Azolla pinnata var. africana

16 Pages·2001·4.21 MB·French

P.A. REYNAUD
C. FRANC
Photo de couverfure:
Rizière dans la vallée
de Koular (Sénégal)
I
Rice paddy field in
I the koular valley
' (Sénégal, W-Af rica).
- . .. _ ... . ^._..- -.. - .....
A. Pinnata var.
1
Africana du Sénégal.
A. Pinnata var.
Africana isolated in
Sénggal.
1 - Introduction 1 - Introduction
2 - Présentation du partenaire - Presentation of the plant,
plante : Azolla pinnata Azolla pinnata
2.1 - Taxonomie. Distribution .I - Taxonomy . Geographic
géographique distribution
2.2 - Morphologie 2.2 - Morphology
li
.3 - Le cycle de reproduction 2.3 - Reproduction cycle
' I
.4 - Écophysiologie 2.4 - Ecophysiology
3 - Présentation du 3 - Presentation of the nitrogen-
microorganisme fixateur fixing symbiont, Anabaena
d'azote, Anabaena azollae azollae
3.1 - Localisation 3.1 - Localisation
3.2 - Morphologie 3.2 - Morphology
3.3 - Taxonomie moléculaire 3.3 - Molecular taxonomy
4 - Azolla pinnata var. africana, 4 - Azolla pinnata var.
engrais vert africana, green manure
4.1 - De la biotechnologie sans 4.1 - Unconsciencous
le savoir biotechnology
4.2 - Les essais agronomiques 4.2 -.What can be concluded
4.3 - Les problèmes posés par from agronomic trials
la culture d'Azolla 4.3 Problems encountered in
-
africana. Azolla cultivation
5. Conclusions : 5 - Conclusion
. I
L Azolla, une réalité solide, un Azolla, a secure present,
futur prometteur a wide future
2
En Afrique, le riz constitue une des den- Rice is one of the staple foods in Africa. La récolte
rées de base de l'alimentation. Sa 'culture, Traditionally, rice is cultivated by women. du riz
'
traditionnellement effectuée par les fem- Little progress has been made in African rice en Casamance
mes, a peu évolué depuis des siècles. Dans cultivation through the centuries. The pro-
Rice ~
les sols africains, l'apport d'engrais étant blem has been addressed by African agro- I
harvest
limité à une fumure organique plus ou nomists in the 1980's. Grain yields have
in
moins régulière, les rendements en grain scarcely been above two tons per hectare in I
Casamance
sont rarement supérieurs à 2 tonnes/ha. the past because of nutrient shortages, tradi- i
Cependant l'azote d'origine minérale est tionally limited to cattle manure. Chemical
trop coûteux et trop peu disponible pour la fertilizers are effective but are too expensive
paysanne africaine ; il est économiquement and unavailable for common use by pea-
plus intéressant de chercher une source sants, therefore, it is of economic interest to
d'azote biologique. investigate biological sources of nitrogen.
L'objet de cette plaquette n'est pas de
démontrer catégoriquement l'intérêt d'une
nouvelle technologie indispensable pour The purpose of this paper is to summarize
l'avenir du paysannat dans les pays à faible the knowledge about a well known
rendement rizicole. Nous l'avons conçue nitrogen-fixing symbiosis, the Azolla-
comme un résumé exhaustif des connais- Anabaena association. We have chosen the
sances sur une symbiose fixatrice d'azote African variety to illustrate research and
peu connue : l'association Azolla-Anabaena, development of this biological resource and
en choisissant comme exemple la variété to judge its potential as a green manure.
africaine, pour exposer les perspectives de
développement et de recherche qu'elle
apporte.
Azolla is an aquatic Pteridophyte (from
Azolla est une fougère aquatique, flottant à Greek pteris : fern) found on the surfaces of
la surface des eaux calmes, tempérées ou quiet freshwaters in ,both tropical and tem-
tropicales. Elle abrite une cyanobactérie du perate regions. It lives in symbiosis with a
genre Anabaena qui a la propriété de fixer cyanobacterium of the genus Anabaena.
l'azote, c'est-à-dire de transformer l'azote This symbiont fixes nitrogen, i.e. it trans-
moléculaire de l'atmosphère en azote fixé forms molecular nitrogen into fixed nitrogen
assimilable par la plante. La présence available to plants. Thus, the incorporation
d'Azolla dans les rizières permet l'apport de of Azolla in rice cultivation adds nitro-
composés organiques et azotés et contribue gen and organic compounds and contribu-
à la fertilisation des sols. tes significantly to soil fertility.
EUAZOLLA
4 A. caroliniana
RHIZOSPERMA RHIZOSPERMA
0 A. pinnata imbricata O A. pinnata pinnata
AA. nilotica
2. i Taxono m ie. Dis trib u t [on géographique
,
Figure 1 : Le genre Azolla appartient à la division des VAUX (1827) en Afrique ; nous utiliserons
Distribution 1I Ptéridophytes, ordre des Salviniales, famille cette dernière terminologie.
géographique des Azollaceae. I1 existe 6 espèces, qui, en
actuelle des 1 fonction de critères morphologiques (mor- 2.2 Morphologie
six espèces
d’Azolla . phologie des formes végétatives - frondes Les frondes d’A. pinnata var. africana
I - et des organes reproducteurs), sont divi-
mesurent de 1à 3 cm. Elles sont constituées
sées en deux sections : les Euazolla et les
d’un rhizome principal qui porte des ramifi-
Figure 2 : 1 Rhizosuerma. cations secondaires elles-mêmes porteuses
Morphologie des de rhizomes près de l’extrémité en dégéné-
frondes &Ada La première section comprend quatre espè- rescence. L‘ensemble présente un aspect
I
pinnata var. africana ’ ces originaires d’Amérique : A. caroliniana, triangulaire auriculé (figure 2 a). Les racines
A. filiculoïdes, A. mexicana, A. micro- adlventives de 1 à 3 cm de long, couvertes
a : vue générale de la
fronde phvlla ;la seconde comprend deux espèces del poils absorbants disposés en touffes, pos-
originaires d‘Afrique et d’Asie : A. nilotica sédant une longue coiffe, se trouvent sous
poub r:vjueeu dn’eu rnaec icnoei ffe et A. uinnata (Fig. 1).L ‘homme a, depuis le les rameaux secondaires (figure 2 b) .
c : lobes dorsaux qui XIXe siècle, dispersé ces ptéridophytes, par- Les feuilles d’Azolla sont composées de
contiennent le ticulièrement A. caroliiiana et A. filiculoï- delux lobes : un lobe dorsal chlorophyllien
micro organ ism e ,’ &La variété d’A. uinnata étudiée ici est qui contient dans une cavité le microorga-
fixateur d’azote ’ localisée en Afrique subsahélienne. Elle a nisme fixateur d’azote (figure 2 c) et un lobe
d : lobe ventral I été dénommée en Asie var. pinnata par ventral qui assure la flottaison de la fronde
ach lorophyllien. BROWN (1810) et var. africana par DES- (figure 2 d).
- -~
~
Figure 1 : I
geographic
distribution of the six
extant Azolla species.
Figure 2 :
C D Morphology of
Figure 2
A. pinnata oar.
2. africana fern :
a : general uiew ofa
frond ;
2. I Taxonomy . Geographic distribution b : young root with a
cap ;
The genus Azolla belongs to the division the six species throughout the world, spe-
c : dorsal lobes which
Pteridophyte, in the order Salviniales, and cially of A. caroliniana and A. filiculoïdes. contain the nitrogen-
the monotypic family Azollaceae. There are The variety presented here is located in sub- fixing microorganism ;
six extant species of A d a which are divi- sahelian Africa. d : uentral
ded into two sections, Euazolla and Rhizos- 2.2 Morphology achlorophyllous lobe
perma, according to morphological criteria
Azolla pinnata var. africana fronds are 1 to
(frond morphology and reproductives featu-
3 cm long and have a characteristic triangu-
res). Euazolla section includes four species
lar shape (figure 2 a). They harbour a main
native to the New World : A. caroliniana,
rhizome bearing secondary and tertiary
A. filiculoïdes. A. mexicana and A. micro-
ramifications. Along the rhizome are found
phvlla ; two species native to the old world adventitious roots which are 1 to 3 cm long
(Asia and Africa), A. nilotica and A. pinnata and bear root hairs (figure 2 b). Azolla lea-
var. pinnata or var. imbricata belong to ves consist of two lobes ; a thick chlorophyl-
the Rhizosperma section. lous dorsal lobe which contains in a cavity
Figure 1p resents the actual geographic dis- the nitrogen-fixing organism (figure 2 c) and
tribution of the 'six Azolla species. Since the a thin ventral lobe which provides buoyancy
19th century, man has led to a dispersal of of the fern (figure 2 d).
division par fragmentation
sporophyte
germe coylédonaire
A
avec feuilles
bilobées
f \
microiporocarpe ma\ crosporocarpe
I
I
microspores macrospores
I I
FLOTTAISON
Figure E Figure 4
Figure 3 : 2.3 Le cycle de reproduction par la présence de spores &Anabaena (ou
~
Cycle de reproduction i~ akinètes) dans les mégaspores d’Azolla.
d’Ada Comme pour toutes les fougères, on dis-
tingue pour Azolla une reproduction végé-
tative et une reproduction sexuée. Dans les 2.4 Écoph y s iol og ie
conditions de reproduction végétative, lors-
Figure 4 :
que la fougère atteint environ 1 à 2 cm de Les conditions de la croissance d’Azolla
Réactions
’ diamètre, les ramifications les plus âgées se sont hiérarchisées de la façon suivante :
morphologiques
détachent et donnent naissance à des fron- - une bonne maîtrise de l’eau
d’Azolla pinnata uar.
des isolées plus petites. Durant cette phase, - une protection contre les hautes intensi-
africana après
15 jours de culture l’Anabaena se reproduit de façon synchrone tés lumineuses
dans des milieux avec l’hôte. Dans les conditions optimales - des températures minimales de 15’ C la
carencés en de croissance végétative, le temps de dou- nuit, 25O C le jour et maximales de 35OC
phosphore (A), ~ blement (poids sec) est de 2,5 jours pour - un apport de phosphore
magnésium (B), fer A. pinnata var-africana. - et, à un degré moindre, de calcium, de
(C),po tassium (D), magnésium et d’oligo-éléments
Lorsque les conditions environnantes
calcium (E). - une protection antiparasitaire.
F : culture témoin 1 deviennent défavorables, le cycle de repro-
en milieu complet, duction sexuée est initié. I1 se forme sous la Une propriété remarquable d’Azolla est de
G : culture en fougère des spores mâles (mégaspores) et réagir par des changements morphologi-
eau distillée. des spores femelles (microspores) qui cons- ques à des conditions défavorables : elle
tituent des formes de survie d’AAa deviendra rouge pourpre lorsque l’intensité
(Figure 3). La fécondation du gamète lumineuse sera trop forte, ou prendra l’un
femelle par le gamète mâle redonne nais- des aspects montrés figure 4 lorsqu’elle sera
j sance à une jeune plantule. Durant cette carencée en un élément nutritif. I1 sera assez
I j
i phase, la continuité de l’association entre la simple de remédier de façon adéquate au
6 j ptéridophyte et la cyanobadérie est assurée stress ainsi défini.
._______
B c .Ur
F ,
I
Figure 3 :
Reproductioe cycle
2.3 Reproduction cycle Anabaena spores (or akinetes) in Azolla of Azolla .
megaspores.
As with all ferns, Azolla can reproduce
vegetatively or by a sexual way. In vegeta- 2.4 €coph y siology Figure 4 :
tive reproduction, when the fern is about
Morphological
one to two cm in diameter, the older ramifi- Conditions for growth of Azolla can be lis- changes of A d a
cations are fragmented and give rise to ted in descending order of importance as : pinnata oar. africana
smaller independant ferns. During this - good water management and protection cultured for 15 days
cycle, Azolla reproduces in synchrony with from high light intensity in a medium
the host. When the optimal conditions are - maximum temperature of 35' C with devoided of
realized, the doubling time (dry weight) is limiting day and night temperatures of phosphorus (A),
about 2.5 days for A. pinnata var. africana. 25' C and 15' C magnesium (B), iron
- sufficiency of phosphorous, calcium, {C), potassium (0) 1
and calcium {E).
magnesium and microelements,
When the environmental conditions F : positiue
- protection from grazers and other pests.
become unfavorable, the sexual cycle is ini- culture in
tiated. Female spores (microspores) and An important property possessed by A d a complete medium;
male spores (megaspores) are produced in is that it will change in color or morphology G : culture in
distilled water.
the ventral lobe ; they constitute a survival when growth is limited. For example, A d a
form of A d a ( Figure 3). Fertilization of the is reddish-purple in high light. Nutrient defi-
female gamete by the male gamete will give ciencies manifest themselves as shown in
rise to a young plant. During sexual repro- figure 4. This makes it easier to adopt the
duction, the continuity of the association fern in rice management techniques when
between the pteridophyte and the cyano- problems can readily be recognized and cor-
bacterium is ensured by the presence of rected.
Figure 5
,
Figure 5 :
I Obseruation en
microcospie optique
d’une coupe
longitudinale d’Ada
pinnata uar. africana. 3. I Localisation Une propriété qui distingue PAnabaena
symbiotique d’Azolla des Anabaena que
A : Anabaena,
L’Anabaena symbiotique d’Azolla est loca-
C : cavité, l’on trouve à l’éfiat libre dans le sol est la
LD : lobe dorsal, lisée dans une cavite située dans le lobe grande fréquence d’hétérocystes : 20-30 %
LV : lobe ventral, dorsal de la fronde d’Azolla (figure 5).C ette au lieu de 5-10 % dans les formes libres
P : poils de transfert. cavité est formée par une dépression de la (figure 6).
partie ventrale de la feuille en croissance :
les filaments d’Anabaena y sont ensemen- 3.3 Taxonomie moléculaire
cés à partir de la colonie d’Anabaena asso-
I Figure 6 : ciée au méristème apical d’Azolla. Lors de la Toutes les Anabaena symbiotiques
1 filaments d’Anabaena maturation de la feuille, une double rangée d’Azolla ont été classées comme l’espèce
I azollae extraits par de cellules épidermiques emprisonne le azollae. Cependant on ne sait pas cultiver le
micromanipulation symbionte fixateur d’azote. Dans les cavités
symbionte à l’état libre, et son étude taxono-
d’une feuille mature
matures fermées, les cellules d’Anabaena mique est délicate. Les Anabaena azollae
d’Azolla pinnata.
’~ se répartissent à la périphérie de la cavité. extraites des différentes espèces d’Azolla ont
1 H : h&térocy.de, Celle-ci est limitée par une membrane et
v : cellule végétative. pénétrée de poils qui assurent l’échange des la même morphologie ; elles possèdent des
~ antigènes de surface voisins, mis en évi-
composés azotés et carbonés entre la plante
dence par la technique d’immunofluores-
hôte et le symbionte.
cence (figure 7). L‘approche taxonomique
la plus fructueuse a été obtenue grâce aux
3.2 Morpho log ie techniques de biologie moléculaire. Une
étude des sites de restriction localisés dans
Comme toutes les cyanobactéries du genre les gènes de structure de l’enzyme responsa-
Anabaena, le symbionte test constitué de ble de la fixation d’azote, la nitrogénase
filaments comprenant deux types de cellu- (figure 8)’ a permis la construction d’un
les : les cellules végétatives, qui sont le siège dendogramme de cinq des six espèces
de l’activité photosynthétique de la cyano- d’Azolla (figure 9). Toutes dérivent d’un
bactérie, et les hétérocystes, cellules à mem- ancêtre commun, mais une légère diver-
brane épaisse dans lesquelles est exprimée gence (4 %) est intervenue entre les sec-
en anaérobiose l’activité fixatrice d’azote. tions Euazolla et RhizosDerma.
Figure 6
3. Figure 5 :
Observation in optical
microscopy of a
longitudinal section of
3. I Localisation the symbiotic Anabaena azollae is the high A. pinnata var.
heterocyst frequency : 20-30 % instead of africana.
The symbiotic Anabaena azollae is located 5-10 % for free-living Anabaena (figure 6). A : Anabaena, ,
in a cavity of the dorsal lobe of the Azolla C : cavity, 1,
fern (figure 5). This cavity is created by a 3.3 Molecular taxonom y LD : dorsal lobe, '
depression of the ventral part of the growing LV : ventral lobe, 1
leaf. New Anabaena filaments arise from the All symbiotic Anabaena extracted from P : transfer hair. 1
Anabaena colony associated with the apical A d af erns are classified as Anabaena azol-
meristem of Azolla. During leaf maturation, LNevertheless, due to the difficulty of
a double row of meristematic epidermal cells culturing in vitro Anabaena azollae. taxono- Figure 6 :
entraps the nitrogen-fixing symbiont. In mic study of the symbiont is tenuous. Ana- Anabaena azollae
closed mature cavities, Anabaena cells are baena azollae extracted from different extracted by
located in the periphery. The inside of the micromanipulation
Azolla species are morphologically identi-
cavity is lined by a membrane and from mature A d a
penetrated by transfer hairs which allow the cal ; they harbour surface antigens closely I pinnata leaves.
related as indicated by immunological expe-
exchange of nitrogen and carbon riments (figure 7). Molecular biology has led H : heterocyst,
metabolites between the host-plant and the V : uegetatioe cell.
to important results in the taxonomic study
symbiont.
of the symbionts. A comparison of the res-
triction sites in the structural genes coding
3.2 Morphology for the enzymatic complex (nitrogenase)
which is responsible of nitrogen fixation
As all cyanobacteria of the genus&- (figure €9, allows the construction of a den-
baena. the symbiont is composed of vegeta- dogram of five among the six A d as pecies I
tive cells in which there is photosynthetic (figure 9). All Anabaena azollae derive from
l
activity, and heterocysts, thick-walled cells a common ancestral strain ; a slight diver-
in which nitrogen fixing activity is expressed gente (4 %) m ~ rbsetw een Euazolla and
in anaerobiosis. A remarkable property of Rhizosperma symbionts.
Fiuure 7 A B
I
Eigure 7 :
Etude par Il
, immunofluorescence 1
des antigènes de
surface des Anabaena
l 1
1 symbiotiques d’Azolla.
Autofluorescence des
I
filaments d‘A. azollae
var. pinnata (A),
l
marquage des
1
filaments d’A. azollae
~ ~
1 var. pinnata par les
anticorps fluorescents
~ dirigés contre ~1
l
A. azollae var.
pinnata (B) ou contre
A. azollae var. ’
caroliniana (C).
I 1 2 3 4 5
Figure 8 :
Comparaison des a b c a b c a b c a b c
sites de restriction
1
l Hind 111 et E d 1
dans le gène de struc-
1
ture de la nitrogénase
réductase des
Anabaena
symbiotiques d’Azolla .
L’ADN est extrait des
cellules végétatives de
/’Anabaena libre PCC
1 7120 (I), des
Anabaena
symbiotiques
d’A. caroliniana (Z),
A. filiculoides (3),
I
A. mexicana (4) et
A. microuhulla (5).
L’ADN est digéré par
E ~(a),I ~in Idrr
(b), EcoRl Hind 111
(c) et hybridé avec
une sonde de
PCC 7120.
Figure 10 : Figure 8
A. Mares pérennes
couvertes d’Azolla 4.
3
(brun rouge) dans la
oallée de Koular en
saison sèche.
B. Récolte d’Azolla .i De la biotechnologie sans le savoir .!
avant le repiquage du
riz qui a germé en Dans la vallée de KOULAR (Sénégal),l es tée pour éviter les verses mécaniques et
‘hoquets" au frondes d’Ada (appelée kouban par les séchée sur les murets entre les rizières.
deuxième plan. Mandingues) qui ont survécu pendant la sai- (Figure 10).
C. Dissémination
d’Azolla après le son sèche dans les rares mares pérennes, se A la pluie suivante, ce matériel végétal
repiquage du riz ; les développent dès les premières pluies et apporte de la matière organique azotée à la
frondes sont encore s’étalent avec l’augmentation de la nappe rizière. Ces rizières n’ont pratiquement
brun rouge car d’eau. Le riz, semé en poquets en avril sur jamais reçu d’engrais azoté de mémoire
I’ombrage du riz n’est de petites buttes de terre dans les mares, est d’homme, mais les concentrations en azote
pas suffisant pour les alors repiqué par les paysannes qui essai- et en carbone sont quatre fois plus impor-
protéger des fortes ment ainsi Azolla. Lorsque la densité tantes que dans les sols voisins où Azolla
in tensités lumin euses.
1 d’Azolla est trop forte, la fougère est récol- est absente.