David Boshier 1
1. Introduction
Des décisions judicieuses en matière de conservation et d'amélioration génétique à long terme requièrent une connaissance détaillée de la taxonomie, de la structure de population, de la biologie de la reproduction, des systèmes d'accouplement, etc. des espèces concernées. Pour de nombreuses essences forestières tropicales, on ne dispose que de peu d'information, et les responsables se trouvent confrontés à des difficultés lorsqu'ils cherchent à élaborer des stratégies efficaces. Ils doivent répondre à des questions telles que celles-ci: Les arbres voisins dans les peuplements naturels sont-ils étroitement apparentés, et y a-t-il endogamie? Quel est, s'il existe, le mécanisme d'incompatibilité qui empêche l'endogamie? Quels sont les agents de pollinisation, et de quelle manière influent-ils sur le flux de gènes et sur la taille de population? Quel degré d'endogamie ou de consanguinité est acceptable?
L'étude de cas présentée ici décrit la méthodologie employée dans les recherches en cours sur une essence particulière, Cordia alliodora. Elle n'a pas pour but de proposer une recette pouvant être appliquée à l'étude de n'importe quelle essence tropicale, mais de fournir des idées sur la manière d'aborder le problème. Les techniques utilisées dépendront du type d'arbre, de sa répartition, de la taille des fleurs, des agents pollinisateurs, etc. Les travaux antérieurs sur C. alliodora susceptibles de s'appliquer à l'étude ont généralement un caractère préliminaire, mais ils fournissent des informations utiles.
C. alliodora est une essence importante de la zone néotropicale, qui associe une haute qualité de bois à une croissance rapide sur de bons sols. Il est très utilisé dans toute son aire naturelle, et sa cime légère et son bon élagage naturel en font un arbre de choix pour l'agroforesterie, procurant aux petits agriculteurs un bois de valeur et des revenus intéressants. L'espèce est largement répartie depuis le nord du Mexique, en passant par l'Amérique centrale, jusqu'au sud de l'Amérique du Sud-Bolivie, Paraguay, sud du Brésil, nord de l'Argentine. Au Paraguay, dans le nord de l'Argentine et dans certaines régions du sud du Brésil, l'espèce très voisine C. trichotoma (également classée sous le nom de C. alliodora var. tomentosa) prédomine sur C. alliodora (Gibbs et Taroda, 1983). On trouve C. alliodora sur la majorité des îles des Antilles, de Cuba à la Trinité, mais il n'est presque certainement pas indigène à la Jamaïque. Dans toute son aire géographique, on le trouve dans une grande diversité de conditions écologiques, variant de climats très pluvieux (jusqu'à 6 000 mm/an) à des climats à saison sèche avec 600 mm de pluviométrie annuelle, et du niveau de la mer jusqu'à 1 200 m d'altitude en Amérique centrale et 2 000 m à plus basse latitude en Colombie. Dans les régions de plaines tropicales humides, c'est généralement un grand arbre élancé, à cime légère, atteignant une hauteur de plus de 40 m et un diamètre de 1 m pour les arbres âgés, quoique la normale se situe plutôt autour de 50 cm. Dans les régions à saison sèche, il a des dimensions plus modestes et une forme moins bonne, et il atteint rarement plus de 20 m de hauteur.
L'objectif général de cette étude était d'acquérir une connaissance suffisante de la biologie de la reproduction de C. alliodora pour pouvoir prendre des décisions appropriées à long terme en vue de la conservation in situ et ex situ et de l'amélioration génétique de l'espèce.
Les objectifs spécifiques étaient les suivants:
2. Phénologie de la floraison et de la fructification
Les fleurs sont hermaphrodites et non spécialisées, longues de 1 cm. Elles sont groupées en grandes panicules de taille variable, comptant entre 50 et 2 000 fleurs. Les pétales sont blancs et persistants, virant au brun et jouant le rôle de parachute dans la dispersion des graines par le vent. Le but de la première phase de l'étude phénologique était de déceler l'échelonnement de la floraison pouvant se produire sur un arbre, sur une branche et sur une inflorescence, et de fournir des données sur la durée des périodes de floraison et de fructification et sur la proportion de graines parvenant à maturité. Il importe de savoir comment les arbres fleurissent et quelle influence cela peut avoir sur les mouvements des agents pollinisateurs. Par exemple, une ouverture échelonnée des fleurs du sommet à la base de la cime peut signifier que les fleurs précoces sont pollinisées par un certain groupe de pollinisateurs, et les fleurs plus tardives par un groupe totalement différent de pollinisateurs. Inversement, une floraison répartie au hasard dans la cime pourra stimuler des mouvements plus importants de pollinisateurs entre panicules et entre arbres différents.
2.1 A l'intérieur de l'inflorescence: des groupes de fleurs ont été individualisés, et le stade de floraison a été observé tous les trois jours depuis la formation des boutons floraux jusqu'à la chute des graines. Les stades de floraison ont été classés d'après Mendoza (1965), en distinguant:
| 1 | - | début de la formation des boutons floraux |
| 2 | - | boutons floraux bien individualisés, mais non ouverts |
| 3 | - | boutons floraux gonflés |
| 4 | - | pétales blancs émergeant des boutons floraux, mais non ouverts |
| 5a | - | pétales ouverts, stigmates réceptifs |
| 5b | - | pétales encore blancs, stigmates fanés |
| 6 | - | pétales virant au brun |
| 7 | - | embryon commençant à se gonfler. |
Il a ainsi été possible d'observer à quel stade de la floraison il se produit le plus de pertes, quelle est la durée de chaque stade, quel est l'échelonnement de la floraison ou des pertes dans une panicule, et quel effet certaines conditions atmosphériques peuvent avoir sur la floraison et la fructification.
2.2 A l'intérieur de la branche et de l'arbre: on a observé périodiquement des inflorescences ou des branches individuelles sur un certain nombre de branches ou d'arbres depuis la floraison jusqu'à la production de graines. Les mêmes catégories qu'au paragraphe 2.1 ont été utilisées (en regroupant 5a et 5b), et chaque panicule ou branche était classée en fonction de la catégorie prédominante de fleurs.
2.3 A l'intérieur de la population: la phénologie de la floraison dans une population d'arbres de la même espèce est d'importance fondamentale pour connaître le flux de gènes, la structure génétique, la production de graines, et jusqu'à présent il existe peu d'études d'essences tropicales basées sur de grands échantillons. De même, peu d'études ont suivi la floraison d'une même population pendant plus d'une année. Il importe de connaître la périodicité de la floraison pour une espéce donnée, et comment les différentes espéces fleurissent les unes par rapport aux autres d'une année à l'autre. Par exemple, il se peut que par suite de l'asynchronisme de leur floraison deux arbres voisins soient incapables de s'accoupler, et que cela se produise une année mais non la suivante. De même certains arbres peuvent être chargés de fleurs une année et totalement stériles l'année suivante.
Afin d'étudier la floraison à l'intérieur de populations naturelles, on a dans une parcelle de 26 hectares cartographié et étiqueté tous les arbres (216) en âge de fleurir situés autour de trois sujets choisis de C. alliodora dans un rayon de 500 mètres. Le peuplement, qui devait également être utilisé pour l'étude du système d'accouplement et du flux de gènes (voir paragraphe 5), a été choisi en prenant en compte divers facteurs: a) la présence d'arbres plus sélectionnés, susceptible de fournir une information directe sur le degré de diversité échantillonné lorsqu'on récolte des graines issues de pollinisation libre sur les arbres plus, qui font partie d'une population de sélection (Boshier et Mesen, 1989); b) la possibilité de définir aisément une population, s'il y a une coupure naturelle entre les arbres étudiés et les arbres les plus proches de la même espèce; c) la facilité d'accès, permettant des visites fréquentes.
La cime de chaque arbre a été observée tous les trois jours afin de déterminer le début, le maximum et la fin de la floraison et le pourcentage du nombre total de fleurs ouvertes à ce moment. On a aussi fait une évaluation subjective des fleurs (échelle 0–5) et de la production de graines (échelle 0–3). Les mêmes observations ont été faites sur trois saisons successives de floraison (janvier-avril) afin d'étudier la variation d'une année à l'autre. Un indice de synchronisme de la floraison a été calculé, pour tout le peuplement ainsi que pour les arbres plus en relation avec les arbres voisins (Augsberger, 1983). Afin d'étudier l'effet que la structure de sous-population peut avoir sur le synchronisme de la floraison, on a recalculé l'indice pour les individus et pour le peuplement à partir d'une taille de population croissante issue d'un arbre plus. Deux autres mesures du synchronisme pour la population ont été faites: 1) synchronisme du premier jour de floraison, calculé comme écart type par rapport à la moyenne du premier jour de floraison; 2) synchronisme du jour médian de floraison, calculé comme écart type par rapport à la moyenne du jour médian de floraison. On a fait des observations phénologiques analogues pendant une saison de floraison dans un peuplement de la région pacifique à saison sèche pour permettre la comparaison de la floraison sous différents climats.
2.4 Entre populations
On peut avoir beaucoup d'informations sur la phénologie générale d'une espèce en examinant des spécimens d'herbier. Même avec les espèces pour lesquelles on ne dispose pas de collections complètes, l'étude des spécimens existants peut révéler beaucoup de choses sur la phénologie, la répartition et les régions où l'espèce est susceptible de se rencontrer. Des collections d'herbier de Cordia alliodora et de C. trichotoma ont été étudiées, en notant tous les détails fournis par les étiquettes des spécimens ainsi que par le stade de floraison. Il a été possible de classer les spécimens bien conservés selon les catégories de floraison utilisées au paragraphe 2.2. L'enregistrement de l'information sur la base de données d'herbier de l'OFI, BRAHMS (Filer, 1991), permet de cartographier la répartition de l'espèce ainsi que d'étudier la variation brute de l'époque de floraison sur toute son aire.
3. Système de reproduction
De nombreuses espèces de Cordia sont hétérostylées; c'est même, dans un cas, l'absence de ce caractère qui avait amené à classer une espèce à l'origine en deux espèces distinctes (C. thaisiana et C. apurensis, Agostini, 1983). Gibbs et Taroda (1983) ont étudié le complexe C. alliodora - C. trichotoma à partir de spécimens d'herbier provenant d'Amérique du Sud, et ont séparé ces deux espèces en s'appuyant sur la présence d'hétérostylie. Chez C.alliodora, celle-ci semble avoir disparu, bien qu'il y ait une certaine variation dans la longueur du style. Opler et al. (1975) ont étudié la biologie de la pollinisation chez un certain nombre d'espèces de Cordia, et ont constaté divers degrés d'auto-incompatibilité chez les sujets de C. alliodora qu'ils avaient échantillonnés.
Les modes de répartition des caractéristiques des styles des fleurs ont été étudiés en associant observations sur le terrain et au microscope, à l'intérieur de familles et entre familles, ainsi que leur relation avec le mécanisme d'incompatibilité. Sur des inflorescences fraîchement coupées dans un essai de descendance issue de pollinisation libre, les fleurs ont été émasculées à mesure qu'elles s'ouvraient et avant que la déhiscence des anthères se produise. On a ensuite pratiqué divers modes de pollinisation: croisement dirigé, autopollinisation, et pollinisation entre demi-frères, et les fleurs ont été fixées à des temps différents après la pollinisation afin de permettre d'étudier le développement du tube pollinique sur le stigmate et à travers le style.
Les mêmes croisements dirigés ont été pratiqués sur le terrain afin de permettre une comparaison avec les résultats de l'étude au microscope, en vérifiant que des croisements jugés compatibles produisaient bien des graines, et que ceux jugés incompatibles n'en produisaient pas. Les fleurs d'une panicule s'ouvrent dans tous les cas en 4 à 6 jours. Le nombre de graines produites pour chaque croisement et les fleurs vaines furent comptés afin de comparer la fertilité dans les croisements entre parents et entre non-parents. Les graines furent utilisées pour établir un essai en pépinière destiné à étudier les effets de l'endogamie sur la vitesse de croissance initiale. Des pollinisations croisées furent aussi pratiquées sur le terrain pour étudier la réceptivité en fonction de la longueur du stigmate, et exclure toute possibilité de parthénocarpie. On a noté que dans la zone sèche le stigmate n'est réceptif qu'une journée, à la fin de laquelle il est fané, tandis que dans la zone humide il peut rester réceptif pendant trois jours, ce qui souligne la nécessité d'être prudent lorsqu'on extrapole les résultats d'une région à une autre région de climat différent.
4. Pollinisateurs
Opler et al. (1975) ont recherché quels étaient les pollinisateurs possibles et ont conclu que les plus probables étaient des lépidoptères appartenant aux familles des noctuidés et des géométridés, et des abeilles du genre Anthophora. Leur travail était toutefois restreint à la Cordillère de Guanacaste au Costa Rica, et il est vraisemblable que dans les régions de plaines humides d'autres pollinisateurs interviennent. Etant donné que de nombreux insectes sont saisonniers, il est vraisemblable que durant une longue période de floraison différents insectes interviennent comme pollinisateurs à différents moments. On a récolté des insectes visitant les fleurs de jour et de nuit à différents moments de la période de floraison. On les a ensuite montés, et identifié leur genre, et on les a entreposés pour servir plus tard de collection de référence. Des observations ont été faites en plusieurs occasions sur le nombre et les types d'insectes visitant les fleurs, pour voir quels sont les plus importants. D'autres études pourraient également être faites par exemple sur l'efficacité avec laquelle différents pollinisateurs déposent du pollen sur le stigmate, ou encore on pourrait marquer et recapturer des insectes pollinisateurs pour évaluer leur fidélité à la source de nourriture (Frankie et al., 1976).
Des fleurs ont été récoltées et fixées à différents moments de la journée suivant l'anthèse (à l'aube, à midi et au crépuscule) sur un certain nombre d'arbres. L'observation au microscope de ces fleurs pour déterminer la quantité de pollen se trouvant sur le stigmate et la croissance du tube pollinique peut fournir un témoignage du moment de la pollinisation et de l'importance relative de certains pollinisateurs. Des récoltes analogues ont été faites dans la région pacifique afin de comparer la pollinisation de l'espèce sous différents climats.
Il importe d'étudier la variation dans le temps de l'écoulement de nectar, qui pourra donner une idée des vecteurs de pollen qui sont des pollinisateurs actifs, et à quel moment. Il faut étudier un certain nombre d'arbres, car il peut y avoir des variations d'un arbre à l'autre en ce qui concerne le moment de la production de nectar, sa quantité et sa qualité (concentration de sucres). Même à l'intérieur d'une inflorescence il peut exister des variations dans la production de nectar, qui tendront à attirer les pollinisateurs dans certaines directions. Afin de déterminer la disponibilité de nectar pour les pollinisateurs, on a étudié la variation de la production de nectar sur un certain nombre d'arbres par intervalles pendant les trois jours suivant l'ouverture des fleurs, et on a répété l'opération à plusieurs reprises durant la période de floraison.
5. Système d'accouplement, flux de gènes et surface de sous-population endogame
On peut utiliser les isoenzymes comme marqueurs génétiques pour avoir une idée du système d'accouplement, du flux de gènes, de la surface de sous-population endogame et de la paternité. L'interprétation de ces données sera plus précise si on peut leur associer des observations de terrain sur la répartition spatiale des arbres et la phénologie de la floraison. C'est pourquoi, on a choisi la même population pour étudier le système d'accouplement que pour l'étude de la phénologie à l'intérieur d'une population. Des graines furent récoltées au cours de la campagne 1989 sur les arbres entourant deux arbres plus; en 1990 et 1991, on récolta à nouveau des graines sur ces arbres plus pour observer la variation d'une année à l'autre du taux d'allofécondation et de la paternité pour ces deux arbres. Bien qu'il fût possible de récolter suffisamment de graines sur une seule panicule, on en récolta sur toute la cime, afin d'éviter un biais dans l'échantillon en raison de circonstances particulières de la pollinisation. Pour étudier la variation de la pollinisation à l'intérieur d'un même arbre, on partagea à la récolte les graines en trois lots représentant la partie supérieure, moyenne et inférieure de la cime. On sépara d'autre part en lots distincts les graines récoltées sur trois panicules d'une même branche de l'arbre plus.
On a compté au total 163 arbres dans un rayon de 250 m autour des arbres plus, ce qui ne permettait pas de les prendre tous dans l'étude d'isoenzymes. Un sous-échantillon de 52 arbres fut donc choisi en fonction de leur distance à l'arbre plus et des données phénologiques furent recueillies lors du travail de terrain (voir 2.3). Les arbres suivants furent éliminés de l'échantillon: a) arbres n'ayant pas fleuri (36); b) arbres ayant fleuri entièrement avant ou après l'arbre plus (5); c) arbres classés en 1 pour l'abondance de la floraison, soit six panicules ou moins (12); d) arbres sur lesquels on a observé moins de six jours de synchronisme de la floraison (13); e) arbres à floraison peu abondante-catégorie 2 (21); f) arbres de catégorie 3 pour la floraison et situés à plus de 200 m de l'arbre plus (24). Afin d'aider à la détermination de la paternité pour des descendances d'arbres donnés, on a attribué des génotypes à des arbres non échantillonnés par des tests sur des feuilles, qui étaient récoltées et immédiatement congelées sur place dans de l'azote liquide.
Afin de compléter les estimations de flux de pollen à partir de l'étude d'isoenzymes et de permettre d'estimer la surface de sous-population endogame, on étudia la dispersion des graines dans la même population utilisée pour l'étude de phénologie et d'isoenzymes. Un colorant fluorescent aux UV était utilisé en pulvérisation sur les cimes pour marquer les graines et suivre leur dispersion à partir de l'arbre. Les graines étaient récoltées dans des pièges de 1 m2, placés à intervalles réguliers le long de transects, dans la direction des vents dominants et dans la direction inverse. Le colorant était toujours visible sur les graines au bout de six semaines, et il est probable qu'il persiste bien plus longtemps encore.
6. Variation entre populations
On dispose de deux méthodes complémentaires pour étudier la variation génétique entre populations. La première, les essais de provenances, est d'usage général en recherche forestière, et elle consiste à étudier le comportement dans des conditions de milieu uniformes sur une ou plusieurs stations d'arbres issus de semences récoltées sur différentes populations. Les caractères étudiés sont généralement des variables continues, et la variation observée est répartie entre composantes génétiques et écologiques. La variation entre provenances de Cordia alliodora fait l'objet d'une étude sur un essai international coordonné par l'Oxford Forestry Institute, à partir de récoltes effectuées vers la fin des années 70 principalement en Amérique centrale, avec une assistance de la FAO et de l'ODA (Stead, 1980). Sur une large gamme de stations, les provenances de la région atlantique humide d'Amérique Centrale, et en particulier du Honduras et du Costa Rica, montrent une croissance et une forme meilleures que les provenances de la région pacifique, même si on les plante dans des zones à saison sèche (McCarter, 1988). L'étude permet de penser qu'il existe une différenciation écotypique entre populations pacifiques et atlantiques, mais elle indique également que dans ces deux larges bandes la variation à l'intérieur des provenances est plus grande qu'entre provenances. Il semble y avoir de grandes possibilités d'amélioration génétique par une sélection individuelle, les évaluations de provenances montrant des différences de 200 à 300 pour cent dans une même provenance entre les 10 meilleurs arbres et la moyenne.
La deuxième méthode consiste à étudier la diversité génétique par la variation des enzymes (et plus récemment de l'ADN) pour des loci de gènes déterminés. L'étude d'enzymes mentionnée au paragraphe 5 ci-dessus a montré des différences dans le nombre des loci se colorant, et une variabilité dans un même locus entre la population étudiée et une population du Pacifique précédemment étudiée. De nouvelles études de variation d'isoenzymes dans les collections originelles de provenances de C. alliodora de l'OFI, en cours à l'Université du Massachusetts à Boston (Etats-Unis), indiquent des différences intéressantes entre provenances.
7. Nombre de chromosomes
L'étude de la variation dans les chromosomes, tant en nombre qu'en quantité totale d'ADN, peut parfois fournir des informations supplémentaires sur la variation à l'intérieur d'une même espèce et entre espèces très voisines. Les deux informations disponibles sur le nombre chromosomique de C. alliodora: n = 15 (Bawa, 1973) et 2n = 72 (Britton, 1951), diffèrent très largement. La possibilité d'une duplication de gènes pour un certain nombre de systèmes d'enzymes dans la population atlantique permet de penser également qu'on pourrait gagner à examiner le nombre de chromosomes pour voir s'il existe une variation intraspécifique pour ce caractère, et si cela est en relation avec les différences entre provenances pacifiques et atlantiques constatées dans les essais internationaux de provenances.
Remerciements
Cette étude a été financée par l'Overseas Development Administration du Royaume-Uni (R4484 et R4724). L'auteur exprime ses remerciements aux personnes suivantes: F. Mesen, CATIE; F. Lega, Scott Paper, qui ont facilité le travail de terrain au Costa Rica; K.S. Bawa et M. Chase, Université du Massachusetts, Boston qui ont collaboré à l'étude d'isoenzymes, et enfin G. Frankie, Université de Californie, Berkeley, pour ses avis en matière d'entomologie.
1 Oxford Forestry Institude, South Parks Road, Oxford, OX1 3RB, Royaume-Uni.
