette valeur donne un ordre de grandeur utile à retenir. On admet qu en moyenne la matière végétale sèche contient 45% de carbone. On peut donc calculer à partir de ε matière sèche, ε C, le rendement hydrique de la fixation nette de carbone sachant que masse moléculaire du carbone et 12 g et la masse molaire de l eau est 18 g : ε C = (1,5 x,45/12)/(1/18) =,71 mole mole -1 C est à dire 71 µmoles de C (ou de CO 2 ) par mole d eau reçue via les précipitations. Si l on considère la matière sèche totale produite, les valeurs données ci-dessus sont à multiplier par 2 ou par 3 : en effet le rapport (masse des parties aériennes)/(masse des parties souterraines) peu varier de,5 à,3, surtout dans les zones arides où les plantes investissent beaucoup de matière dans la production de racines. Enfin, ce que l on prend en compte ici est la consommation d eau par des écosystèmes : seule une partie des précipitations est utilisée par les plantes, l autre fraction étant perdue par évaporation. Gabriel Cornic. Janvier 28 3

4 La relation entre la PPNA des grands écosystèmes terrestres (Fig.2) en fonction des précipitations qu ils reçoivent, ne montre pas de saturation. Cela suggère que la partie terrestre de notre biosphère est sèche : les forêts tropicales ne reçoivent pas suffisamment d eau pour atteindre leur potentiel de production. En fait dans ce cas, la strate foliaire productrice (la canopée) intercepte non seulement efficacement la lumière mais aussi l eau des précipitations dont une bonne partie s évapore avant de toucher le sol. D autre part, cette canopée, portée par de grands arbres, se trouve entre 3 et 5 m de hauteur. La couche la pus productive est donc alimentée par une colonne d eau de 3 à 5 représentant une pression de 3 à 5 atmosphères : il suffit d une petite augmentation de la demande évaporative pour produire un déficit hydrique. Des résultats de Ehlers (1996, cités par Breckle, 22), mettant en relation la PPNA de peuplements forestiers dans une grande gamme d environnements et les précipitations incidentes, permettent d aboutir à des conclusions analogues. 1 PPNA (g m -2 an -1 ) Figure 2. Relation entre la PPNA estimées dans les grands écosystèmes terrestres et les précipitations annuelles. 1-Forêts tropicales semper virente ; 2-Forêts tropicales décidues ; 3-Forêts tempérées de conifères ; 4-Forêts tempérées décidues ; 5-Savannes ; 6-Forêts boréales ; 7- Prairies tempérées ; 8- Toundra et milieux alpins ; 9 Déserts et zones arides. Les valeurs sont de Atjay et al. (1979) similaires à celles de Saugier et al. (21) Précipitations annuelles, (mm an -1 ) On remarque aussi, qu à partir des données de la Fig.2 on peut calculer un ε matière sèche tout à fait semblable à celui calculé à partir de la Fig.1. Les deux jeux de donnés paraissent bien cohérents, ce qui est intéressant à remarquer compte tenu des incertitudes sur les estimations de la PPNA au niveau des grands écosystèmes terrestres. 2-Mesure de l état hydrique des plantes. a-le contenu en eau. L état hydrique des plantes peut être mesuré simplement. Dans la suite il sera donné surtout (1) par le contenu relatif en eau des tissus, très connu par son sigle anglais : RWC (Relative Water Content). RWC = (masse d eau actuelle dans le tissu)/(masse d eau à saturation dans le tissu) 1 (2) ou par leur déficit hydrique, DH : DH = [(Masse d eau à saturation dans le tissu) - (masse d eau actuelle dans le tissu)]/ (Masse d eau à saturation dans le tissu) 2 La variation de ces paramètres donne une idée du changement relative du volume cellulaire. Si un tissu perd 1g d eau le volume de l ensemble de ses cellules, non compris les parois cellulosiques, a diminué de 1ml. Une diminution de 1% du RWC d un tissu indique que son volume cellulaire a décru d environ 1%. Cela correspond à une augmentation de 1% du DH. Dans un tissu bien hydraté les parois squelettiques des cellules sont soumises à une pression : la pression de turgescence (voir section suivante pour l explication de l origine de cette pression). Cette pression maintient Gabriel Cornic. Janvier 28 4

5 la rigidité du tissu ; elle diminue lors d une déshydratation. On peut faire une analogie avec un ballon baudruche dont la paroi est rigide lorsqu il est bien gonflé et flasque lorsqu il a perdu l air qu il contenait. On appelle symplasme l ensemble des cellules (moins la paroi cellulosique qui les entoure) d un tissu reliés entre eux par les plasmodesmes. L apoplasme est tout ce qui n est pas le symplasme : xylème, parois cellulaires cellulosiques. La sécheresse peut induire une contrainte mécanique au niveau cellulaire. Les parois cellulosiques des cellules (portant éventuellement des formations secondaires) sont rigides et, chez la grande majorité des plantes, ne suivent que partiellement les diminutions de volume durant la déshydratation. Aussi, lorsque la déshydratation d un tissu atteint un seuil critique, le plamalesme peut-il se décoller des parois cellulosiques : la cellule est alors plasmolysée et la pression qu elle exerce sur son cadre cellulosique est nulle. Dans cet état le plasmaslesme, et aussi les plasmodesmes qui relient les cellules d un même tissu en elles, peuvent se rompre : la déshydratation induit une contrainte mécanique. Turgescence Perte d eau Plasmodesmes plasmolyse Figure 3. Lorsqu une cellule turgescente perd suffisamment d eau elle est plasmolysées : le plasmalesme demeure retenu au niveau de la paroi cellulosique (ici en trait noir épais) par les plasmodesmes. Le plasmalesme et les plasmodesmes peuvent se rompre, si la perte d eau est trop grande. La cellule, entourée par un cadre cellulosique plus ou moins rigide, diminue aussi de volume (disparition de la pression de turgescence) ; mais cette diminution est beaucoup plus faible que celle du volume délimité par le plasmalesme (en vert ici). b-le potentiel hydrique. Le potentiel hydrique,ψ w, est défini à partir du potentiel chimique de l eau, µ w (Pour une analyse détaillée voir Nobel, 1999). Le potentiel chimique de l eau est l énergie libre (c'est-à-dire l énergie capable de fournir un travail) dans une mole d eau, par exemple. Elle est exprimée en joule mole -1. Le potentiel chimique d une substance, maximum lorsqu elle est à l état pure, diminue lorsqu elle se trouve dans un mélange. Si µo w est le potentiel chimique de l eau pure, on définit le potentiel hydrique d une solution aqueuse comme : Ψ = (µ w - µo w )/VM w 3 où VM w est le volume d une mole d eau liquide. A température et pression normales VM w = 18 ml mole -1. comme on a µo w > µ w, Ψ w est négatif. Le potentiel hydrique a les dimensions d une pression. En effet les dimensions de la relation 3 sont : J mole -1 /m 3 mole -1 = J/m m 2 = force/surface = pression exprimée en Pascal. souvent (1)-Le potentiel de l eau dans une cellule est la somme de plusieurs composantes. On écrit Ψ w = Ψs + Ψt 4 où Ψs et Ψt sont respectivement le potentiel osmotique et le potentiel de turgescence (l indice s tient pour soluté, tandis que l indice t signifie turgescence). -Parfois on fait intervenir le potentiel matriciel, mais dans la grande majorité des études il est négligé ; il rend compte des interactions de l eau avec les molécules organiques. -Lorsque l on considère de grands arbres on fait intervenir également l expression mgh, où m est la masse d eau, g l accélération de la pesanteur et h la hauteur de la masse d eau considérée : il faut fournir un travail pour déplacer une masse d eau d une hauteur donnée. Incluse dans l expression du potentiel hydrique, cette expression devient : mgh/vm w = ρ w gh ou ρ w est la densité de l eau. Gabriel Cornic. Janvier 28 5

6 (2)-La pression osmotique dépend de la concentration en solutés dans la cellule. Elle est estimée par la relation Ψs = N O RT/Vol 5 où N O est le nombre d osmoles, Vol le volume cellulaire, R la constante des gaz parfaits, et T la température absolu. Une osmole est une particule ayant un pouvoir osmotique. Une mole de Na + Cl -, qui se dissocie complètement en solution dans l eau, contient 2 osmoles. Un composé dont la masse moléculaire est élevée, comme pour l exemple extrême de l amidon, a un faible pouvoir osmotique (un petit nombre de leurs molécules suffit à saturer le compartiment cellulaire où ils s accumulent). A contrario les composés de faible masse moléculaire ont un pouvoir osmotique élevé. Certaines grosses molécules peuvent être in vivo des réservoirs de composés osmotiquement actifs : ainsi l hydrolyse de l amidon, dans les cellules de garde des stomates, donne des molécules de glucose (masse moléculaire n est que de 192) osmotiquement actives. (3)-La pression de turgescence et le mouvement d eau entre une cellule et son milieu. Supposons une cellule dont le potentiel osmotique est plus faible que celui de son environnement : sa concentration en solutés est plus élevée (et donc sa concentration en eau plus faible) que dans ce dernier. L eau passe donc du milieu dans la cellule, jusqu à ce que, son volume augmentant, sa pression de turgescence s oppose à cette entrée : Le potentiel de turgescence est de signe opposé au potentiel osmotique. Dans ce système la paroi cellulaire se comporte comme une membrane semi perméable (laisse passer l eau mais exclut les composés de masse moléculaire plus élevée). Ce qui contrôle la quantité d eau qui entre dans la cellule est donc la somme Ψ w = Ψs + Ψt. Dans la plante l eau passera d un point ou Ψ w est élevée (moins négatif) à un autre point où il est bas (plus négatif). On montre que ce qui est valide pour une cellule l est aussi pour le symplasme pour lequel il est possible de mesurer une valeur moyenne des potentiels osmotique et de turgescence. Le potentiel hydrique d un tissu diminue lorsque le RWC diminue. 3-L ajustement osmotique : maintien du contenu en eau en condition de sécheresse. Le potentiel osmotique, Ψs, diminue lorsque la concentration de solutés augmente dans la cellule. L augmentation de la concentration de solutés dans la cellule se produit lorsqu elle perd de l eau (augmentation passive de la concentration des solutés), lorsqu elle synthétise activement des composés osmotiquement actif (petites molécules) lorsqu elle importe ces composés osmotiquement actifs. Dans les deux derniers cas cela donne lieu a ce qui est appelé un ajustement osmotique. La Fig.4 sert de support pour illustrer ce phénomène. Une plante bien hydratée a des cellules turgescentes ; ses cellules sont schématisées par 1. La plante subit une sécheresse et ses cellules perdent leur turgescence (schématisées par 2). Le passage de 1 à 2 est caractérisé, entre autres, par une diminution de la quantité d eau relativement aux solutés : le potentiel hydrique diminue (voir ci-dessus). Une pluie recharge le sol en eau. La concentration des solutés se trouvant dans ce dernier diminue et devient plus faible que celle dans la plante : le potentiel hydrique de l eau dans le sol est donc supérieure (moins négatif) au potentiel hydrique de l eau dans la plante. L eau passe du sol à la plante dont les cellules regagnent leur turgescence (passage de 2 à 3). Lorsque la sécheresse persiste, il y a, chez beaucoup de plantes, une synthèse de molécules osmotiquement actives (état 4) : la concentration en solutés augmente dans les cellules dont le potentiel hydrique diminue et devient plus négative que celui de l eau dans le sol. L eau peut alors passer du sol à la plante qui regagne sa turgescence (état 5), et ce malgré l absence de pluie (voir aussi 11 d). Gabriel Cornic. Janvier 28 6

7 Eau + solutés Eau + 1 Sécheresse 4 solutés 2 Sécheress e Eau + solutés Sécheresse Pluie Eau du sol + solutés Synthèse de solutés Eau 5 3 Eau + solutés Eau + solutés Figure 4 : Schéma illustrant comment une plante subissant une déshydratation (flèche de 1 à 2) peut regagner sa turgescence : après une pluie, (flèche de 2 à 3), ou après une synthèse de soluté, si la sécheresse persiste (flèches de 2 à 4 et de 4 à 5). La taille des caractères composant les mots Eau et solutés est proportionnelle à la quantité d eau et de solutés dans les cellules de la plante et dans le sol. Une plante vivant en condition hydrique limitante (une xérophyte dans une zone désertique) peut être bien hydratée et être turgescente, tout comme une plante vivant dans un milieu humide. Cependant son potentiel hydrique est plus négatif car ses cellules contiennent plus de solutés. Ses parois cellulaires sont également plus rigides, ce qui limite rapidement l expansion en volume du cytoplasme lorsque l eau est disponible. 4-Les stomates se ferment chez les plantes lorsque le potentiel hydrique foliaire diminue (Fig.5). Dans un cas, celui de Simarouba glauca, la conductance stomatique (gs) décroît rapidement avec ψ f : pour un ψ f d environ 2 MPa les stomates sont fermés ; dans l autre, celuis de Quercus oleoides, gs commence à diminuer lorsque ψ f = 1 MPa pour devenir très faible aux alentours de 3 MPa (Brodribb et Holbrook, 23). Ces deux exemples permettent quelques commentaires généraux. -Le cas de Q. oleoides montre qu il faut un ψ f critique (ici 1 MPa) pour induire la fermeture stomatique. -Il illustre aussi la grande variabilité de la réponse de gs à la diminution de ψ f : comme on peut le voir pour un ψ f d environ 2,5 MPa, la conductance stomatique varie entre 6 et 2 mmol m -2 s -1. Cette variabilité montre que le potentiel hydrique foliaire n est pas seul en cause dans le contrôle de l ouverture stomatique : d autres signaux sont aussi à l œuvre, probablement surtout via l acide abscissique ABA (voir plus bas). gs (mmol H 2 O m -2 s -1 ) Simarouba glauca Quercus oleoides Ψ f (MPa) Figure 5. Variation de la conductance stomatique à la diffusion de la vapeur d eau (gs) en fonction du potentiel hydrique foliaire (Ψ feuille ). Mesures faites sur Simarouba glauca et sur Quercus oleoides, deux arbres du parc national de Santa Rosa (côte nord du Costa Rica). D après Brodribb et Holbrook (23). La flèche bleue et la flèche rouge indiquent la valeur du potentiel hydrique foliaire au point de plasmolyse commençante respectivement pour S. glauca et Q. oleides. Gabriel Cornic. Janvier 28 7

8 -Dans les deux cas la baisse de gs vers est faite dans un intervalle de 1MPa environ. -Dans les deux cas aussi, la fermeture des stomates est complète (gs proche de ) lorsque les cellules foliaires sont au point de plasmolyse commençante (elle est indiquée par les flèche sur la Fig.5). 5-Alimentation en eau des tissus. Liaison entre la photosynthèse et la conductivité hydraulique des feuilles. a-la conductance hydraulique du système sol/plante/atmosphère (SPA). L eau circule du sol dans la plante où elle passe à l état gazeux dans la feuille au niveau des parois cellulaires des cellules du mésophylle avant de s échapper dans l air ambiant en traversant l épiderme, principalement par les stomates. Dans ce système, elle se déplace du sol, où le potentiel hydrique est élevé, à l air ambiant où il est le plus faible. A l état stationnaire, on écrit la transpiration (TR en µmol H 2 O m -2 s -1 ) comme suit : TR = (ψ sol - ψ a )/R sol-air 6 où R sol-air est la résistance du système au passage de l eau sous forme liquide et gazeuse et, respectivement, ψ sol et ψ a le potentiel hydrique de l eau dans le sol au contact des racines et dans l air. Si l on écrit : TR = (ψ sol - ψ f )/R p 7 où ψ f est le potentiel hydrique l eau dans les feuilles, R p = (ψ sol - ψ f ) /TR est la résistance hydraulique de la plante. La conductance hydraulique de la même voie de passage est : KP = TR/(ψ sol - ψ f ) 8 KP est exprimée en flux d eau par unité de surface foliaire et par unité de pression : µmol H 2 O m -2 s -1 MPa -1. Lorsque le sol est humide, on a ψ sol ψ racine. On estime aussi la conductivité d un organe isolé, ou d un fragment d organe isolé, en mesurant le flux d eau qui le traverse lorsque ses deux extrémités sont soumises à des pressions différentes (voir par exemple Kolb et al., 1996). La détermination de la conductance hydraulique des feuilles (K feuille ) est délicate, mais au moins 3 des méthodes utilisées actuellement donnent sensiblement le même résultat lorsque les feuilles sont maintenues à l obscurité (Sack et al., 22). b-la résistance hydraulique de la feuille est la plus grande résistance hydraulique de la plante (Sack et Holbrook, 26). Cette résistance hydraulique, R f (= 1/K f ) représente 25 à 8% de la résistance hydraulique de la plante entière : à cause de cela, R f apparaît comme un élément majeur contrôlant les relations hydriques des plantes. Les feuilles présentent des nervures principales et des nervures secondaires qui peuvent, elles aussi, se subdiviser en nervures de rang inférieur. Chaque nervure est constituée de tissus conducteurs entourés de cellules formant une gaine périvasculaire. Pour alimenter les cellules de la feuille, l eau qui circule dans ce système hydraulique, doit traverser les gaines périvasculaires, cheminant à la fois, à travers les cellules et autour d elles, dans leur paroi squelettique. A partir de gaines périvasculaires, elle passe de cellules en cellules, suivant la voie apoplastique (parois squelettiques) ou symplasmique. L importance entre les deux voies étant régulé par de petites variations locales de potentiel hydrique. Une partie de l eau circulant dans les parois squelettiques change d état et passe dans les espaces intercellulaires sous forme de vapeur. Ce processus est régulé par l ouverture des stomates, qui en retour influence l état d hydratation des cellules foliaires. En effet, l ouverture, comme la fermeture des stomates, affecte directement l humidité de l air dans leur voisinage, à l intérieur de la feuille, et par conséquent le gradient de concentration en vapeur d eau des sites évaporant jusqu à l ostiole. On note chez certaines espèces, comme Prunus laurocerasus, que les veines majeures sont largement perméables permettant un mouvement radial important de l eau. Chez d autres espèces, comme Juglans regia, le mouvement Gabriel Cornic. Janvier 28 8

9 d eau dans les veines principales est majoritairement axial (Sallea et al., 23), l eau sortant principalement à l extrémité des veines mineures. c-la résistance hydraulique principale de la feuille se trouve dans la partie non vasculaire. Elle représente jusqu à 8% de R p (voir Cochard et al., 24, pour une discussion). La résistance importante de ce chemin extra vasculaire minimise les variations de la conductance hydraulique lorsqu il se produit une embolie dans le système vasculaire (voir encadré II plus bas). La conductance hydraulique de la feuille resterait d autre part constante ou ne montrerait que peu de variations chez les plantes présentant un mouvement radial important de l eau dans les veines principales : une coupure de la fourniture d eau dans ces nervures principales, due à une embolie lors d une sécheresse, n arrêterait pas (ou pas complètement) l alimentation en eau de la partie non vasculaire du système hydraulique de la feuille. Les aquaporines se trouvant sur le plasmalesme, (ce sont des protéines membranaires ; voir encadré I) permettant un passage rapide des molécules d eau d un compartiments exercent probablement un contrôle sur la conductivité hydraulique foliaire (Cochard et al., 27). Encadré I : aperçu sur les aquaporines. Les aquaporines sont des protéines qui sont incluses dans les membranes dont elles accroissent la perméabilité à l eau. Elles font partie d une famille appelée «major intrinsic proteins» (MIPs) que l on trouve bien réparties dans tout le règne vivant. Ces MIPs sont aussi impliquées dans le passage d autres composés à travers les membranes, comme le glycérol, le CO 2, l urée, la silice chez les graminées etc. Les aquaporines montrent une grande variété d isoformes. Considérant les homologies de séquences on peut en distinguer 4 grand groupes : Les PIPs (Plama membrane intrinsic proteins) situées principalement sur la membrane plasmique. Les TIPs (Tonoplast intrinsic proteins) sur la membrane entourant les vacuoles (le tonoplasme). Les NIPs dans la membrane péri-bactéroïde (membrane entourant les rhyzobium qui sont dans les nodules des légumineuses). Les SIPs qui sont des MIPs de petite masse moléculaire (Small intrinsic proteins). PIPs et TIPs sont les aquaporines les plus abondantes. Leur masse moléculaire est de 3 kda environ. Elles présentent 6 hélices α transmembranaires. Elles sont bien exprimées dans les organes en croissance où la pression de turgescence doit être maintenues élevées. Leur rôle dans l alimentation en eau des plantes est certain lorsque l on considère la circulation dans les racines. Leur rôle dans la circulation apoplastique de l eau dans la feuille est très probable. Elles sont également présumées importantes dans le transfert du CO 2 lorsque ce dernier passe dans le cytoplasme des cellules du mésophylle, à travers le plasmalesme, et dans le chloroplaste, à travers la membrane chloroplastique. Leur activité peut être modulée via la régulation de la synthèse des transcrits ou de l abondance des protéines. Une régulation rapide se fait en particulier par leur phosphorylation : leur activité s abaisse quand leur phosphorylation diminue. Le lecteur intéressé trouvera deux mises au point récentes sur ces protéines : Maurel et al. (28) ; Chaumont et al. (25). d-de quoi dépend l état d hydratation d une feuille? On peut écrire en suivant Sack et Holbrook (26) à partir de l équation (8) plus haut ψ f = ψ sol TR/KP 9 qui met en évidence que ψ f dépend à la fois de ψ sol, de la transpiration et Gabriel Cornic. Janvier 28 9

10 de la conductance hydraulique de la plante. Pour une humidité édaphique donnée (un ψ sol donné) ψ f diminue lorsque la transpiration augmente ; l effet de la transpiration sur ψ f dépendant de la valeur de la conductance hydraulique. Si KP est grande, la transpiration peut être élevée (une large ouverture stomatique, par exemple) sans incidence importante sur ψ f. En se souvenant que la conductance foliaire, K f, est la conductance la plus faible du SPA, on voit qu une grande K f est nécessaire dans ce cas. Si KP est petite l incidence de la transpiration est élevée, et la régulation stomatique primordiale (= réduction de la transpiration) pour le maintien de ψ f. Dans le système hydraulique foliaire, les stomates se trouvent placés en série avec le xylème : l état hydrique de leur environnement interne direct, et donc leur ouverture, dépend en partie au moins des performances de la plomberie foliaire. Comme les stomates contrôlent à la fois les échanges de CO 2 et de vapeur d eau ente la feuille et son milieu on doit s attendre à ce que les valeurs de conductance hydraulique soient reliées à celles de l assimilation du CO 2. e- Chez des plantes ne souffrant pas de sécheresse, la conductance stomatique est corrélée à K f. Comme le montrent Brodribb et al. (25) il y a bien une relation entre la conductance hydraulique de feuilles d espèces variées de Fougères, de Gymnospermes et d angiospermes et leur conductance stomatique (Fig. 6). 7 gs H2O (mmol H 2 O m -2 s -1 ) K f, (mmol m -2 s -1 MPa -1 ) Figure 6. Relation entre la conductance stomatique à la diffusion de vapeur d eau (gs H2O ) et la conductance hydraulique(k f ) de la feuille établie chez de conifères ( ) et des angiospermes ( ) de conditions tempérées et chez des angiospermes ( ) et des Fougères ( ) tropicales (Brodribb et al., 25). La conductance stomatique est mesurée sur le terrain sur des individus aux heures les plus ensoleillées. Les plantes utilisées dans cette études ont des provenances diverses : des arbres, comme Calycophyllum candidissimum (Rubiaceae) et Quercus oleoides (Fagaceae), et quelques petites Fougères pérennes, comme Blechnum occidentale (Blechnaceae) et Gleichenea bifida (Gleicheniaceae), viennent du Costa Rica. Une dizaine d autres arbres comme l Araucaria araucana (Araucariaceae) et Nothofagus alpinus (Nothofagaceae) viennent du Chili. f- L assimilation nette du CO 2 mesurée sous lumière saturante dans les conditions normales est corrélée à K f (Brodribb et al.27). La Fig. 7 montre cette relation. Il est frappant de voir que des végétaux allant des bryophytes aux angiospermes se trouvent sur cette relation. L hydraulique de la feuille est bien l un des facteurs principaux qui fixent l activité photosynthétique maximum dans les conditions normales. De plus, les résultats présentés par ces auteurs suggèrent le rôle crucial de la distance entre la terminaison des nervures et l épiderme à travers lequel se font les échanges gazeux : cela indique bien qu une limitation importante est exercée par la voie symplasmique de la circulation de l eau. Lorsque cette distance est importante, K f est petit, et l alimentation en eau des cellules du mésophylle plus difficile, ce qui limite la photosynthèse. Gabriel Cornic. Janvier 28 1

11 A (µmol CO 2 m -2 s -1 ) Fougères K f (mmol m -2 s -1 MPa -1 ) bryophytes Lycopodes Conifères Gymnospermes à slcéréides lignifiées Angiospermes Figure 7. Relation entre A et K f (la conductance hydraulique des feuilles) établie sur des fougères, des bryophytes, des lycopodes, des conifères des gymnospermes contenant des scléreides lignifiés dans le mésophylle et des angiospermes. Voir la figure pour les figurés. Les mesures de A sont faites en pleine lumière dans les conditions naturelles. Chaque point représente la moyenne d au moins une dizaine de mesures. L erreur standard de la moyenne n est pas représentée pour la clarté (d après Brodribb et al.27) g-durant une sécheresse, la conductance hydraulique des feuilles est corrélée avec ψ f. C est ce que montre la Fig.8B dans le cas de S. glauca (trait bleu) et Q. oleoides (trait rouge ; voir aussi Fig.5). Cette diminution est probablement due à un accroissement de la cavitation (apparition de bulle d air dans le xylème ; voir encadré II ci-dessous) bien qu on ne puisse exclure une régulation de l activité des aquaporines (voir encadré I) dans la voie symplasmique des feuilles. A noter : dans les deux cas que la valeur de K f est divisée par deux environ lorsque le point de plasmolyse commençante est atteint. Dans les deux cas aussi la valeur K f est encore élevée lorsque les stomates sont déjà bien fermés. Ces résultats, avec d autres du même type, suggèrent que la fermeture stomatique lors d une sécheresse protège la plante contre une diminution de sa conductivité hydraulique (augmentation de la cavitation). gs H2O (mmol H 2 O m -2 s -1 ) K f (mmol m -2 s -1 MPa -1 ) A B Simarouba glauca Quercus oleoides Figure 8. A : voir la Fig. 5. B : variation de la conductance hydraulique des feuilles en fonction Ψ f chez S. glauca (bleu) et Q. oleoides (rouge). Seules les fonctions ajustées à cette variation sont représentées. Les flèches en trait plein indiquent dans les deux cas le point de plasmolyse commençante. Les flèches en tirêts la valeur de K f lorsque gs H2O est négligeable (stomates fermés). D après Brodribb et Holbrook (23) Ψ f (MPa) Gabriel Cornic. Janvier 28 11

12 Encadré II : aperçu sur la cavitation L eau se déplace du sol vers l atmosphère parce que la plante transpire. Comme l admet la théorie la plus populaire, la transpiration abaisse le potentiel hydrique dans la feuille et cette diminution se propage de proche en proche mettant la colonne d eau (du sol au contact des racines, aux sites évaporant dans les feuilles) sous tension (la transpiration «tire» sur la colonne d eau). Lorsque les tensions sont trop élevées, comme cela peut être le cas lorsque l alimentation est limitante, il se forme des bulles de vapeurs dans le xylème, due à la baisse de pression trop importante dans ces conditions : c est ce que l on appelle la cavitation. A cela s ajoute alors une entrée d air à travers d orifices minuscules qui se trouve le long du xylème -La formation de ces bulles de vapeur diminue la conductivité hydraulique du xylème : les vaisseaux embolisés ne conduisent plus l eau. -La diminution de la conductivité hydraulique du xylème limite l alimentation en eau du mésophylle entraînant une fermeture des stomates. -La cavitation participe ainsi à la conservation de l eau dans la plante. La cavitation s observe souvent chez les arbres en condition hydrique limitante, mais aussi chez les espèces herbacées où on peut la détecter aux premières heures de la matinée lorsque la demande évaporative est importante. Elle disparaît la nuit si les conditions hydriques ne sont pas trop limitantes. Par exemple, Canny (1997) constate chez le Tournesol que 4% des vaisseaux sont seulement embolisés vers 9H du matin. Cependant l embolie peut disparaître dans la journée lorsque la transpiration est maximum, posant le problème d un remplissage actif des vaisseaux embolisés dans le xylème. Il a été proposé qu il se produirait une augmentation de la pression de turgescence dans des groupes de cellules séparés du reste du mésophylle et situés à la périphérie du pétiole. L augmentation locale de la pression forcerait l eau proche des vaisseaux conducteurs à passer dans le xylème. L augmentation de la pression de turgescence viendrait de l abaissement du potentiel osmotique de ces cellules, résultant de l hydrolyse de l amidon (Canny 1997). 6-potentiel hydrique de base. L équation 9, ψ f = ψ sol TR/Kp, montre que lorsque la transpiration est nulle ψ f = ψ sol. Le ψ f mesuré dans cette situation est le potentiel hydrique de base. Sa mesure est une façon d estimer le potentiel hydrique du sol. Il y a au moins deux conditions dans lesquelles la transpiration est nulle ou très faible. (1) La nuit, avant le levé du soleil. Les stomates sont alors fermés et la différence entre les pressions partielles de vapeur d eau aux sites évaporants et dans l air ambiant est minimale. Le potentiel de base se mesure effectivement en fin de nuit car la transpiration s abaisse progressivement après le couché du soleil pour être minimum juste avant son levé. Durant la nuit le gradient de potentiel hydrique dans le SPA s estompe (la plante se recharge en eau) et la valeur du ψ f rejoint progressivement celle du ψ sol. (2) Durant la journée. On place la plante dans un sac en plastique. La transpiration sature rapidement en vapeur d eau l air contenu dans le sac. Comme il n y a plus de gradient de pression partielle de vapeur d eau entre les sites évaporants dans la feuille et l air ambiant la transpiration s arrête. Il suffit d attendre assez longtemps pour que ψ f tende vers ψ sol. 7-La diminution de la production végétale durant une sécheresse est causée principalement par la diminution de la croissance foliaire. La croissance foliaire est inhibée dès qu une sécheresse s installe. De plus, le cas du Soja (Fig.9), que l on arrête d irriguer, montre que la croissance des feuilles est très fortement diminuée pour des potentiels hydriques auxquels l assimilation du CO 2 (A) n est pas encore touchée (Boyer, 197). Gabriel Cornic. Janvier 28 12

13 A des degrés divers c est ce que l on observe chez les herbacées. La surface foliaire plus faible développée dans les cultures manquant d eau se traduit par une baisse de la quantité de lumière qu elles absorbent, ce qui entraîne, in fine, un ralentissement de leur production. Agrandissement (% surface initiale en 24h) Agrandissement foiaire A Potentiel hydrique foliaire (bars) A (µmoles CO 2 m -2 s -1 ) Figure 9. Variation de l assimilation nette de CO 2 (A) et de l agrandissement foliaire en fonction du potentiel hydrique foliaire (1 bars = 1 MPa). Les mesures sont faites sur du Soja, en lumière saturante et à la température foliaire de 25 C. (d après Boyer, 197) Nous n examinerons pas ici ce problème que le lecteur peut trouver traiter, par exemple, chez Boyer (1976), Granier et Tardieux, (1999) et Tardieux et al. (2). Nous essaierons de comprendre pourquoi l assimilation de CO 2, exprimée par µmoles ou µg de CO 2 m -2 s -1 décroît lorsque l alimentation hydrique est limitante. Ce faisant nous appliquerons les connaissances données dans les chapitres «effets du CO2 sur la photosynthèse» et «diffusion du CO2 dans les feuilles». 8-Effet stomatique et effet non stomatique d une contrainte hydrique. 1 6 A (µmol m -2 s -1 ) A B A gs gs CO2 (mm s -1 ) Figure 1. Variations de A (bleu), de gs CO2 (rouge, la conductance stomatique à la diffusion du CO 2 ) et du rapport Ci/Ca durant une déshydratation rapide de Haricot. La déshydratation est obtenue en arrêtant l arrosage des plantes. Les mesures sont faites dans un air contenant 35 ppm de CO 2, sous une densité de flux quantique de 45 µmol m -2 s -1 à une température foliaire Ci/Ca Temps (heures) L'assimilation de CO 2 par les feuilles de plantes soumises à une contrainte (une sécheresse, une période de froid ou de chaleur excessive etc...) est inhibée. Cette inhibition va toujours de pair avec une fermeture des stomates (diminution de gs). La Fig.1A donne une illustration de la baisse concomitante de A et de gs CO2 sur des feuilles Gabriel Cornic. Janvier 28 13

14 cotylédonaires de Haricot lors d'une contrainte hydrique rapide, obtenue par l arrêt de l'arrosage. A la fin de l'expérience, qui dure trois jours, les feuilles ont perdu environ 3% de leur eau (Cornic et al., 1987). Deux causes principales peuvent expliquer la baisse de A. (1) L assimilation du CO 2 diminue parce que la fermeture des stomates freine l entrée du CO 2 dans la feuille : c est l effet stomatique de la contrainte. (2) La photosynthèse diminue parce que les mécanismes photosynthétiques sont endommagés. Les stomates se ferment aussi mais ce n'est pas leur fermeture qui contrôle la baisse de l assimilation du CO 2. L'effet de la contrainte sur la photosynthèse foliaire est expliqué par des effets non-stomatiques. Des effets stomatiques et non-stomatiques agissant ensemble peuvent aussi expliquer la baisse d'activité produite par le manque d'eau. a-comment détecter un effet stomatique et comment savoir s'il contribue seul, ou bien avec des effets non-stomatiques, à la baisse de la photosynthèse foliaire d'une plante soumise à contrainte? Les variations de C i durant la contrainte ont été souvent utilisées pour répondre à cette question. La feuille peut être considérée, très schématiquement (Fig.11A), comme étant constituée d'un épiderme, percé de stomates, et d'une masse de cellules qui photosynthétisent, le mésophylle. On admet ici que C i est la teneur moyenne de CO 2 directement en contact avec le mésophylle. Lorsque cette feuille est soumise à une contrainte (une sécheresse par exemple) les stomates se ferment (gs diminue) et A est inhibée (Fig.11C). Quand la contrainte est bien installée, le mésophylle est enfermé dans un système clos dont les parois sont constituées par l'épiderme portant les stomates fermés (Fig.11B). Deux cas extrêmes sont considérés A B Stomate Contrainte Epiderme Mésophylle Les stomates sont fermés C D A (µmol CO 2 m -2 s -1 ) Stomatique Temps gs H2O (mol H 2 m -2 s -1 ) non-stomatique E Figure 11. Schéma expliquant comment utiliser les valeurs de C i pour savoir si la fermeture des stomates est responsable ou non de la baisse de l assimilation de CO 2 chez une feuille soumise à une contrainte. Voir le texte pour les explications Ci (ppm) Ci (ppm) Temps Temps Gabriel Cornic. Janvier 28 14

15 (1) premier cas : Les mécanismes photosynthétiques ne sont pas endommagés : A diminue exclusivement parce que les stomates se ferment suffisamment : l alimentation des chloroplastes en CO 2 est progressivement réduite. In fine le mésophylle est enfermé dans un système clos et n est plus alimenté par le CO 2 de l air ambiant. Il épuise alors tout le CO 2 qui se trouve à sa disposition dans la feuille. En théorie, C i diminue jusqu'à ce que l'assimilation de CO 2 et les pertes respiratoires du mésophylle s équilibrent exactement. C i représente à ce moment là le point de compensation pour le CO 2 de la feuille. L observation d une diminution de C i parallèle à une baisse de A durant une contrainte permet de conclure que la fermeture stomatique intervient dans l'inhibition de la photosynthèse foliaire (Fig.11D). (2) Deuxième cas : Les mécanismes photosynthétiques sont endommagés, voire détruits par la contrainte. Le mésophylle, comme précédemment, se trouve enfermé dans un système clos lorsque la contrainte est bien établie. Cependant il ne peut plus utiliser le CO 2 qui se trouve dans la feuille. C i reste donc élevée, ou même augmente si la respiration du mésophylle n'est pas affectée. Lorsqu il n'y a pas de changement de C i, ou bien que C i augmente, tandis que A diminue, des processus nonstomatiques interviennent pour inhiber la photosynthèse foliaire (Fig.11E). (3) Retour à la réalité. La Fig.1B montre que le rapport C i /C a, calculé sur les feuilles cotylédonaires de Haricot, durant une déshydratation, diminue de.7 au moment de l'arrêt de l'arrosage à.25 après 48H, pour remonter à.47 à la fin de la série de mesures. Comme Ca varie peu, on conclut donc que la fermeture des stomates intervient dans la baisse de la photosynthèse en début de sécheresse. En fin de sécheresse le métabolisme paraît endommager (cependant voir la discussion plus bas, 4). b-peut-on apprécier l importance relative de la fermeture des stomates dans l'inhibition de la photosynthèse foliaire par le manque d'eau? La Fig.12 représente la variation de A en fonction de C i (courbe en trait plein) établie sur des feuilles bien hydratées, similaires à celles utilisées pour obtenir les résultats de la fig.1a. Elle montre la variation de l assimilation du CO 2 par le mésophylle en fonction de la fraction molaire de CO 2, avant l'arrêt de l'arrosage des plantes. Il est possible de tracer la relation entre A et C i durant la déshydratation à partir des Figs. 1A et B, puisque l'on calcule C i pour chaque valeur de A mesurée. 12 A, (μmoles m -2 s -1 ) Figure 12. Relation entre A et Ci avant (trait plein) et durant (tiretés) la déshydratation de plants de Haricots. La relation en tiretés a été tracée à partir des résultats de la figure 1. Voir le texte (d après Cornic et al, 1987) Ci, (ppm) 4- Les limites du modèle utilisé. Cette relation (courbe en tiretés, Fig.12) s'ajuste bien jusqu au deuxième jour de la sécheresse (lorsque Ci/Ca =.25) à celle obtenue, avant l application de la contrainte, sur des feuilles semblables bien hydratées : on conclut que seule la fermeture des stomates explique alors la baisse de A. En effet, il n'y a pas de modification de la réponse du mésophylle aux variations de la teneur en CO 2. Gabriel Cornic. Janvier 28 15

16 Au troisième jour de déshydratation la relation A/Ci s écarte considérablement de ce que l on a mesuré avant la sécheresse : les mécanismes photosynthétiques peuvent être endommagés (la photosynthèse du mésophylle est modifiée ; cependant voir la discussion qui suit). c-de l attention que l on doit porter aux artéfacts lorsque l on fait des mesures. (1) Effet d une fermeture hétérogène des stomates sur le calcul de Ci. On ne doit pas perdre de vu que C i est une valeur calculée, et comme telle, repose sur la validité du modèle utilisé pour son évaluation. Entre autres, les trois hypothèses suivantes sont faites : -la fermeture des stomates, lorsqu elle se produit, n est pas hétérogène : elle se fait de la même façon sur toute la surface de la feuille ; -la diffusion du dioxyde de carbone dans la feuille est rapide : il y a un équilibre rapide de la fraction molaire de CO 2 dans les espaces intercellulaires. -Le chemin utilisé dans la feuille par la transpiration (qui sert au calcul de la conductance stomatique) à la lumière suit un chemin exactement inverse à celui de l assimilation du CO 2. Downton et al. (1988) réalisent une expérience destinée à vérifier les points (1) et (2) en utilisant des feuilles de vigne. Cette plante possède des feuilles hétérobariques (voir chapitre «diffusion du CO 2 dans la feuille») : elles ont des extensions vasculaires qui délimitent des volumes plus ou moins indépendants à l intérieur du mésophylle. (a) Une feuille, dont le pétiole coupé se trouve dans l eau, est placée à la lumière dans un système d échange gazeux. (b) lorsque sa photosynthèse est stationnaire, elle est balayée pendant 3 secondes par un air contenant du 14 CO 2. (c) On la congèle alors rapidement (arrêt de l activité), puis on la place sur une plaque photographique sensible. Après une semaine, on constate que le marquage est réparti uniformément. (d) Lorsque la photosynthèse d une feuille similaire est stable, on met de l acide abscissique (ABA) dans l eau où se trouve plongé son pétiole. L ABA est un acide synthétisé rapidement chez les plantes soumises à sécheresse. Il provoque en particulier la fermeture rapide des stomates (voir Fig.23, 11b(3)). L ABA ne cause aucun dommage aux mécanismes photosynthétiques et la baisse de A qu il provoque est due exclusivement due à la fermeture des stomates. (e) On soumet cette feuille durant 3 secondes à un air contenant du 14 CO 2 avant que les stomates ne se ferment complètement. Puis, selon la procédure utilisée précédemment, on la place pendant une semaine sur une plaque photographique sensible. On constate que le marquage est très hétérogène. Les plages marquées au 14 C jouxtent des plages non marquées. On conclut donc que la fermeture des stomates est hétérogène et que la diffusion du CO 2 dans la feuille n a pas été rapide : durant 3 secondes le dioxyde de carbone, entré dans la feuille en empruntant les stomates ouverts, n a pas eu le temps de diffuser dans l ensemble du mésophylle. Dans le cas présent elle est probablement freinée par les extensions vasculaires et la résistance des chemins sous les stomates fermés (voir chapitre «diffusion du CO2 dans la feuille»). Ce problème est moins important chez les feuilles homobariques comme les feuilles de pois par exemple. En quoi la fermeture hétérogène des stomates affecte la valeur calculée de C i.? Voir le calcul de Ci au chapitre «diffusion du CO 2 dans la feuille». Supposons, dans le cas de la feuille de vigne traitée à l ABA, que la moitié des stomates s est fermée tandis que l autre moitié est restée ouverte. Avant le traitement on a : Gabriel Cornic. Janvier 28 16

17 assimilation de CO 2 = A ; transpiration = Tr ; conductance stomatique pour le CO 2 =gs CO2. Après le traitement on a : assimilation de CO 2 = A/2 : le dioxyde de carbone ne passe pas à travers la cuticule ; transpiration Tr/2 : la transpiration cuticulaire est habituellement faible devant la transpiration stomatique ; d où la conductance stomatique est gs CO2 /2 Si l on considère négligeable la résistance de la couche limite, On calcule avant le traitement C i = C a - A/gs CO2 On calcule après le traitement Ci = C a - (A/2)/ (gs CO2 /2) On voit, dans les deux cas, que Ci a, à peu près, la même valeur. On va conclure que l ABA endommage les mécanismes photosynthétiques, ce que l on sait être faux! On observe des fermetures hétérogènes des stomates lorsque les conditions de l environnement changent rapidement (passage lumière/obscurité ; accroissement brutal de la fraction molaire de CO 2 ; déshydratation rapide). Cette hétérogénéité disparaît totalement ou en partie lorsque les conditions redeviennent stationnaires. (2)- Importance relative de la transpiration cuticulaire et de la transpiration stomatique lorsque les flux de CO 2 et de vapeur d eau sont faibles. Pour comprendre ce point, il est nécessaire de se rappeler -que le CO 2 ne peut pas pénétrer dans la feuille en traversant la cuticule lorsque sa fraction molaire dans l air ambiant est proche de la normale (il ne rentrera pas dans la feuille lorsque les stomates seront fermés) -et que la feuille possède une transpiration cuticulaire parfois non négligeable (voir Fig.D3, chapitre «diffusion du CO 2 dans la feuille). Cette transpiration cuticulaire peut atteindre 1 à 25% de la transpiration totale. Dès lors le biais introduit par la transpiration cuticulaire se comprend ainsi : (a) La conductance stomatique pour la diffusion de la vapeur d eau, gs H2O, est calculée à partir des données de la transpiration (cuticulaire et stomatique) (b) La conductance stomatique pour le CO 2, gs CO2, est calculée à partir de la conductance stomatique pour la diffusion de la vapeur d eau en considérant le rapport des coefficients de diffusion de la vapeur d au et du CO 2 : gs CO2 peut ne pas être nulle alors que les stomates sont fermés et que le CO 2 ne peut plus rentrée dans la feuille ; la transpiration cuticulaire est vue par les appareils de mesure comme une ouverture des stomates. Comme Ci = Ca - A/gs CO2, si on néglige la résistance de la couche limite, on voit, lorsque la plante transpire bien (stomates largement ouverts), que l erreur due à la transpiration cuticulaire est négligeable. On voit aussi que Ci sera d autant plus surestimée que les stomates seront fermés (gs CO2 surestimée à cause de la transpiration cuticulaire). On sousestime donc les effets stomatiques lorsque les flux de vapeur d eau et de dioxyde de carbone sont faibles en raison d une fermeture stomatique. L augmentation de Ci/Ca visible en fin de sécheresse sur la Fig. 1B est probablement due (au moins en partie) à un effet de ce style. 9- La suppression de l épiderme de la feuille : une autre façon d aborder le problème. Il y a deux façons de supprimer l épiderme de la feuille : Gabriel Cornic. Janvier 28 17

18 (1) En l enlevant à l aide d une pince fine. On étudie les variations de A lors d une contrainte sur une feuille dépourvue d épiderme inférieur : l épiderme inférieur est toujours le plus facile à enlever et l opération est aisé chez quelques plantes comme l Epinard, le Pois, Primula palinuri, Ramonda mykoni (2) En plaçant les feuilles dans un air dont la teneur en CO 2 est très élevée : dans ce cas, comme on l a vu Fig.C11 (chapitre «effets du CO 2 sur la photosynthèse»), la résistance stomatique ne limite plus l activité et l on mesure la capacité photosynthétique. a-arrachage de l épiderme inférieur. La Fig.13 montre l effet du déficit hydrique sur la photosynthèse mesurée dans un air normal (21% de O 2 et environ 38 ppm de CO 2 ), sur des feuilles intactes et des feuilles dépourvues d épiderme inférieur de Ramonda mykoni (plante endémique des Pyrénées). Pour une perte en eau de 3% (flèche sur la Fig.13), l inhibition de A n est que de 2% environ en l absence d épiderme inférieur, tandis qu elle est de 8% lorsque la feuille est intacte. Cela montre que la fermeture des stomates durant la déshydratation limite considérablement la photosynthèse. 4 μmol CO 2 mg chl -1 h -1 ) A ( DH (%) Figure 13. Relations entre A mesurée sur feuille intacte (pointillés bleus) ou sur feuille dont l épiderme inférieur a été enlevé (trait plein rouge) en fonction du déficit hydrique (DH).La flèche indique 3% de DH. Ca, la fraction molaire ambiante de CO 2 38 ppm ; température de la feuille : 22 C ; la lumière est saturante. Les mesures sont faites sur Ramonda mykoni (D après Schwab et al., 1989). A, dans les deux cas s annule pour une perte d eau de proche de 8%, ce qui représente une déshydratation avancée. On voit, en l absence d épiderme inférieur, que la photosynthèse diminue graduellement jusqu à ce que le déficit hydrique atteigne 6%. Cette diminution graduelle peut s expliquer en supposant une fermeture des espaces intercellulaires dans le mésophylle, due à une perte de turgescence des cellules lors du dessèchement. La diffusion du dioxyde de carbone de l air ambiant vers les sites de carboxylation se trouve alors freiné : il y a une possibilité pour que la diminution de la photosynthèse soit encore due dans cette situation à un problème diffusionnel. b-mesure à teneurs ambiantes de CO 2 très élevées. On utilise pour cela des électrodes à oxygène permettant de mesurer dans un système clos le dégagement de O 2 qui dépend de la présence de CO 2. Dans de tels systèmes les teneurs en CO 2 nécessaires pour saturer la photosynthèse sont beaucoup plus élevées que dans les systèmes d échanges gazeux habituels. Ainsi, dans le cas de l'epinard présenté Fig.14, l'activité photosynthétique d'une feuille non déshydratée (figurés blancs) est saturée lorsque la teneur en CO 2 atteint.5% (5 ppm; à comparer avec les Figs C1 et C2, chapitre «effets du CO2 sur la photosynthèse»). Les raisons de cette différence sont mal comprises. L'une d'elles pourrait être l'importance de la résistance de la couche limite dans ces systèmes de mesures (ces dernières se font en effet dans un air complètement calme) et bien sûr la fermeture totale des stomates dans ces conditions. L'activité maximum de la feuille qui a perdu 3% de son eau est identique à celle que l'on mesure sur la feuille bien hydratée (Fig.14). Cependant il faut que la teneur en CO 2 dans l'air autour de la feuille soit de 15% environ. Là aussi la perte de turgescence des cellules du mésophylle pourrait provoquer la fermeture des espaces intercellulaires, qui Gabriel Cornic. Janvier 28 18

19 ralentirait la diffusion du CO 2 dans la feuille, augmentant le gradient nécessaire entre l air ambiant et les sites de carboxylation pour obtenir leur saturation. Dégagement de O 2, (µmoles m -2 s -1 ) Figure 14. Variation du Dégagement de O 2 mesuré à l aide d une électrode à oxygène en fonction de la fraction molaire ambiante de CO 2 (Ca). Feuille bien hydratée : ; feuille présentant un déficit hydrique d environ 3% :. Les mesures sont faites sur des feuilles d Epinard à la température de 25 C. La DFQP est de 12 µmoles m -2 s -1 (d après Cornic et al., 1992) Ca, (%) Si l'on répète cette mesure sur des feuilles de Haricot, présentant différents degrés de déshydratation, on constate que l'activité photosynthétique, obtenue lorsque la teneur en CO 2 est saturante, ne change pas significativement jusqu'à ce qu'elles aient perdu environ 25/3% de leur eau (ronds noirs Fig.15). Dégagement de O 2, (µmoles m -2 s -1 ) A, (µmoles CO 2 m -2 s -1 ) Figure 15. Relations entre le dégagement de O 2 ( ) ou A (o) et le déficit hydrique de feuille de Haricot. Les mesures du dégagement de O 2 sont faites à l aide d une électrode à oxygène lorsque Ca est saturant (voir Fig. 15), la DFQP de 9 µmoles m -2 s -1 et la température des fragments de feuilles de 25 C. A est mesurée lorsque Ca est de 34 ±1 ppm. La température des feuilles et la DFQP sont les mêmes que précédemment. La flèche indique 25% de déficit hydrique (D après Cornic et al. 1989). Déficit hydrique, (%) Par contre, une telle perte d'eau entraîne l'inhibition presque totale de l'assimilation du CO 2 chez des feuilles semblables maintenues dans un air normal (dans ce cas : 35 ppm de CO 2 et 21% de O 2, Fig.15, ronds blancs). On conclut donc que l'activité photosynthétique du Haricot est résistante au manque d'eau : la baisse de Gabriel Cornic. Janvier 28 19

20 l'activité photosynthétique dans la gamme des déficits hydriques compris entre et 3% est due à la fermeture des stomates qui limite la disponibilité du CO 2 dans les Chloroplastes. Le manque d eau exerce un effet direct sur la photosynthèse lorsque le déficit en eau est supérieur à 3%. Des expériences similaires, faites sur des plantes originaires de milieux écologiques très différents, ont donné des résultats très semblables Capacité photosynthétique (% de la valeur maximum) Elatostema repens Phaseolus vulgaris Helianthus annuus Spinacia oleracea Arbutus unedo Haberlea rhodopensis Déficit hydrique (%) Figure 16. Relation entre la capacité photosynthétique, mesurée par le dégagement de O 2 dépendant du CO 2 à CO 2 saturant, et le déficit hydrique. Dans tous les cas l éclairement est proche de la saturation. La capacité photosynthétique est exprimée en prenant comme unité les valeurs mesurées sur les feuilles saturées en eau (DH (déficit hydrique) = ). Arbustus unedo est une xérophyte. Haberlea rhodopensis est une plante reviviscente de Bulgarie. Elatostema repens est une plante des sous bois du sud est asiatique. Les trois autres plantes sont des mésophytes communes (D après Cornic et Massacci, 1996). Dans tous les cas présentés Fig.15, la relation entre la capacité photosynthétique et le déficit hydrique présente les mêmes caractéristiques. Il est difficile de ranger les plantes selon leur degré de résistance à la sécheresse, et ce qui frappe est la réponse très proche d une xérophyte, Arbustus unedo, de 3 mésophytes, l Epinard, le Tournesol et le Haricot, et d une plante reviviscente (c'est-à-dire capable de redémarrer son activité photosynthétique très rapidement en un ou deux jours - après avoir subi des déficits hydriques très sévères de 75 à 8%), Haberlea rhodopensis. De même la sensibilité au manque d eau de la capacité photosynthétique d Elatostema repens, plantes des sous bois du sud est asiatique, ne se distingue guère de celle des autres espèces. Trois remarques sont possibles. (1) La sensibilité des mécanismes photosynthétiques à la déshydratation est la même chez des plantes en C3 d écologie et de milieux divers. Le volume cellulaire, directement liée au contenu en eau des cellules (voir 2a ci-dessus), gouverne probablement la réponse de la capacité photosynthétique pour des déficits hydriques supérieurs à 25% environ. La baisse observée peut être en effet liée à la concentration passive, jusqu à des valeurs toxiques, des ions dans les chloroplastes, à la cristallisation, survenant après une perte d eau de 4 à 5% de certaines protéines, la Rubisco par exemple, comme cela a été observé en microscopie électronique, à la rupture mécanique du plasmalesme et des plasmodesmes, comme il peut s en produire lorsque les cellules sont plasmolysées (voir 2a). Dès lors il apparaît que le maintien du volume cellulaire à un niveau proche de la turgescence est crucial pour les plantes : un ajustement osmotique durant une sécheresse remplit ce rôle (voir 2, ci-dessus) (2) Dans nos régions, les plantes de culture présentent souvent, durant leur saison de croissance, des déficits hydriques qui fluctuent entre et 25/3%. Il est certain que la fermeture des stomates est de loin ce qui explique, dans les conditions naturelles, la baisse de la photosynthèse foliaire lorsque que les précipitations sont rares. De plus, comme l appareil photosynthétique n est pas endommagé dans ces circonstances, les feuilles peuvent répondre rapidement lorsque les conditions redeviennent favorables. (3) L expression de l état hydrique de la plante en utilisant la mesure du potentiel hydrique, au lieu de celle du déficit hydrique, aurait fait apparaître des relations très différentes entre la xérophytes et les Gabriel Cornic. Janvier 28 2