La première ligne de défense d’une plante contre le stress abiotique se trouve dans ses racines. Si le sol qui l’abrite est sain et biologiquement diversifié, la plante aura plus de chances de survivre à des conditions stressantes.
Les réponses des plantes au stress dépendent du tissu ou de l’organe affecté par le stress. Par exemple, les réponses transcriptionnelles au stress sont spécifiques au tissu ou à la cellule dans les racines et sont très différentes selon le stress impliqué.
L’une des principales réponses au stress abiotique tel que la forte salinité est la perturbation du rapport Na+/K+ dans le cytoplasme de la cellule végétale. Ainsi, de fortes concentrations de Na+ peuvent diminuer la capacité de la plante à absorber de l’eau et également altérer les fonctions des enzymes et des transporteurs. Les adaptations évoluées pour restaurer efficacement l’homéostasie ionique cellulaire ont conduit à une grande variété de plantes tolérantes au stress.
La facilitation, ou les interactions positives entre différentes espèces de plantes, est un réseau complexe d’association dans un environnement naturel. C’est la façon dont les plantes travaillent ensemble. Dans les zones de stress élevé, le niveau de facilitation est également particulièrement élevé. Cela pourrait éventuellement être dû au fait que les plantes ont besoin d’un réseau plus solide pour survivre dans un environnement plus rude, de sorte que leurs interactions entre espèces, telles que la pollinisation croisée ou les actions mutualistes, deviennent plus courantes pour faire face à la sévérité de leur habitat.
Les plantes s’adaptent également très différemment les unes des autres, même d’une plante vivant dans la même zone. Lorsqu’un groupe d’espèces végétales différentes a été sollicité par une variété de signaux de stress différents, comme la sécheresse ou le froid, chaque plante a réagi de manière unique. Pratiquement aucune des réponses n’était similaire, même si les plantes s’étaient habituées exactement au même environnement domestique.
Les sols serpentins (milieux à faible concentration de nutriments et à forte concentration de métaux lourds) peuvent être une source de stress abiotique. Initialement, l’absorption des ions métalliques toxiques est limitée par l’exclusion de la membrane cellulaire. Les ions qui sont absorbés dans les tissus sont séquestrés dans les vacuoles cellulaires. Ce mécanisme de séquestration est facilité par des protéines présentes sur la membrane de la vacuole. Un exemple de plantes qui s’adaptent aux sols serpentins sont les métallophytes, ou hyperaccumulateurs, car ils sont connus pour leur capacité à absorber les métaux lourds en utilisant la translocation de la racine vers la pousse (qu’ils absorberont dans les pousses plutôt que dans la plante elle-même). Ils sont également connus pour leur capacité à absorber les substances toxiques des métaux lourds.
L’amorçage chimique a été proposé pour augmenter la tolérance aux stress abiotiques chez les plantes cultivées. Dans cette méthode, qui est analogue à la vaccination, des agents chimiques induisant un stress sont introduits dans la plante à de brèves doses de sorte que la plante commence à préparer des mécanismes de défense. Ainsi, lorsque le stress abiotique se produit, la plante a déjà préparé des mécanismes de défense qui peuvent être activés plus rapidement et augmenter la tolérance.
Impact sur la production alimentaire
Le stress abiotique a surtout affecté les plantes qui sont dans l’industrie agricole. Principalement en raison de leur besoin constant d’ajuster les mécanismes à travers les effets du changement climatique tels que le froid, la sécheresse, la salinité du sel, la chaleur, les toxines, etc.
- Le riz (Oryza sativa) est un exemple classique. Le riz est un aliment de base dans le monde entier, notamment en Chine et en Inde. Les plants de riz subissent différents types de stress abiotiques, comme la sécheresse et une forte salinité. Ces conditions de stress ont un impact négatif sur la production de riz. La diversité génétique a été étudiée parmi plusieurs variétés de riz avec différents génotypes en utilisant des marqueurs moléculaires.
- Le pois chiche connaît la sécheresse qui affecte sa production car il était considéré comme l’un des aliments les plus importants à utiliser dans le monde.
- Le blé est l’une des principales cultures qui sont principalement affectées par la sécheresse car le manque d’eau affecterait le développement de la plante, rendant ainsi les feuilles flétries dans le processus.
- Le maïs a quelques facteurs qui affectent la culture elle-même. Les principaux exemples sont la température élevée et la sécheresse qui était responsable des changements dans le développement des plantes et de la perte des cultures de maïs, respectivement….
- Le soja n’affecte pas seulement la plante elle-même de la sécheresse, mais aussi la production agricole puisque le monde dépend du soja pour sa source de protéines.
Le stress salin chez les plantesEdit
La salinisation des sols, l’accumulation de sels hydrosolubles à des niveaux qui ont un impact négatif sur la production végétale, est un phénomène mondial qui affecte environ 831 millions d’hectares de terres. Plus précisément, le phénomène menace 19,5 % des terres agricoles irriguées du monde et 2,1 % des terres agricoles non irriguées (terres sèches) du monde. Une forte teneur en salinité du sol peut être néfaste pour les plantes car les sels hydrosolubles peuvent modifier les gradients de potentiel osmotique et, par conséquent, inhiber de nombreuses fonctions cellulaires. Par exemple, une forte teneur en salinité du sol peut inhiber le processus de photosynthèse en limitant l’absorption d’eau d’une plante ; des niveaux élevés de sels hydrosolubles dans le sol peuvent diminuer le potentiel osmotique du sol et par conséquent diminuer la différence de potentiel hydrique entre le sol et les racines de la plante, limitant ainsi le flux d’électrons de H2O à P680 dans le centre de réaction du Photosystème II.
Au fil des générations, de nombreuses plantes ont muté et construit différents mécanismes pour contrer les effets de la salinité. Un bon combattant de la salinité chez les plantes est l’hormone éthylène. L’éthylène est connu pour réguler la croissance et le développement des plantes et pour faire face aux conditions de stress. De nombreuses protéines membranaires centrales des plantes, telles que ETO2, ERS1 et EIN2, sont utilisées pour la signalisation de l’éthylène dans de nombreux processus de croissance des plantes. Des mutations dans ces protéines peuvent entraîner une sensibilité accrue au sel et limiter la croissance des plantes. Les effets de la salinité ont été étudiés sur des plantes Arabidopsis qui ont muté les protéines ERS1, ERS2, ETR1, ETR2 et EIN4. Ces protéines sont utilisées pour la signalisation de l’éthylène contre certaines conditions de stress, comme le sel, et le précurseur de l’éthylène ACC est utilisé pour supprimer toute sensibilité au stress salin.
La famine de phosphate dans les plantesEdit
Le phosphore (P) est un macronutriment essentiel nécessaire à la croissance et au développement des plantes, mais la plupart des sols du monde sont limités en cet important nutriment végétal. Les plantes peuvent utiliser le P principalement sous la forme de phosphate inorganique soluble (Pi) mais sont soumises au stress abiotique de la limitation du P lorsqu’il n’y a pas suffisamment de PO4 soluble disponible dans le sol. Le phosphore forme des complexes insolubles avec Ca et Mg dans les sols alcalins et Al et Fe dans les sols acides, ce qui le rend indisponible pour les racines des plantes. Lorsque la quantité de P biodisponible dans le sol est limitée, les plantes présentent des phénotypes de stress abiotique étendus, tels que des racines primaires courtes et davantage de racines latérales et de poils racinaires pour augmenter la surface disponible pour l’absorption du Pi, l’exsudation d’acides organiques et de phosphatases pour libérer le Pi des molécules complexes contenant du P et le rendre disponible pour les organes des plantes en croissance. Il a été démontré que PHR1, un facteur de transcription lié à MYB, est un régulateur principal de la réponse à la privation de P chez les plantes. Il a également été démontré que PHR1 régule le remodelage extensif des lipides et des métabolites pendant le stress de limitation du phosphore
Stress de sécheresseEdit
Le stress de sécheresse défini comme un déficit hydrique naturel est l’une des principales causes de pertes de récoltes au sein du monde agricole. Cela est dû à la nécessité de l’eau dans tant de processus fondamentaux de la croissance des plantes. Ces dernières années, il est devenu particulièrement important de trouver un moyen de lutter contre le stress dû à la sécheresse. Une diminution des précipitations et une augmentation subséquente de la sécheresse sont extrêmement probables à l’avenir en raison de l’augmentation du réchauffement climatique. Les plantes ont mis au point de nombreux mécanismes et adaptations pour tenter de faire face au stress de la sécheresse. L’une des principales façons dont les plantes combattent le stress de la sécheresse est de fermer leurs stomates. Une hormone clé régulant l’ouverture et la fermeture des stomates est l’acide abscissique (ABA). La synthèse de l’ABA entraîne la liaison de l’ABA à des récepteurs. Cette liaison affecte ensuite l’ouverture des canaux ioniques, diminuant ainsi la pression de turgescence dans les stomates et provoquant leur fermeture. Des études récentes, menées par Gonzalez-Villagra et al. ont montré comment les niveaux d’ABA augmentaient dans les plantes stressées par la sécheresse (2018). Ils ont montré que lorsque les plantes étaient placées dans une situation de stress, elles produisaient plus d’ABA pour essayer de conserver l’eau qu’elles avaient dans leurs feuilles. Un autre facteur extrêmement important pour faire face au stress de la sécheresse et réguler l’absorption et l’exportation d’eau est celui des aquaporines (AQP). Les AQP sont des protéines membranaires intégrales qui constituent des canaux. La tâche principale de ces canaux est le transport de l’eau et d’autres solutés nécessaires. Les AQP sont régulées de manière transcriptionnelle et post-transcriptionnelle par de nombreux facteurs différents tels que l’ABA, le GA3, le pH et le Ca2+. Les niveaux spécifiques d’AQP dans certaines parties de la plante, telles que les racines ou les feuilles, aident à attirer autant d’eau que possible dans la plante. En comprenant à la fois le mécanisme des AQP et l’hormone ABA, les scientifiques seront mieux à même de produire des plantes résistantes à la sécheresse à l’avenir.
Une chose intéressante qui a été trouvée chez les plantes qui sont constamment exposées à la sécheresse, est leur capacité à former une sorte de « mémoire ». Dans une étude de Tombesi et al, ils ont constaté que les plantes qui avaient été exposées à la sécheresse étaient capables de mettre au point une sorte de stratégie pour minimiser la perte d’eau et diminuer la consommation d’eau. Ils ont constaté que les plantes exposées à la sécheresse modifiaient la régulation de leurs stomates et ce qu’ils ont appelé la « marge de sécurité hydraulique » afin de réduire la vulnérabilité de la plante. En modifiant la régulation des stomates et par la suite la transpiration, les plantes ont pu mieux fonctionner dans des situations où la disponibilité de l’eau diminuait.