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Morpho-physiological and anatomical responses of Cork Oak (Quercus suber L.) seedlings under shade and drought stress

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Réponses morpho-physiologique et anatomique de jeunes plants de chêne liège (Quercus suber. L) face aux effets de l’ombre et du stress hydrique

M. ABASSI 1

R. ZOUAOUI 1

K. MGUIS 1,2

A. YOUSSEF 1

Z. BÉJAOUI 1,3

 

1 University of Carthage, National Institute of Research on Rural Engineering Water and Forests (Tunisia)

2 University of Tunis El Manar, Institut Supérieur des Technologies Médicales de Tunis (ISTMT)

3 University of Carthage, Faculty of sciences of Bizerte



Abstract – This study aims to identify the variability in response to the effects of shade and water stress on the morpho-physiological and anatomical behavior of cork oak seedlings (Quercus suber L.) originated from two different eco-geographical zones. The first population, Kef Rend (KR) is native from Haouaria (North – East), in a higher subhumid bioclimate, while the second one Ben Metir (BM) is from Ain Drahem (Nord – Ouest) in a higher humid bioclimate. Different morphological, biochemical and anatomical variables were measured. The results showed that the effect of shade stimulated both the relative height growth of stems and the elongation of leaves in cork oak plants. In contrast, a decrease in the relative growth of diameter was recorded. Specific leaf area (SLA) was increased in KR and BM plants resulting in a decrease in leaf thickness. In addition, the total chlorophyll content increased under this constraint. Under water stress, the relative water content (RWC) as well as the chlorophyll contents were significantly reduced. However, these declines were less pronounced under shade treatment. The combined effect of shade and water stress induced a reduction in (SLA) while leaf sections become thicker. Such modifications were more pronounced in BM plants. This study showed, at a juvenile stage of growth, that Ben Metir (BM) plants seem to have more efficient adaptation mechanisms to the combined effect of shade and water stress.

Keywords: Quercus suber ; shade ; water stress ; chlorophyll contents ; relative water content ; Specific leaf area ; thickness.

 

Résumé - Cette étude vise à identifier la variabilité en réponse aux effets de l’ombre et du stress hydrique sur le comportement morpho physiologique et anatomique de jeunes plants de chêne liège (Quercus suber L.) issus de deux populations à répartition éco géographique différente. La population Kef Rend (KR) est originaire de la région de Haouaria qui est à bioclimat sub-humide supérieur alors que la population Ben Metir (BM) provenant de la région d’Ain Drahem est à bioclimat humide supérieur. Pour atteindre cet objectif, plusieurs variables morphologiques, biochimiques et anatomiques ont été mesurées. Les résultats obtenus ont montré que l’effet de l’ombre a stimulé aussi bien la croissance relative en hauteur des tiges que l’élongation des feuilles chez les plants de chêne liège. A l’opposé une baisse de la croissance relative du diamètre au collet a été enregistrée. La surface spécifique foliaire (SFS) a augmenté chez les plants KR et BM. Cette modification s’est traduite par une baisse de l’épaisseur des feuilles. De plus les teneurs en chlorophylles totales ont augmenté sous cette contrainte. Sous stress hydrique, la teneur relative en eau (TRE) ainsi que la concentration en chlorophylles ont été significativement réduites. Toutefois, ces baisses ont été moindres sous ombre. L’effet combiné de l’ombre et du stress hydrique a induit une réduction de la (SFS) ainsi qu’un épaississement des sections de feuilles qui a été toutefois plus accentué chez les plants BM. Cette étude a montré à un stade juvénile de croissance que les plants de Ben Metir (BM) semblent disposer de mécanismes d’adaptation plus efficaces face à l’effet combiné de l’ombre et du stress hydrique.

Mots clés : Quercus suber, ombre, stress hydrique, chlorophylles, TRE, SFS, épaississement

 1. Introduction

Le chêne-liège (Quercus suber L.) est une espèce sclérophylle de la famille des Fabacées qui est endémique du bassin méditerranéen (Zine El Abidine et al. 2016). En effet cette espèce y est présente depuis plus de 60 millions d'années (Passarinho et al. 2006). C’est l’espèce forestière feuillue autochtone, la plus représentée dans le couvert végétal du Nord-Ouest Tunisien et particulièrement en Kroumirie (DGF 1995 ; MALE 2016). Les forêts de chêne liège sont associées à une biodiversité remarquable et constituent des écosystèmes uniques reconnus par leur haute valeur écologique et paysagère (Silva and Catry 2006). C’est une ressource naturelle noble et rare qui a été toujours recherchée pour son écorce (le liège), son bois de bonne valeur calorifique et ses glands très appréciés par les animaux sauvages et domestiques (Bouchaour-Djabeur et al. 2011). Par ailleurs, la chasse, la cueillette des champignons, la production de miel et le tourisme sont d'autres utilisations des forêts de chêne-liège (KOICA 2011 ; FAO 2016). Cependant, la chênaie a connu une réduction drastique de sa superficie qui est passée au cours des 80 dernières années de 140 000 ha à 70 000 ha (Selmi 2006). En effet, la pression exercée par la population locale à travers le surpâturage, l’utilisation des glands pour l’alimentation des animaux et l'extraction du bois de chauffage auraient accélérer la dégradation de la chênaie (Le Houérou 1980 ; PIF 2016 ; Kim HN et al. 2017). Cette situation est davantage aggravée par les effets des changements climatiques qui freinent la régénération naturelle des semis de chêne à travers une multitude de contraintes comme la hausse des températures, la lumière intense et le stress hydrique (FAO 2016 ; PIF 2016). La faible disponibilité en eau notamment durant la période estivale peut altérer plusieurs processus physiologiques pouvant avoir des conséquences néfastes sur la survie et la croissance des jeunes plants de chêne liège. Afin de faire face à cette contrainte, les semis de chêne développent des ajustements morpho-physiologiques à l’échelle des racines qui sont fortement développées et pivotantes (Ksontini 1996 ; Daoudi et al. 2016). Les feuilles sont plus épaisses et de surface réduite ce qui permet une meilleure efficience de l’eau (Aranda et al. 2005 ; Quero etal. 2006). Ces modifications morphologiques sont accompagnées par des ajustements au niveau de la cellule comme l’accumulation des osmoticum afin de maintenir la turgescence des cellules permettant à la plante d’assurer ses fonctions physiologiques malgré les contraintes abiotiques (De Ronde et al. 2004 ; Deligoz and Gur 2015). En plus de la faible disponibilité de l’eau, la lumière figure parmi les ressources les plus importantes pour la survie des plantes (Lone and Khan 2007). Diverses recherches ont mentionné que sous conditions de déficit hydrique, l'ombre produite par la canopée atténue l’impact de cette contrainte et améliore la survie et l'état physiologique des semis de chêne en diminuant les demandes d'évaporation et de rayonnement lumineux (Hastwell and Facelli 2003 ; Quero et al. 2006). Toutefois, les conditions de limitation en lumière (ombre) peuvent induire des changements dans la morphologie des jeunes semis de chêne ainsi que des modifications de la structure de leurs feuilles (Daas ghrib 2009). Ainsi, une stimulation de l’élongation des tiges et des entrenœuds est souvent mentionnée sous l’effet de l’ombre (Cornic 2014). A l’opposé, la croissance radiale est négativement affectée comme ceci a été prouvé chez Quercus suber et Pistacia lentiscus (Hernández et al. 2009). La surface spécifique des feuilles augmente sous ombre (Zhang et al. 2016) ce qui traduit des feuilles de plus faible épaisseur (Gregoriou et al. 2007). Ces modifications sont souvent accompagnées par une augmentation des teneurs en chlorophylles (Quero et al. 2006). Malgré l’importance des recherches consacrées à cette espèce dans le bassin méditerranéen, les mécanismes développés par les semis de chêne liège en réponse à l’effet du déficit hydrique, de l’ombre ou leurs effets combinés restent mal connus (Kanouni 2013 ; Myeong et al. 2018). D’autre part, le chêne liège est connue par sa large variabilité intra spécifique qui peut influencer les réponses des diverses populations face aux diverses contraintes du milieu (Ksontini et al. 1998 ; Abdessamad et al. 2015). Compte tenu de cette variabilité, une meilleure compréhension des effets de l’impact du déficit en lumière et de l’eau sur les aspects morpho- physiologiques et anatomiques permettra d’identifier à un stade juvénile les populations de chêne liège les mieux adaptées à cette double contrainte. C’est l’objectif de cette étude.

 

2. Matériel et Méthodes

2.1. Matériel végétal et conditions de culture 

L’expérimentation a été menée à la pépinière de l'Institut National de Recherches en Génie Rural, Eaux et Forêts de Tunis, à bioclimat semi-aride supérieur à hiver doux (36 °50 N, 10 ° 14 E et 3 m d'altitude). La pluviométrie moyenne annuelle est de l’ordre de 475 mm avec des températures moyennes mensuelles minimale de 7,2 °C et maximale de 34,8°C (Abassi et al. 2004). Elle a porté sur des plants âgés de six mois de deux populations de chêne liège, Kef Rend et Ben Metir (Tableau 1) qui sont issues de deux régions à répartition géographique et sous bioclimat différents (Fig.1). Ces plants conduits sous arrosage optimal (à la capacité au champ) ont été divisés en deux lots qui ont été soumis à deux traitements avec une intensité lumineuse différente. Le traitement témoin correspond aux plants conduits sous lumière naturelle soit (ILN 100%). Le traitement sous ombre correspond aux plants conduits sous une ombrière réduisant de 50% l’intensité lumineuse naturelle soit (ILN 50%). L’intensité lumineuse a été quantifiée à l’aide d’un luxmètre (HD 8366, Silicon Sensor, Delta OHM). Le traitement par ombrage a été appliqué durant 90 jours au cours desquels différentes variables morphologiques ont été mesurées. Au terme de cette période un stress hydrique a été appliqué par un arrêt de l’irrigation jusqu’à atteindre un seuil sévère de déshydratation. Ce seuil est estimé par une conductance stomatique des plants inférieure au seuil de 50 mmol m-2s-1 (Medrano et al. 2002). Pour notre expérimentation ce seuil a été atteint au bout de 15 jours d’arrêt de l’irrigation des jeunes plants de chêne. Les plants ont été distribués selon un dispositif expérimental en quatre blocs aléatoires complets. Chaque bloc est composé de deux zones où chacune est assignée de façon aléatoire à une population. Dans chaque zone 20 plants ont été utilisés qui correspondent aux deux traitements (10 plants par population par bloc × 2 traitements), à raison d’un plant par pot, soit un total de 80 plants par population (quatre blocs × 20 plants par population par bloc).

 

Tableau 1. Caractérisation géographique et bioclimatique des deux sites des populations de chêne liège (Quercus suber L.).

 

Sites / Populations

 

Régions

 

Répartition géographique

 

Bioclimats

Pluviométrie annuelle moyenne (mm)

Température annuelle moyenne (°C)

 

Coordonnées lombaire

 

Kef Rend (KR)

 

Haouaria

 

Nord-est

(Cap Bon)

 

Sub-Humide supérieur à hiver chaud

 

625

 

18

 

368239° N

107697° E

632 m

 

Ben Metir (BM)

 

Ain Drahem

 

Nord-ouest (Kroumirie)

 

Humide supérieur à hiver tempéré

 

1020

 

16

 

367544° N

87514° E

423 m

 



Figure 1. Carte du Nord de la Tunisie indiquant les deux régions prospectées (Cap Bon et Kroumirie) desquelles sont issues les populations de chêne liège (Quercus suber L.)

 

2.2. Variables mesurées

2.2.1. Croissance

La croissance des plants des deux populations de chêne liège sous lumière naturelle ou ombre a été suivie par le biais de la mesure de la hauteur de la tige principale (cm), le diamètre au collet (mm), la surface foliaire (cm2) et l’élongation foliaire (mm). Cette variablea été évaluée sur des feuilles nouvellement formées au niveau de l’apex. Les mesures ont été prises tous les 4 jours après l’application des traitements sur cinq plants choisis aléatoirement par traitement, et ce durant 60 jours. L’accroissement relatif journalier des tiges en hauteur et au diamètre au collet a été exprimé selon la formule de Beadle (1993) :

où W2 et W1 représentent la longueur des tiges ou le diamètre au collet au bout d’une durée de stress t2t1 qui est de 90 jours.

Ces variables ont été mesurées sur 10 plants / traitement / population.

 

 

2.2.2. Teneur relative en eau

La teneur relative en eau (TRE) des plants conduits sous ombrage ou /et stress hydrique a été mesurée à la fin de la période du stress hydrique en utilisant dix plants choisis aléatoirement par traitement sur des feuilles matures les plus exposées au soleil. Le poids frais (PF) a été déterminé immédiatement après la récolte, puis les feuilles sont laissées dans de l'eau distillée pendant 24 h à 4 ° C, afin de déterminer le poids à saturation (Psat). Le poids sec (PS) a été obtenu après séchage à 75 ° C pendant 72 h. TRE est calculée par la formule suivante :

TRE (%) = [(PF - PS) / (Psat – PS)] * 100

 

2.2.3. Surface foliaire spécifique (SFS)

La surface foliaire spécifique qui est un important indicateur de l’épaisseur des feuilles (Björkman 1981), a été déterminée sur les plants, des deux populations, conduits sous lumière naturelle et ombre et soumis à un stress hydrique. La surface foliaire spécifique (SFS en cm2.g-1 de matière sèche) exprime le ratio de la surface foliaire sur le poids sec spécifique de chaque feuille. Ces mesures ont été réalisées à la fin des traitements sur 5 feuilles en pleine expansion / plant / traitement / population (soit un total de 50 feuilles/ traitement / population). La surface de chaque feuille (cm2) a été déterminée, puis son poids de la matière sèche (MS en g) a été mesuré après séchage dans une étuve à 60° C, jusqu’à atteindre un poids constant.

 

2.2.4. Anatomie des feuilles

La structure anatomique des feuilles a été étudiée par le biais de coupes histologiques réalisées sur des feuilles en pleine expansion recueillies dans la partie médiane de la plante. Ces mesures ont été réalisées, à la fin de chaque traitement, sur des feuilles à pleine expansion à raison de 3 feuilles/plant/traitement/population/bloc, situées au même rang, dans leur partie médiane. Des fragments de feuilles de 1 cm de côté ont été prélevés de part et d’autre de la nervure principale. Ces fragments ont été immédiatement fixés durant trois heures à température ambiante par une solution de glutaraldhéyde à 2 % tamponnée à 0.1 M de sodium cacodylate à pH 7.4 (Sabatini et al. 1963). Puis, il y a eu post fixation au tetroxyde d’osmium (OsO4) à 1%, similairement tamponné pendant 6 h, à température ambiante. La déshydratation a été faite par passages successifs des fragments ainsi traités, dans une série de bains d’alcool éthylique à degré croissant puis au dioxyde de propyléne. L’inclusion a été faite dans une résine Epoxy Spurr’s très fluide (Spurr 1969). Des coupes transversales semi-fines de 1 à 2 µm ont été réalisées par suite à l’aide d’un ultra microtome, puis placées sur des lames porte-objet et colorées au bleu de toluidine à 0.5%. Puis, ces coupes ont été observées et photographiées à l’aide d’un microscope muni d’un appareil photo, Type Leica DM2500.

 

2.2.5. Dosages biochimiques

Les concentrations en pigments chlorophylliens ont été déterminées à la fin des traitements selon la méthode de Gill (1970) en utilisant 0,1g de feuilles les plus exposées au soleil récolté sur cinq plants choisis aléatoirement par traitement. La densité optique est mesurée à 663 nm pour la chlorophylle (a) et à 645nm pour la chlorophylle (b). Les concentrations en chlorophylles (a) et (b), exprimées en mg. g-1 MF sont calculées par les formules suivantes :

 

- L’extraction et la purification de la proline ont été effectuées selon la méthode de Paquin and Le chasseur (1979). La densité optique est mesurée à 515 nm. La gamme étalon est établie par la proline pure. Le dosage des sucres solubles a été réalisé selon la technique décrite par Albouchi (1997), la gamme étalon est établie par le glucose pur. La DO est mesurée à la longueur d’onde 640nm.

 

2.3. Analyse statistique

Les données de chaque variable ont été soumises à une analyse de la variance à deux critères (population et traitement) en utilisant le logiciel SAS. Pour chaque population, la comparaison des moyennes des variables mesurées a été effectuée au seuil de 5% par le test de Tukey.

 

3. Résultats et discussion

3.1. Résultats

3.1.1. Effet de l’ombre sur la croissance des jeunes plants de chêne liège

3.1.1.1. Croissance en hauteur et en diamètre

L’analyse des données relatives à la croissance en hauteur de la tige principale et au diamètre au collet a montré un effet traitement et population significatif. Par comparaison au témoin, l’effet de l’ombre a induit une augmentation significative (p < 0,05) du taux de croissance relative en hauteur des tiges (TCRh) des plants de chêne liège avec toutefois une variabilité entre les deux populations. Les plants de Kef Rend (KR) se sont distingués par la plus forte croissance des tiges exprimée par un TCRh deux fois plus élevé que celui enregistré sous témoin (Fig. 2 A). L’ombre a induit un ralentissement du TCR au diamètre au collet qui a été cependant plus ou moins intense selon la population considérée. Ceci a été exprimé par une réduction évaluée par rapport aux témoins de l’ordre de 48% et 22% respectivement chez les plants BM et KR (Fig. 2 B).

 

 

 

 

 

Figure 2Effet de l’intensité lumineuse sur le taux de croissance relative en hauteur (TCRh, mm/jour.mm) (A) et en diamètre au collet (TCRd, mm/jour.mm) (B) des plants de chêne liège issus des populations Kef Rend (KR) et Ben Metir (BM) conduits sous témoin (100% ILN) ou sous ombre (50% ILN), n = 10 (moyenne ± SD).

 

 

3.1.1.2. Elongation foliaire

L’effet de l’ombre a stimulé significativement (p < 0,05) la croissance foliaire des plants de chêne liège. Cet effet a été perceptible à 20 jours de traitement sauf qu’il a été plus notable chez les plants BM (Fig. 3). En effet à cette date une augmentation de l’élongation foliaire évaluée par rapport au témoin de l’ordre de 18% et 39% a été enregistrée respectivement chez KR et BM. A 60 jours de traitement, les plants BM montrent des feuilles d’une longueur moyenne de 46 mm contre 36 mm chez les plants KR.

 

 

Figure 3. Effet de l’intensité lumineuse sur l’élongation foliaire des plants de chêne liège issus des populations de Kef Rend (KR), et Ben Metir (BM), témoin (100% ILN) ou sous ombre (50% ILN), n = 10 (moyenne ± SD). Les lettres différentes indiquent une différence significative à (p < 0,05) selon le test de Tukey entre les traitements.

 

3.1.1.3. Surface spécifique foliaire et concentrations en chlorophylles

L’effet de l’ombre a induit une augmentation (p < 0,05) de la surface spécifique foliaire (SFS) des plants de chêne liège (Tableau 2). Les plants BM ont enregistré la plus forte augmentation chiffrée à 15% du témoin contre 9% chez KR. De plus, une augmentation des concentrations en chlorophylles a été enregistrée chez ces deux populations sous ce stress (Tableau 3).

 

3.1.1.4. Structure anatomique des feuilles

Sous ombre la structure des feuilles de plants de chêne liège a été modifiée. Les sections de feuilles chez les plants KR (Fig. 4A et 4B) ou BM (Fig. 4C et 4D) apparaissent rétrécies avec une épaisseur du mésophylle plus faible comparativement à celles du témoin conduit sous lumière naturelle.