Étude de quelques aspects physiologiques, biochimiques et anatomiques de Medicago arborea L. vis-à-vis du stress salin et hydrique

Abstract

الملخص (بالعربية) : يهدف هذا العمل إلى دراسة آليات تحمل الإجهاد الملحي و المائي عند شجيرة الفصة .(Medicago arborea) وفي هذا السياق ، ومن أجل توضيح المعلومات حول صلاحية بذورها وفهم آلية الإحياء الطبيعي بشكل أفضل عن طريق البذر، من خلال تقييم سلوكهم الإنتاشيي تحت ظروف مراقبة من الإجهاد الملحي و المائي. لهذا الغرض ،فقد تم جمع البذور من منطقة الجلفة (الجزائر) لاختبار الإنتاش في الحاضنة في درجة حرارة مستمرة مثلى تبلغ 20 درجة مئوية. في حالة الإجهاد الملحي ، خضعت البذور لتركيزات مختلفة من كلوريد الصوديوم (34 ، 68 ، 102 ، 136 ، 170 ، 204 ، 238 و 272 ملي مول) ، أما بالنسبة للضغط المائي ، عدد من الضغط الأسموزي تم اختبارها (-0.01، -0.02، -0.05، - 0.1 و -0.2 ميجا باسكال) ، الناجم عن تركيزات مختلفة من البولي إيثيلين جليكول 6000 .(PEG6000) أظهرت النتائج أن عملية الإنتاش تأثرت بشكل كبير بالإجهاد الملح العالي .(P <0.05) أدت الزيادة في الملوحة إلى انخفاض قدرة وسرعة الإنتاش، مع زيادة وقت الكمون ومتوسط وقت الإنتاش. تفاعلت البذور بطريقة مشابهة تحت تأثير الإجهاد المائي، حيث انخفض معدل إنتاشها مع زيادة تركيز PEG6000 في الوسط. كما تبين أن تركيز كلوريد الصوديوم بمقدار 204 ملي مول والضغط الأسموزي -0.05 ميجا باسكال يشكلان الحدود الفسيولوجية أو عتبات الإنتاش للبذور المدروسة. تجدر الإشارة إلى أنه عندما تكون البذور التي تمت معالجتها باستخدام كلوريد الصوديوم والتي لم تتمكن من الإنتاش ، قد تمكنت من استعادة قدرتها على الإنبات بمجرد نقلها إلى وسط غير ملحي، في وجود الماء المقطر. فهذا يشير إلى أن تثبيط الإنتاش مرتبط بالإجهاد الأسموزي ، ولكن أيضًا بالسمية الأيونية حيث تقل القدرة على الإنتاش مقارنةً بالتجربة الشاهدة. يتكون الجزء الثاني من هذا العمل من دراسة استجابة نباتات M. arborea الإجهاد الملحي و المائي في مرحلة متقدمة من نمو. تزرع شتلات M. arborea في أصص في الدفيئة وتتعرض بشكل منفصل إلى الإجهاد المائي بنسبة 20 ٪ ، 40 ٪ ، 60 ٪ ، 80 ٪ و 100 ٪ من سعة الحقل ، وإلى الإجهاد الملحي، وذلك بإضافة كلوريد الصوديوم في مياه الري في التركيزات التالية: 0 ، 50 ، 100 ، 150 و 200 ميلي مكافئ لتر1-. تم تحديد آثار الإجهاد على الكتلة الحيوية الطازجة والجافة، والمحتوى المائي النسبي ، ومحتوى أصباغ الكلوروفيل في الأوراق (الكلوروفيل والكاروتينات) ، بالإضافة لمحتوى البرولين والسكريات المذابة الكاملة. أظهرت النتائج أن الإجهاد المائي والملحي أثر على نمو الشتلات ، ولا سيما النظام المائي المنخفض (20 ٪ من سعة الحقل) مما قلل بشكل كبير الكتلة الحيوية الطازجة والجافة ومحتوى الماء النسبي ، في حين أن الشتلات المعرضة للملوحة حافظت على نسبة ماء جيدة (> 70٪). لم يظهر الكلوروفيل أ و ب وكذلك محتوى الكاروتين أي فروق ذات دلالة إحصائية بين المعالجات ، في حين زادت مستويات البرولين و السكريات المذابة الكلية (الأسمولات الرئيسية المساهمة في الضبط الأسموزي) بشكل كبير و ذلك حسب زيادة شدة الإجهاد المائي والملحي. تؤكد النتائج على أن M. arborea لديها قدرة ملحوظة لتحمل الإجهاد المائي والملحي، وذلك عن طريق إشراك مجموعة من الاستراتيجيات الفسيولوجية للتعامل مع الإجهاد ، وبالتالي تنظيم نشاط التمثيل الغذائي والحفاظ على إنتباج الخلية. أخيرًا ، تمت دراسة تأثير الإجهاد المائي والملحي على التركيب التشريحي للأعضاء النباتية الرئيسية وهي جذور الشتلات الشابة ل M. arborea وسيقانها وأوراقها. أجرينا يدويا مقاطع عرضية على هذه الأعضاء المختلفة ، ملونة بواسطة تقنية التلوين المزدوج " أخضر الميثيل - أحمر الكونغو " وتمت ملاحظتها بتقنية المجهر الضوئي التقليدية. أظهرت نتائج العوامل المختلفة التي تم قياسها زيادة قصوى (P> 0.05) في سطح المقطع العرضي للجذر، وقطر المسلة الجذرية بالإضافة إلى قطر النسيج الخشبي، تحت مستوى عالي من الملوحة (200 متر مكعب / ل) و كذلك تحت الإجهاد المائي الشديد (20٪). علاوة على ذلك، وعكسا عن الإجهاد المائي يبدو أن للملوحة تأثير محفز كبير على المقطع العرضي للساق، بينما لوحظ التأثير المعاكس بالنسبة لقطر أوعية النسيج الخشبي. تشير النتائج التي توصلنا إليها أن M. arborea يعتبر من الأنواع النباتية التي تتحمل الإجهاد المائي والملحي ، وذلك بأخذ اعتبار للتغيرات التشريحية الناتجة من أجل الحفاظ على النمو والتوصيل الجيد للمياه. البيانات التي تم الحصول عليها تشير أن M. arborea يمثل قدرة نباتية واعدة تتميز بخصائص مورفو فسيولوجية، بيوكيميائية وتشريحية تسمح له بالنمو في الظروف القاحلة وشبه القاحلة، وبالتالي إمكانية استخدامه في إعادة تأهيل و تشجير الأراضي المتدهورة.

الكلمات المفتاحية : Medicago arborea ، الإنتاش ، النمو ، التشريح ، الأنسجة ، الإجهاد الملحي ، الإجهاد المائي ، التحمل.

----------------------------------------------- Résumé (en Français) : La présente étude a pour but de caractériser les mécanismes de tolérance au stress salin et hydrique chez la luzerne arborescente (Medicago arborea). Dans ce contexte, et afin d’élucider les connaissances sur la viabilité de ses graines et mieux comprendre le mécanisme de régénération naturelle par semis, nous avons évalué leur comportement germinatif dans des conditions contrôlées de stress hydrique et salin. Pour cela, des graines ont été collectées de la région de Djelfa (Algérie) pour tester leur germination dans un incubateur à la température optimale continue de 20°C. Pour le stress salin, les graines ont été soumises à différentes concentrations molaires de NaCl (34 mM, 68 mM, 102 mM, 136 mM, 170 mM, 204 mM, 238 mM, 272 mM) et pour le stress hydrique, différentes potentiels osmotiques ont été testés (-0,01 Mpa, -0,02 Mpa, -0,05 Mpa, - 0,1 Mpa, -0,2 Mpa), induits par différentes concentrations de polyéthylène glycol 6000 (PEG6000). Les résultats ont montré que la germination était significativement affectée par un stress salin élevé (p<0,05). L'augmentation de la salinité a diminué la capacité de germination et la vitesse de germination, tout en allongeant le temps de latence et le temps moyen de germination. Les graines réagissent de manière comparable face au stress hydrique, puisque leur taux de germination a diminué en fonction de l'augmentation de la concentration de PEG6000 dans l'environnement. Il a été révélé que la concentration 204mM de NaCl et la pression osmotique -0,05 Mpa constituaient les limites ou seuils physiologiques de germination des graines étudiées. Il est à noter que lorsque les graines traitées par le NaCl et n’ayant pas pu germer ont pu récupérer leur aptitude à germer une fois transférées sur milieu non salin, en présence d’eau distillée. Cela indique que l'inhibition de la germination est liée au stress osmotique, mais aussi à une toxicité ionique puisque la capacité de germination a diminué par rapport au témoin. La seconde partie de ce travail consiste à étudier la réponse des plantes de M. arborea au stress hydrique et salin au stade juvénile de croissance. Les plantules de M. arborea ont été cultivées en pots sous serre et soumises séparément au stress hydrique à 20%, 40%, 60%, 80% et 100% de la capacité au champ du substrat, et au stress salin, par addition de NaCl à l'eau d'irrigation aux concentrations suivantes : 0, 50, 100, 150 et 200 meql-1. Les effets du stress ont été déterminés sur la biomasse fraîche et sèche, la teneur relative en eau, la teneur en pigments chlorophylliens des feuilles (chlorophylle et caroténoïdes), la proline et la teneur en sucres solubles totaux. Les résultats ont montré que les stress hydrique et salin affectaient la croissance des plantules, notamment le plus faible régime hydrique (20% de la capacité au champ) qui a réduit de manière significative la biomasse fraîche et sèche et la teneur relative en eau, tandis que les plantules soumises à la salinité ont maintenu une bonne teneur en eau (> 70%). La chlorophylle a et b ainsi que la teneur en caroténoïdes n’ont pas montré de différences significatives entre les traitements, tandis que les teneurs de proline et de sucres solubles totaux (principaux osmolytes impliqués dans l'ajustement osmotique) augmentent de manière significative en fonction de l'intensité du stress hydrique et salin. Les résultats soulignent que M. arborea a un potentiel remarquable de tolérance au déficit hydrique et à la salinité, en impliquant une gamme de stratégies physiologiques pour faire face au stress régulant ainsi l'activité métabolique et le maintien de la turgescence cellulaire. Finalement, une dernière partie anatomique a été entreprise pour étudier l'effet du stress salin et hydrique sur la structure des certains tissus des principaux organes végétatifs, à savoir les racines, tiges et feuilles des jeunes plantules de M. arborea. Des coupes transversales à main levée ont été effectuées sur ces différents organes, puis colorées par la technique de la double coloration «vert de méthyle-rouge Congo» et examinées sous microscope photonique. Les résultats des différents paramètres histologiques mesurés ont montré une augmentation maximale de la surface de la section transversale de la racine, du diamètre de la stèle et du diamètre du xylème à un niveau de salinité élevé (200 meq / l), ainsi qu’à un stress hydrique sévère (20% CC) (P<0,05). De plus, et contrairement au stress hydrique, la salinité semble avoir un effet significatif sur la surface de la section transversale de la tige, tandis que pour le diamètre des vaisseaux du xylème, l’effet inverse a été observé. Nos résultats suggèrent que M. arborea est considéré comme une espèce tolérante au stress salin et hydrique, compte tenu des changements anatomiques manifestés afin de maintenir la croissance et une bonne conductivité hydrique. L’ensemble des données obtenues dénotent que M. arborea est un potentiel végétal prometteur qui présente des aptitudes morpho-physiologiques, biochimiques et anatomiques lui permettant de prospérer dans les conditions semi-arides et arides et donc la possibilité de son utilisation dans la réhabilitation des parcours dégradés. Les mots clés : Medicago arborea, germination, croissance, anatomie, stress salin, stress hydrique, tolérance.----------------------------------------------- Abstract (en Anglais) :

The purpose of this study is to characterize the mechanisms of tolerance to salt and water stress in alfalfa tree (Medicago arborea). In this context, and in order to elucidate knowledge on the viability of its seeds and better understand the mechanism of natural regeneration by sowing, we evaluated their germinative behavior under controlled conditions of water and saline stress. For this, seeds were collected from the Djelfa region (Algeria) to test germination in an incubator at an optimal continuous temperature of 20 ° C. For salt stress, the seeds were subjected to different molar concentrations of NaCl (34, 68, 102, 136, 170, 204, 238 et 272 mM) and for water stress, different osmotic potentials have been tested (-0.01, -0.02, -0.05, - 0.1 et -0.2 Mpa), induced by different concentrations of polyethylene glycol 6000 (PEG6000). The results showed that germination was significantly affected by high salt stress (p <0.05). The increase in salinity decreased the germination capacity and the germination speed, while increasing the latency time and the average germination time. The seeds react in a comparable way to water stress, since their germination rate has decreased with the increase in the concentration of PEG6000 in the environment. It was revealed that the 204mM NaCl concentration and the osmotic pressure -0.05 Mpa constituted the physiological limits or thresholds of germination for the studied seeds. It should be noted that when the seeds treated with NaCl and having been unable to germinate have been able to recover their ability to germinate once transferred to a non-saline environment, in the presence of distilled water. This indicates that the inhibition of germination is linked to osmotic stress, but also to ionic toxicity since that the capacity for germination has decreased comparing to the control. The second part of this work consists on studying the response of M. arborea plants to water and saline stress at the juvenile stage of growth. The plants were grown in pots in a greenhouse and subjected separately to water stress at 20%, 40%, 60%, 80% and 100% at the field capacity of the substrate, and to salt stress, by adding NaCl to irrigation water at the following concentrations: 0, 50, 100, 150 and 200meql-1. The effects of stress were determined on the fresh and dry biomass, the relative water content, the content of leaves pigments (chlorophyll and carotenoids), proline and total soluble sugar contents. The results showed that water and salt stress affected the growth of plants, in particular the lower water regime (20% of the field capacity) which significantly reduced the fresh and dry biomass and the relative water content, while that the plants subjected to salinity maintained a good water content (> 70%). Chlorophyll a and b as well as the carotenoïds content did not show any significant differences between the treatments, while the content of proline and total soluble sugars (the main osmolytes involved in osmotic adjustment) significantly increased according to the intensity of water and salt stress. The results emphasize that M. arborea has a remarkable potential for tolerance to water deficit and salinity, by involving a range of physiological strategies to cope with stress, thus regulating metabolic activity and the maintenance of cell turgor. Finally, a cytological part was undertaken to study the effect of salt and water stress on the anatomical structure of the main vegetative organs: roots, stems and leaves of the young plants of M. arborea. We carried out freehand cross sections on these different organs, colored by the technique of double coloring "Methyl green-Congo Red" and observed by photonic microscopy techniques. The results of the different measured parameters showed a maximum increase in the root cross section diameter, the stele diameter and the xylem vessels diameter at a higher level of salinity (200 meql-1), thus to severe water stress (20% FC) (P> 0.05). In addition, and unlike water stress, salinity seems to have a significant stimulating effect on the stem cross section diameter, while for the xylem vessels diameter, the opposite effect was observed. Our results suggest that M. arborea is considered a species tolerant to salt and water stress, considering the occurred anatomical changes in order to maintain growth and good water conductivity. The obtained findings indicate that M. arborea is regarded as a promising plant potential providing many morpho-physiological, biochemical and anatomical aptitudes which allow the species to prosper in arid and semi-arid conditions and thus the possibility to use it for the rehabilitation and reforestation of damaged lands.

Keywords : Medicago arborea, germination, growth, anatomy, salt stress, water stress, tolerance.