Fiche explicative de la leçon: Défenses des végétaux contre les agents pathogènes Biologie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les structures végétales qui limitent l’entrée d’agents pathogènes ainsi que les différentes adaptations des végétaux qui limitent les dommages causés par l’infection.

Les plantes sont des organismes incroyables. Elles sont qualifiées de productrices, car elles synthétisent leur propre nourriture grâce à la photosynthèse. Les molécules de sucre que les plantes produisent lors de la photosynthèse fournissent aux humains et à beaucoup d’autres êtres vivants la nourriture dont ils ont besoin pour survivre, formant ainsi la base de presque toutes les chaînes alimentaires. Les plantes sont donc essentielles à chaque écosystème de la planète, et sans elles, nous aurions du mal à survivre en tant qu’espèce ! 

Tout comme les maladies chez les animaux, les maladies des végétaux doivent être contrôlées car elles sont une cause majeure de l’extinction des espèces. En 2016, le pourcentage d’espèces végétales menacées d’extinction était de , mais en 2020, il a presque doublé jusqu’à atteindre  ! Puisque de l’apport alimentaire de la population humaine n’est constitué que de 15 espèces de plante, comme le blé, si une seule de ces quelques espèces venait à disparaître à cause d’une maladie, nous serions très vulnérables. La maladie des végétaux est donc un sujet important à comprendre, et nous commencerons par examiner comment sont provoquées la mort et la maladie chez les végétaux.

De nombreuses plantes sont attaquées par des herbivores. Les herbivores sont des organismes qui se nourrissent uniquement de végétaux. Ils peuvent consommer la plante entière ou une partie tellement conséquente de la plante qu’elle n’y survit pas. Les humains favorisent le broutage en élevant de plus en plus d’animaux que l’on mange ou qui sont transformés en d’autres produits commerciaux. Le pâturage du bétail pour la production laitière en est un exemple.

Les végétaux dépendent des ions minéraux qu’ils absorbent du sol, tels que le magnésium et les nitrates, pour un grand nombre de leurs fonctions majeures. Le magnésium, par exemple, est utilisé pour fabriquer de la chlorophylle, et les nitrates sont utilisés pour fabriquer des acides aminés. Si le sol manque de ces minéraux, la plante ne sera pas capable de photosynthétiser ou de croître, et sera alors condamnée. Sur la figure ci-dessous, on observe des feuilles de pommier jaunes et malades à cause d’une carence en ions azote, potassium et fer.

Les jardiniers et les agriculteurs ajoutent parfois des produits chimiques au sol, tels que des herbicides. Les herbicides sont conçus pour éliminer les mauvaises herbes et les espèces de plantes indésirables de sorte qu’il y ait moins de concurrence avec la plante cultivée. Cependant, les herbicides peuvent se répandre et contaminer d’autres sources ce qui peut tuer des espèces végétales qui n’étaient pas ciblées.

Les polluants environnementaux, tels que les métaux lourds provenant des déchets des usines, peuvent avoir un effet toxique direct ou indirect sur les végétaux. Par exemple, les sels d’aluminium toxiques absorbés dans le sol peuvent diminuer l’énergie utilisée dans la photosynthèse. Cela provoque une baisse du taux de photosynthèse et peut donc entraîner une diminution du taux de croissance des plantes.

Il est important de noter que des conditions environnementales difficiles peuvent également être responsables de la destruction des végétaux. De telles conditions inadéquates incluent des changements dans la quantité d’eau du sol et des températures extrêmes qui sont soit trop chaudes soit trop froides pour la survie de la plante. Le changement climatique actuel pourrait être désastreux pour de nombreuses espèces de plantes dans le monde.

Les agents pathogènes sont des micro-organismes responsables de maladies qui sont une cause majeure de la mort des végétaux. Les maladies causées par des agents pathogènes tels que les bactéries, les champignons ou les virus, sont très dangereuses pour les populations végétales car elles sont infectieuses et risquent de se propager entre les organismes.

Regardons quelques exemples de maladies des plantes causées par des agents pathogènes, avant de voir comment les plantes sont capables de réagir grâce à de multiples défenses physiques et chimiques.

Le virus de la mosaïque du tabac (TMV) est une maladie qui touche de nombreuses espèces, en particulier les plants de tabac et de tomate. Il infecte les chloroplastes en changeant leur couleur du vert au jaune ou au blanc, donnant aux feuilles un aspect mosaïque, comme vous pouvez le voir sur la photo d’une aubergine infectée par le TMV ci-dessous.

Un autre exemple de maladie des végétaux est le mildiou de la pomme de terre. Le mildiou de la pommes de terre est une maladie causée par les spores d’un protiste semblable à un champignon. Cet agent pathogène est adapté à vivre dans des environnements humides et ses spores se propagent grâce au vent. Un champ entier de pommes de terre peut pourrir à la suite d’une seule infection, et dans certains cas éliminer la population en seulement 10 jours ! La photo ci-dessous montre les ravages du mildiou dans une culture de pommes de terre, de nombreux tubercules de pomme de terre se mettent alors à pourrir et à se décomposer, ce qui réduit grandement le rendement pour les agriculteurs.

Lorsqu’un tel agent pathogène se propage à grande échelle, il peut entraîner une crise alimentaire pour la population qui en dépend. Par exemple, la Grande famine causée par le mildiou de la pomme de terre a entraîné la mort d’environ un million de personnes rien qu’en Irlande, en raison de la famine et de la maladie.

Les végétaux se défendent grâce à leur résistance, de façon à la fois structurelle, avec des défenses physiques et des réponses, et biochimique, en libérant des substances chimiques. Les humains peuvent créer une résistance acquise chez les plantes en les manipulant génétiquement et en croisant sélectivement des plantes immunisées contre certaines maladies.

Tout d’abord, regardons comment les défenses structurales constitutives d’une plante aident à limiter l’entrée d’un agent pathogène.

L’épiderme est la couche la plus externe des feuilles, des tiges et des racines d’une plante. Il se trouve à la fois dans la partie supérieure et inférieure de la feuille, comme indiqué sur la figure 4.

Dans certains cas, l’épiderme produit une cuticule cireuse qui la recouvre. La cuticule cireuse est une couche résistante à l’eau, et si l’eau ne peut pas facilement se déposer à la surface de l’épiderme, alors les agents pathogènes transmissibles par l’eau ne le peuvent pas non plus. L’épiderme peut aussi être recouvert de poils ou d’épines, ce qui aide à éloigner les herbivores. Ensemble, ces facteurs réduisent les chances que des bactéries ou des champignons se développent et se reproduisent à la surface de la plante, limitant ainsi leur entrée.

La paroi cellulaire des cellules végétales représente un mécanisme de défense majeur. Les parois cellulaires des végétaux sont faites de polymères glucidiques appelés la cellulose, composée de milliers de molécules de glucose liées entre elles. Vous pouvez voir comment la cellulose compose ces parois cellulaires sur la figure 5, qui agrandit progressivement l’image d’une feuille pour révéler la composition de ses cellules, des parois cellulaires et de la cellulose elle-même. La cellulose est très rigide, et le maillage qu’elle forme dans la paroi constitue une barrière physique entre le contenu de la cellule et tout agent pathogène qui tenterait d’y accéder depuis l’extérieur de la paroi.

Certains pathogènes parviennent à pénétrer à travers ces structures constitutives. Regardons comment les structures physiques des plantes peuvent empêcher la propagation de l’infection une fois que le pathogène est entré dans la plante. On les appelle des défenses structurelles induites.

Les plantes subissent souvent des lésions physiques à leur surface à mesure qu’elles croîent et changent selon les saisons, ou sont endommagées par d’autres organismes. Ces coupures donne un accès aux agents pathogènes à l’intérieur de la plante. Pour isoler les régions coupées du reste de la plante, certaines plantes sont capables de former des couches rigides de liège pour bloquer ces entrées nouvellement formées. D’autres végétaux peuvent sécréter des gommes ou des résines dans les cellules qui entourent la lésion. Ces gommes collantes permettent de bloquer la coupure et d’empêcher l’entrée d’agents pathogènes en les capturant. Vous pouvez voir un arbre produisant de la résine pour bloquer une lésion à sa surface sur la figure ci-dessous, ce qui empêcherait l’entrée d’agents pathogènes.

Les vaisseaux du xylème se trouvent dans le système vasculaire des plantes. Le xylème est responsable du transport de l’eau et des ions minéraux depuis les racines de la plante vers le reste des organes de la plante qui en ont besoin. Les vaisseaux du xylème sont recouverts de tissus vivants simples appelés le parenchyme. Lorsque la plante est stressée, par exemple par une infection, ces cellules parenchymateuses répondent en s’introduisant dans le xylème, ce qui l’obstrue. Cela est utile, car l’infection est moins susceptible de se propager à d’autres organes par le biais du système vasculaire. Ces excroissances des cellules du parenchyme entourant le xylème sont appelées des thylles.

Certaines cellules, en particulier les cellules de l’épiderme et celles qui se trouvent en dessous, sont capables de réagir à une infection en gonflant leur paroi cellulaire. Cela rend les cellules plus grandes et plus difficiles à pénétrer pour l’agent pathogène. En conséquence, il est plus difficile pour le pathogène d’accéder aux tissus internes de la plante. Les végétaux peuvent également renforcer leurs parois cellulaires en y ajoutant des substances plus résistantes telles que la lignine et le callose. Dans les cas où le pathogène est fongique, le gonflement des parois cellulaires des plantes peut complètement recouvrir et isoler le champignon pour empêcher ses cellules de le transmettre à son voisin.

La dernière défense structurelle induite d’une plante en réponse à une infection que nous aborderons dans cette fiche explicative est la réponse hypersensible. Cela implique la destruction des tissus infectés de la plante, ce qui restreint le mouvement de l’agent pathogène. Cela ralentit la propagation de l’infection et peut sauver la plante ! 

Regardons ensuite la résistance biochimique, caractérisée par la libération de composés chimiques par les végétaux pour limiter les dommages causés par les agents pathogènes.

Des récepteurs sont présents sur la membrane cellulaire de toutes les cellules végétales. Les récepteurs peuvent différencier entre une cellule du « soi », qui appartient à la plante, et une cellule du « non-soi », indiquant la présence d’un organisme étranger qui pourrait être un pathogène.

L’entrée d’un agent pathogène est détectée par des récepteurs de la plante qui reconnaissent l’agent pathogène comme un organisme étranger. Les molécules à la surface de l’agent pathogène se lient aux récepteurs, comme vous pouvez le voir sur la figure 7. Cela active les récepteurs, et de ce fait la concentration des récepteurs augmente. Lorsque ces récepteurs sont activés, ils libèrent des substances chimiques, telles que l’acide salicylique, pour alerter le système de résistance basale de la plante qu’un organisme potentiellement dangereux est entré et doit être traité.

Regardons quelques-unes des défenses biochimiques induites par ces récepteurs.

La concentration des composés chimiques antimicrobiens augmente souvent après une infection. Par exemple, les phénols, les glycosides et les acides aminés tels que la canavanine et la céphalosporine sont toxiques pour les agents pathogènes comme les bactéries. Ils peuvent soit directement tuer l’agent pathogène, soit inhiber sa reproduction et sa croissance pour empêcher la propagation de l’infection.

Après une infection, certaines plantes peuvent produire des protéines spécifiques ayant des propriétés antitoxines. Ces protéines peuvent convertir les toxines produites par le pathogène en produits moins toxiques qui ne nuisent pas à la plante. D’autres protéines telles que des enzymes détoxifiantes peuvent être produites. Ces enzymes peuvent dégrader les toxines produites par le pathogène pour limiter les dommages qu’elles provoquent.

Lors d’une réponse à une infection, la plante cherchera à diminuer la consommation d’énergie des processus non essentiels. Par conséquent, des structures telles que les organes de stockage de nourriture ne seront pas formées, car la majorité de l’énergie sera utilisée pour induire les mécanismes de résistance structurel et biochimique.

Si l’infection disparaît, les plantes peuvent activer et renforcer leurs défenses. Une plante qui a déjà été infectée peut induire des réponses beaucoup plus rapidement lors d’une réinfection. Étonnamment, les plantes peuvent avertirent d’autres plantes de la présence d’une maladie ! Pour ce faire, elles libèrent des composés organiques volatils dans l’air. Cela permet aux plantes voisines de préparer leurs défenses physiques et chimiques contre l’assaut imminent d’agents pathogènes, pour favoriser la survie globale de la population végétale.

Exemple 4: Décrire le rôle de l’acide salicylique comme méthode de défense chimique

De nombreuses espèces de saules, représenté sur la figure, fabriquent et distribuent de l’acide salicylique dans toutes les parties de la plante après une infection.

Quel est le rôle de l’acide salicylique dans la défense du saule contre la maladie ? 

1. Il augmente la formation d’organes de stockage des aliments.
2. Il alerte la plante entière qu’une infection est survenue.
3. Il induit la mort cellulaire généralisée pour limiter l’infection.
4. Il tue directement le pathogène infectieux.

Réponse

Les infections chez les végétaux sont causées par des agents pathogènes. Elles peuvent se propager rapidement à d’autres parties de la plante, et même à d’autres organismes. Les plantes possèdent de nombreuses adaptations structurelles et biochimiques qui leur permettent de réagir efficacement à une infection par un pathogène de manière à ralentir ou arrêter sa propagation.

Lors d’une réponse à une infection, la plante cherchera à diminuer l’énergie consommée par les processus non essentiels. Par conséquent, les organes de stockage des aliments ne seront pas formés, car la majorité de l’énergie sera dépensée pour induire un mécanisme de résistance structurel et biochimique.

L’entrée d’un agent pathogène est détectée par les récepteurs des plantes qui reconnaissent l’agent pathogène comme un organisme du non-soi. Les molécules à la surface de l’agent pathogène se lient aux récepteurs, ce qui les active. Lorsque ces récepteurs sont activés, des substances chimiques telles que l’acide salicylique sont libérées pour alerter le système immunitaire inné de la plante qu’un organisme qui pourrait être dangereux a pénétré dans la plante et doit être combattu. Cela permet à la plante de répondre de manière adéquate.

Bien que l’une de ces réponses soit la mort cellulaire localisée pour limiter la propagation de l’infection, elle n’est pas directement provoquée par l’acide salicylique. Les autres composés chimiques qui peuvent être libérés pour combattre l’infection comprennent les toxines ou les enzymes capables de dégrader l’agent pathogène, mais, encore une fois, ceci n’est pas la fonction même de l’acide salicylique.

Le rôle de l’acide salicylique est donc d’alerter la plante entière qu’une infection est survenue.

Voyons maintenant comment les agriculteurs peuvent améliorer l’immunité de leurs cultures.

Certaines mesures visant à prévenir la propagation de maladies, telles que la pulvérisation de produits chimiques toxiques pour les agents pathogènes sur les végétaux, peuvent nuire à d’autres espèces. Il existe d’autres méthodes qui peuvent limiter les dommages aux végétaux causés par des agents pathogènes, sans engendrer de tels effets négatifs. Ces méthodes incluent le génie génétique et les sélections végétales, qui peuvent être très efficaces pour augmenter la résistance d’une culture contre une maladie.

Certaines plantes ont une prédisposition génétique à la résistance aux maladies. Elles peuvent avoir une version d’un gène qui leur permet de présenter les défenses structurelles et chimiques que nous avons étudiées, les protégeant ainsi contre les maladies.

L’élevage sélectif est un processus par lequel deux individus ayant certaines caractéristiques désirables sont croisés ensemble. Dans ce contexte, un exemple pourrait être la sélection de deux plantes qui possèdent une version d’un gène qui les aide à résister à un certain agent pathogène. Les plantes seraient artificiellement croisées. Leur descendance serait testée pour voir si elle possède également le caractère de résistance aux maladies. Ceux qui l’ont sont croisés entre eux, puis le processus est répété sur plusieurs générations. Cela peut aboutir à une grande proportion de plantes résistantes à une maladie.

Alors que de nombreux organismes ont un certain degré de résistance basale dès la naissance, certains organismes sont capables d’obtenir une résistance contre certaines maladies au cours de leur vie. C’est ce qu’on appelle la résistance acquise.

La résistance acquise peut provenir soit d’une exposition à une maladie, soit d’un autre organisme. Un exemple de la manière dont la résistance acquise peut être obtenue dans les organismes est le génie génétique.

Le génie génétique modifie de façon permanente l’ADN d’un organisme. Un gène qui code pour la résistance à une certaine maladie dans un autre organisme peut être incorporé dans l’ADN de la plante. Comme les végétaux poussent rapidement et sont faciles à cloner, une grande partie de la population sera résistante à cette maladie spécifique.

Récapitulons certains des points clés que nous avons couverts dans cette fiche explicative.