Equilibre RedOx - pH et santé des plantes, Lydia Bousset (INRAE)
Cette intervention a eu lieu lors de la journée national RedOx le 11 juin à Villeveyrac.
Introduction
Lydia Bousset, chercheuse à l’INRAE en épidémiologie des plantes cultivées, travaille principalement sur les champignons pathogènes. Dans cette intervention, elle présente les liens entre équilibre redox, pH, santé des plantes et développement des bioagresseurs.
L’exposé suit plusieurs étapes :
- le fonctionnement général des plantes et de leurs parasites ;
- des observations sur des champignons cultivés au laboratoire ;
- des mesures faites sur plantes en pot ;
- des corrélations et des modèles explicatifs ;
- les questions méthodologiques pour aller plus loin ;
- enfin, les implications en épidémiologie et en gestion des systèmes agricoles.
Ressources des plantes et parasites
Les plantes ont :
- des feuilles déployées dans l’espace ;
- des racines qui les ancrent dans le sol et captent les ressources.
Avec les ressources disponibles, la plante :
- grandit d’abord ;
- puis produit des descendants.
Du point de vue de l’épidémiologie, la fin de vie de la plante et les débris végétaux sont aussi importants, de même que les organes de reproduction comme les graines ou les tubercules, car ils conditionnent la persistance et la génération suivante.
Pour bien pousser, une plante a besoin :
- de ressources disponibles : nutriments, eau, lumière ;
- de conditions favorables à son métabolisme ;
- d’organes, tissus et cellules en bon état.
L’être humain cultive les plantes pour exploiter ces processus, que ce soit pour capter des ressources par la photosynthèse et les racines ou pour modifier l’environnement. Mais l’homme n’est pas le seul à détourner les ressources de la plante.
Tous les micro-organismes ne sont pas nuisibles
Lydia Bousset insiste sur un point préalable : tous les micro-organismes ne sont pas nuisibles.
Parmi les interactions bénéfiques, elle cite :
- les mycorhizes, c’est-à-dire les interactions entre plantes et champignons ;
- les nodosités, dans les interactions plante-bactérie pour la fixation de l’azote.
Le parasite, au sens présenté ici, est un organisme qui prélève plus de ressources qu’il n’en met à disposition de la plante.
Ces parasites peuvent être très divers :
Ils s’installent sur ou dans la plante pour en prendre les ressources, tout en lui apportant moins qu’ils ne prélèvent.
Comment pousse un champignon parasite
Comme la plante, le parasite grandit puis transmet des descendants.
Dans le cas d’un champignon :
- une spore germe sur la feuille ;
- le mycélium capte les ressources dans la plante ;
- le champignon produit ensuite des descendants, sous forme de spores ou de sclérotes.
Cette reproduction peut se produire :
- pendant la saison de culture, pour les champignons à cycles multiples ;
- entre deux saisons culturales, pour assurer la persistance.
Pour bien se développer, le parasite doit lui aussi disposer :
- d’un accès aux ressources ;
- de ressources disponibles ;
- de conditions favorables à son métabolisme.
C’est à ce niveau qu’interviennent le pH et le redox.
Où se trouvent les bioagresseurs sur les plantes
Les bioagresseurs sont présents sur toutes les parties de la plante :
- tiges ;
- feuilles ;
- racines ;
- fleurs ;
- graines.
En résumé, dès qu’il y a une ressource, il y a potentiellement un organisme pour l’exploiter.
Ce qui rend la plante malade
À partir de l’exemple du séneçon observé au microscope, Lydia Bousset explique qu’un champignon pathogène agit à plusieurs niveaux.
Il :
- prélève des ressources dans la plante ;
- émet des composés qui modifient les tissus autour de lui ;
- perce et dégrade les membranes ;
- occupe physiquement l’espace.
Cela a plusieurs conséquences :
Effets sur le métabolisme de la plante
Ce que le parasite prélève manque à la plante. Même lorsque le prélèvement est limité, il perturbe les équilibres métaboliques.
Effets sur les tissus
Le parasite dégrade les structures cellulaires et altère l’intégrité des tissus.
Effets sur les interactions biologiques
Le parasite déplace les équilibres entre la plante et les organismes bénéfiques en entrant en compétition pour les ressources. Il peut aussi rendre la plante plus favorable à d’autres parasites, en modifiant son état physiologique.
Une plante infectée :
- dispose de moins de ressources pour elle-même ;
- fonctionne moins bien ;
- dépense de l’énergie pour se défendre.
Or, la vie d’une plante repose sur une succession de réactions coordonnées dans le temps, avec mise en place, dégradation et remobilisation des organes. Si ces équilibres et ces échanges sont perturbés, la plante entre en stress.
Ce stress peut être :
- direct sur la plante ;
- indirect, via les micro-organismes avec lesquels elle interagit.
Si la plante est dans des conditions optimales, elle peut couvrir ses besoins et supporter une partie du détournement de ressources par les parasites. En revanche, si elle est déjà carencée ou stressée, elle devient beaucoup plus vulnérable.
Pour Lydia Bousset, la maladie commence quand la plante infectée n’arrive plus à assurer ses besoins.
Première étape : montrer que le champignon modifie son milieu
La première démarche expérimentale a consisté à vérifier, au laboratoire, si les champignons modifient le pH et le redox de leur environnement.
Dispositif expérimental
Les champignons ont été cultivés non pas sur plante, mais sur milieu gélosé en conditions stériles. Le pH et le redox ont ensuite été mesurés sous la colonie après croissance.
Sur les graphiques présentés :
- l’axe des abscisses correspond au pH ;
- l’axe des ordonnées correspond au redox.
Le milieu gélosé non inoculé reste à peu près stable au cours du temps. En revanche, la croissance des champignons fait évoluer ces paramètres.
Résultats
Tous les champignons n’ont pas le même effet sur le milieu.
Par exemple :
- Sclerotinia acidifie fortement le milieu, notamment parce qu’il produit beaucoup d’acide oxalique ;
- d’autres champignons modifient peu le pH mais réduisent le milieu.
Conclusion : la croissance des champignons fait bouger le pH et le redox autour d’eux.
Deuxième étape : observer si cela se produit aussi dans la plante
La question suivante était de savoir si ces modifications existent aussi dans des tissus végétaux.
Dispositif sur colza
Des plantes de colza saines ont été comparées à des plantes inoculées avec deux maladies de tige :
- le phoma ;
- Sclerotinia.
Ces deux champignons provoquent des nécroses sur la tige. Le pH et le redox ont été mesurés dans les tissus sains et malades.
Résultats pour le phoma
Par rapport aux plantes saines, les plantes infectées par le phoma sont :
- plus alcalines ;
- plus réduites.
Résultats pour Sclerotinia
À l’inverse, les plantes infectées par Sclerotinia sont :
- plus acides ;
- plus oxydées.
Relation avec la taille de la nécrose
Les modifications observées dépendent de l’intensité de l’attaque.
Pour le phoma :
- plus la nécrose est longue, plus l’alcalinisation est forte ;
- plus la nécrose est longue, plus la réduction est forte.
Pour Sclerotinia :
- plus la nécrose est grande, plus l’acidification est forte ;
- plus la nécrose est grande, plus l’oxydation est forte.
Ainsi, dans la plante aussi, le champignon modifie son environnement.
Réciproque : le milieu modifie aussi le champignon
La question réciproque est alors la suivante : si le champignon modifie son milieu, est-ce que les caractéristiques du milieu modifient aussi le champignon ?
Modification expérimentale du pH et du redox
Les chercheurs ont préparé un milieu gélosé de composition identique, mais avec différentes valeurs de pH et de redox, obtenues en ajoutant de l’anolyte et du catholyte.
Ils ont ensuite observé le développement de plusieurs espèces de champignons sur ces milieux.
Effets observés
Les variations de pH et de redox modifient :
- la croissance des colonies ;
- la production de pigments, chez certains champignons ;
- la production de sclérotes, visibles sous forme de petits points noirs.
Le diamètre des colonies change selon les conditions du milieu.
Exemple du Verticillium
L’exemple du Verticillium montre que ces effets sont très répétables. Des séries de boîtes réalisées à différents moments donnent des colonies d’aspect semblable pour des conditions identiques.
Les mesures de diamètre confirment que la croissance du champignon varie selon le pH et le redox.
Différences entre champignons
Les différents champignons n’ont pas tous les mêmes zones optimales de développement. La forme des courbes de réponse diffère selon les espèces.
Autrement dit, il n’existe pas une seule combinaison pH/redox favorable à tous les bioagresseurs.
Les conditions ne sont pas identiques partout dans la plante
Lydia Bousset rappelle ensuite que les conditions internes d’une plante ne sont pas homogènes.
Elle présente un exemple obtenu sur le riz, où le pH et le redox ont été mesurés sur des feuilles de différents âges. Chez le riz, comme chez le blé, il existe une talle principale et des talles secondaires. Les feuilles qui apparaissent au même moment peuvent être regroupées par classes d’âge.
Les mesures montrent qu’au cours du temps :
- certaines feuilles s’oxydent ;
- certaines feuilles s’acidifient.
Donc, les conditions de pH et de redox varient selon :
- l’organe ;
- l’âge de l’organe ;
- le moment du développement.
Corrélations entre état de la plante et bioagresseurs
À partir d’une revue bibliographique, les auteurs montrent que les conditions de pH et de redox favorables ou défavorables au développement des bioagresseurs dépendent des organismes considérés.
Ils observent une corrélation entre :
- l’état de la plante ;
- le moment où elle est attaquée ;
- le type de bioagresseur qui l’attaque.
Les tendances évoquées sont les suivantes :
- les champignons apprécient des conditions plutôt acides et oxydées ;
- les oomycètes préfèrent des conditions un peu moins oxydées ;
- les bactéries sont associées à des situations plus acides ;
- les virus se retrouvent sur des plantes très oxydées.
Ces éléments permettent de proposer un modèle général reliant stress, état redox et sensibilité aux maladies.
Modèle proposé sur stress, oxydation et capacité de défense
Le maintien de l’homéostasie dans la plante coûte de l’énergie. Les effets des stress se déploient dans le temps.
Cas d’un stress modéré
Lors d’un stress modéré, la plante s’oxyde d’abord. Cet état d’alarme la prédispose aux maladies.
Ensuite, elle modifie son métabolisme et produit des antioxydants. Cela lui permet de se maintenir dans un état d’oxydation compatible avec la tolérance ou la résistance.
Mais si le stress se prolonge :
- la capacité à produire des antioxydants s’épuise ;
- le niveau d’oxydation remonte.
Au début, ces processus restent réversibles. Au-delà d’un certain niveau d’oxydation, ils deviennent irréversibles et la plante ne s’en remet pas.
Cas d’un stress plus intense ou plus prolongé
Si le stress est très intense ou très long, les dégâts oxydatifs deviennent irréversibles avant même que la plante ait pu s’acclimater ou produire suffisamment d’antioxydants.
Dans ce cas, la plante s’effondre rapidement.
Cas de stress modérés mais répétés, ou de stress multiples
Des stress modérés mais répétés, ou des stress multiples, épuisent rapidement la capacité de production d’antioxydants. Là encore, l’épuisement s’installe vite.
Conséquences globales
L’énergie mobilisée pour réguler l’homéostasie du pH et du redox n’est plus disponible pour la croissance.
Il en résulte :
- un ralentissement de la croissance ;
- une baisse de production de feuilles ;
- une baisse de la photosynthèse ;
- donc une baisse supplémentaire des capacités de défense.
Un cercle négatif s’installe : moins la plante a d’énergie, moins elle peut faire de photosynthèse et se défendre.
Aller plus loin : la difficulté de montrer les causalités
Pour l’instant, les travaux donnent :
- des modèles de fonctionnement ;
- des corrélations entre état physiologique et infection.
Mais il reste à démontrer plus précisément les causalités.
Le principal problème est que les signaux redox affectent simultanément de nombreux processus du développement de la plante. Il faut donc pouvoir observer plusieurs composantes à la fois.
Une difficulté méthodologique majeure
Sur les milieux de culture, le pH et le redox sont faciles à modifier et à mesurer. Sur plante, c’est plus compliqué, car la plante cherche justement à maintenir son homéostasie.
Ainsi, on peut avoir :
- peu de changement mesurable du pH ou du redox ;
- mais une forte dépense d’énergie pour maintenir ces niveaux.
Or cette dépense énergétique a elle-même un effet biologique important.
Le besoin de mesures non destructives
Aujourd’hui, les mesures sont souvent destructives :
- sur une feuille, on peut broyer ou rouler le tissu pour mesurer pH et redox ;
- sur une tige, une fois le prélèvement fait, on ne peut plus suivre la même plante plus tard.
Lydia Bousset souligne donc le besoin de mesures non destructives, pour pouvoir :
- mesurer l’état d’une plante ;
- suivre ensuite sa sensibilité aux bioagresseurs ;
- observer son état après infection ;
- comprendre les interactions entre agents pathogènes, par exemple quand une infection par un champignon favorise ou empêche une autre infection.
Une lecture épidémiologique des systèmes agricoles
Lydia Bousset rappelle ensuite une idée centrale de l’épidémiologie.
Dans les écosystèmes naturels, on trouve :
- une grande diversité d’espèces végétales ;
- des stades phénologiques variés ;
- des stades de développement différents.
Dans les paysages agricoles, au contraire, les cultures sont rendues :
- homogènes ;
- synchronisées dans le temps ;
- adaptées aux contraintes de mécanisation, comme le passage des récolteuses.
L’agrandissement des parcelles et la simplification de l’espace
La partie la plus visible de cette transformation est spatiale : les unités de culture ont été agrandies pour faciliter le travail agricole.
Pour une maladie qui se transmet de plante à plante, si une plante infectée peut contaminer toutes ses voisines, cette homogénéité favorise fortement les épidémies.
L’importance de l’interaction temps-espace
Mais le déclenchement d’une épidémie dépend de l’interaction entre :
- la croissance de la plante ;
- son état au cours de sa vie ;
- les actions de l’homme ;
- le climat ;
- l’état des populations du champignon.
Pour qu’il y ait infection, il faut que :
- les spores rencontrent une plante hôte ;
- la plante soit à un stade sensible ;
- les conditions de température et d’humidité soient compatibles.
Le succès du champignon dépend donc :
- de sa survie ;
- de sa dispersion ;
- de la cinétique de croissance de la plante ;
- de l’état physiologique de la plante, notamment du point de vue redox.
Rôle des pratiques agricoles
Les pratiques agricoles ont un rôle majeur, car elles peuvent synchroniser ou désynchroniser :
- la présence des spores ;
- les périodes de sensibilité de la plante.
Selon :
- les dates de semis ;
- les densités de semis ;
- le choix des variétés ;
- les rotations ;
- la gestion de l’inoculum,
on peut rendre la plante plus ou moins exposée au moment où le champignon est présent.
Ainsi, on peut chercher à obtenir :
- une plante moins sensible ;
- une plante non exposée au moment critique ;
- une pression d’inoculum plus faible.
Des systèmes agricoles devenus intrinsèquement fragiles
Les systèmes agricoles actuels reposent souvent sur :
- un nombre réduit de productions ;
- de grandes surfaces ;
- des rotations simplifiées ;
- un usage important d’intrants chimiques.
Ces choix ont rendu le système fragile :
- les champs sont homogènes sur de très grandes surfaces pendant la saison ;
- entre deux saisons, les ruptures sont synchronisées dans le temps.
Selon Lydia Bousset, cela a en quelque sorte « domestiqué » les bioagresseurs, en les forçant à se caler parfaitement sur les cultures et sur la manière dont on les conduit.
Le recours aux pesticides et aux intrants est ainsi devenu nécessaire dans un système qui s’est lui-même fragilisé.
Les limites des pesticides
Les pesticides ont, selon elle, un « triple avantage » qui explique aussi leur place dominante :
- ils ignorent le temps : on se préoccupe peu de la culture précédente ou suivante ;
- ils ignorent l’espace : on ne raisonne pas les champs environnants ;
- ils évitent de penser la combinaison des méthodes : on applique simplement un pesticide.
Mais si l’on veut sortir de cette dépendance, il faut repenser :
- le temps ;
- l’espace ;
- la combinaison des leviers.
Lydia Bousset ajoute que si la plante ne contrôle pas les pathogènes par réduction, elle peut les contrôler par sur-oxydation. Les pesticides peuvent aider à atteindre cet état, mais lorsque la plante revient ensuite à son état normal, elle retraverse une zone critique de sensibilité.
Il faut donc penser autrement la protection des cultures.
Gérer les épidémies à l’échelle du champ et du paysage
Les épidémies peuvent être gérées à deux niveaux :
- à l’échelle du champ ;
- à l’échelle du paysage.
À l’échelle de la parcelle
Il s’agit d’obtenir directement sur la parcelle les bénéfices des pratiques mises en œuvre :
- utiliser des variétés résistantes ;
- réduire le nombre d’individus compatibles du champignon ;
- ralentir la croissance de l’épidémie avec des variétés moins favorables ou à résistance quantitative.
À l’échelle du paysage
Il s’agit d’obtenir des bénéfices sur la parcelle grâce à des actions menées dans le paysage environnant :
- réduire les sources d’inoculum ;
- mieux gérer les débris de culture ;
- limiter la transmission dans le temps et dans l’espace ;
- désynchroniser et éloigner les cultures sensibles.
Lydia Bousset rappelle qu’une grande part des bioagresseurs survit sur les débris végétaux. Comme les pesticides ont longtemps été disponibles, une partie des mesures de prophylaxie a été relâchée. Il faut désormais y revenir.
Elle précise que certaines cultures pérennes, comme la vigne, ne peuvent pas changer de parcelle chaque année. Mais cela n’empêche pas de réfléchir à l’ensemble du système.
Remettre la plante dans des conditions plus favorables
À l’échelle de la parcelle, il faut une approche plus complète pour replacer la plante dans des conditions optimales.
Cela suppose de réfléchir notamment :
- au microbiote du sol ;
- aux pratiques culturales ;
- à l’état physiologique de la plante.
L’objectif est que la plante ne soit pas dans l’état le plus favorable au bioagresseur.
Pour Lydia Bousset, les paysages agricoles actuels, avec de très grandes surfaces portant simultanément la même espèce, sont très favorables à la dispersion des maladies. Mais on retrouve aussi cette simplification au niveau de l’état physiologique des plantes : dans le système conventionnel, elles sont souvent placées dans l’état le plus favorable aux maladies.
Il faut donc sortir de ce fonctionnement et repenser un système où les plantes soient en meilleure santé, de manière à :
- supporter le détournement de ressources par les parasites ;
- ou se défendre plus efficacement.
Échanges avec la salle
Sur les cultures pérennes
Interrogée sur l’extrapolation aux cultures pérennes, Lydia Bousset répond que celles-ci ont malgré tout :
- des stades de développement ;
- des émissions de feuilles ;
- des résidus végétaux.
Par exemple :
- si un champignon fructifie sur les feuilles de l’année précédente ;
- et que l’environnement favorise une destruction rapide de ces feuilles ;
- il y aura moins d’inoculum en début de saison suivante.
Elle souligne aussi que dans un environnement diversifié, les régulations biologiques jouent davantage. Un milieu déjà occupé, diversifié, est plus difficile à envahir qu’un milieu vide.
Elle résume le système conventionnel comme un système qui a cru pouvoir augmenter indéfiniment la présence d’une espèce sans conséquence. Or toute ressource abondante finit par être exploitée. Dès qu’il y a une ressource, quelqu’un vient la consommer.
Dans un environnement diversifié :
- les organismes sont en concurrence ;
- les équilibres et régulations limitent les dominances excessives.
L’idée n’est donc pas d’obtenir un équilibre fixe, mais un équilibre dynamique permettant de revenir vers une zone optimale.
Sur l’échelle de temps des réactions redox
À la question sur le rythme des réactions redox dans la plante face à une agression, Lydia Bousset répond qu’il existe plusieurs temporalités.
Les phénomènes de forte oxydation sont très rapides :
- dans les premières heures ;
- dans les premiers jours.
Ils correspondent par exemple à la production de formes réactives de l’oxygène et à une sur-oxydation.
Ensuite viennent des processus plus lents, sur des jours ou des semaines :
- épaississement des parois ;
- production de callose.
Autrement dit :
- si la plante survit à la phase initiale, elle mobilise d’abord des réponses très rapides ;
- puis des réponses plus lentes et plus structurales.
Conclusion
La conclusion de Lydia Bousset est qu’il n’existe pas de solution technique unique qui résoudra tous les problèmes. Il faudra combiner un maximum de leviers, dans une approche dynamique et systémique.
Il ne s’agit pas de revenir à un environnement sans intervention humaine, puisque l’agriculture vise bien à extraire des ressources. En revanche, il faut reconnaître qu’on est allé trop loin dans la fragilisation des systèmes.
Il n’y a pas de méthode miracle. Il faut :
- une approche globale des systèmes ;
- une réflexion sur les interactions entre pratiques, plante, bioagresseurs et environnement ;
- l’activation de plusieurs leviers complémentaires.
La suite de la matinée doit justement aborder l’un de ces leviers : les aspects microbiologiques, notamment autour du microbiote.
