Allelopathie
Chapitre 1 : Introduction
Histoire
Théophraste (vers 300 avant J.-C.), astrologue et successeur d’Aristote, a écrit sur les réactions allélopathiques dans ses ouvrages de botanique. Il a été appelé le « père de la botanique » et a écrit que le pois chiche « épuise » le sol et détruit les mauvaises herbes.
En l’an 1 de notre ère, Gaius Plinius Secundus, également connu sous le nom de Pline l’Ancien, un érudit et naturaliste romain, a écrit que le pois chiche et l’orge « brûlent » le maïs. Il a également mentionné que les noyers sont toxiques pour les autres plantes.
Augustin Pyramus De Candolle, abotaniste et naturaliste, en 1832, a suggéré que la maladie du sol était causée par les produits chimiques libérés par la culture.
Et, en 1907-1909, deux chercheurs,Schreiner et Reed ont étudié l’isolement d’un certain nombre de produits chimiques phytotoxiques provenant des plantes et des sols.
Qu’est-ce que l’allélopathie ?
Le mot allélopathie dérive de deux mots distincts. Ils sont allelonqui signifie « de l’un à l’autre », et pathos qui signifie « souffrir ». L’allélopathie désigne l’inhibition chimique d’une espèce par une autre. Le produit chimique « inhibiteur » est libéré dans l’environnement où il affecte le développement et la croissance des plantes voisines.
Les produits chimiques allélopathiques peuvent être présents dans n’importe quelle partie de la plante. Ils peuvent se trouver dans les feuilles, les fleurs, les racines, les fruits ou les tiges. Ils peuvent également se trouver dans le sol environnant. Les espèces cibles sont affectées par ces toxines de nombreuses manières différentes. Les produits chimiques toxiques peuvent inhiber la croissance des pousses/racines, ils peuvent inhiber l’absorption des nutriments, ou ils peuvent attaquer une relation symbiotique naturelle détruisant ainsi la source utilisable d’un nutriment par la plante.
Toutes les plantes sont-elles allélopathiques?
Pas toutes les plantes ont des tendances allélopathiques. Certaines, bien qu’elles présentent ces tendances, peuvent en fait faire preuve de concurrence agressive d’une forme non chimique. Une grande partie de la controverse entourant l’allélopathie consiste à essayer de distinguer le type de compétition qui se manifeste. En général, si elle est de nature chimique, la plante est considérée comme allélopathique. Il y a eu quelques liens récents avec des parallotoxines végétales dirigées vers les animaux, mais les données sont rares.
Incidence sur l’environnement
L’allélopathie est une forme de compétition chimique. La plante allélopathique entre en compétition par le biais de produits chimiques « d’interférence ». La concurrence, par définition, prend l’une des deux formes suivantes : exploitation ou interférence.
La concurrence est utilisée par les plantes et les animaux pour s’assurer une place dans la nature. Les plantes sont en compétition pour la lumière du soleil, l’eau et les nutriments et, comme les animaux, pour le territoire. La compétition, comme le parasitisme, les maladies et la prédation, influence la distribution et la quantité d’organismes dans un écosystème. Lesinteractions des écosystèmes définissent un environnement.
Lorsque les organismes sont en compétition les uns avec les autres, ils créent un potentiel de limitation des ressources et d’extinctions possibles. Les plantes allélopathiques empêchent les autres plantes d’utiliser les ressources disponibles et influencent ainsi l’évolution et la répartition des autres espèces. On pourrait dire que les plantes allélopathiques contrôlent les environnements dans lesquels elles vivent.
Pour discussion
Comment peut-on savoir si une plante fait preuve d’allélopathie par opposition à une compétition non chimique ?
Les produits chimiques allélopathiques peuvent-ils affecter les animaux, y compris les humains ?
Comment les gens ont-ils pris conscience de l’allélopathie ?
Avez-vous remarqué des influences allélopathiques ou de type allélopathique dans votre voisinage ? Ailleurs ?
Pourquoi l’étude de l’allélopathie est-elle importante ?
Quelles sont les implications bénéfiques de l’allélopathie ? Comment peuvent-elles être utilisées pour l’amélioration de la planète ?
Comment feriez-vous pour tester l’allélopathie ?
Pouvez-vous nommer ou identifier certaines plantes allélopathiques ?
Focus : Apprentissage basé sur l’enquête
Cette unité sur l’allélopathie est basée sur l’enquête. Les laboratoires et les excursions sont pratiques et toutes les activités nécessitent des interactions constantes entre les élèves. De ce fait, l’unité peut être modifiée et ajustée sans effet négatif.
Chapitre 2 : Guerre chimique dans le royaume des plantes
Noyer noir
L’une des plantes allélopathiques les plus célèbres est le noyer noir (Juglans nigra). Le produit chimique responsable de la toxicité du Noyer noir est la Juglone (5hydroxy-1,4 napthoquinone) et est un inhibiteur de la respiration. Les plantes solanacées, comme la tomate, le poivron et l’aubergine, sont particulièrement sensibles à la Juglone. Ces plantes, lorsqu’elles sont exposées à l’allélotoxine, présentent des symptômes tels que le flétrissement, la chlorose (jaunissement du feuillage) et finalement la mort. D’autres plantes peuvent également présenter des degrés variables de sensibilité et certaines n’ont aucun effet notable. Parmi les plantes qui ont été observées comme étant tolérantes à la Juglone, on trouve le haricot de Lima, la betterave, la carotte, le maïs, la cerise, la framboise noire, le catalpa, la vigne vierge, la violette et bien d’autres.
La Juglone est présente dans toutes les parties du Noyer noir, mais elle est particulièrement concentrée dans les bourgeons, les coques de noix et les racines. Elle n’est pas très soluble dans l’eau et ne se déplace donc pas très rapidement dans le sol. La toxicité a été observée dans tous les sols où poussent des racines de noyer noir (les racines peuvent atteindre une largeur trois fois supérieure à celle de la canopée), mais elle est particulièrement concentrée à proximité de l’arbre, sous la ligne d’égouttement. Ceci est principalement dû à une plus grande densité de racines et à l’accumulation de feuilles et de coques en décomposition.
L’arbre du paradis
L’arbre du paradis, ou Ailanthus(Ailanthus altissima) est un ajout récent à la liste des arbres allélopathiques. L’Ailanthone, une allélotoxine extraite de l’écorce de la racine de l’Ailanthus, est connue pour sa « puissante activité herbicide post-émergence ». L’Ailanthus pose un sérieux problème de mauvaises herbes dans les zones urbaines.
Sorghum
Le principal constituant du sorgho qui provoque une activité allélopathique est le sorgolène(2-hydroxy-5-méthoxy-3-{(8’z,11’z)-8′,11′,14′-pentadécatriène}-p-benzoiquinone). Le sorgolène se trouve dans les exsudats racinaires de la plupart des espèces de sorgho et il a été démontré qu’il s’agit d’une allélotoxine très puissante qui perturbe les fonctions mitochondriales et inhibe la photosynthèse. Elle fait l’objet de recherches approfondies en tant que désherbant.
Autres
Il existe de nombreuses autres espèces allélopathiques connues, et beaucoup qui sont fortement soupçonnées d’être allélopathiques, notamment diverses espèces de zones humides, des graminées et d’autres plantes ligneuses telles que le sumac odorant (Rhus aromaticus). Le tabac (Nicotianarustica), le riz (Oryza sativa), le pois (Pisum sativum), et beaucoup d’autres, sont connus pour avoir des allélotoxines racinaires.
Pour discussion:
Demandez aux étudiants de rechercher et de discuter d’autres plantes allélopathiques.
Chapitre 3 : Procédures et protocole
Protocole 1. Apprendre à identifier les signes d’allélopathie
La meilleure façon d’étudier l’allélopathie est de trouver des signes de son apparition dans la nature. Il est impossible de « voir » les toxines à l’œuvre, mais il est possible de voir les signes et les symptômes causés par les produits chimiques sur les plantes environnantes. Par exemple, très peu de plantes poussent sous un noyer noir et celles qui le font ont souvent l’air malades et chlorotiques. C’est un signe de l’action de la parallotoxine, la Juglone.
En plus de reconnaître les signes d’allélopathie, il faut aussi être capable d’identifier les plantes. Certaines plantes allélopathiques, comme le noyer noir, poussent dans nos jardins et dans nos rues et sont faciles à identifier. D’autres, comme le sorgho ou le pois chiche, peuvent être plus difficiles à trouver dans les zones rurales où elles sont cultivées ou à côté des terres agricoles. Certaines plantes allélopathiques, en particulier de nombreuses espèces des zones humides, peuvent nécessiter des excursions spéciales et du temps supplémentaire pour les trouver d’abord et les identifier ensuite.
Protocole 2. Récolte des plantes et des parties de plantes
Plusieurs des allélotoxines connues sont très coûteuses et ne sont pas faciles à trouver. Certaines entreprises telles que Sigma Chemical et Caroline Biological peuvent proposer ces produits chimiques, mais sous une forme solide qui nécessitera du temps et des efforts supplémentaires pour les amener à une forme soluble utilisable en laboratoire. Cependant, toutes les classes n’auront pas les fonds ou l’accès à ces produits chimiques. Ainsi, il se peut que la seule façon de mener les expériences soit de demander aux élèves de récolter leurs propres parallotoxines.
Des recherches seront nécessaires pour déterminer quelles parties de plantes ont les plus fortes concentrations d’espèces allélopathiques. Par exemple, le Juglone que l’on trouve dans le noyer noir se retrouve partout dans la plante, mais surtout dans les coques de noix, les feuilles et les racines. Par conséquent, un projet de classe peut consister à se diviser en groupes, à récolter chaque partie et à les tester en conséquence.
Il est important, lors de la récolte de plantes ou de parties de plantes, de s’assurer que la plante n’est pas en danger et de s’assurer que la procédure est effectuée de manière à n’apporter aucun dommage à la plante ou à la zone environnante. Bien sûr, dans le cas de la récolte de la plante entière, des aménagements doivent être faits.
Cet exercice sur le terrain peut être fait lorsque la classe identifie les plantes allélopathiques comme décrit dans le protocole 1, ou peut être fait comme un exercice séparé.
Protocole 3. Test d’allélopathie en laboratoire
Les effets des toxines allélopathiques sur les plantes sensibles peuvent facilement être testés en laboratoire ou en serre. Les graines sont les plus faciles et les moins chères à tester. Les graines qui ne germent pas en présence d’allélotoxines présentent probablement des effets toxiques. Les plantes qui deviennent chlorotiques et finissent par se faner en présence d’allélotoxines montrent également des signes de toxicité au produit chimique.
Les cultures solanacées, comme les tomates et les poivrons, sont les plus sensibles à la juglone (l’allélotoxine que l’on trouve dans les noyers noirs). Le laboratoire est l’endroit idéal pour tester la susceptibilité de certaines plantes aux diverses allélotoxines.
D’autres concepts scientifiques ou basés sur la recherche, comme les graphiques, les dilutions et le protocole général de laboratoire seront également découverts lorsque certaines activités sur l’allélopathie seront menées en laboratoire ou en classe.
Procédures
1. Familiarisez-vous avec les espèces allélopathiques de votre région. En particulier, concentrez-vous sur les espèces matures qui sont établies. Celles-ci ont tendance à avoir des concentrations plus élevées d’allélotoxine et présenteront donc de meilleurs signes et symptômes sur les plantes environnantes sensibles.
2. Si possible, contactez une organisation locale de conservation ou une agence de vulgarisation, qui pourrait avoir un aperçu de l’allélopathie. Votre recherche peut les intéresser et ils peuvent vous offrir des conseils professionnels ou des informations importantes.
3. Décidez quelles espèces et quelles zones doivent faire l’objet de votre étude.
4. Décidez d’une méthode d’étude. Par exemple, vous pouvez vouloir effectuer l’excursion d’identification un jour, puis l’excursion de récolte un autre jour, ou vous pouvez vouloir effectuer les deux le même jour.
5. Apprenez à identifier les espèces que vous allez étudier. Il existe de nombreux bons guides de terrain, ainsi que d’excellents sites Web.
6. Décidez comment diviser la zone dans laquelle vous travaillerez.
7. Notez les signes et les symptômes allélopathiques que vous avez trouvés, ainsi que les espèces qui les ont trouvés.
8. Discutez des façons d’étudier l’allélopathie en laboratoire.
9. Rassemblez le matériel nécessaire. Voir la liste du matériel à la fin.
Lab &Exercices en classe
A} Identification des parties de plantes allélopathiques : Noyer noir
Axe de recherche
Les élèves discutent des raisons pour lesquelles ils pensent que certaines parties de plantes peuvent être plus allélopathiques que d’autres. Demandez-leur de faire des recherches à ce sujet. Ils peuvent parcourir le Web, participer à des communications personnelles avec des professionnels du domaine ou visiter une bibliothèque.
Pour discussion :
*Pourquoi certaines parties sont-elles plus allélopathiques que d’autres ?
*Comment cela affecte-t-il la capacité de l’organisme à rivaliser avec d’autres plantes ?
*Est-ce que cela change d’une saison à l’autre ? Du jour à la nuit ?
*Comment pouvons-nous tester ces parties et leurs propriétés ?
Récolte sur le terrain
Réaliser une sortie sur le terrain pour récolter des parties du noyer noir. Ces parties seront ramenées en classe pour une étude et une observation plus poussées.
Les élèves doivent recueillir les éléments suivants :
1. Feuilles
*5 à 10 feuilles par groupe
*Placez-les dans des sacs en papier avec le nom ou le numéro du groupe et l’endroit de la canopée où les feuilles ont été recueillies.
2. Coques de noix
*2 à 3 coques de noix par groupe
*Note : les noix de noyer noir tachent la peau et les vêtements.
3. Racines
*Un bouquet de racines pour toute la classe est suffisant
*Diga un trou propre, COUPEz une petite quantité de racines par la ligne de goutte
*Remplacez le sol
*L’enlèvement des racines est invasif et devrait SEULEMENT être fait si l’enseignant et les étudiants sont confiants dans leurs techniques et méthodes.
4. la terre
*Les élèves enlèvent la terre dans une gamme de zones en commençant par le tronc de l’arbre et en allant au-delà de la ligne de goutte.
*Un seau plein par groupe sera suffisant
5. Autres
Procédures de laboratoire
Les feuilles:
1. Préparez des bocaux avec des graines de tomate ou de poivron
*Placez du tissu dans le fond du bocal
*Faites de la mousse
*Placez les graines sur des serviettes humides (généralement dix graines par traitement)
2. Émiettez les feuilles et placez-les dans une étamine
3. Attachez l’étamine à l’aide d’un élastique ou d’un lien et placez-la dans l’ouverture du pot de façon à ce que le paquet de feuilles pende au-dessus des graines, mais ne les touche pas.
4. Placez les pots sur le rebord de la fenêtre ou sous la lumière de la serre.
5. Observer
Les coques de noix :
1. À l’aide d’un mélangeur, d’un robot culinaire ou d’un marteau, pulvérisez la noix
2. Décidez d’ajouter de l’eau ou de laisser telle quelle (une comparaison des deux façons peut être préférable)
3. Placez le jus de noix dans une boîte de Pétri qui a été tapissée de papier absorbant.
4. Placez dix graines dans chaque boîte de Pétri préparée
5. Observez.
Racines:
Voir procédure pour les coques de noix ci-dessus
Sol:
1. Placez un peu de sol potentiellement allélotoxique dans des récipients.
2. Placez un sol non contaminé connu dans d’autres récipients (contrôle)
3. Plantez des graines dans chacun
4. Observez
Note : Des plants de tomates peuvent être utilisés à la place des graines lorsque cela est approprié.
B} Allelopathy : Tomato SeedDose/Response Bioassay
Research Focus:
Les élèves discutent de l’idée que seules certaines quantités d’allelotoxines sont efficaces contre d’autres organismes. Demandez-leur de faire des recherches à ce sujet. Comme pour l’activité mentionnée ci-dessus, ils peuvent parcourir le Web, visiter une bibliothèque ou participer à des communications personnelles avec un professionnel du domaine.
Pour discussion:
*Pourquoi certaines quantités d’allélotoxines seraient-elles plus efficaces que d’autres ?
*Comment cela affecterait-il les défenses d’un organisme sensible ?
*Quels autres facteurs peuvent être impliqués ?
*Comment pouvons-nous tester cela ?
Faire des dilutions pour tester les seuils de toxicité d’un produit chimique
Réaliser une expérience de laboratoire où certaines allélotoxines sont testées à différentes dilutions ou concentrations. Ces dilutions, une fois observées et analysées, devraient donner un aperçu des quantités de ce produit chimique qui sont les plus efficaces contre d’autres organismes. Cette expérience particulière utilise des graines de tomates comme test biologique parce que les tomates sont une espèce connue pour être sensible à la Juglone. Cependant, la classe peut décider d’autres graines ou plantes à utiliser (dans le cas des plantes, les dilutions seraient versées dans les récipients ou dans la solution dans le cas de la culture hydroponique).
Allélopathie : graine de tomate Fiche de données sur l’essai biologique dose/réponse
Nom
Date
Produit chimique testé
Concentration à 100 %
Durée de l’expérience
Tableau 1 : données sur la germination des graines
Tableau 2 : Données sur la longueur des radicules
Que recherchent les élèves ?
1. Si les graines germent ou non.
2. Si les plantes sont affectées ou non.
3. Pour des changements dans les réactions selon les traitements.
4. Autre : Laissez-les décider de ce qu’il faut rechercher et pourquoi.
Notes générales sur les procédures ci-dessus:
Les cultures solanacées, comme les tomates, les poivrons, les aubergines, etc. sont les plus sensibles au juglone et sont donc les meilleures à utiliser.
Les plantes sont les plus sensibles aux traitements.