Ecologie végétale
Découvrez comment les plantes s'adaptent à leur environnement physique, interagissent avec d'autres organismes et façonnent les écosystèmes. Apprenez-en davantage sur leur rôle dans les cycles naturels et les efforts de conservation face au changement climatique
Le monde des plantes regorge de diverses espèces vivants ensemble dans l’environnement. L'écologie végétale est une branche de l'écologie qui étudie les interactions entre les plantes et leur environnement, ainsi qu'entre les plantes elles-mêmes. Elle examine comment les facteurs abiotiques (comme le climat, le sol et l'eau) et biotiques (comme les interactions avec d'autres organismes) influencent la distribution, l'abondance, la croissance et la diversité des plantes.
1. Plantes et leur environnement physique
1.1. Facteurs abiotiques influençant les plantes
1.2. Adaptations des plantes aux environnements extrêmes
1.3. Impact des variations climatiques et du stress hydrique
2. Interactions entre les plantes et les organismes vivants
2.2. Relations bénéfiques
2.3. Défenses contre les organismes pathogènes
3. Communautés et écosystèmes végétaux
3.1. Formation et structure des communautés végétales
3.2. Succession écologique et perturbations
3.3. Biodiversité et dynamique des populations végétales
4. Changement climatique et conservation
4.1. Rôle des plantes dans les cycles biogéochimiques
1. Plantes et leur environnement physique
1.1. Facteurs abiotiques influençant les plantes
Les plantes interagissent constamment avec leur environnement abiotique, incluant des éléments comme la température, la lumière, l’eau et le sol. Ces facteurs jouent un rôle crucial dans leur croissance et leur développement.
* Influence de la température
La température influence directement les réactions biochimiques et enzymatiques qui se produisent dans les cellules. Ainsi, des températures trop basses peuvent ralentir ces réactions, entraînant une diminution de la croissance et des perturbations dans la germination des graines. À l'inverse, des températures élevées peuvent causer des dommages thermiques aux tissus végétaux, notamment en augmentant l'évapotranspiration et en provoquant un stress hydrique.
* Influence de la lumière
La lumière est essentielle pour la photosynthèse, fournissant l'énergie nécessaire à la production de composés organiques à partir de l'eau et du dioxyde de carbone. En outre, la photopériode – c’est-à-dire la durée d'exposition quotidienne à la lumière – régule de nombreux processus végétaux comme :
La floraison : Certaines plantes, appelées plantes de jours longs, nécessitent des périodes prolongées de lumière pour fleurir, tandis que d'autres, appelées plantes de jours courts, requièrent des périodes de lumière réduites.
La dormance et la germination des graines : la plupart des plantes sont dormantes à l’obscurité, exigeant la lumière pour la germination des graines (comme le haricot), alors que d’autres sont dormantes à la lumière, exigeant l’obscurité pour germer. Quelques espèces importantes pour l’agriculture sont indifférentes, comme les céréales et les légumineuses.
Les variations dans l'intensité et la qualité de la lumière (par exemple, les longueurs d'onde spécifiques) influencent également la morphologie des plantes, comme la taille des feuilles et la densité des stomates, leur permettant ainsi de maximiser l'efficacité photosynthétique dans différents environnements.
* Influence de l'eau
L'eau est indispensable à la survie des plantes, intervenant dans plusieurs fonctions essentielles comme le transport des nutriments via la sève, la régulation de la turgescence cellulaire et les réactions métaboliques. Cependant, la disponibilité de l'eau varie considérablement selon les environnements.
Un apport excessif ou insuffisant d'eau peut entraîner des problèmes majeurs. Par exemple, un excès d'eau peut provoquer une anoxie racinaire, tandis qu'une pénurie d'eau induit un stress hydrique, limitant la croissance et la reproduction des plantes.
* Influence du sol
Le sol constitue un support physique pour les plantes, tout en fournissant les nutriments essentiels à leur développement. La composition chimique, la texture et la structure du sol influencent la disponibilité des éléments nutritifs.
La qualité du sol détermine également la capacité d'absorption racinaire, influençant directement la croissance des plantes. Les sols bien aérés facilitent la respiration des racines, alors que les sols compacts ou mal drainés peuvent entraîner une asphyxie racinaire et affecter la santé globale des plantes.
Il existe plusieurs types de plantes selon le milieu où elles habitent et leur adaptation à l'environnement édaphique :
Les plantes nitrophiles : Ce sont des plantes qui vivent dans les sols riches en nitrates, et sont dites rudérales. Elles vivent sur les déblais et les remblais, dans les terrains vagues et dans les cultures sarclées. Comme exemple de familles des plantes, on trouve les Chenopodiaceae (Atriplex), les Urticaceae (Orties), les Polygonaceae (Rumex) et les Asteraceae (chardons et matricaire) ;
Les plantes calcicoles : Ce sont des plantes qui vivent sur les sols calciques, chaleureux et non acides. Exemple : le conifère pin d’Alep (Pinus halepensis) ;
Les plantes calcifuges : Ce sont des plantes qui vivent sur les sols siliceux, pauvres en calcium - qui agit comme un poison - et acides (sont donc acidophiles). Exemple : le châtaignier (Castanea sativa) ;
Les plantes halophytes : Ce sont des plantes qui préfèrent les sols riches en sels. Elles se trouvent en bordure des rivages maritimes, autour des dépressions salées à chlorure de sodium ou à sulfate de calcium, et à proximité des gisements de sel gemme ou des sources salées. Exemple : la betterave maritime (Beta maritima).
1.2. Adaptations des plantes aux environnements extrêmes
Les plantes ont développé des adaptations morphologiques et physiologiques pour survivre dans des environnements hostiles. Par exemple, les espèces de zones arides possèdent des stomates spécialisés qui s’ouvrent et se ferment pour réduire la perte d'eau en cas de forte chaleur. D'autres, comme certaines plantes montagnardes, développent des poils ou des revêtements cireux pour minimiser les dégâts causés par le froid et les vents.
Les écotypes et accommodats illustrent cette variabilité. Ces ajustements permettent aux plantes de s'adapter à différents sols, altitudes ou climats. Cette capacité est particulièrement remarquable chez des espèces telles que le trèfle, qui modifie ses structures foliaires selon les stimuli environnementaux.
Au cours de l’année, les végétaux doivent s’adapter au changement des saisons, spécifiquement :
- L’hiver et le froid : Pour résister au froid, les plantes peuvent entrer en vie ralentie ou vivre pendant seulement un an. C’est le cas des plantes annuelles (ou thérophytes) qui accomplissent un cycle de développement complet en un an. Ces dernières produisent aussi des diaspores très déshydratées pour assurer la dissémination des plantes et leur survie, comme le mildiou de la vigne (Peronospora viticola). Les plantes bisannuelles (plantes faisant un cycle de développement complet en deux années) et les pérennes (plantes vivant plusieurs années, aussi appelées vivaces) conservent une partie de leur appareil végétatif en hiver.
Selon le degré de protection des bourgeons, on distingue quatre grandes catégories :
Les phanérophytes : les bourgeons sont visibles toute l’année. Ils regroupent les arbres, arbustes et arbrisseaux ;
Les chaméphytes : les bourgeons pérennes sont situés à quelques centimètres du sol ;
Les hémicryptophytes : les bourgeons sont au niveau du sol ;
Les géophytes : les bourgeons sont dans la terre.
- L’été et la sécheresse : les plantes ont développé des stratégies pour résister efficacement à ces conditions, surtout au niveau des feuilles, comme :
Les feuilles coriaces, dures et parfois piquantes chez les sclérophytes ;
La réduction de la surface foliaire (nommée aphyllie) pour limiter la transpiration, comme chez les genêts (Cytisus purgans) ;
L'accumulation d'eau dans leurs tissus, nommée la succulence. Cela peut se faire dans les feuilles (succulence foliaire) comme chez la joubarbe des toits (Sempervivum tectorum), ou dans les bulbes comme chez Pachypodium densiflorum.
1.3. Impact des variations climatiques et du stress hydrique
Les variations climatiques, comme les sécheresses prolongées ou les gelées tardives, imposent un stress hydrique important aux plantes. Ce stress affecte non seulement leur croissance mais peut aussi altérer leur capacité à se reproduire. Par exemple, la sécheresse limite la photosynthèse et réduit l'absorption de nutriments, tandis que les températures extrêmes peuvent provoquer des dommages irréversibles au niveau cellulaire.
En réponse, certaines plantes développent des stratégies telles que l’accumulation d’eau dans leurs tissus ou la production de graines dormantes capables de survivre jusqu’à des conditions plus favorables. La gestion efficace de ces mécanismes est essentielle pour la résilience des écosystèmes dans un contexte de changement climatique.
2. Interactions entre les plantes et les organismes vivants
Les plantes vivent dans un écosystème renfermant d’autres organismes avec lesquels elles maintiennent différentes relations. Un exemple connu est les lichens, associant une algue et un champignon.
Les interactions des plantes avec les organismes environnants, qu'elles soient bénéfiques ou hostiles, façonnent la santé, la croissance et la diversité des plantes dans leurs environnements naturels.
2.1. Relation de parasitisme
Le parasitisme est une relation où une plante, le parasite, exploite une autre plante, l'hôte, pour sa survie. Généralement, on les trouve chez les thallophytes, surtout les champignons, une espèce des gymnospermes (Parasitaxus usta) et quelques familles des angiospermes dicotylédones.
Les hôtes sont généralement des spermaphytes (plantes produisant des graines, dont les gymnospermes et les angiospermes) et quelquefois des ptéridophytes (fougères).
Parmi les dicotylédones, on trouve deux catégories de parasites :
Hémiparasites : Ces organismes, comme le gui (Viscum album), sont partiellement autonomes grâce à leur capacité de photosynthèse. Ils prélèvent de l'eau et des nutriments dans le xylème de leur hôte à l'aide de suçoirs spécialisés ;
Holoparasites : Totalement dépendants, ces organismes non chlorophylliens, comme la cuscute (Cuscuta suaveolens), prélèvent à la fois la sève brute et la sève élaborée, entraînant souvent des dommages sévères pour l'hôte.
2.2. Relations bénéfiques
* Les symbioses dans la rhizosphère
La rhizosphère, la zone entourant les racines des plantes, est le site d'interactions symbiotiques bénéfiques. Les racines excrètent des composés organiques qui stimulent la croissance des micro-organismes du sol, tandis que ces derniers, comme certaines bactéries, facilitent l'absorption des nutriments grâce à des molécules aux propriétés chélatantes.
* Les mycorhizes
Les mycorhizes sont des associations entre des champignons et les racines des cormophytes. Ces interactions augmentent la surface d'absorption des racines, facilitent l'absorption des phosphates et stabilisent le pH autour des racines.
On distingue deux types :
Mycorhizes ectotrophes : Les hyphes des champignons entourent les radicelles et forment des manchons ;
Mycorhizes endotrophes : Les hyphes pénètrent dans les cellules de la racine.
Les mycorhizes sont particulièrement cruciales pour des espèces comme les pins, où elles peuvent tripler la taille des plantules en trois mois. Chez les orchidées, la présence de mycorhizes est indispensable pour la germination.
* La fixation symbiotique de l’azote
Certaines plantes, notamment les Fabaceae (légumineuses), établissent des relations symbiotiques avec des bactéries comme Rhizobium. Ces bactéries fixent l'azote atmosphérique en formant des nodosités sur les racines, permettant à la plante d'accéder à une source d'azote utilisable. Ce processus enrichit également le sol, comme dans le cas des aulnes (Alnus spp.) et d'autres espèces arboricoles.
On compte plusieurs arbres et arbustes des angiospermes portant des nodules, dont les familles des Casuarinaceae, des Betulaceae, des Myricaceae, des Coriariaceae, des Eleagnaceae, des Rhamnaceae et des Rosaceae.
Chez les gymnospermes, les végétaux formant ces relations appartiennent aux familles des Araucariaceae (Araucaria ou arbre aux singes), des Podocarpaceae et des Taxaceae (les ifs).
2.3. Défenses contre les organismes pathogènes
Les plantes développent des stratégies sophistiquées pour se défendre contre les champignons, bactéries et autres pathogènes. Elles reconnaissent les molécules spécifiques des agresseurs (éliciteurs) et déclenchent des réponses, comme la production de composés antimicrobiens.
Chez les arbres, les réactions de défense incluent la formation de barrières cellulaires et la sécrétion de phénols, tels que les acides gallique et tannique, pour isoler la zone infectée.
3. Communautés et écosystèmes végétaux
3.1. Formation et structure des communautés végétales
Les communautés végétales se composent de groupes d'individus appartenant à différentes espèces de plantes vivant ensemble dans un équilibre dynamique avec leur environnement. Ces formations dépendent de plusieurs facteurs, notamment le climat, le type de sol, et les interactions biologiques entre les plantes et les autres organismes vivants.
Dans ces communautés, on trouve généralement des producteurs primaires (végétaux chlorophylliens), des consommateurs (animaux) et des décomposeurs (champignons et bactéries) qui interagissent à travers des flux d'énergie et des cycles de matière.
3.2. Succession écologique et perturbations
La succession écologique décrit les changements progressifs dans la composition des communautés végétales au fil du temps. Ces changements peuvent être primaires (dans des zones dépourvues de vie, comme les terrains volcaniques) ou secondaires (dans des écosystèmes perturbés, comme une forêt après un incendie).
Les perturbations jouent un rôle crucial dans la régénération des écosystèmes. Par exemple, les incendies peuvent éliminer les espèces dominantes, permettant à d'autres de coloniser l'espace libéré. Cela contribue à la diversité et à la résilience des communautés végétales.
3.3. Biodiversité et dynamique des populations végétales
La biodiversité végétale repose sur la variation génétique, la richesse en espèces, et la diversité des écosystèmes. Les interactions entre les plantes (compétition, facilitation) influencent la structure des populations et leur dynamique. Par exemple, certaines espèces de plantes peuvent faciliter la croissance d'autres en améliorant la qualité du sol ou en fournissant de l'ombre. Cette propriété est exploitée en agriculture, où des plantes sont utilisées comme cultures de couvertures pour les cultures principales, afin d’améliorer la fertilité du sol, protéger les plantes des maladies et diminuer les effets négatifs sur l’environnement.
Le cas de la forêt tropicale (Reece et al., 2012)
La forêt tropicale est un biome caractérisé par une biodiversité exceptionnelle et une productivité primaire élevée. Ce biome se distingue par sa stratification complexe et son intense compétition pour la lumière.
Les forêts humides ont une stratification plus complexe que les forêts sèches. Les types d'arbres varient également entre ces deux types de forêts. Dans les forêts tropicales humides, les arbres à feuilles larges et persistantes dominent, tandis que les arbres des forêts tropicales sèches perdent leurs feuilles durant la saison sèche pour réduire leur perte d'eau.
Un autre trait caractéristique des forêts tropicales humides est l'abondance de plantes épiphytes, telles que les orchidacées et les broméliacées, qui colonisent les arbres et contribuent à la biodiversité exceptionnelle de ces écosystèmes. En revanche, dans les forêts tropicales sèches, les épiphytes sont moins abondantes, laissant place à des arbustes épineux et des plantes succulentes, comme celles de la famille des Crassulacées, adaptées à la sécheresse.
Ce contraste entre les forêts tropicales humides et sèches illustre la diversité des écosystèmes tropicaux et les adaptations des plantes aux variations des conditions climatiques et hydriques.
4. Changement climatique et conservation
4.1. Rôle des plantes dans les cycles biogéochimiques
Les plantes jouent un rôle central dans les cycles biogéochimiques essentiels, notamment ceux du carbone, de l’azote et de l’oxygène :
Cycle du carbone : La photosynthèse des plantes fixe le dioxyde de carbone (CO₂) atmosphérique en glucides, une étape cruciale pour convertir l’énergie solaire en énergie chimique. Ce processus alimente en énergie l’ensemble de la biosphère tout en libérant de l’oxygène dans l’atmosphère ;
Cycle de l’azote : Par l’intermédiaire de symbioses avec des bactéries comme Rhizobium et Azotobacter, les plantes participent à la fixation de l’azote atmosphérique, rendant cet élément disponible pour d’autres organismes vivants ;
Cycle de l’oxygène : Les plantes sont les principaux contributeurs au cycle de l’oxygène grâce à la photosynthèse, où elles libèrent cet élément vital en tant que sous-produit. L’oxygène généré est essentiel pour les processus respiratoires des êtres vivants et joue un rôle crucial dans le maintien de l’équilibre des écosystèmes. Par exemple, les forêts tropicales humides, souvent appelées "poumons de la planète", produisent une proportion significative de l'oxygène atmosphérique tout en stockant du carbone.
4.2. Impacts des changements climatiques sur les plantes
Le changement climatique affecte les plantes de plusieurs manières :
Effet direct du CO₂ : L'augmentation de la concentration en CO₂ améliore l'efficacité photosynthétique des plantes tout en réduisant la transpiration. Cependant, ces effets bénéfiques sont souvent annulés par des impacts négatifs comme l’épuisement des sols et des modifications hydrologiques.
Dégradation des écosystèmes : Les sols perdent leurs nutriments sous l’effet de la surexploitation et des variations climatiques. Ces modifications peuvent entraîner une diminution de la biodiversité végétale et perturber les écosystèmes locaux.
4.3. Stratégies de conservation de la biodiversité végétale
Face aux menaces climatiques, diverses stratégies sont mises en œuvre pour préserver la diversité génétique et les écosystèmes :
Banques de semences : Des institutions conservent les graines de plantes cultivées et sauvages, garantissant ainsi la disponibilité de traits génétiques rares ou précieux. Par exemple, la France abrite des banques contenant des centaines de cultivars de trèfle rampant, essentiel pour l’amélioration des prairies.
Croisements et sélection : Les sélectionneurs exploitent les ressources génétiques pour créer des variétés résistantes aux maladies ou aux conditions climatiques extrêmes. Par exemple, des gènes de résistance à la mosaïque du tabac ont été introduits dans des variétés de tomates grâce à des espèces voisines.
Source principale :
Livre : Laberche Jean-Claude (2010). Biologie végétale. Dunod, Paris, 3e Edition. ISBN 978-2-10-054840-8
Autre source :
Livre : Reece J., Urry L., Cain M., Wasserman S., Minorsky P. & Jackson R. (2012). Campbell Biology, page 1331. ERPI, 9e Edition, version française. ISBN 978-2-7613-2856-2
Pour aller plus loin :
Découvrons le monde fascinant des plantes.
Place des plantes dans le monde.
Les mousses, les plantes cormophytes primitives.
La puissance thérapeutique des plantes médicinales.
S’endormir à l'aide des plantes.
Emergence des bioproduits végétaux.