Les scientifiques ont découvert comment les plantes créent des réseaux de canaux aériens, c’est-à-dire les poumons de la feuille, pour transporter du dioxyde de carbone (CO2) à leurs cellules. L’étude montre également que les humains, au fil du temps, ont modifié génétiquement des plants de blé pour avoir moins de pores sur leurs feuilles et ainsi utiliser moins d’eau. Ces résultats ouvrent donc la voie au développement de cultures plus résistantes à la sécheresse.

Comment les plantes respirent ?

Les botanistes savent maintenant depuis le XIXe siècle que les feuilles ont des pores, nommés stomates, qui permettent les échanges gazeux entre la plante et l’air ambiant, et qu’elles contiennent donc un réseau interne complexe de canaux d’air. Mais comment des canaux se forment aux bons endroits, pour fournir le flux régulier de CO2 à chaque cellule végétale ? Si cette question restait un mystère, cette étude récemment menée par des scientifiques de l’université de Sheffield démontre enfin avec précision comment les plantes respirent. 

Ils ont ainsi utilisé des techniques de manipulation génétique qui ont permis de révéler que plus une feuille a de stomates, plus elle aura d’espaces aériens. Les canaux agissent alors comme des bronchioles, des minuscules branches qui transportent l’air vers les surfaces d’échange chez les humains et les animaux. 

En travaillant en collaboration avec leurs collègues des universités de Nottingham et de Lancaster, ils montrent ainsi que le mouvement du CO2 à travers les pores détermine très probablement la forme et l’échelle du réseau des canaux d’air.

Leur découverte témoigne donc d’un grand pas en avant pour la compréhension de la structure interne d’une feuille, et comment la fonction des tissus peut influencer leur développement. Ces découvertes pourraient alors avoir une portée au-delà de la biologie végétale, et concerner des domaines tels que la biologie évolutive. 

L’étude explique également que les plants de blé ont été cultivés par des générations de personnes pour qu’ils aient moins de pores sur leurs feuilles et moins de canaux d’air, afin d’avoir des feuilles plus denses et ainsi être cultivés avec moins d’eau. 

De nouvelles techniques d’analyse pour les plantes

Dr Marjorie Lundgren, chercheuse à l’université de Lancaster, explique que « les scientifiques soupçonnent depuis déjà longtemps que le développement des stomates et le développement des espaces aériens dans une feuille sont coordonnés. Cependant, nous n’étions pas sûrs de qui conduit l’autre. Tout cela a commencé avec une question du même type que ‘qu’est-ce qui est venu en premier, l’oeuf ou la poule ?’. » 

« Grâce à un ensemble intelligent d’expériences impliquant des analyses d’images par tomodensitométrie à rayons X, notre équipe collaborative a répondu à ces questions en utilisant des espèces avec des structures de feuilles très différentes », poursuit-elle. « Nous montrons que le développement des stomates initie l’expansion de l’espace aérien, et nous avons fait un pas de plus pour montrer que les stomates ont en fait besoin d’échanger des gaz pour que les espaces d’air se développent. Ceci dépeint une histoire beaucoup plus intéressante, liée à la physiologie. »

Le directeur du centre Hounsfield, le professeur Sacha Mooney de l’université de Nottingham, où les expériences ont été menées, explique : « Jusqu’à récemment, l’application de la tomodensitométrie à rayons X, ou CT-scan, dans le domaine des sciences végétales, était principalement axée sur la visualisation de la moitié cachée de la plante, les racines, lorsqu’elles poussent dans le sol. »

« En travaillant avec nos partenaires de Sheffield, nous avons développé une technique pour visualiser la structure cellulaire d’une feuille de plante en 3D, nous permettant de voir la complexité des réseaux d’espaces d’air dans la feuille qui contrôlent son comportement. C’est vraiment excitant.”

Un CT-scan © WikiMedia Commons

Un espoir pour la gestion des ressources ?

Ces recherches mettent donc en évidence la possibilité pour les scientifiques de rendre les cultures de base, comme le blé, moins demandeuses en eau, en modifiant la structure interne de leurs feuilles. Ainsi, cette approche a été utilisée par d’autres scientifiques de l’Institute for Sustainable Food, qui ont cultivé du riz et du blé adaptés au changement climatique et qui peuvent donc survivre à des conditions de sécheresse extrême. 

Le professeur Andrew Fleming de l’Institute for Sustainable Food de l’université de Sheffield explique : “Jusqu’à présent, la façon dont les plantes forment leurs schémas complexes de canaux d’air est restée étonnamment mystérieuse pour les scientifiques. Cette importante découverte montre que le mouvement de l’air à travers les feuilles façonne leur fonctionnement interne, ce qui a des implications sur la façon dont nous pensons à l’évolution des plantes. Le fait que les humains aient déjà influencé par inadvertance la façon dont les plantes respirent en cultivant du blé qui utilise moins d’eau, suggère que nous pourrions cibler ces réseaux de canaux d’air pour développer des cultures qui peuvent survivre aux sécheresses plus extrêmes que nous nous attendons à voir avec le dérèglement climatique.”

Ces recherches donnent de l’espoir pour protéger nos récoltes et ouvrent la porte à un monde meilleur. En effet, elles préparent au réchauffement climatique qui est déjà présent, avec la sécheresse des sols, et préviennent ainsi la famine et le manque de nourriture futur.

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