31.3 : Adaptations nutritionnelles des plantes

Compétences à développer

• Comprendre les adaptations nutritionnelles des plantes
• Décrire les mycorhizes
• Expliquer la fixation de

Les plantes obtiennent de la nourriture de deux manières différentes. Les plantes autotrophes peuvent fabriquer leur propre nourriture à partir de matières premières inorganiques, telles que le dioxyde de carbone et l'eau, par photosynthèse en présence de lumière solaire. Les plantes vertes font partie de ce groupe. Certaines plantes sont cependant hétérotrophes : elles sont totalement parasitaires et dépourvues de chlorophylle. Ces plantes, appelées plantes holo-parasites, sont incapables de synthétiser du carbone organique et de tirer tous leurs nutriments de la plante hôte.

Les plantes peuvent également avoir recours à des partenaires microbiens pour acquérir des nutriments. Certaines espèces de bactéries et de champignons ont évolué en même temps que certaines plantes pour créer une relation symbiotique mutualiste avec les racines. Cela améliore la nutrition de la plante et du microbe. La formation de nodules chez les légumineuses et la mycorhisation peuvent être considérées parmi les adaptations nutritionnelles des plantes. Cependant, ce n'est pas le seul type d'adaptation que nous pouvons trouver ; de nombreuses plantes ont d'autres adaptations qui leur permettent de prospérer dans des conditions spécifiques.

Fixation de l'azote : interactions entre racines et bactéries

L'azote est un macronutriment important car il fait partie des acides nucléiques et des protéines. L'azote atmosphérique, qui est la molécule diatomique\(\ce{N2}\), ou diazote, est le plus grand réservoir d'azote des écosystèmes terrestres. Cependant, les plantes ne peuvent pas tirer parti de cet azote car elles ne possèdent pas les enzymes nécessaires pour le transformer en formes biologiquement utiles. Cependant, l'azote peut être « fixé », ce qui signifie qu'il peut être converti en ammoniac (\(\ce{NH3}\)) par des processus biologiques, physiques ou chimiques. Comme vous l'avez appris, la fixation biologique de l'azote (BNF) est la conversion de l'azote atmosphérique (\(\ce{N2}\)) en ammoniac (\(\ce{NH3}\)), réalisée exclusivement par des procaryotes tels que des bactéries du sol ou des cyanobactéries. Les processus biologiques fournissent 65 pour cent de l'azote utilisé en agriculture. L'équation suivante représente le processus :

\[\ce { N2 + 16 ATP + 8 e^{-} + 8 H^{+} \rightarrow 2 NH3 + 16 ADP + 16 P_i + H_2} \nonumber\]

La source la plus importante de BNF est l'interaction symbiotique entre les bactéries du sol et les légumineuses, y compris de nombreuses cultures importantes pour l'homme (Figure\(\PageIndex{1}\)). Le NH ₃ résultant de la fixation peut être transporté dans les tissus végétaux et incorporé dans des acides aminés, qui sont ensuite transformés en protéines végétales. Certaines graines de légumineuses, comme le soja et les arachides, contiennent des niveaux élevés de protéines et constituent l'une des plus importantes sources de protéines agricoles au monde.

 

Figure\(\PageIndex{1}\) : Certaines légumineuses comestibles courantes, comme (a) les arachides, (b) les haricots et (c) les pois chiches, peuvent interagir en symbiose avec les bactéries du sol qui fixent l'azote. (crédit a : modification d'une œuvre par Jules Clancy ; crédit b : modification d'une œuvre par l'USDA)

Exercice\(\PageIndex{1}\)

Les agriculteurs alternent souvent le maïs (une culture céréalière) et le soja (une légumineuse) en plantant un champ avec chaque culture en alternance. Quel avantage cette rotation des cultures pourrait-elle apporter ?

Réponse

Le soja est capable de fixer l'azote dans ses racines, qui ne sont pas récoltées à la fin de la saison de croissance. L'azote souterrain peut être utilisé par le maïs au cours de la saison suivante.

Les agriculteurs alternent souvent le maïs (une céréale) et le soja (une légumineuse), plantant un champ avec chaque culture en alternance. Quel avantage cette rotation des cultures pourrait-elle apporter ?

Les bactéries du sol, collectivement appelées rhizobiums, interagissent en symbiose avec les racines des légumineuses pour former des structures spécialisées appelées nodules, dans lesquelles s'effectue la fixation de l'azote. Ce processus implique la réduction de l'azote atmosphérique en ammoniac, au moyen de l'enzyme nitrogénase. Par conséquent, l'utilisation de rhizobiums est un moyen naturel et écologique de fertiliser les plantes, par opposition à la fertilisation chimique qui utilise une ressource non renouvelable, telle que le gaz naturel. Grâce à la fixation symbiotique de l'azote, la plante bénéficie de l'utilisation d'une source infinie d'azote provenant de l'atmosphère. Le processus contribue simultanément à la fertilité du sol car le système racinaire de la plante laisse derrière lui une partie de l'azote biologiquement disponible. Comme dans toute symbiose, les deux organismes bénéficient de l'interaction : la plante obtient de l'ammoniac et les bactéries obtiennent des composés carbonés générés par la photosynthèse, ainsi qu'une niche protégée dans laquelle elles peuvent se développer (Figure\(\PageIndex{2}\)).

Figure\(\PageIndex{2}\) : Les racines du soja contiennent (a) des nodules fixateurs d'azote. Les cellules présentes dans les nodules sont infectées par Bradyrhyzobium japonicum, un rhizobium ou bactérie qui aime les racines. Les bactéries sont enfermées dans (b) des vésicules à l'intérieur de la cellule, comme le montre cette micrographie électronique à transmission. (crédit a : modification des travaux par l'USDA ; crédit b : modification des travaux de Louisa Howard, installation de microscopie électronique de Dartmouth ; données à barres d'échelle fournies par Matt Russell)

Mycorhizes : la relation symbiotique entre les champignons et les racines

Une zone d'appauvrissement en éléments nutritifs peut se développer en présence d'une absorption rapide de la solution du sol, d'une faible concentration d'éléments nutritifs, d'un faible taux de diffusion ou d'une faible humidité Ces conditions sont très courantes ; par conséquent, la plupart des plantes dépendent des champignons pour faciliter l'absorption des minéraux du sol. Les champignons forment des associations symbiotiques appelées mycorhizes avec les racines des plantes, dans lesquelles les champignons sont intégrés à la structure physique de la racine. Les champignons colonisent le tissu racinaire vivant pendant la croissance active des plantes.

Par mycorhisation, la plante obtient principalement du phosphate et d'autres minéraux, tels que le zinc et le cuivre, du sol. Le champignon obtient des nutriments, tels que des sucres, à partir de la racine de la plante (Figure\(\PageIndex{3}\)). Les mycorhizes contribuent à augmenter la surface du système racinaire de la plante car les hyphes, qui sont étroits, peuvent se propager au-delà de la zone d'appauvrissement en nutriments. Les hyphes peuvent se développer dans de petits pores du sol qui permettent à la plante d'accéder à du phosphore qui, autrement, ne serait pas disponible. L'effet bénéfique sur la plante est mieux observé dans les sols pauvres. L'avantage pour les champignons est qu'ils peuvent obtenir jusqu'à 20 pour cent du carbone total auquel les plantes accèdent. Les mycorhizes agissent comme une barrière physique contre les agents pathogènes. Elle permet également d'induire des mécanismes de défense généralisés de l'hôte et implique parfois la production de composés antibiotiques par les champignons.

Figure\(\PageIndex{3}\) : Les extrémités des racines prolifèrent en présence d'une infection mycorhizienne, qui apparaît sous forme de duvet blanc cassé sur cette image. (source : modification des travaux de Nilsson et al., BMC Bioinformatics 2005)

Il existe deux types de mycorhizes : les ectomycorhizes et les endomycorhizes. Les ectomycorhizes forment une vaste gaine dense autour des racines, appelée manteau. Les hyphes des champignons s'étendent du manteau au sol, ce qui augmente la surface d'absorption de l'eau et des minéraux. Ce type de mycorhizes se trouve dans les arbres forestiers, en particulier les conifères, les bouleaux et les chênes. Les endomycorhizes, également appelées mycorhizes arbusculaires, ne forment pas de gaine dense au-dessus de la racine. Au lieu de cela, le mycélium fongique est intégré dans le tissu racinaire. Les endomycorhizes se trouvent dans les racines de plus de 80 pour cent des plantes terrestres.

Nutriments provenant d'autres sources

Certaines plantes ne peuvent pas produire leur propre nourriture et doivent se nourrir de sources extérieures. Cela peut se produire avec des plantes parasites ou saprophytes. Certaines plantes sont des symbiotes mutualistes, des épiphytes ou des insectivores.

Parasites végétaux

La survie d'une plante parasite dépend de son hôte. Certaines plantes parasites n'ont pas de feuilles. La cuscute en est un exemple (Figure\(\PageIndex{4}\)), qui possède une tige cylindrique faible qui s'enroule autour de l'hôte et forme des ventouses. À partir de ces ventouses, les cellules envahissent la tige de l'hôte et se développent pour se connecter aux faisceaux vasculaires de l'hôte. La plante parasite obtient de l'eau et des nutriments grâce à ces connexions. La plante est un parasite total (holoparasite) car elle dépend entièrement de son hôte. D'autres plantes parasites (hémiparasites) sont entièrement photosynthétiques et n'utilisent l'hôte que pour l'eau et les minéraux. Il existe environ 4 100 espèces de plantes parasites.

Figure\(\PageIndex{4}\) : La cuscute est un holoparasite qui pénètre dans le tissu vasculaire de l'hôte et détourne les nutriments nécessaires à sa propre croissance. Notez que les vignes de la cuscute, aux fleurs blanches, sont beiges. La cuscute ne possède pas de chlorophylle et ne peut pas produire sa propre nourriture. (crédit : « Lalithamba » /Flickr)

Saprophytes

Un saprophyte est une plante qui ne possède pas de chlorophylle et qui se nourrit de matières mortes, comme les bactéries et les champignons (notez que les champignons sont souvent appelés saprophytes, ce qui est incorrect, car les champignons ne sont pas des plantes). De telles plantes utilisent des enzymes pour convertir les matières alimentaires biologiques en formes plus simples à partir desquelles elles peuvent absorber les nutriments (Figure\(\PageIndex{5}\)). La plupart des saprophytes ne digèrent pas directement les matières mortes : ils parasitent plutôt les champignons qui digèrent les matières mortes ou qui sont mycorhiziens, obtenant finalement du photosynthate à partir d'un champignon dérivé du photosynthate de son hôte. Les plantes saprophytes sont peu communes ; seules quelques espèces sont décrites.

Figure\(\PageIndex{5}\) : Les saprophytes, comme cette pipe hollandaise (Monotropa hypopitys), se nourrissent de matières mortes et ne possèdent pas de chlorophylle. (crédit : modification de l'œuvre d'Iwona Erskine-Kellie)

Symbiotes

Un symbiote est une plante qui entretient une relation symbiotique, avec des adaptations spéciales telles que des mycorhizes ou la formation de nodules. Les champignons forment également des associations symbiotiques avec les cyanobactéries et les algues vertes (appelées lichens). Les lichens peuvent parfois être considérés comme des excroissances colorées à la surface des rochers et des arbres (Figure\(\PageIndex{6}\)). Le partenaire algal (phycobiote) produit de la nourriture de manière autotrophe, dont il partage une partie avec le champignon ; le partenaire fongique (mycobionte) absorbe l'eau et les minéraux de l'environnement, qui sont mis à la disposition de l'algue verte. Si l'un des partenaires était séparé de l'autre, ils mourraient tous les deux.

Figure\(\PageIndex{6}\) : Les lichens, qui entretiennent souvent des relations symbiotiques avec d'autres plantes, poussent parfois sur les arbres. (crédit : « benketaro » /Flickr)

Épiphytes

Un épiphyte est une plante qui pousse sur d'autres plantes, mais qui ne dépend pas de l'autre plante pour sa nutrition (Figure\(\PageIndex{7}\)). Les épiphytes ont deux types de racines : les racines aériennes accrochées, qui absorbent les nutriments de l'humus qui s'accumule dans les crevasses des arbres, et les racines aériennes, qui absorbent l'humidité de l'atmosphère.

Figure\(\PageIndex{7}\) : Ces plantes épiphytes poussent dans la serre principale du Jardin des Plantes à Paris.

Plantes insectivores

Une plante insectivore possède des feuilles spécialisées pour attirer et digérer les insectes. Le piège à mouches Venus est connu pour son mode de nutrition insectivore et ses feuilles servent de pièges (Figure\(\PageIndex{8}\)). Les minéraux qu'elle obtient de ses proies compensent ceux qui sont absents du sol marécageux (faible pH) de ses plaines côtières natales de Caroline du Nord. Il y a trois poils sensibles au centre de chaque moitié de chaque feuille. Les bords de chaque feuille sont recouverts de longues épines. Le nectar sécrété par la plante attire les mouches vers la feuille. Lorsqu'une mouche touche les poils sensoriels, la feuille se ferme immédiatement. Ensuite, les liquides et les enzymes décomposent les proies et les minéraux sont absorbés par la feuille. Comme cette plante est populaire dans le commerce horticole, elle est menacée dans son habitat d'origine.

Figure\(\PageIndex{8}\) : Un piège à mouches Venus possède des feuilles spéciales pour piéger les insectes. (crédit : « Selena N.B.H. » /Flickr)

Résumé

L'azote atmosphérique est le plus grand réservoir d'azote disponible dans les écosystèmes terrestres. Cependant, les plantes ne peuvent pas utiliser cet azote car elles ne possèdent pas les enzymes nécessaires. La fixation biologique de l'azote (BNF) est la conversion de l'azote atmosphérique en ammoniac. La source la plus importante de BNF est l'interaction symbiotique entre les bactéries du sol et les légumineuses. Les bactéries forment des nodules sur les racines des légumineuses dans lesquels s'effectue la fixation de l'azote. Les champignons forment des associations symbiotiques (mycorhizes) avec les plantes et s'intègrent à la structure physique de la racine. Par mycorhization, la plante obtient des minéraux du sol et le champignon obtient du photosynthate de la racine de la plante. Les ectomycorhizes forment une vaste gaine dense autour de la racine, tandis que les endomycorhizes sont enfouis dans le tissu racinaire. Certaines plantes (parasites, saprophytes, symbiotes, épiphytes et insectivores) ont développé des adaptations pour obtenir leur nutrition organique ou minérale à partir de diverses sources.

Lexique

épiphyte

plante qui pousse sur d'autres plantes mais qui ne dépend pas d'autres plantes pour sa nutrition

plante insectivore

plante dont les feuilles sont spécialisées pour attirer et digérer les insectes

nitrogénase

enzyme responsable de la réduction de l'azote atmosphérique en ammoniac

nodules

structures spécialisées contenant des bactéries Rhizobia où se produit la fixation de l'azote

plante parasite

plante dont la survie dépend de son hôte

rhizobiums

bactéries du sol qui interagissent en symbiose avec les racines des légumineuses pour former des nodules et fixer l'azote

saprophyte

plante qui ne possède pas de chlorophylle et qui se nourrit de matières mortes

symbiote

plante en symbiose avec des bactéries ou des champignons