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Germination et survie de semences de mauvaises herbes à la
biofumigation
1. Plateforme d’innovation en agriculture biologique, Institut de recherche et de développement en agroenvironnement (IRDA), QC.
2. Université McGill, Département de sciences végétales, QC.
Maxime Lefebvre1
Maryse Leblanc1
Alan K. Watson2
Contexte et problématique
• Mauvaises herbes (MH): Toujours présentes!
• Source d’infestation = Banque de graines
• Banque de graines: Ensemble de graines viables distribuées dans le profil de sol
• Processus permettant de rester viable dans le sol Dormance
Dormance
• Dormance – un concept complexe! • Définition
• Selon la chronologie : Primaire ou secondaire
• Selon source: Endogène ou exogène
• Selon mécanisme : physiologique, morphologique…
Baskin and Baskin, 2004. Seed Science research,14. 1-16
Seeds: the ecology of regeneration in plant communities. M. Fenner, 2000
Handbook of SEED PHYSIOLOGY –Application to agriculture. R. Benech-Arnold et A. Sanchez, 2004
Tiré de : Bolingue,2009. Univesité d’Angers.
Tégument
Cotylédons
Axe embryonnaire
Embryon
Tiré de: Foley, 2001. Weed Science, 49 (3) 305-317
Dormance, un état dynamique
Dévelopement de la graine
Dévelopement de la plantule
Dormance primaire
Dormance secondaire
Post-Maturation
Défavorable
Conditions défavorables prolongées
Environnement
Mécanismes de dormance
• Dormance physiologique -> (PD) • La plus commune chez les MH
• Interaction endogène/exogène : Structure enveloppante + inhibiteurs produits par l’embryon
• 3 catégories : Profonde (P) , Intermédiaire (I) et Non-Profonde (NP)
• NP - PD peuvent passer de dormant à non-dormant
• NP - PD sous divisée en 5 catégories: Selon réponse à la température pour germer, à mesure que la dormance est levée
1. Germent à l’automne, annuelle d’hiver
2. Germent au printemps, annuelle d’été
Dormance physiologique
Dormance diminue
1.0 : Dormant, 0.5 Moyennement dormant, 0.0 : Non-Dormant
Température pour germer
Baskin and Baskin, 2004. Seed Science research, 14. 1-16
• Dormance morphologique (endogène) -> • Embryon non-différentié ou sous développé
• Temps requis dans bonne condition
• Dormance morphophysiologique (endogène) -> • Mécanismes des deux types de dormance en action
• Dormance physique (exogène) -> • Cellules spécialisées de la testa, lignifiées, avec des molécules
hydrophobes.
• Brise la dormance = ouvrir la “valve”
Basin et Baskin, 2006. Weed Science, 54 (3) 549-557
Mécanismes de dormance
• Écoloqique • Distribution dans le temps
• Survie!
• Agronomique • Culture – produire des semences sans dormance
• MH – Banque de graines
– Adopter une bonne gestion
– Désherbage!!
Baskin and Baskin, 2004. Seed Science research, 14. 1-16
Seeds: the ecology of regeneration in plant communities. M. Fenner, 2000
Handbook of SEED PHYSIOLOGY –Application to agriculture. R. Benech-Arnold et A. Sanchez, 2004
Impact de la dormance
• Solutions
– Adopter une bonne gestion de la banque de graines
– Éviter les Entrées et maximiser les Sorties
Dormance/Banque de graines
Banque de graines
Production annuelle Dispersion dans l’espace - Pluie, animaux, vent…
Prédation - Insectes, souris, oiseaux
Mortalité - pathogènes - champignons
Germination (mortalité ou survie) - faux-semis, désherbage
Managing the weed seedbank, 2010. Grains Research and Development Corporation.
Menalled, 2008. Montana State University-Bozeman
Gallandt, 2006. Weed Science, 3. 588-596
• 3 processus clés
Dynamique des populations
Tiré de : Gallandt et al, 1999. Journ. Crop Prod. 2 (1) 95-122
Culture
A: Persistance B: Établissment des plantules C: Interférence
• Allélopathie: définition
• En champs, difficile de distinguer allélopathie et compétition
• Effet de l’allélopathie: régulation de la succession végétale
• Beaucoup de type de molécules, bcp d’espèce, sensibilité des cibles varie, environnement important…
= Difficile à étudier, tirer des conclusions claires...
Weston et Duke, 2003. Critical review in Plant science 22(3&4) 367-389
Dynamique de la banque de semences sous stress allélopathique
• Environnement très important pour la dynamique de germination/dormance des semences
• Tellement de facteurs différents qui influencent (lumière, température, nitrate, eau, O2, allélopathie)
= la sensibilité des semences n’est pas clairement établie
Finch –Savage et Leugner-Metzger, 2006. New Phytologist. 171. 501-523
Dynamique de la banque de semences sous stress allélopathique
Banque de graines
Banque de graines
Production annuelle Dispersion dans l’espace - Pluie, animaux, vent…
Prédation - Insectes, souris, oiseaux
Mortalité - pathogènes - champignons
Germination (mortalité ou survie) - faux-semis, désherbage
Piste de solution… - Biofumigation
Managing the weed seedbank, 2010. Grains Research and Development Corporation.
Menalled, 2008. Montana State University-Bozeman
Gallandt, 2006. Weed Science, 3. 588-596
Biofumigation
• Comment agit la biofumigation?
– 1) à l’incorporation
– 2) Compétition tôt en début de saison
– 3) Sécretion de glucosinolates dans le sol, via racines
Cellule végétale
Vacuole
Myrosinase
Glucosinolates + H2O
Isothio (ITC) et thiocyanate
Michel, 2008. Vitic. Arboric. Hortic. 40 (2) 95-99
Michel et al., 2000. Vitic. Arboric. Hortic. 39 (2) 145-150
Allelopathy current trends and future applications, Cheema, 2013.
– Benzyl-ITC sur Campylobacter
• B-ITC cible et agglomère les protéines, empêche les protéines de faire leur travail, la cellule meurt
– Sur MH, mode action inconnu
• ITCs interagissent avec des enzymes de la glycolyse durant la germination
• Diminution de la synthèse et le métabolisme des protéines
Mode d’action des ITCs
Dufour et al., 2013. Appl. and Environ. Microbio. 6958-6969
The chemistry of the NCS group. Drobinca et al., 1977.
Leblova-svobodova et Kostir., 1962. Experientia. 18. 554.
• Biofumigation peut retarder/réduire la germination, l’établissement des plantules et la biomasse des MH – Plusieurs expériences en labo, serres, en champs
– Résultats très variables pour chaque MH, entre chaque espèce biofumigante, ajout ou non d’une bâche…
– Tendance chez les petites semences à être plus sensibles
– Corrélation négative entre la dose testée et la germination
Peterson et al, 2001. Agronomy journal. 93 (1) 37-43
Haramoto et Gallandt, 2004. Renew. Agric. And Food Syst. 19 (4) 187-198.
Ce que nous connaissons biofumigation vs MH
Ce qui nous reste à savoir
• ? Type de dormance et sensibilité
• ? Mortalité dans la banque de graine
• ? Impact précis sur la communauté et
dynamique des populations des MH
– En savoir plus sur lesquelles sont plus affectées? De quoi a l’aire la communauté après la biofumigation? après plusieurs années de régie de biofumigation? résistance?
Projet IRDA
• Titre: Sensibilité de différents types de dormance de semences de mauvaises herbes à la
biofumigation.
• Réalisé en 2013 à PIAB, St-Bruno
• Financé par le CDAQ, en partenariat avec l’U. McGill
Objectif
Établir l’impact de la biofumigation sur la survie et germination de mauvaises herbes, selon leur
type de dormance
• Le but de l’étude:
– Savoir s’il est possible de réduire le nombre de graines dormantes dans le sol
• Expérience en laboratoire – pourquoi le labo?
• Test de germination en plats de Pétri
• Traitements: 5 doses de moutarde et un témoin
• La dose X:
– 10% de la biomasse en champ (7 t ha-1 m.s.)
Traitement Témoin X/3 X/2 X 2X 3X
Gramme par Pétri 0 0,153 0,228 0,456 0,912 1,368
Matériel et méthode
Matériel et méthode
• Matériel végétal pour les traitments
– Brassica juncea var. Caliente 199
– En chambre de croissance
– À floraison, coupée et séchée à 35°C
– Broyée finement avant utilisation
• Espèces étudiées
Matériel et méthode
Herbe à poux Ambrosia artemisiifolia
AMBAR
Vesce jargeau Vicia cracca
VICCR
Chénopode blanc Chenopodium album
CHEAL Sétaire verte Setaria viridis
SETVI
Carotte sauvage Daucus carota
DAUCA
• Espèces étudiées
Matériel et méthode
Dormance physiologique
Dormance physique Dormance morphologique
Matériel et méthode
• Unité expérimentale
– 50 graines par plat de Pétri
• 5 plats de Pétri par traitement
• Chambre de croissance 22 C
Observation
• Plats de Pétri observés et humidifiés au 2-3 jours selon espèces
• À germination stabilisée, test de viabilité
– Chlorure de tétrazolium: subit une oxydo-réduction par les cellules vivantes (enzyme déshydrogénase)
Coloration rouge des tissus vivants
Variables et Analyse stats
• Variables: – Germination et mortalité à chaque observation
– Germination cumulative
– Mortalité totale
– Nb de graines vivantes non germées
• Dispositif expérimental: – Complètement aléatoire
– 2 réplicats dans le temps
– ANOVAs et comparaisons de moyennes
Résultats AMBAR
0
10
20
30
40
50
60
70
80
J4
J6
J8
J11
J13
J15
J18
J20
J21
J22
J25
J26
J27
Temoin
X/3
X/2
X
2X
3X
Pourcentage de
germination cumulée
Nombre de jour (J) après le début du test
Résultats AMBAR
Pourcentage
Traitements
a a b bc c c
a ab b c d d
a a a
ab
bc c
Anova et tests de Tukey-Kramer HSD, P = 0,05
Anova par série de données, comparant les traitements
Résultats CHEAL
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
J4 J6 J8 J11 J13 J15 J18 J20 J21 J22 J25 J26 J27 J29 J32 J33
Temoin X/3 X/2 X 2X 3X
Pourcentage de germination cumulée Pourcentage
a a c c
b c
c c b a a a
a
b bc bc
cd d
Résultats DAUCA
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
J4 J6 J8 J11 J13 J15 J18 J20 J21 J22 J25 J26
Temoin X/3 X/2 X 2X 3X
Pourcentage de germination cumulée Pourcentage
a a a b c d
b a b c d d
a
a
b
b c c
Résultats SETVI
0
10
20
30
40
50
60
70
J4 J6 J8 J11 J13 J15 J18 J20 J21
Temoin X/3 X/2 X 2X 3X
Pourcentage de germination cumulée Pourcentage
a b c c c c
c bc ab
a a a
a
ab ab ab ab
b
Résultats VICCR
0
2
4
6
8
10
12
J4 J6 J8 J11 J13 J15 J18 J20
Temoin X/3 X/2 X 2X 3X
Pourcentage de germination cumulée Pourcentage
ab a a b b b
b b ab ab ab a
b b a a ab a
Discussion
• Analyse de la moutarde utilisée
• 10% du taux mesuré de glucosinolates
– 13,8 mole ha-1 (Gimsing et Kirkegaard, 2006)
– 12,8 mole ha-1 (Morra et Kirkegaard, 2002)
Traitement Témoin X/3 X/2 X 2X 3X
Gramme par Pétri 0 0,153 0,228 0,456 0,912 1,368
µg Allyl-ITC 0 365,0 547,5 1 094,9 2 189,8 3 284,7
mole Allyl-ITC ha-1 0 5,8 8,7 17,4 34,8 53,1
Gamme testée comparable à des situations de champs
Discussion
• Induction de dormance à dose sous-léthal - DAUCA : à X/2 et X/3 (4,7% 21,4%) - CHEAL: à X (9,4% 18,6%)
Ger
min
atio
n a
just
ée (
%)
Do
rman
ce (
%)
Discussion
• Phénomène déjà observé dans la littérature – Ex: Amaranthus hybridus – dormance physiologique
(Peterson et al, 2001)
Induction de la dormance secondaire Phénomène de dose-réponse hormétique -???
***Peut expliquer pourquoi aux champs, il est possible de ne pas observer une diminution de la germination
Peterson et al. 2001. Agron. Journ. 93 (1) 37-43
Conclusion
Dormance Espèce Réduction de la
germination Reduction de la
dormance Mortalité Globalement
Morpho- DAUCA
Physio-
AMBAR
CHEAL
SETVI
Physique VICCR
0-24% Nul à faible; 25-49% Modéré; 50-74% Important; 75- 100% Très important
Conclusion
Dormance Espèce Réduction de la
germination Reduction de la
dormance Mortalité Globalement
Morpho- DAUCA Très important Très important Très important Très important
Physio-
AMBAR
CHEAL
SETVI
Physique VICCR
0-24% Nul à faible; 25-49% Modéré; 50-74% Important; 75- 100% Très important
Conclusion
Dormance Espèce Réduction de la
germination Reduction de la
dormance Mortalité Globalement
Morpho- DAUCA Très important Très important Très important Très important
Physio-
AMBAR Très important Important Très important Très important
CHEAL
SETVI
Physique VICCR
0-24% Nul à faible; 25-49% Modéré; 50-74% Important; 75- 100% Très important
Conclusion
Dormance Espèce Réduction de la
germination Reduction de la
dormance Mortalité Globalement
Morpho- DAUCA Très important Très important Très important Très important
Physio-
AMBAR Très important Important Très important Très important
CHEAL Très important Très important Très important Très important
SETVI
Physique VICCR
0-24% Nul à faible; 25-49% Modéré; 50-74% Important; 75- 100% Très important
Conclusion
Dormance Espèce Réduction de la
germination Reduction de la
dormance Mortalité Globalement
Morpho- DAUCA Très important Très important Très important Très important
Physio-
AMBAR Très important Important Très important Très important
CHEAL Très important Très important Très important Très important
SETVI Très important Modéré Modéré Important
Physique VICCR
0-24% Nul à faible; 25-49% Modéré; 50-74% Important; 75- 100% Très important
Conclusion
Dormance Espèce Réduction de la
germination Reduction de la
dormance Mortalité Globalement
Morpho- DAUCA Très important Très important Très important Très important
Physio-
AMBAR Très important Important Très important Très important
CHEAL Très important Très important Très important Très important
SETVI Très important Modéré Modéré Important
Physique VICCR Faible Modéré Important Modéré
La biofumigation a la capacité de réduire la survie des graines dormantes et non-dormantes
0-24% Nul à Faible; 25-49% Modéré; 50-74% Important; 75- 100% Très important
En extra… Galinsoga quadriradiata!!
0
20
40
60
80
100
J4 J6 J8 J11 J13 J15 J18 J20 J21 J22 J25
Temoin X/3 X/2 X 2X 3X
Prochaines étapes
• Suite des essais en laboratoire
• Essais en serres
– Est-ce que les graines qui survivent à la biofumigation développeront une tolérance/adaptation
• Essais en champs
– En milieux naturel, dynamique des populations de mauvaises herbes
Remerciements
• Équipe Malherbologie
– Germain Moreau
– Étudiants d’été et stagiaires (Maude, Myrtille, Simon, Maxime, Marie-Pierre, David, Laurence)
– Supporté financièrement par le Programme Canadien d’Adaptation Agricole (AAC) du CDAQ
Merci!
Contact: Maxime Lefebvre, M.Sc., Biologiste
Professionnel de recherche - Malherbologie et agriculture biologique
Plateforme d'innovation en agriculture biologique, IRDA
335, chemin des Vingt-cinq Est,
Saint-Bruno-de-Montarville (Québec) J3V 0G7
Tél.: 450-653-7368 p. 321
www.irda.qc.ca