Réactions protectrices histogènes des plantes et substances humiques

Lors de l'empoisonnement des plantes par diverses substances pénétrant avec le flux ascendant dans le xylème par les racines ou directement dans les tiges coupées avec l'eau, on observe une réaction de défense histogène caractéristique. Celle-ci consiste en un brunissement des parois et la formation d'une masse brune obstruant le système conducteur, entraînant l'arrêt de l'absorption du facteur nocif.

Ainsi, lorsque diverses plantes sont maintenues avec leurs racines dans l'eau ou dans une solution nutritive contenant des substances allélopathiquement actives, des concentrations élevées de sels ou d'autres facteurs toxiques, dès le 2ème ou 3ème jour, un brunissement des parois du xylème se produit dans la zone conductrice des racines, et plus souvent dans les parties supérieures du système conducteur de la tige, en particulier dans les nœuds. Cela conduit à la formation d'obstructions constituées d'une substance brune amorphe.

De telles obstructions dans le xylème ont déjà été observées par d'autres chercheurs, mais ils leur donnaient une interprétation différente. Par exemple, nous avions noté la localisation de dépôts bruns dans le xylème du blé cultivé conjointement avec du chiendent ; cependant, nous pensions que cette masse était de l'agropyrène, un triterpène physiologiquement actif sécrété par les rhizomes du chiendent.

Souvent, les obstructions surviennent lorsque les plantes sont affectées par des bactéries et des champignons provoquant des maladies de flétrissement : le wilt chez les tomates et le coton, la maladie hollandaise de l'orme, etc. De plus, l'obstruction des vaisseaux est souvent expliquée par le développement d'une microflore pathogène à l'intérieur de ceux-ci. On suppose également que la cause de l'obstruction peut être non seulement le mycélium en développement, mais aussi des substances spécifiques de flétrissement : les marasmines. Certaines marasmines ont été identifiées et obtenues sous forme de préparations pures, par exemple l'acide picolinique, la lycomarasmine, la phytonivéine, l'acide fusarique, etc., bien que le mécanisme de leur effet sur les plantes n'ait pas encore été entièrement révélé.

Il est probable que, tout comme sous l'influence d'un facteur allélopathique, une obstruction du xylème se produise dans ce cas, accompagnée du flétrissement et de la mort de la partie aérienne. Ainsi, les obstructions dans le xylème surviennent lors d'empoisonnements allélopathiques, phytopathogènes, purement chimiques et autres.

Nous avons supposé que l'apparition d'obstructions est une réaction de défense universelle de la plante à la pénétration de substances nocives. Une telle obstruction permet à la plante de cesser, au moins temporairement, l'absorption de la toxine et d'éviter une mort immédiate. Avec le temps, la plante développe des racines latérales et du xylème supplémentaire, acquiert une structure succulente pour évaporer moins d'eau et ainsi réduire l'apport de toxines dans la partie aérienne. On a décrit, par exemple, une augmentation de la succulence des feuilles sous l'influence de l'allélopathie. L'obstruction des cavités du xylème permet à la plante de retarder la mort immédiate par empoisonnement et, si le facteur toxique a agi temporairement, de survivre à la période défavorable.

Nous nous représentons le mécanisme de formation des obstructions dans les vaisseaux du xylème comme suit. Le facteur nocif, ayant pénétré dans les vaisseaux morts du xylème, se propage à travers les cellules dans tous les tissus des tiges et des feuilles et, apparemment, affecte le plus fortement les cellules vivantes du parenchyme situées à côté du xylème.

Dans ce processus, les réactions histogènes de défense peuvent être divisées en deux types. Tout d'abord, vers le lieu de la plus forte irritation du tissu vivant adjacent au xylème, affluent de toute la plante, et particulièrement des feuilles, diverses substances protectrices, grâce auxquelles l'intensité de la respiration des tissus affectés augmente et, probablement, la neutralisation des substances toxiques est effectuée par leur métabolisation et leur oxydation.

Si l'apport de poison continue, la plante ne parvient pas à inactiver complètement la toxine de cette manière et les substances protectrices sortent dans la cavité des vaisseaux du xylème, où commence la deuxième étape des réactions de défense. En raison d'un changement brusque des conditions du milieu et de la perturbation de la séparation spatiale des substances dans la sève du xylème, une autolyse se produit, conduisant à la dénaturation et à la décomposition des protéines et d'autres composants des cellules végétales, ainsi qu'à la formation de composés polymères partiellement oxydés. Ceux-ci précipitent, s'accumulant dans certaines parties des vaisseaux et les obstruant.

L'obstruction des cavités des vaisseaux peut par la suite être la cause de l'inhibition ou de la mort des plantes si elles ne parviennent pas à régénérer le système vasculaire conducteur à temps. Ainsi, le mécanisme des réactions de défense est double : au début, la plante tente d'inactiver les toxines biochimiquement en augmentant la respiration et l'oxydation biologique dans la zone de pénétration des toxines. Par la suite, des obstructions se développent, empêchant l'entrée de poisons avec lesquels la plante n'est plus en mesure de faire face biochimiquement.

Bien entendu, une telle division est conditionnelle, car la masse obstruante n'est pas seulement une barrière sur le chemin du flux ascendant, mais aussi un moyen d'inactivation des substances toxiques par adsorption et précipitation. Comme l'ont montré nos études histochimiques, la masse brune est constituée de composés peu solubles ou insolubles. Sa composition change au cours du processus de formation : on détecte d'abord du glucose, des substances pectiques, des composés phénoliques, de la lignine, et aux derniers stades, des mélanines sont détectées dans la composition de la substance brune. La composition complète de la masse brune n'a pas été étudiée, mais elle est probablement très complexe.

Puisque l'obstruction des vaisseaux est détectée sous les influences nocives les plus diverses et, comme on le sait, que les composés humiques atténuent souvent l'influence nocive de divers facteurs, nous nous sommes intéressés à la question de l'influence possible des substances humiques sur la formation d'obstructions et, à travers elles, sur le renforcement ou l'affaiblissement des réactions de défense de la plante. La vérification de cette hypothèse était le but du présent travail.

MÉTHODOLOGIE ET MATÉRIAUX

Les substances humiques ont été obtenues comme suit. 50 g de tourbe ou d'humus ont été versés dans 150 ml de KOH 0,1 N et filtrés après 16 heures d'infusion. À 50 ml du filtrat obtenu, 8 ml de H2SO4 1 N ont été ajoutés, chauffés au bain-marie pour précipiter les colloïdes organiques et filtrés. Les acides humiques restaient sur le filtre.

Le résidu sur le filtre dans nos études a été pris comme la dose complète d'acides humiques ou a été divisé en deux, quatre et huit parties et ajouté à l'eau où se trouvaient les plantes expérimentales. Ainsi, la concentration de substances humiques correspondait à une solution de 50 g de tourbe (humus) dans 200, 400 ou 800 ml d'eau, c'est-à-dire qu'elle était assez élevée. Nous n'avons pas cherché un dosage précis, car nous ne nous intéressions qu'au résultat qualitatif.

Les expériences ont également porté sur des extraits aqueux d'humus et de tourbe ; 80 g d'humus ou de tourbe séchés à l'air ont été versés dans de l'eau et le volume a été porté à 500 ml. Après une infusion de 24 heures, les extraits ont été utilisés pour l'expérience.

Afin d'étudier l'influence des substances humiques sur les réactions de défense de l'organisme végétal sous l'influence de substances allélopathiquement actives, nous avons préparé des extraits aqueux de rhizomes secs de chiendent rampant Agropyron repens L. et de masse aérienne sèche de trèfle rouge dans un rapport de 1:10. Des substances humiques ont été ajoutées à 200 ml d'extrait de chiendent et de trèfle, et des plantes déterrées avec leurs racines y ont été placées.

Pour l'étude, nous avons pris des plantes de colza d'hiver Brassica napus var. oleifera D. variété Mytishchinsky n° 1, d'avoine Avena sativa L. variété Lgovsky 1023 et de fraisier Fragaria ananassa Duch. variété Kievskaya précoce. Les plantes témoins ont été placées dans de l'eau du robinet, et les plantes expérimentales dans des extraits selon le schéma présenté dans le tableau 1.

Les plantes ont été maintenues dans les extraits en conditions de laboratoire et étudiées au 5ème et 7ème jour après le début de l'expérience. Des coupes microscopiques ont été réalisées manuellement aux endroits d'apparition de la substance brune obstruant les vaisseaux : chez le colza d'hiver — dans les racines, les tiges, les pétioles des feuilles ; chez l'avoine — dans les nœuds de tallage et les nœuds de la tige ; chez le fraisier — dans les tiges et les pétioles des feuilles. La présence de changements pathologiques dans les vaisseaux a été étudiée sur des coupes microscopiques. Pour l'étude, 5 plantes ont été prélevées et 30 à 50 coupes ont été examinées au microscope.

Résultats et discussion

Les résultats des expériences sont présentés dans le tableau 1. Chez les plantes témoins de colza, au cinquième jour après le début de l'expérience, une substance obstruant les vaisseaux est détectée. Ce phénomène peut évidemment s'expliquer par le fait que le colza est une plante allélopathiquement très active et que des substances nocives se sont accumulées sous lui dans l'eau, provoquant une auto-intoxication.

Il convient toutefois de noter que la quantité de substances obstruant les vaisseaux et l'étendue des obstructions chez les plantes témoins de colza sont incomparablement moindres que chez celles maintenues dans les extraits expérimentaux. L'introduction dans l'eau de substances humiques obtenues à partir d'humus et de tourbe n'a eu aucune influence sur la formation d'obstructions chez le colza.

Chez le fraisier, au 5ème-8ème jour dans ces conditions, un brunissement des vaisseaux du xylème s'est produit dans les pétioles et les tiges ; cependant, la dose complète d'acides humiques provenant de l'humus a quelque peu atténué ce processus et aucun brunissement n'a été détecté dans les pétioles. Dans les tiges, le brunissement des parois du xylème et les obstructions ne sont apparus que vers la fin de l'expérience.

Chez l'avoine, au contraire, la dose complète d'acides humiques de l'humus a renforcé la formation d'obstructions dans les cavités du xylème. Ainsi, les acides humiques dilués dans l'eau ont augmenté la formation d'obstructions vers la fin de l'expérience.

Les acides humiques obtenus à partir de l'humus et ajoutés aux extraits de chiendent n'ont pas eu d'effet particulier sur les plantes, et la substance obstruant les vaisseaux est apparue en quantité à peu près égale à celle de l'extrait pur de chiendent sans substances humiques. En même temps, les acides humiques obtenus à partir de la tourbe ont considérablement adouci l'influence allélopathique de l'extrait de chiendent sur les plantes d'avoine et de fraisier, de sorte qu'au septième jour de l'expérience, seules des traces d'une masse jaunâtre obstruant les vaisseaux ont été notées. Chez le colza, dans l'extrait de chiendent, même dilué avec de l'eau (1:1), les acides humiques obtenus à partir de la tourbe n'ont pas eu d'effet positif.

Aux concentrations que nous avons étudiées, ils ont considérablement adouci l'influence allélopathique des extraits de chiendent sur les plantes étudiées. Les extraits de trèfle sont plus toxiques pour les plantes que les extraits de chiendent. Les acides humiques de l'humus et de la tourbe renforcent l'effet allélopathique du trèfle.

Dans ces variantes, chez toutes les plantes que nous avons étudiées, la substance obstruant les vaisseaux ou provoquant le brunissement de leurs parois est détectée en plus grandes quantités que dans l'extrait pur de trèfle. Le fraisier est une plante très sensible. Au 4ème-5ème jour de l'expérience, les feuilles de fraisier brunissent partiellement et sèchent tout en restant vertes, tandis que chez l'avoine et le colza, les feuilles jaunissent progressivement et se décolorent : les chloroplastes y sont complètement détruits. Ce phénomène est manifestement lié au fait que chez le colza et l'avoine, les substances nocives, ayant pénétré dans la plante, agissent plus doucement et l'empoisonnent progressivement.

Les substances de réserve des feuilles sont consommées pour augmenter l'intensité de la respiration et jouent un rôle important dans la formation des réactions de défense. Les substances allélopathiquement actives contenues dans l'extrait de trèfle, ayant pénétré dans les feuilles de fraisier, exercent un effet toxique aigu sur les chloroplastes, entraînant le brunissement et le dessèchement des feuilles. Il est probable que les acides humiques dans l'extrait de trèfle intensifient le processus pathologique. La dilution de l'extrait avec de l'eau n'a pas eu d'importance pour le fraisier.

Les extraits aqueux d'humus et de tourbe ont eu le même effet sur les plantes que les acides humiques purs. Ainsi, les acides humiques obtenus à partir de l'humus et surtout de la tourbe réduisent dans une certaine mesure l'influence allélopathique du chiendent sur les plantes (le nombre d'obstructions diminue) et la renforcent dans les extraits de trèfle rouge (l'obstruction s'intensifie).

Ces études confirment notre hypothèse selon laquelle la substance brune apparaissant dans les vaisseaux du xylème est une réaction de défense de l'organisme végétal au principe nocif qui y a pénétré. De plus, les acides humiques manifestent leur effet de deux manières : dans un cas, la quantité d'obstructions diminue et, par conséquent, l'intoxication biochimique des sécrétions de chiendent s'intensifie ; dans l'autre, l'obstruction augmente, ce qui est apparemment associé au renforcement de la fonction de défense sous l'influence des acides humiques.

Les données que nous avons obtenues nous permettent de conclure que les substances humiques sont capables d'augmenter la résistance des plantes aux effets des facteurs allélopathiques.

Tableau 1. Influence des Substances Humiques (SH) sur l'altération du xylème causée par le facteur allélopathique

Note : — absence d'altération ; + vaisseaux altérés ; ++ vaisseaux fortement altérés ; +++ vaisseaux altérés en très grande quantité ; X altération vasculaire faible ; 0 étude non réalisée.