Article original
Perturbation hydrique et altération des surfaces dans les aiguilles d’épicéas (Picea abies L)
du Jura en fonction de leur âge et de l’état
de dépérissement des arbres
PM Badot , JP Garrec
1 Faculté des sciences et des
techniques,
PlaceLeclerc,
laboratoire debotanique,
25030Besançon Cedex;
2
INRA,
centre de recherchesforestières, laboratoire
d’étude de lapollution atmosphérique, Champenoux,
54280Seichamps,
France(Reçu
le 14 mai1990; accepté
le 14 août1990)
Résumé — L’étude du contenu
hydrique
desaiguilles
et l’observation enmicroscopie électronique
à
balayage
des surfaces foliaires ont été effectuées sur unlarge
échantillond’épicéas
sains etd’épi-
céas
dépérissants
afin de caractériser l’actueldépérissement
de cette essence dans le Jura fran-çais.
Les variations de la teneur moyenne en eau sont étroitement liées à l’état de défoliation des arbres : lesaiguilles
des arbres fortement défoliésprésentent
une réduction sensible de la teneur moyenne en eau parrapport
auxaiguilles
des arbres non défoliés. Lesaiguilles
des arbresdépéris-
sants sont
également
caractérisées par des modifications du nombre et de la structure des ciresépi-
cuticulaires et des cires
substomatiques.
A unâge donné,
lesaiguilles
des arbresdépérissants pré-
sentent des teneurs en eau voisines de celles
enregistrées
un anplus
tard chez les arbres sains. Ledépérissement
desépicéas
du Jurafrançais
se traduirait ainsi par une sénescenceprématurée
desaiguilles.
Picea abies /
dépérissement
forestier / teneur en eau / cire cuticulaire / sénescenceSummary —
Perturbation of water content and surface alteration in needles of spruce trees(Picea
abiesL)
from the French Juraaccording
to their age and to the health status of the trees. Measurements of needle water content andscanning
electronmicroscopy
studies of leaf sur-faces were carried out on a
large
number ofdeclining
andhealthy
spruce trees in order to character- ize the decline of thisspecies
in the French Jura. Variations in water content wereclosely
correlatedwith the health status of the trees: needles of
damaged
treesdisplayed
a marked decrease in leaf water content.Moreover,
the number and structure of theepicuticular
waxes and also the substoma- tal waxes were modified. At agiven
age, the needles ofdeclining
trees had the same water contentas those
displayed
one year laterby
needles of thehealthy
trees.Thus,
the decline of spruce trees in the French Jura appears tocorrespond
to anearly ageing
of the needles.Picea abies / forest decline / water content / cuticular wax /
ageing
INTRODUCTION
Les épicéas des forêts jurassiennes,
comme
de nombreuses
autres essencesforestières,
sontaffectés depuis quelques
années d’importants phénomènes
de dé-périssement (Ministère
del’Agriculture, 1988; Badot
etBadot, 1989). Dans
cetterégion,
iln’existe pas de relation
entre ledépérissement
etles caractéristiques pé- dologiques
desstations (Bruckert
etTan, 1986). Ceci
estconfirmé par le fait que
ledépérissement
del’épicéa
dansle
Jura nese traduit pas par
l’apparition de troubles
nutritionnels(Badot et al, 1988), à
l’inversede ce
qui
aété rapporté
pour d’autres massifs forestierseuropéens (Rehfuess, 1987; Landmann
etal, 1987). Récem- ment,
il aété montré que les sécheresses
qui
ontaffecté l’Europe
au cours desder-
nières années
sontimpliquées
dans ledé- périssement
dusapin
dansles Vosges (Lévy
etBecker, 1987; Becker, 1989). Une telle conclusion
apu également être
avan-cée
concernant ledéclin de l’épicéa
dansle Jura : de mauvaises conditions
d’ali-
mentationhydrique
ontcontribué à l’appa-
rition du phénomène
enFranche-Comté
(Badot
etal, 1990).
A ce stade des re-cherches,
ilapparaît important
de détermi- nersi les variations de
teneur en eaudes
aiguilles
sont unsymptôme
constant chezles arbres malades
et si elles sont un indi- cateurde dépérissement. Parallèlement,
nous avons
entrepris
uneétude détaillée
en
microscopie électronique à balayage
des surfaces foliaires afin d’établir une cor-
rélation
entred’éventuelles altérations
descuticules
et ledépérissement des arbres.
MATÉRIEL
ETMÉTHODES
Matériel végétal
etprélèvements
Les
prélèvements
ont été effectués dans unerégion
située entre les communes deLevier,
Frasne et Pontarlier
(Doubs, France).
Lesarbres étudiés sont localisés dans 7 stations si- tuées à
proximité
d’un même transect et consti- tuent un échantillonreprésentatif (altitude, types phytosociologiques, etc.)
de l’ensemble du mas-sif.
La notation des arbres a été effectuée par les
agents spécialisés
de l’ONF selon lesystème
à5
degrés
retenu dans le programme DEFORPA(Buffet, 1987).
Dans chacune des 7stations,
lesprélèvements
ontporté
sur 8épicéas
sains declasse
1,
c’est-à-direprésentant
moins de 10%de
perte
defeuillage
et sur 8épicéas dépéris-
sants de classe 3, dont la défoliation est com-
prise
entre 25 et 60%. Les arbres sontâgés
de70 à 110 ans. La collecte a concerné 4
généra-
tions
d’aiguilles (années
1984 à1987).
La ré-colte des échantillons
végétaux
a été effectuéeau mois d’octobre 1987, c’est-à-dire en
période
de repos
végétatif,
au moment où l’activité méta-bolique
desaiguilles
est laplus
stable(Guehl, 1985).
Lesprélèvements
ont été effectués sur des rameaux situés à 4 m de la cime au moyen d’échelles installées sur les arbres. Cette ma-nière
d’opérer précise
mais lourde à mettre enœuvre a été
préférée
à la traditionnelle méthode deprélèvement
par tir aufusil,
car des résultats antérieurs(Badot
etal, 1988)
ont montré que certainescaractéristiques physiologiques
des ai-guilles
et notamment leur teneur en eau étaient fonction de leurposition
dans leshouppiers.
Contenu
hydrique
Les
aiguilles
sont sectionnées au niveau de leurpoint
d’insertion et sont immédiatementplacées,
par lot de
15,
dans des tubes étanchespréala-
blement tarés. La mesure de la masse fraîche
(MF)
est réalisée dès le retour au laboratoire. La détermination de la masse sèche(MS)
est effec-tuée
après
2 semaines deséjour
dans uneétuve à 90°C. Dans ces
conditions,
nous avons vérifié que la masse desaiguilles
devenait cons-tante
après quelques jours
deséchage.
La te-neur en eau
(TE)
estexprimée
enpourcentage
de la masse sèche :
(MF-MS)
TE= x 100
MS
Microscopie électronique à balayage
Seules les
aiguilles
de l’année 1987 ont été obs- ervées enmicroscopie électronique.
Les ai-guilles
sontprélevées
commeindiqué plus
haut.Après séchage
à l’étuve à 60°Cpendant
une se-maine,
depréférence
à unedéshydratation (Sauter
etVoss, 1986),
elles sont stockées ausec
jusqu’au
moment de leurpréparation.
Ellessont alors
disposées
sur unporte-échantillon
enaluminium où elles sont fixées à l’aide d’une colle conductrice au carbone
(LEIT-C
de Bal-zers).
Les échantillons sont ensuite recouverts d’une fine couche de carbone(environ
10nm)
au moyen d’un
évaporateur
CED 020 Balzers de manière à assurer leur conductivitéélectrique.
Les observations ont été conduites sur une cen- taine
d’aiguilles,
des classes dedépérissement
1 et
3,
avec desgrandissements
voisins de 600 et avec une tension d’accélérationégale
à 25 kVà l’aide d’un
microscope
àbalayage
Stereoscan90B
(Cambridge Instruments).
Pour décrire
quantitativement
les modifica- tions de l’état de surface desaiguilles
au niveaudes
cires,
nous avons utilisé les critères définis par Sauter et Voss(1986) :
- état
I,
pas dedégradation
oud’agrégation
descires
épistomatiques
ouépicuticulaires;
- état
II,
débutd’agrégation
des ciresépistoma- tiques (sur
moins de 1/3 de la surface des sto-mates)
et début dedégradation
etd’aggloméra-
tion des cires
épicuticulaires (disparition
desstructures cireuses inférieure à
30%);
- état
III, agrégation
de moyenne à forte des ciresépistomatiques
sur 1/3 à 8/10 de la sur-face des stomates,
dégradation
etdisparition
de30 à 80% des cires
épicuticulaires;
- état
IV, agrégation
trèsimportante des
ciresépistomatiques (formation
d’une couche conti-nue de cire sur presque 9/10 de la surface des
stomates), disparition
presque totale des ciresépicuticulaires.
RÉSULTATS
Contenu hydrique des aiguilles
Dans la figure
1 sontconsignées,
pour chacunedes stations
et pourl’ensemble de l’échantillon, les variations de la
teneurmoyenne
en eaudes aiguilles des
4géné-
rations
enfonction de
l’état dedéfoliation
des arbres. Quelle que soit la classe de
dépérissement considérée, la
teneurmoyenne
en eau estliée à l’origine géo- graphique des aiguilles. Il existe par
exemple des différences statistiquement significatives
entreles valeurs les plus éle-
vées enregistrées pour les arbres sains
dansles
stations deSuans (183,5 ± 11,1%
MS)
etde Théâtre forestier (177,3
±9,6%
MS)
etles valeurs les plus faibles présen-
tées à Morond (143,3
±6,1% MS)
età
Maublin Sud-Est (152,6 ± 7,2% MS).
En règle générale, la
teneurmoyenne
en eau
des aiguilles
estfonction de l’état de défoliation : à l’exception des valeurs
enregistrées pour la station de Morond, les
teneurs
moyennes
en eaudes aiguilles
des arbres de classe
3 sontinférieures à celles des aiguilles des arbres de classe
1.Ces différences
sontstatistiquement signi-
ficatives dans
3des stations étudiées
(Suans, Maublin Nord-Ouest
etThéâtre
fo-restier). A l’échelle
del’ensemble
del’échantillon étudié, la
teneurmoyenne
eneau
des aiguilles des arbres de classe
1(163,3
±3,6% MS)
estaussi statistique-
ment
supérieure à celle des arbres de classe
3(151,6 ± 3,4% MS). Ceci
estéga-
lement vrai quelle que soit la génération d’aiguilles considérée : à âge égal,
les te-neurs
moyennes
en eaudes aiguilles des
arbres présentant
unedéfoliation impor- tante
sonttoujours statistiquement infé-
rieures à celles des arbres
nondéfoliés
(fig 2).
Il estimportant
deremarquer
queles aiguilles
desarbres dépérissants
mon-trent, à
unâge donné, des
teneursmoyennes
en eaunormalement présen-
tées par les aiguilles des arbres sains lors-
qu’elles
sontplus âgées. Si l’on considère
par exemple les aiguilles de l’année
1986des arbres de classe 3,
on constateque leur
contenuhydrique, qui
est del’ordre de
150% MS,
n’estpas significativement diffé-
rent
de celui des aiguilles
mises enplace
un an
plus tôt c’est-à-dire
en 1985par les arbres de classe
1.Observation des surfaces foliaires
enmicroscopie électronique à balayage
La figure
3fournit des exemples caracté- ristiques d’images des surfaces foliaires telles qu’elles
ontété obtenues
au coursd’une centaine d’observations. Les ai-
guilles des arbres
declasse
1(fig 3a) pré-
sentent
la
structureclassique (état I) :
lasurface foliaire
esthérissée de
ciresépicu-
ticulaires
en formed’aiguilles. Au
niveaudu
stomate età
sapériphérie, les cires
sto-matiques
sontabondantes
et nettement in-dividualisées.
Chez
lesarbres de classe
3(fig 3b),
cefeutrage
de ciresstomatiques
apratique-
ment
disparu
etseul
unagglomérat de
cires mal différenciées
estvisible.
Lescires épicuticulaires
sontpratiquement ab-
sentes et
la surface cuticulaire
nepré-
sente
plus
quequelques
structures malin- dividualisées. Ce niveau d’altération des cires à la surface des aiguilles des épicéas dépérissants correspond à l’état
IIItel qu’il
a
été défini à partir des critères
deSauter
etVoss (1986). Dans le cadre de
cette ex-périence,
cessymptômes
ontété
retrou-vés
surplus de
80%des échantillons ob- servés : quelle
quesoit l’origine géographi-
que des aiguilles,
ilexiste toujours
une re-lation nette entre
l’état de défoliation
desarbres
etl’aspect des surfaces foliaires.
DISCUSSION
Quelle
quesoit la classe
dedépérisse-
ment
considérée, les
teneurs moyennes en eaudes aiguilles des épicéas du Jura présentent d’importantes variations
enfonction de l’origine géographique des
arbres (fig 1). Ces variations de
teneurmoyenne
en eauenregistrées
entrearbres
de différentes stations
montrentque
cepa- ramètre dépend de facteurs stationnels dont
on nepeut
encorepréciser la
nature.Bien que la
teneurmoyenne
en eaudes
aiguilles des arbres de classe
3soit infé- rieure à celle des arbres de classe 1,
ceparamètre
nepeut donc être utilisé
comme un
indicateur de l’état de dépéris-
sement
d’un arbre
oud’un petit
nombred’arbres. Néanmoins, à l’échelle de l’en- semble de l’échantillon étudié, la
teneurmoyenne
en eaudes aiguilles
estétroite-
ment
liée à l’état
dedéfoliation des
arbres etelle pourrait
de cefait constituer un moyen fiable pour caractériser la vitalité d’un peuplement. Ces résultats
sont en ac-cord
avec ceuxde Mehlhorn
etal (1988),
Badot
etal (1988), Rosenkranz
etal
(1989).
Quel que soit l’état de défoliation des arbres, le
contenuhydrique des aiguilles
diminue
avecl’âge de celles-ci. Ceci
est sansdoute lié
auxrôles spécifiques joués
par
les différentes générations d’aiguilles :
l’essentiel de l’activité photosynthétique
estassurée par les aiguilles de l’année, alors
que les aiguilles plus âgées auraient
unrôle de réserve (Prinz
etKrause, 1987).
Les aiguilles des arbres dépérissants
mon-trent
à
unâge donné des
teneursmoyennes
en eauégales à celles normale-
mentenregistrées
environ un anplus
tarddans les
aiguilles des arbres sains. Un ré- sultat similaire
aété obtenu précédem-
ment concernant
l’évolution du pH
vacuo-laire
au coursde vieillissement des
aiguilles (Badot
etBadot, 1989). Chez les
arbres dépérissants, les aiguilles attein-
draient plus rapidement
unétat physiologi-
que
caractérisant
lesaiguilles plus âgées.
Ainsi,
ladéfoliation pourrait être liée à
unvieillissement prématuré des aiguilles.
Unetelle sénescence précoce
adéjà été évo- quée dans des
travauxayant trait à l’étude du dépérissement (Garrec et al, 1989). Les
informations recueillies
ici nepermettent toutefois pas de déterminer si
cettebaisse
précoce de la
teneurmoyenne
en eau cor-respond à
unediminution de la
massed’eau
ouà
uneaugmentation de la bio-
masse
sèche. Une moindre croissance peut
eneffet
setraduire par des cellules
plus petites à vacuole réduite
etpar
unrapport
massed’eau/MS plus faible
sansqu’aucune contrainte hydrique n’ait été
exercée. Même si les résultats de l’étude
dendrochronologique (Badot
etal, 1990)
montre une
corrélation
entrel’actuel épi-
sode de dépérissement
etles sécheresses
qui
ontaffecté l’Europe
au coursdes der-
nières années, d’autres investigations, par
exemple des
mesuresde
teneur en eau re-lative
etde potentiel hydrique réalisées à
différents
momentsde l’année, devront
être effectuées afin de déterminer si le
fonctionnement hydrique des épicéas dé-
périssants
duJura
estperturbé
ou non.Les observations
enmicroscopie élec- tronique à balayage des surfaces foliaires révèlent l’existence chez les arbres dépé-
rissants de modifications de l’abondance, de l’aspect
etde la distribution des cires
épicuticulaires. De telles altérations
ontdéjà été signalées dans la littérature (Tuo- misto, 1988; Gunthardt-Goerg
etKeller,
1987; Barnes
etal, 1988). Les perturba-
tions métaboliques induites par divers agents polluants (Percy
etBaker, 1987)
serépercuteraient
surla formation de la cuti- cule dans les jeunes aiguilles (Garrec
etKerfourn, 1989). Chez des arbres soumis à
cesagents, la mise
enplace des cires
cuticulaires
etstomatiques serait affectée,
ce
qui provoquerait
uneaugmentation de
la perméabilité
descuticules vis-à-vis de l’eau. Un argument supplémentaire à l’appui de
cetteconception
estconstitué
par les résultats récents obtenus lorsque
des aiguilles
sontsoumises à des brouillards acides (Mengel
etal, 1989)
ouà
unmélange de brouillard acide
etd’ozone (Barnes
etal, 1990), la transpira-
tion cuticulaire
est alorstoujours plus éle- vée dans les aiguilles traitées. De tels pro-
cessus
pourraient conduire à
unediminution de la quantité d’eau présente
dans les aiguilles
etpourraient ainsi rendre compte
de la baissede
teneurmoyenne
en eau
des
arbresdépérissants. Des ciné- tiques de déshydratation d’aiguilles exci- sées, qui donnent de bonnes indications
sur la
transpiration cuticulaire (Mengel
etal, 1989),
ou des mesures deconductance foliaire à l’aide d’un poromètre devront être réalisées
sur notrematériel pour confirmer la validité de
cettehypothèse.
A
cestade de
notretravail, il importe de poursuivre
nosinvestigations afin de déter- miner quelle
estl’origine des symptômes -
réduction
des teneurs en eau et altérationdes cuticules - identifiés chez les épicéas dépérissants du Jura. Il convient
enparti-
culier de préciser la
naturedu phénomène
de sénescence précoce des aiguilles
et derechercher
siles relations hydriques
sontperturbées chez les épicéas dépérissants
et
quelles peuvent alors être les consé- quences
surla croissance
etle développe-
ment
de la plante (Schulze, 1986; Mac In- tyre, 1987).
REMERCIEMENTS
Les auteurs adressent leurs
plus
vifs remercie- ments à MJ Badot pour son efficace collabora-tion,
à P Lacroix directeur du Service Graines et Plants de l’Office National desForêts,
ainsiqu’aux équipes
degrimpeurs
de cetorganisme,
pour leur
disponibilité
et leurcompétence
lorsde la collecte des échantillons.
Ce travail a bénéficié de soutiens financiers du Conseil
Régional
de Franche-Comté et du programme DEFORPA.RÉFÉRENCES
Badot
PM,
Badot MJ(1989)
Contribution à l’ana-lyse
des caractèresphysiologiques
desépi-
céas
dépérissants (Picea
abiesL)
du Jura.Ann Sci Univ
Besançon
BiolEcol 5,39-44
Badot
PM,
GarrecJP,
MilletB,
BadotMJ,
Mer- cier J(1988) Dépérissement
et étathydrique
des
aiguilles
chez le Picea abies. Can J Bot66, 1693-1701
Badot
PM,
PerrierP,
Badot MJ(1990) Dépéris- sement,
déficithydrique
et variations de croissance radiale chez le Picea abies. Can JBot 68, 1536-1541
Barnes
JD,
DavisonAW,
Booth TA(1988)
Ozone accelerates structural
degradation
ofepicuticular
wax onNorway
spruce needles.New
Phytol 110,
309-318Bames
JD,
EamusD,
Brown A(1990)
The in-fluence of ozone, acid mist and soil nutrient status on
Norway
spruce(Picea
abies LKarst).
I. Plant water relations. NewPhytol
114, 713-720
Becker M
(1989)
The role of climate onpresent
andpast vitality
of silver fir forests in theVosges
mountains of northeastern France.Can J For Res
19, 1110-1117
Bruckert
S,
Tan BS(1986)
Etude dudépérisse-
ment des forêts de
l’étage montagnard
duJura en relation avec les sols
calciques
ouacides du
karst, l’importance
de leurs élé- ments nutritifs et l’état nutritionnel des peu-plements.
Ann Sci UnivBesançon
BiolVég 6, 37-44
Buffet M
(1987)
Le réseau de surveillance des forêts.Description. Problématique.
In: Lesrecherches en France sur le
dépérissement
des forêts.
Programme DEFORPA,
1erRap- port. ENGREF, 11-16
Garrec
JP,
Kerfoum C(1989)
Effets despluies
acides et de l’ozone sur la
perméabilité
àl’eau et aux ions de cuticules isolées.
Impli-
cation dans le
phénomène
dedépérissement
des forêts. Environ
Exp Bot 29,
215-228 GarrecJP,
RichardinI,
Le MaoutL,
RoseC,
Gérard
B,
Mathieu Y(1989)
Etude dupH
etdu
pouvoir tampon
desaiguilles
desapins (Abies
albaL)
etd’épicéas (Picea
abiesL) dépérissants. Application
ensymptomatolo- gie?
Ann SciFor 46,
55-69Guehl JM
(1985)
Etudecomparée
despotentia-
lités hivemales d’assimilation carbonée de trois conifères de la zone
tempérée (Pseu- dotsuga
menziesiiMirb,
Abies albaMill,
et Picea excelsaLink).
Ann SciFor 42, 23-38 Gunthardt-Goerg MS,
Keller T(1987)
Some ef-fects of
long-term
ozonefumigation
on Nor-way spruce. II.
Epicuticular
wax and stoma-ta. Trees
1,
145-150Landmann
G,
BonneauM,
Adrian M(1987)
Ledépérissement
dusapin pectiné
et del’épi-
céa commun dans le massif
vosgien
est-il enrelation avec l’état nutritionnel des
peuple-
ments? Rev For Fr
(Nancy) 39,
5-11Lévy G,
Becker M(1987)
Ledépérissement
dusapin
dans lesVosges :
rôleprimordial
dedéficits d’alimentation en eau. Ann Sci For
44, 403-416
Mclntyre
GI(1987)
The role of water in the regu- lation ofplant development.
Can J Bot65,
1287-1298
Mehlhorn
H,
FrancisBJ,
Wellburn AR(1988)
Prediction of the
probability
of forest declinedamage
toNorway
spruceusing
threesimple site-independent diagnostic parameters.
NewPhytol 110,
525-534Mengel K, Hogrebe AMR,
Esch A(1989)
Effectof acidic
fog
on needle surface and water re- lations of Picea abies.Physiol Plant 75,
201-207
Ministère de
l’Agriculture (1988)
Etat sanitaire des arbres forestiers. Observations1987, 1-6 Percy KE,
Baker EA(1987)
Effects of simulated acid rain onproduction, morphology
andcomposition
ofepicuticular
wax and on cuti-cular membrane
development.
NewPhytol 107, 577-589
Prinz
B,
Krause GHM(1987)
Ledépérissement
des forêts en
République
Fédérale d’Alle- magne. Pollut Atmos113,
45-53Rehfuess KE
(1987) Perceptions
of forest dis- eases in CentralEurope. Forestry (Oxf)
60, 1-11Rosenkranz
T,
BareisC,
BraunJ,
Wild A(1989) Investigation
on the water status of spruce trees in relation to the occurrence of novel fo- rest decline. PlantPhysiol
Biochem 27, 333- 340Sauter
JJ,
Voss JU(1986)
SEM - Observationson the structural
degradation
ofepistomatal
waxes in Picea abies
(L)
Karst - and its pos- sible role in the "Fichtensterben". Eur J ForPathol 16,
408-423Schulze ED
(1986) Whole-plant
responses todrought.
Aust J PlantPhysiol 13, 127-141
Tuomisto H