Reproduction sexuée des plantes - Tout savoir sur les graines

Une plante se reproduit de manière sexuée lorsqu'elle produit des graines. Ce processus fait intervenir les organes reproducteurs de la plante (les fleurs), le transport réussi des gamètes mâles (les grains de pollen des anthères de la fleur) vers la partie femelle de la fleur (le stigmate), soit la pollinisation, et la fécondation de l'ovule femelle. Si toutes les conditions sont réunies, un ou des fruits et/ou des graines seront produits.

Outre leur importance en tant que matériel de reproduction (pour les espèces de plantes angiospermes et gymnospermes), les graines de nombreuses espèces cultivées sont utilisées comme source de nourriture essentielle (par exemple, les céréales, comme le blé, le riz et le maïs, ou les légumineuses). Elles constituent également le seul matériel de propagation pouvant être utilisé dans les programmes de sélection pour créer et améliorer les variétés végétales.

Note : en général, lorsque l'on parle de graines, on fait référence aux graines botaniques produites par la fécondation de la fleur d'une plante (par exemple, les grains de blé et de maïs). Cependant, en agriculture, d'autres parties de la plante sont également utilisées comme matériel de propagation et sont appelées semences (semences agricoles). Quelques exemples courants sont les tubercules de pomme de terre et les boutures de canne à sucre. Dans cet article, nous nous concentrerons uniquement sur les « vraies » graines botaniques qui sont le résultat de la reproduction sexuée des plantes.

Anatomie d'une fleur

Bien qu'il existe une grande variété d'apparences et de structures florales, la plupart des fleurs se composent des parties suivantes :

Les pétales, les sépales et le pédicelle.
La partie femelle : le pistil (composé du stigmate, du tube pollinique, du style et de l'ovaire - avec l'ovule).
La partie mâle : l'étamine (composée des anthères - qui contiennent les grains de pollen, les gamètes mâles - et des filaments).

Qu'est-ce qu'une plante monoïque et dioïque ?

Toutes les espèces végétales appartiennent à l'une de ces deux catégories, en fonction de l'anatomie de leurs organes reproducteurs.

Monoïque : les plantes classées dans cette catégorie possèdent des fleurs mâles et femelles sur la même plante, ou des fleurs hermaphrodites.

Hermaphrodite ou autogame : ces fleurs (ou plantes) possèdent à la fois les organes mâles et femelles dans une seule fleur.

Dioïque ou allogame : dans cette catégorie, on classe toutes les espèces végétales dont les fleurs ne portent que des organes reproducteurs femelles ou mâles. Ces plantes nécessitent la présence de plantes mâles et femelles compatibles poussant à proximité, fleurissant simultanément et l'existence d'un pollinisateur efficace pour transférer le pollen de la plante mâle à la plante femelle.

Hybrides et variétés à pollinisation libre

La plupart des agriculteurs savent que l'un des principaux facteurs qui affectent la performance d'une culture est la variété choisie et la qualité du matériel de propagation utilisé. Une variété est un ensemble d'individus appartenant à la même espèce et étroitement apparentés les uns aux autres, formant une population relativement uniforme sur le plan phénotypique. L'uniformité de la population, en ce qui concerne le taux de germination et de croissance, ainsi que le temps de maturité, les caractéristiques et la qualité du produit final, est une caractéristique clé. Aujourd'hui, la majorité des variétés des espèces cultivées les plus importantes qui sont propagées par des semences appartiennent aux catégories suivantes.

Variétés à pollinisation libre

Les individus de ces variétés ont été créés par une pollinisation croisée libre entre un groupe de plantes. Bien que dans de nombreuses variétés modernes à pollinisation libre, un bon niveau d'uniformité ait été atteint, la population est composée d'individus génétiquement différents. Ces variétés ont l'avantage d'une plus grande adaptabilité et résilience grâce à la diversité génétique de leurs individus. Pour cette raison, les variétés à pollinisation libre sont préférées dans les systèmes à faible intrant (et les agrosystèmes) et sont généralement plus tolérantes aux stress (en particulier les stress abiotiques). De plus, elles permettent la production de semences à la ferme (l'agriculteur peut collecter et conserver une partie des graines produites au cours d'une saison de croissance comme matériel de propagation pour l'année suivante).

Hybrides (Hybrides F1) - Quels sont les hybrides végétaux ?

Après la révolution verte des années 1960, tous les efforts des sélectionneurs et des agriculteurs se sont concentrés sur l'augmentation des rendements des cultures à l'échelle mondiale. Dans cet effort, la création de nouvelles variétés hybrides à haut rendement a joué (et joue toujours) un rôle essentiel. Les hybrides (F1) sont la première génération de descendants issus du croisement de deux plants parents (homozygotes pour les caractères-gènes d'intérêt) qui diffèrent l'un de l'autre sur de nombreux traits. Ce croisement contrôlé entre des plants parents soigneusement sélectionnés crée une descendance dont les performances (biomasse, rendement, etc.) sont supérieures à celles des deux parents (ce phénomène est appelé hétérosis).

Les hybrides F1 (première génération) sont génétiquement identiques, mais chacun est hétérozygote pour les caractères d'intérêt. Cette population de plantes génétiquement identiques est généralement supérieure en uniformité et en performance par rapport à une variété à pollinisation libre, mais elle manque de résilience. Cela signifie qu'en cas de maladie (à laquelle les hybrides ne sont pas résistants) ou de facteur de stress abiotique, par exemple une sécheresse prolongée (à laquelle les hybrides ne sont pas tolérants), il existe un risque élevé de pertes de rendement importantes, voire de destruction de la culture. De plus, lorsque des variétés hybrides sont utilisées, les agriculteurs ne peuvent pas collecter et utiliser les graines produites comme matériel de propagation pour l'année suivante, car la génération suivante aura des caractéristiques très différentes (inférieures) de celles des hybrides. Par conséquent, ils doivent acheter les semences nécessaires chaque année auprès d'un vendeur autorisé.

Fruits - Types, structure et classification des graines

Après la fécondation d'une fleur de plante, un fruit est généralement produit (à partir de l'ovaire ou d'autres parties du gamétophyte femelle) qui contient les graines. Cependant, la fécondation florale n'est pas toujours nécessaire à la production de fruits (parthénocarpie). La parthénocarpie est un trait très recherché pour de nombreuses espèces horticoles comme les bananes, les raisins, les ananas, les tomates, etc. Ces fruits ne contiennent pas de graines, ou celles qu'ils contiennent ne sont pas viables. La parthénocarpie peut se produire de l'une des trois manières suivantes :

Aucune pollinisation n'a eu lieu.
La fleur a été pollinisée, mais aucune fécondation réussie de l'ovaire ne se produit.
La pollinisation et la fécondation de la fleur ont toutes deux eu lieu avec succès, mais l'embryon-graine a été avorté.

Il existe 3 principaux types de fruits (selon le nombre de fleurs-ovaires impliquées dans la formation du fruit) :

1. Fruits simples et fruits accessoires (par exemple, les haricots, les noix, les pommes, les pêches, les tomates, les raisins, les oranges, etc.) Les fruits simples sont charnus ou secs. Les fruits secs sont ensuite classés en deux catégories : les fruits déhiscents et les fruits indéhiscents, selon qu'ils libèrent ou non leurs graines. Dans les fruits déhiscents, les graines sont libérées dans l'environnement lorsque le fruit (ou les unités contenant les graines, par exemple, les gousses, pour les légumineuses et les capsules ou les siliques, pour les moutardes, etc.) mûrit et s'ouvre naturellement. Lorsque les graines ne sont pas libérées par le fruit, les espèces sont classées dans la catégorie des indéhiscents. C'est le cas de nombreuses espèces de cultures importantes (par exemple, les céréales → caryopses, le tournesol → akènes, les amandes → noix, etc.). Les fruits charnus sont subdivisés en :

Drupes (par exemple, les noix, les cerises)
Baies (par exemple, les raisins, les bananes)
Piridions (par exemple, les pommes)

2. Fruits agrégés (par exemple, les fraises et les framboises)

3. Fruits composés (par exemple, les ananas, les figues)

L'anatomie d'une graine et les différents types de graines

Structure de la graine

La graine se compose de 3 composants principaux :

L'embryon, qui se compose des cotylédons (un ou plusieurs, chez les monocotylédones, le cotylédon est aussi appelé scutellum - feuille embryonnaire), de l'épicotyle / hypocotyle, de la plumule (qui deviendra la pousse) et de la radicule (la petite racine).
L'endosperme (ou périsperme).
Le tégument (ou testa).

Les graines peuvent varier énormément en taille, en forme, en apparence et en structure. Une graine peut être classée en différentes catégories selon des caractéristiques spécifiques. La classification la plus courante des graines dépend du nombre de cotylédons (par graine) et forme 3 catégories principales :

Monocotylédones (par exemple, les espèces d'herbacées comme le blé, le riz, etc.) qui ont un seul cotylédon.
Dicotylédones (ou eudicotylédones) (par exemple, la pomme de terre, la mangue, la poire, le radis, le haricot, le tabac, etc.) qui ont 2 cotylédons.
Polycotylédones (par exemple, le pin et d'autres gymnospermes) avec plus de 2 cotylédons.

Achat, collecte et stockage des semences

Dans le cas où elles seront utilisées comme matériel de propagation, les semences peuvent être achetées auprès d'un vendeur certifié et autorisé, ou collectées à partir de la récolte précédente. Un producteur qui choisit la première stratégie bénéficie d'avantages importants :

Pureté et traçabilité de la variété.
Bonne viabilité et taux de germination (germination uniforme et rapide).
Semences saines, sans ravageurs ni agents pathogènes.
Plus de choix (variétés à pollinisation libre, hybrides F1, etc.).
Dans certains cas, les semences peuvent être traitées pour offrir une protection supplémentaire contre les agents pathogènes et les ravageurs pendant les premiers stades et/ou pour faciliter le semis (par exemple, avec des machines).

Semences enrobées et traitées

L'enrobage des semences est une pratique courante pour de nombreuses semences vendues dans le commerce. Les semences sont recouvertes de matériaux externes, qui peuvent inclure un mélange de nutriments, de pesticides, de fongicides, de rhizobia, etc. Son objectif principal est de faciliter le semis des graines en lissant leur forme, en augmentant leur taille, en les maintenant séparées (pour éviter qu'elles ne s'agglutinent), en aidant les agriculteurs à les voir sur le sol et en favorisant un meilleur contact de la graine avec le sol. De plus, cet enrobage offre un microenvironnement favorable autour de la graine, stimulant la germination. Plus précisément, les enrobages de semences favorisent généralement une meilleure absorption de l'eau. C'est une caractéristique particulièrement essentielle lorsque les semences sont plantées dans des conditions défavorables (sols frais avec moins d'humidité).

Il existe 3 principaux types d'enrobage de semences :

Le traitement des semences (les semences sont recouvertes d'une gamme de fongicides pour contrôler les maladies transmises par le sol ou éviter l'infection des semences stockées).
L'enrobage pelliculaire (pour appliquer des colorants, des nutriments, des pesticides, etc.).
La granulation (l'objectif principal est d'augmenter la taille des semences et de les rendre plus arrondies pour faciliter le semis mécanique. Cependant, dans ce cas, des colorants, des nutriments et des pesticides peuvent également être inclus dans les couches de l'enrobage).

L'inconvénient le plus important de l'achat de semences sur le marché est qu'il doit être effectué chaque année et qu'il est plus coûteux.

Dans le cas où un agriculteur cultive une variété à pollinisation libre qui produit des semences viables, il peut choisir de collecter et de conserver certaines graines pour les utiliser comme matériel de propagation pour la saison suivante. La conservation des semences est très courante chez les petits exploitants agricoles et elle a plus de succès dans les espèces de cultures autogames, comme les haricots et les tomates. Dans tous les cas, il est essentiel de ne collecter que des semences saines et non endommagées, de les nettoyer et de les stocker correctement pendant une période de temps spécifique (en fonction du type et de l'espèce de la graine). Les semences doivent être nettoyées de toute matière étrangère (ou d'autres graines de plantes) et séchées avant d'être stockées.

La priorité numéro un lors du stockage des semences est de maintenir leur viabilité, afin qu'elles germent lorsqu'elles sont semées. N'oubliez pas que les graines sèches comme le blé, le maïs, les haricots, etc., peuvent être stockées plus longtemps que les graines de fleurs et de légumes. En général, les semences doivent être stockées dans des endroits secs (30 % d'humidité relative), frais (1,6-10 °C) et sombres. Il est préférable de stocker les semences dans des enveloppes en papier, des bocaux en verre scellés (ou d'autres récipients hermétiques), des sacs en tissu ou des boîtes en carton. En tout temps, évitez de conserver les semences en tas, car cela diminue l'aération et peut augmenter la température. N'oubliez pas que la viabilité des semences diminue avec le temps, quelles que soient l'espèce et les conditions de stockage. Si une graine doit être stockée pendant de très longues périodes, il est conseillé de vérifier de temps en temps la viabilité de certaines graines (échantillons).

Viabilité des semences - Test de germination

Pour vérifier si les semences stockées sont toujours viables, nous pouvons effectuer un test de flottaison ou de germination.

Avec le test de flottaison, nous vérifions approximativement la variabilité des semences de certaines espèces (les semences non viables flottent).

Cependant, le test de germination est plus précis et convient à plus d'espèces végétales. Une pratique simple et courante est décrite ci-dessous :

Choisissez 10 à 20 graines dans votre stock (prélevez un échantillon représentatif).
Placez-les dans une serviette en papier humide (faites attention à ne pas avoir trop d'humidité, car les graines pourraient pourrir). De plus, les graines doivent être propres.
Pliez la serviette en papier et scellez-la dans un sac en plastique, idéalement relativement transparent (pour maintenir l'humidité).
Laissez le sac dans un endroit chaud (température ambiante = 20-25 °C) pendant quelques jours. La lumière du soleil n'est pas toujours nécessaire à la germination, mais elle peut la faciliter dans certains cas. Selon l'espèce, les graines peuvent commencer à germer après 3 à 7 jours, ou dans des cas particuliers, ce processus peut prendre plus d'un mois.
Gardez une trace du moment et du nombre de graines qui germent. Cela donnera une première indication de la viabilité des semences. Selon l'espèce, il existe différentes exigences concernant le taux de germination. Dans la plupart des espèces cultivées, un taux de germination de 70 à 90 % est considéré comme satisfaisant.

Bien sûr, pour que les graines puissent germer, il faut d'abord rompre leur dormance.

Levée de la dormance - Facteurs affectant la germination des graines

Les graines mûres sont généralement « quiescentes » ou « dormantes ». Cela signifie que si l'embryon est mature et vivant (viable), il reste inactif jusqu'à ce que les conditions soient favorables et que la germination soit déclenchée. La dormance peut être régulée par l'environnement (par exemple, manque d'eau, basses températures, etc.) ou par certains processus, substances ou facteurs internes (par exemple, des substances inhibitrices puissantes dans le tégument, le tégument lui-même peut être difficile à pénétrer, etc.).

Pour surmonter la dormance du tégument, une pratique courante consiste à casser ou à enlever mécaniquement le tégument ou une partie de celui-ci (scarification). Pour les graines de plus petite taille, un traitement à l'eau chaude peut être plus efficace. Un lavage en profondeur des graines avec de l'eau propre et renouvelable peut également fonctionner dans certains cas.

D'autre part, surmonter la dormance interne des graines est un processus plus compliqué. Cependant, dans la plupart des cas, cet état peut être surmonté en exposant les graines dormantes à une stratification froide ou à un refroidissement humide.

Par conséquent, les facteurs qui affectent la germination des graines sont :

L'eau et l'humidité (elle peuvent déclencher la germination).
La lumière (selon l'espèce, elle peut déclencher ou inhiber la germination).
La température (selon l'espèce végétale, cette valeur peut varier beaucoup, mais il existe généralement des niveaux de température minimum, maximum et optimum pour la germination de chaque espèce végétale). Habituellement, une température comprise entre 18 et 24 °C est considérée comme appropriée pour la germination. La germination peut être initiée même à de très basses températures (1-4 °C) pour certaines espèces cultivées comme la luzerne, le mélilot, la laitue, les épinards et le blé. Cependant, plus la température environnementale et du sol est éloignée de l'optimum, plus il faudra de temps à la graine pour germer et plus le risque de dommages à la graine ou au jeune plant est élevé.
L'oxygène est nécessaire pendant la germination, car le rythme respiratoire de la graine augmente progressivement.

Références

http://grazer.ca.uky.edu/content/value-coated-seed
https://www.mdpi.com/2077-0472/10/11/526
https://www.permaculturenews.org/2017/03/09/soil-temperature-seed-germination/
https://link.springer.com/chapter/
https://www1.biologie.uni-hamburg.de/b-online/ibc99/koning/seedgerm.html
http://www.seedbiology.de/structure.asp
https://www.sciencedirect.com
https://www.fs.usda.gov/wildflowers/
http://faculty.valenciacollege.edu/tklenk/botany/labs/fruits.htm
https://courses.botany.wisc.edu/botany_400/Lab/LabWK03Fruitkey.html
https://extension.umaine.edu/gardening/
https://extension.missouri.edu/
https://mastergardener.extension.wisc.edu/files/2019/02/PlantPropagationMG.pdf
https://extension.illinois.edu/blogs/ilriverhort/2017-02-03-test-seed-viability
https://usfblogs.usfca.edu
https://www.researchgate.net/publication/355393673_Methods_of_Propagation_in_Vegetable_Crops
https://www.tnstate.edu/faculty/ablalock/documents/Plant%20Propagation%20101.pdf
https://crfg.org/wp-content/uploads/PLANT-PROPAGATION-2017-Presentation.pdf
https://sfyl.ifas.ufl.edu/
http://grazer.ca.uky.edu/content/value-coated-seed
https://www.mdpi.com/2077-0472/10/11/526
https://www.permaculturenews.org/2017