Abridged English version
Excessive soil salinity is an important constraint limiting the distribution of plants in natural habitats, and is an increasingly severe agricultural problem in arid and semiarid regions. About 15 million hectares are affected by salinity in the Maghreb and the Middle East. In Tunisia, the (semi)-arid Mediterranean bio-climatic regions are frequently irrigated with salt-enriched water. Consequently, about 10% of the whole territory and 20% of the cultivated lands are saline. Several solutions were advanced to attenuate the risks incurred by the agronomic production. However, such solutions are expensive and difficult to implement. As an alternative, one can minimize the unfavourable effects of salinity on the output of the cultures by the selection of species and varieties better adapted to the conditions of salinity. In spite of the multitude of work carried out on the responses to salinity in the halophytes as well as in the glycophytes, the data concerning the effect of salinity on the output in grains and its components are rare. The heaviness of the approaches suggests that it is convenient to work on plants with short cycles. The objective of this work is to evaluate the tolerance to salinity of the spontaneous Graminaceae with short cycle (three months), Setaria verticillata, during its entire cycle of development, based of growth, output, and mineral nutrition parameters. Fifteen-day-old plantlets were grown on commercial peat irrigated with pure NaCl solutions (0 to 300 mM) with 16-h photoperiod (100 μmol m−2 s−1 PAR), and temperature comprised between 25 °C (day) and 19 °C (night). Growth and development were monitored during the entire developmental cycle (ca three months). Samples were harvested for biomass determinations and ion content assays after three weeks of NaCl treatments. The samples were divided into roots and shoots, bagged and dried at 80 °C for at least 48 h. Dried leafs and root tissues were extracted in HNO3 0.1 N for 48 h. K+ and Na+ contents were estimated with an Eppendorf flame photometer.
During the whole development cycle, Setaria was a very sensitive species to NaCl. Dry weight of the vegetative organs of young plants is decreased at all the added levels of sodium chloride. The lowest NaCl concentration (50 mM) caused a significant reduction of dry weight production, for both roots and aerial parts. A 50% decrease of dry weight production was observed at 75 mM NaCl. At concentrations higher than 50 mM, dry matter deposition was more diminished in roots than in shoots, resulting in higher shoot/root ratios. This depressive effect of NaCl is observed in older plants (three months). However, the ear biomass is only affected for NaCl concentrations higher than 100 mM. The reduction of dry weight production, observed after three weeks at 50 mM NaCl, was associated with a high accumulation of Na+ and Cl− and a significant reduction of the K+ content in shoots. Potassium and calcium contents were significantly diminished in the plants, perhaps because of a restriction of external NaCl root absorption. This effect was much more pronounced for K+ than for Ca2+. However, the plant remains always selective to K+. In fact, the K/Na ratio determined in shoots and roots is reduced by salinity, but remains higher than the K/Na ratio calculated in the medium. During the reproductive phase, salt affects the components of the output and induces variability of the level of biomass production as significant as that noted during the phase of vegetative growth. Lastly, the germination capacity of seeds was strongly dependent on the salt concentration in the culture medium of the mother plants, a total loss of viability appearing on crop plants collected in the presence of 300 mM NaCl.
1 Introduction
La salinité des sols et des eaux d'irrigation compte parmi les principaux facteurs qui limitent la productivité végétale [1]. Le problème de la salinité prend de plus en plus d'ampleur dans la plupart des pays en voie de développement, où les terres fertiles et les eaux de bonne qualité sont devenues nettement insuffisantes pour une population sans cesse croissante [2]. En Tunisie, les sols salés occupent une superficie de 1,5 millions d'hectares, soit à peu près 25% de la surface totale des sols cultivables du pays [3]. Plusieurs solutions ont été avancées pour atténuer les risques encourus par la production agronomique [4,5]. Cependant, de telles solutions sont coûteuses et difficiles à mettre en œuvre. Comme alternative, on peut minimiser les effets défavorables de la salinité sur le rendement des cultures par la sélection d'espèces et de variétés mieux adaptées aux conditions de salinité. En dépit de la multitude de travaux effectués sur les réponses à la salinité chez les halophytes comme chez les glycophytes [4,6], les données concernant l'effet de la salinité sur le rendement en grains et ses composantes sont rares. La lourdeur des approches suggère qu'il est opportun de travailler sur des plantes à cycle court. L'objectif du présent travail est d'évaluer la tolérance à la salinité d'une graminée spontanée à cycle court (trois mois), Setaria verticillata, sur l'ensemble de son cycle de développement, sur la base de paramètres de croissance, de rendement et de nutrition minérale.
2 Matériel et méthodes
Les semis sont effectués sur de la tourbe commerciale et les plantules obtenues sont repiquées sur le même substrat, imbibé par capillarité avec de l'eau distillée, éventuellement additionnée de NaCl à différentes concentrations (50 à 300 mM). Les cultures sont conduites en salle climatisée sous éclairement artificiel de 100 μmol m−2 s−1 (photopériode 16 h), à une température comprise entre 25 °C le jour et 19 °C la nuit. Après 21 jours (première culture) ou 90 jours (deuxième culture), les plantes sont récoltées, puis séparées en racines et parties aériennes végétatives, et épis (quand ils sont formés). Les masses de matière fraîche et de matière sèche, ainsi que le contenu ionique des différents organes, sont déterminés à chaque récolte. La croissance moyenne relative (CMR) est calculée suivant la formule suivante : avec . L'indice de sensibilité au sel est calculé à partir de la formule : I.S., avec MSt la matière sèche correspondant au traitement témoin et MSs la matière sèche correspondant au traitement salin. Les ions minéraux K+, Ca2+ et Na+ sont dosés par photométrie de flamme en émission (photomètre Eppendorf) et Cl− par coulométrie (chloridomètre Buchler Cotlove), sur le produit d'une extraction à froid dans HNO3 0,1 N.
3 Résultats
3.1 Tolérance à NaCl pendant la phase végétative
Les deux principales manifestations de la salinité sont la réduction de la taille des plantes aux concentrations en NaCl supérieures ou égales à 100 mM, et l'apparition de nécroses foliaires aux concentrations plus élevées, signes d'une toxicité par excès d'accumulation de sel dans les feuilles. La présence de NaCl dans le milieu, même à faible dose (50 mM), entraîne, après 21 jours de culture, une baisse significative de la matière sèche des plantes, des racines comme des parties aériennes. La concentration en NaCl qui provoque 50% d'inhibition de la croissance pondérale des plantes est de l'ordre de 75 mM. L'augmentation du rapport PA/R (biomasse des parties aériennes/biomasse des racines) aux concentrations en NaCl supérieures à 50 mM indique que la croissance des racines est plus affectée par le sel que celle des organes aériens (Fig. 1).
Production de matière sèche des racines (R) et des parties aériennes (PA) et rapport de la matière sèche des parties aériennes et des racines chez des plantules de Setaria verticillata âgées de 15 j, cultivées pendant 21 j sur substrat organique en présence de NaCl en différentes concentrations (0 à 300 mM). Les valeurs représentent la moyenne de 16 mesures individuelles. Intervalles de sécurité calculés au seuil de 5%.
Pour apprécier l'effet du sel sur l'activité biosynthétique, nous avons calculé la croissance moyenne relative (CMR) des racines et celle des parties aériennes sur les différents milieux de culture. La Fig. 2 montre que la CMR des racines, comme celle des parties aériennes, est très sensible à la salinité du milieu de culture.
Croissance moyenne relative exprimée en quantité de biomasse produite par unité de matière sèche et par unité de temps (g g−1 MS j−1) des racines, parties aériennes et plante entière chez Setaria verticillata, âgée de 21 j, cultivée en absence (témoin) ou en présence de NaCl (50 à 300 mM). Les valeurs représentent la moyenne de 16 mesures individuelles.
Sur le plan nutritionnel, la culture sur sel entraîne un enrichissement des racines et des parties aériennes en Na+ et Cl−, avec généralement un excès d'accumulation du cation par rapport à l'anion, particulièrement dans les organes aériens (Fig. 3). La seconde manifestation du stress salin est une baisse significative des teneurs en K+ dans les deux types d'organes, aux concentrations en NaCl supérieures à 50 mM, traduisant probablement une restriction de l'approvisionnement de la plante en K+. Les teneurs en calcium sont plus stables et moins sensibles à la salinité que les teneurs en K+ (Fig. 3).
Teneurs en Na+, Cl−, K+ et Ca2+ (μequiv g−1 MS) des racines et des parties aériennes de Setaria verticillata, après trois semaines de culture en présence de NaCl en différentes concentrations (0 à 300 mM). Les valeurs représentent la moyenne de 16 mesures individuelles. Les intervalles de sécurité sont calculés au seuil de 5%.
La Fig. 4 donne le rapport des fractions ioniques équivalentaires K/(K + Na) dans les racines et les parties aériennes en fonction de la concentration en NaCl. Ce rapport est toujours plus élevé dans la plante que dans le milieu, ce qui montre l'aptitude de la plante à discriminer K+ et Na+, quelle que soit la richesse du milieu en Na+. Par ailleurs, ce rapport évolue parallèlement et conserve des valeurs voisines dans les racines et les organes aériens, ce qui suggère que la sélectivité K/Na des parties aériennes est déterminée, au moins en partie, par celle des racines. Enfin, pour les deux organes, la sélectivité en faveur de K+ chute fortement, même aux faibles doses de NaCl (50 mM), ce qui est peut être en rapport avec la forte sensibilité de la plante au stress salin. En effet, la représentation graphique de l'activité de biosynthèse des organes aériens (tout traitement confondu), en fonction du rapport K/(K + Na) dans ces organes (Fig. 4), montre que la CMR des organes aériens est corrélée positivement à la fraction ionique K/(K + Na) avec .
Fraction ionique équivalentaire K/(K + Na) de l'accumulation dans les racines et dans les parties aériennes et relation entre la CMR et la sélectivité ionique des organes aériens de plantes de Setaria verticillata cultivées pendant 21 j sur substrat organique en présence de NaCl en différentes concentrations en (0 à 300 mM).
3.2 Tolérance à NaCl pendant la phase reproductive
La croissance et le développement des plantes ont été suivis jusqu'à la production de grains. La présence de NaCl dans le milieu, en particulier aux concentrations supérieures à 50 mM, tend à accélérer le cycle de développement. À une floraison plus précoce est associée l'apparition de nécroses foliaires localisées. À long terme, la salinité élimine une partie des plantes mises en culture. La Fig. 5 montre l'effet de NaCl sur la masse sèche des différents organes, y compris les épis, après trois mois de culture sur divers milieux. On retrouve, à la fin du cycle, les traits dégagés durant la phase végétative : forte baisse de la masse racinaire à la dose la plus faible de NaCl (50 mM) et réduction progressive, presque linéaire, de la masse des parties aériennes pour les concentrations en NaCl supérieures à 50 mM. Le suivi de la répartition de la biomasse totale entre les deux types d'organes en fonction de la concentration du milieu de culture en NaCl est représenté sur la Fig. 5. Comme il a été noté plus haut (Fig. 1), le rapport PA/R augmente en fonction de la concentration en NaCl dans la solution d'arrosage, ce qui confirme la plus forte sensibilité au stress salin des racines relativement aux parties aériennes.
Masse de matière sèche des racines, des parties aériennes et des épis et rapport PA/R chez Setaria verticillata. Les plantules, âgées de 15 j, sont cultivées pendant trois mois sur substrat organique en présence de NaCl en différentes concentrations (0 à 300 mM). Les valeurs représentent la moyenne de quatre mesures individuelles.
Les paramètres qui interviennent dans la capacité de la plante à se reproduire sont le nombre de talles, le nombre d'épis par talle, le nombre de grains par épi et le pouvoir germinatif. Le Tableau 1 donne le nombre de talles herbacés par pied, le nombre d'épis par talle, le nombre de grains par épi, ainsi que la capacité germinative des grains. Ce tableau montre que le nombre de talles herbacés par pied diminue avec le traitement salin à partir de la concentration 150 mM. Cette diminution est de 50% par rapport au témoin. De même, le nombre d'épis par pied, ainsi que le nombre de grains par épi diminue avec la salinité de la solution d'arrosage et même s'annule à 300 mM. La capacité germinative (sur eau distillée) des grains issus des plantes témoins est de l'ordre de 70%. Elle tombe à 30% pour les grains formés sur NaCl 50 mM, et s'annule à 300 mM.
Paramètres de production des plantes de Setaria verticillata cultivées pendant trois mois sur des milieux de différentes concentrations en NaCl
| Paramètres | NaCl (mM) | |||||
| 0 | 50 | 100 | 150 | 200 | 300 | |
| Nombre de talles/plante | 4 | 4 | 4 | 2 | 2 | 2 |
| Nombre d'épis/plante | 3 | 4 | 3 | 1 | 1 | 0 |
| Nombre de grains/épi | 80 | 46 | 40 | 38 | 22 | 0 |
| Nombre de grains/plante | 240 | 184 | 120 | 38 | 22 | 0 |
| Capacité de germination | 70 | 30 | 26 | 18 | 6 | 0 |
4 Discussion
Chez toutes les espèces végétales, glycophytes comme halophytes, la salinité du milieu entraîne, à partir d'un certain seuil, une réduction de la biomasse. Néanmoins, le degré d'inhibition de la croissance dépend du genre, de l'espèce, de la variété, ainsi que du stade de développement de la plante et de la nature de l'organe [7,8]. Évaluée sur l'ensemble du cycle de développement, Setaria verticillata se présente comme une plante sensible à NaCl. L'action dépressive du sel se manifeste par une réduction de la production de matière sèche des différents organes de la plante et de la production de grains (Fig. 5). La toxicité du sel commence à se manifester au stade végétatif par l'apparition de nécroses sur les feuilles les plus âgées et s'accentue au cours du temps. Elle finit, dans certains cas, par éliminer une partie des plantes mises en culture, le taux de mortalité étant fonction de la concentration en NaCl (résultats non illustrés). L'étude du comportement de Setaria verticillata en conditions de stress salin montre que le sel affecte davantage la croissance des racines que celle des parties aériennes. Cette différence de sensibilité au sel entre les deux types d'organes apparaît clairement à l'examen du rapport PA/R, dont la valeur augmente en fonction de la concentration en NaCl (Fig. 1). La sensibilité du système racinaire est l'une des caractéristiques de la sétaire, car généralement ce sont les organes photosynthétiques qui manifestent une plus forte sensibilité au stress salin que les organes d'absorption [9,10]. La sensibilité au stress salin observée au niveau du système racinaire de la sétaire se traduit par une baisse au niveau de l'activité de biosynthèse d'autant plus importante que la salinité du substrat est plus élevée (Fig. 2).
L'effet dépressif de la salinité sur la croissance des plantes peut avoir deux causes principales, non exclusives : les difficultés d'alimentation en eau et en nutriments, et la toxicité des ions accumulés en excès dans la plante [11]. Nos résultats suggèrent que la réduction de matière sèche observée consécutivement à l'addition de NaCl dans la solution d'arrosage serait imputable à l'action défavorable des ions Na+ (et Cl−) accumulés dans les tissus. En effet, l'analyse minérale des plantes après 21 jours de traitement montre que l'accumulation de Na+ dans les organes aériens atteint des niveaux toxiques (supérieurs à 3 méq. g−1 MS), conduisant au dessèchement des plantes, particulièrement à la plus forte concentration en NaCl (300 mM). Mais cette accumulation massive de Na+ dans les tissus foliaires s'accompagne d'une diminution des teneurs en K+ d'autant plus prononcée que la concentration en NaCl dans la solution d'arrosage est plus élevée. Il est bien établi que la présence de Na+ et Cl− en grandes quantités dans le milieu de culture entraîne une compétition au niveau des sites d'absorption de K+, Ca2+ et NO−3 [12], se manifestant par la limitation de l'absorption de ces éléments nutritifs essentiels [4]. Hajji [13], dans ses travaux sur le laurier rose, montre que l'effet néfaste du sel sur la production de biomasse provient davantage d'une inhibition de l'alimentation de la racine en K+ et Ca2+, lorsque le milieu de culture contient des quantités importantes de NaCl, que de l'accumulation du sel dans la plante.
Chez les végétaux, et plus particulièrement chez les céréales, le maintien d'une bonne sélectivité K/Na dans les tissus peut être considéré comme un critère de tolérance à la salinité. La relation entre la sélectivité K/Na et la tolérance à la salinité a fait l'objet de plusieurs études [14,15]. Dans ses travaux sur l'orge, Greenway [16] montre que le cultivar tolérant possède une plus grande sélectivité K+/Na+ que le cultivar sensible. De même, la tolérance de certains cultivars de trèfles est associée à une limitation du transport de Na+ vers les organes aériens et au maintien d'une sélectivité K/Na élevée [7]. Chez Setaria verticillata, la sensibilité au sel est probablement en rapport avec la baisse de cette sélectivité, même aux plus faibles concentrations en NaCl (Fig. 4). En effet, l'indice de sensibilité de la plante entière est corrélé positivement à la fraction ionique K/(K + Na) de l'accumulation dans les parties aériennes (Fig. 6).
Relation entre l'indice de sensibilité et la sélectivité K/Na des organes aériens de plantes de Setaria verticillata cultivées pendant 21 j sur substrat organique, en présence de NaCl en différentes concentrations (0 à 300 mM).
Nos résultats relatifs aux plantes de Setaria cultivées pendant trois mois sur substrat organique additionné de NaCl montrent que les composantes du rendement en grains sont affectées de façon plus ou moins importante par la salinité. C'est le nombre de grains par plante qui est le plus touché par NaCl. En effet, la corrélation entre la production de grains et le nombre de talles herbacées par pied est hautement significative [17]. Selon Levitt [18], cette baisse du tallage peut être due, soit à des effets toxiques de Na+, soit à des effets « nutritionnels » liés à l'action de Na+ sur l'absorption d'autres ions, comme K+ en particulier. Les perturbations de l'alimentation potassique ne se limitent pas à la diminution de la mise en place des talles herbacées, mais affectent également le nombre d'épis par pied, consécutivement à la disparition d'un certain nombre de talles, lorsque les conditions de nutrition en cet élément deviennent limitantes.
La capacité germinative des grains récoltés au cours de l'expérience manifeste aussi une sensibilité à la salinité. L'aptitude des grains à germer sur l'eau distillée diminue au fur et à mesure que la concentration en NaCl appliquée pendant la culture augmente. Elle finit par s'annuler chez les graines récoltées sur des plantes cultivées sur NaCl 300 mM.
5 Conclusions
Setaria verticillata se révèle sensible à la salinité, aussi bien durant la phase de croissance végétative que pendant la phase de reproduction. La concentration en NaCl qui provoque 50% d'inhibition de la croissance pondérale des plantes est de l'ordre de 75 mM. L'action dépressive de NaCl se fait davantage sentir au niveau des racines qu'à celui des parties aériennes. La réduction de croissance observée sur NaCl semble associée à une forte accumulation de Na+ et à un déficit d'approvisionnement des organes aériens en K+. Bien que la plante reste sélective en faveur de K+, quelle que soit la richesse du milieu en Na+, le rapport K/(K + Na) diminue fortement avec la salinité, expliquant la forte sensibilité de la plante au stress salin. Pendant la phase reproductive, le sel affecte les composantes du rendement et induit une variabilité au niveau de la production de biomasse aussi importante que celle notée pendant la phase de croissance végétative. Enfin, la capacité germinative des grains est fortement dépendante de la concentration en sel du milieu de culture des plantes mères, une perte totale de viabilité se manifestant chez les graines récoltées sur des plantes cultivées en présence de NaCl 300 mM.