Video Transcript
Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire les structures des plantes qui limitent l’entrée des agents pathogènes et les différentes adaptations des plantes qui limitent les dommages causés par l’infection. Nous commencerons par explorer les principales causes de la mort des plantes, y compris les agents pathogènes responsables de maladies. Nous étudierons ensuite les défenses structurales constitutives des plantes qui empêchent l'entrée des agents pathogènes en les bloquant avec des barrières physiques ainsi que d’autres réponses structurelles induites qui peuvent être employées après l'infection, par exemple en libérant des substances chimiques. Nous allons voir en détail comment l’immunité biochimique est impliquée dans la défense des plantes contre les agents pathogènes. Enfin, nous examinerons comment la résistance génétique peut être conférée aux plantes par le biais du génie génétique et de la sélection végétale.
Tous les animaux dépendent directement ou indirectement de producteurs comme les plantes pour leur propre alimentation et leur survie. Ainsi, les producteurs, comme cette plante de blé ici, forment la base de chaque chaîne alimentaire, y compris de notre chaîne alimentaire humaine. En fait, 15 espèces de plante, comme le blé, fournissent à elles seules 90% de l’alimentation de la population humaine. Si ces espèces étaient menacées d’extinction, les humains et beaucoup d’autres espèces vivantes seraient en grande difficulté. Alors, regardons les différentes causes de la mort des plantes afin d’avoir une meilleure idée de la façon dont elles peuvent être épargnées.
De nombreuses plantes sont éliminées par des herbivores, comme cette vache ici, qui est un organisme se nourrissant à partir de matières végétales par le processus appelé pâturage. De nombreux hommes favorisent le broutage en élevant des animaux pour les manger ou les transformer en d'autres produits commerciaux, comme la production laitière. Plus la population humaine croissante consomme de produits animaux, plus l’élevage des herbivores augmente, donc plus il faut tuer de plantes pour les nourrir.
Les plantes dépendent des sels minéraux qu'elles absorbent du sol pour un grand nombre de leurs fonctions essentielles. Ainsi, une carence en ces minéraux peut entraîner la destruction des plantes. Le magnésium, par exemple, est utilisé pour fabriquer la chlorophylle, indispensable à la photosynthèse des plantes pour se nourrir, sans laquelle elles mourraient. Les jardiniers et les agriculteurs ajoutent parfois des produits chimiques au sol, tels que des herbicides, conçus pour tuer les mauvaises herbes et autres plantes indésirables. Les herbicides peuvent toutefois se propager et contaminer d'autres sources, ce qui peut tuer des espèces qui n’étaient pas visées, comme les haies qui entourent ce champ.
Les polluants environnementaux peuvent être toxiques pour les plantes. Par exemple, les effluents d’usines peuvent contenir des métaux lourds toxiques qui se déversent dans les sources d’eau comme les rivières. Ces polluants sont absorbés par les plantes et, à de fortes concentrations, ils lui sont fatals. Les agents pathogènes tels que les Bactéries, les Champignons, les Virus ou les Protistes sont des agents biologiques à l’origine de maladies et une cause majeure de la destruction des plantes. L’infection pathogène est très risquée pour les populations végétales, car elle peut se propager rapidement entre les différents organismes et peut même entraîner l’extinction d’une espèce. Voyons quelques exemples de maladies des plantes causées par des agents pathogènes.
Le virus de la mosaïque du tabac cause une maladie qui touche de nombreuses espèces différentes, en particulier les plants de tabac et de tomate. Il infecte les chloroplastes, dont la couleur passe du vert au jaune ou au blanc, ce qui donne aux feuilles une apparence mosaïque comme vous pouvez le voir sur ce dessin. Le mildiou de la pomme de terre est une maladie causée par les spores d’un protiste semblable à un champignon. Ce pathogène protiste est adapté pour vivre dans des environnements humides, et ses spores, qui sont représentées ici en rose, se propagent avec le vent. Une infection peut induire la décomposition rapide de tout un champ de pommes de terre, diminuant considérablement le rendement des cultures pour l’agriculteur et donc son revenu financier. Lorsque cela se produit à grande échelle, la population qui en dépend peut être confrontée à une crise alimentaire. 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 carence en nourriture et des maladies.
Découvrons comment les plantes peuvent se défendre contre les agents pathogènes, en commençant par leurs défenses structurelles constitutives qui limitent l’entrée des agents pathogènes. Cette figure montre la coupe transversale agrandie d’une feuille. L’épiderme est la couche la plus externe des cellules de la feuille d’une plante. Vous pouvez voir ici qu’il y a une couche de cellules de l’épiderme en haut et en bas de la feuille. Parfois, l’épiderme produit une cuticule qui le recouvre. La cuticule est une couche cireuse et résistante à l’eau qui recouvre l’épiderme des parties aérifères ou supérieures d’une plante. Si l’eau ne peut pas facilement se déposer à la surface de l’épiderme en raison de la cuticule, les agents pathogènes transmissibles par l’eau ne le peuvent pas non plus. L’épiderme peut également être recouvert de poils ou d’épines pointues. Ces structures épineuses servent principalement à repousser les herbivores. Les défenses réduisent la probabilité que les agents pathogènes se développent et se reproduisent à la surface de la plante, limitant le risque qu’ils entrent dans la plante.
Cette image est une cellule de feuille agrandie à partir du dessin de gauche. Et vous pouvez voir une défense majeure qui se trouve dans toutes les cellules végétales, la paroi cellulaire. Les parois cellulaires sont des couches structurelles rigides qui se trouvent à la surface externe des cellules végétales. Les parois cellulaires des plantes sont constituées d'un polymère glucidique appelé cellulose, que vous pouvez voir agrandi dans le schéma de la paroi cellulaire ici. La cellulose est très résistante car elle est constituée de milliers de molécules de glucose reliées entre elles. Ce maillage formé par la cellulose dans la paroi cellulaire constitue une barrière physique entre le contenu de la cellule et tout agent pathogène qui tente d’y accéder.
Certains agents pathogènes parviennent à passer outre ces caractéristiques structurelles constitutives. Alors, regardons comment les structures physiques des plantes se déclenchent une fois franchies par un pathogène pour empêcher la propagation de l'infection. Celles-ci sont appelées des défenses structurelles induites. Par exemple, elles interviennent lorsqu'une plante subit une lésion ou une déchirure de sa surface. Les lésions permettent aux agents pathogènes d’accéder facilement aux tissus internes de la plante, celle-ci doit donc bloquer ces points d’entrée. Pour ce faire, elles forment des couches rigides de liège au niveau de la zone de coupure. Les plantes peuvent également sécréter des gommes et des résines à partir des cellules entourant la lésion. Elles obstruent la lésion et piègent dans cette matière collante les agents pathogènes qui tentent de pénétrer dans la plante.
Le schéma de droite montre les cellules supérieures d’une feuille agrandie dont la surface a été coupée. Certaines cellules, en particulier les cellules épidermiques et celles qui se trouvent en dessous, sont capables de réagir à une infection en gonflant et en épaississant leur paroi cellulaire avec d’autres polymères structurels. Les agents pathogènes ont alors plus de difficultés à franchir ces cellules rendues plus grandes, de sorte qu’ils ne peuvent pas accéder facilement aux tissus des plantes. Si ces agents pathogènes sont des champignons, les cellules végétales peuvent gonfler à tel point qu'elles recouvrent et isolent complètement l'intrus fongique pour l'empêcher de se propager d'une cellule végétale à l'autre.
Comme nous l’avons mentionné, les plantes peuvent également renforcer certaines parois cellulaires en leur ajoutant des polymères structurels plus résistants, par exemple de la callose ou une substance appelée lignine. Le tissu du xylème contient des cellules dont la paroi cellulaire contient une grande proportion de lignine. Les vaisseaux du xylème sont responsables du transport de l’eau et des sels minéraux à travers la plante. La lignine contenue dans les parois de ces vaisseaux les renforce et les imperméabilise, ce qui augmente l'efficacité de ce transport d'eau.
Les vaisseaux du xylème sont entourés de tissus vivants simples appelés parenchyme. Lorsque la plante subit un stress, comme une infection, ces cellules du parenchyme réagissent en s'avançant dans le vaisseau du xylème, formant des excroissances appelées thylles. Les thylles ferment et bloquent les tissues vasculaires, qui correspondent aux vaisseaux de transport comme le xylème. L'infection a alors moins de chances de se propager aux autres organes de la plante par les vaisseaux de transport.
Les plantes peuvent également présenter une réponse structurelle extrême à l’infection, appelée réponse hypersensible. Cette réponse de la plante consiste à détruire ses propres cellules et tissus infectés, ce qui peut sembler radical. Mais la destruction des cellules infectées peut limiter le déplacement des agents pathogènes. En neutralisant les agents pathogènes, la propagation de l'infection à d'autres tissus ralentit considérablement, ce qui peut potentiellement sauver la vie de la plante. Examinons maintenant l'immunité biochimique, c'est-à-dire la façon dont les plantes libèrent des substances chimiques pour limiter les dommages causés par les agents pathogènes.
Les récepteurs sont présents à la surface de toutes les cellules, et vous pouvez en voir ici à la surface d’une cellule végétale. Les récepteurs permettent à une plante de faire la distinction entre une cellule du soi de la plante et une cellule ou une structure du non-soi, signalant la présence d'un élément qui pourrait être un agent pathogène. Lorsqu’un pathogène tel que cette bactérie rose pénètre dans la plante, les molécules situées à la surface de la bactérie se lient aux récepteurs à la surface de la cellule végétale, qui reconnaissent les bactéries comme des cellules du non-soi. Cette liaison active les récepteurs et augmente leur production dans la cellule. L’activation de ces récepteurs déclenche également la libération de substances chimiques, telles que l’acide salicylique par cette cellule végétale. L’acide salicylique avertit le système immunitaire inné de la plante qu’un organisme potentiellement dangereux est entré et doit être traité.
Examinons quelques-unes des réponses biochimiques que le système immunitaire de la plante peut initier à la suite de cette alerte. La concentration des substances chimiques antimicrobiennes telles que les phénols, les glycosides et certains acides aminés comme la canavanine et la céphalosporine, augmente souvent après une infection. Les composés chimiques antimicrobiens sont toxiques pour les agents pathogènes. Ils peuvent soit tuer directement les agents pathogènes, soit inhiber leur reproduction et leur croissance pour empêcher la propagation de l’infection.
De nombreux agents pathogènes libèrent des toxines qui endommagent les cellules hôtes. Certaines cellules végétales sont capables de produire des protéines antitoxines spécifiques après une infection. Les protéines antitoxines peuvent se lier aux toxines produites par l’agent pathogène et les convertir en produits moins toxiques, qui ne nuisent pas à la plante. Des enzymes détoxifiantes peuvent également être produites par certaines cellules végétales. Ces enzymes décomposent les toxines produites par le pathogène pour limiter les dommages qu’elles causent. Une plante qui a déjà été infectée peut induire de telles réponses beaucoup plus rapidement lors d’une réinfection. Voyons comment les agriculteurs peuvent créer une immunité acquise dans les plantes qu’ils cultivent.
L'immunité acquise est celle qu'un organisme, comme une plante, acquiert au cours de sa vie, par opposition à l'immunité innée qu'il possède dès la naissance. L'immunité acquise désigne l’immunité qu'une plante développe après avoir été exposée à une maladie, ou reçoit d'un autre organisme. La sélection végétale et le génie génétique sont des méthodes qui peuvent être efficaces pour accroître l'immunité des plantes cultivées contre les maladies et qui ont moins d'effets secondaires que des méthodes telles que la pulvérisation d'herbicides. Examinons d'abord la sélection végétale.
Certaines plantes, comme celle-ci, ont une prédisposition génétique à la résistance aux maladies. La résistance aux maladies est due à un variant dans un gène de la plante lui permettant de présenter tout ou une partie des défenses structurelles et chimiques dont nous avons parlé. La sélection végétale est un processus par lequel les hommes croisent ensemble deux individus ayant une certaine caractéristique souhaitée. Dans ce cas, les hommes choisiraient deux plantes qui possèdent toutes deux le variant du gène qui les aide à résister à un certain pathogène infectieux, par exemple un gène qui code pour la production de protéines antitoxines.
Les deux plantes résistantes aux maladies seraient artificiellement croisées. La progéniture produite par ce croisement serait analysée pour voir si elle possède également ce caractère de la production de protéines antitoxines. Comme on peut le voir, trois de ces descendants possèdent le gène codant pour la protéine antitoxine, ils sont donc croisés ensemble puis le processus se répète sur plusieurs générations. Cela peut donner une grande proportion de plantes résistantes à une maladie, augmentant ainsi la survie de ces plantes et le rendement des cultures pour l’agriculteur.
Le génie génétique modifie artificiellement l’ADN d’un organisme, dans ce cas une plante. Il est possible d'extraire d’un organisme, comme une bactérie, un gène codant pour des protéines qui assurent la résistance aux maladies, et de l'incorporer dans l'ADN de la plante. Comme les plantes se développent rapidement et sont faciles à cloner, une grande partie de la population peut devenir résistante à une maladie spécifique par génie génétique. Voyons ce que nous avons appris sur les défenses des plantes contre les agents pathogènes en répondant à une question pratique.
Quelle défense structurelle de la plante n’est pas constitutive et n’est déclenchée qu’à la suite d’une infection par un pathogène? Une cuticule cireuse, des poils, des épines, des parois cellulaires de cellulose ou des thylles.
Voyons quelques-uns des termes clés qui ont été utilisés dans la question afin de déterminer laquelle des défenses structurelles n’est pas préexistante. Les défenses structurelles constitutives d’une plante aident à limiter l’entrée d’un agent pathogène. Le schéma ici montre certaines des cellules clés d’une feuille. Dans certains cas, l’épiderme végétal produit une cuticule cireuse pour le recouvrir. La cuticule cireuse est une couche imperméable à l’eau. Et si l’eau ne peut pas facilement rester à la surface de l’épiderme, les agents pathogènes transmissibles par l’eau ne le peuvent pas non plus. L’épiderme peut également être recouvert de poils ou d’épines. Ces caractéristiques ont principalement pour fonction de dissuader les herbivores, comme ce lapin, de consommer toute ou une partie de la plante, ce qui l’endommagerait et la rendrait vulnérable aux agents pathogènes.
Dans cette figure, nous avons agrandi l’une des cellules de la feuille afin que nous puissions voir son contenu plus clairement. Une des principales défenses de la cellule et de toutes les autres cellules végétales est la paroi cellulaire. Les parois des cellules végétales sont constituées d’un polymère glucidique appelé cellulose. En agrandissant davantage cette image de la paroi cellulaire des plantes, nous pouvons voir que la cellulose forme un maillage solide et une barrière physique entre le contenu de la cellule et son environnement externe. Cela restreint l’entrée des agents pathogènes qui tentent d’accéder à la cellule depuis l’extérieur de la paroi cellulaire.
Toutes ces caractéristiques dont nous avons parlées jusqu’à présent sont constitutives, ce qui signifie qu’elles sont toujours présentes. Mais certains agents pathogènes peuvent passer outre ces caractéristiques structurelles constitutives. Si c’est le cas, les structures physiques de la plante peuvent être induites pour prévenir la propagation de l’infection une fois le pathogène entré dans la plante. Un exemple de défense structurelle induite est le développement de thylles. Les thylles sont des excroissances des tissus entourant les vaisseaux du xylème, qui sont les tissus responsables du transport de l’eau au sein d’une plante. Alors, regardons de plus près le xylème pour voir à quoi cela ressemblerait.
Vous pouvez voir ici que les thylles s’introduisent pour bloquer les vaisseaux du xylème. C'est très utile car lorsque l'agent pathogène est détecté par la plante, l’infection a alors moins de chances de se propager dans le xylème et d'endommager d'autres cellules. La caractéristique de la défense structurelle qui n'est pas constitutive mais qui est induite par une infection correspond donc aux thylles.
Voici quelques points clés que nous avons abordés dans cette vidéo.
