Les plantes trouvent la lumière en utilisant les espaces entre leurs cellules | Magazine Quanta

Sur une étagère bordée de pots en terre cuite, des herbes courbent leurs tiges vers la fenêtre la plus proche. Dans un champ de fleurs sauvages dorées, les feuilles tournent au rythme du soleil. Dans une forêt tachetée, les vignes s'enroulent autour des arbres, s'élevant toujours vers le haut et s'éloignant de l'obscurité.

Depuis l’Antiquité, la capacité des plantes à orienter leur corps sans yeux vers la source de lumière la plus proche et la plus brillante – connue aujourd’hui sous le nom de phototropisme – a fasciné les chercheurs et généré d’innombrables débats scientifiques et philosophiques. Et au cours des 150 dernières années, les botanistes ont réussi à découvrir de nombreuses voies moléculaires clés qui sous-tendent la façon dont les plantes perçoivent la lumière et agissent en fonction de cette information.

Pourtant, un mystère critique persiste. Les animaux utilisent leurs yeux – un organe complexe composé de lentilles et de photorécepteurs – pour obtenir une image détaillée du monde qui les entoure, y compris la direction de la lumière. Les plantes, ont établi les biologistes, possèdent une puissante suite d’outils moléculaires pour mesurer l’éclairage. Mais en l’absence d’organes de détection physiques évidents comme les lentilles, comment les plantes déterminent-elles la direction précise d’où vient la lumière ?

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs européens a trouvé une réponse. Dans un article récent publié dans Sciences, ils signalent qu'une mauvaise herbe en bordure de route... Arabidopsis, un favori des généticiens végétaux - utilise les espaces d'air entre ses cellules pour diffuser la lumière, modifiant ainsi le trajet de la lumière traversant ses tissus. De cette façon, les canaux d’air créent un gradient de lumière qui aide les semis à déterminer avec précision d’où vient la lumière.

En tirant parti des canaux d’air pour diffuser la lumière, les plantes évitent le besoin d’organes discrets comme les yeux au profit d’une astuce plus astucieuse : la capacité en fait de « voir » avec l’ensemble de leur corps.

Un débat profond

Pourquoi et comment les plantes s'orientent vers la lumière l'objet d'un vif débat depuis plus de 2,000 XNUMX ans. Les premiers philosophes grecs affirmaient que les plantes, comme les animaux, étaient capables de sensations et de mouvements, voire même de désir et d’intelligence. Mais des penseurs ultérieurs comme Aristote ont affirmé que les plantes étaient intrinsèquement passives, incapables de ressentir leur environnement et encore moins de bouger avec lui. « Les plantes n’ont ni sensation ni désir », écrit-il dans Sur les plantes. « Nous devons rejeter ces vues comme étant mal fondées. » Pendant des siècles, les érudits ont eu tendance à être d’accord avec lui.

Ce n'est qu'en 1658 que l'alchimiste et philosophe naturel Thomas Browne a établi le phototropisme comme un fait en documentant que les plants de moutarde poussant dans des pots dans un sous-sol orientaient constamment leur croissance vers une fenêtre ouverte. Mais pendant plus de deux siècles, les biologistes ont continué à se demander comment les plantes y parvenaient et si elles réagissaient à la lumière du soleil ou à sa chaleur.

En 1880, Charles Darwin et son fils Francis menèrent des expériences pour décrire un mécanisme phototrope qui fut finalement prouvé. Comme décrit dans Le pouvoir du mouvement chez les plantes, le couple a fait pousser des semis – des plantes qui ne pouvaient pas encore effectuer la photosynthèse, s'appuyant plutôt sur l'énergie stockée dans leurs graines – dans une pièce sombre. Lorsque la lumière bleue brillait sur eux depuis une direction spécifique, les plantes se dirigeaient vers elle. Puis, tandis que les Darwin déplaçaient la lumière dans la pièce, ils suivaient les mouvements correspondants des plants.

Sur la base de leurs expériences, les Darwin ont suggéré que les semis étaient plus sensibles à la lumière à l'extrémité de la pousse et que ce qu'ils y ressentaient conduisait à la production d'une substance qui influençait la direction de la croissance de la plante. Dans les années 1920, les botanistes étaient parvenus à un consensus confortable qui développait ce modèle : que les plantes étaient dotées de capteurs de lumière à leur extrémité et qu'elles produisaient des hormones (identifiées plus tard comme auxine) qui encourageaient une croissance plus importante sur leurs côtés ombragés, provoquant la formation de leurs tiges et de leurs feuilles. se pencher vers la lumière.

Comme beaucoup de grandes découvertes, celle-ci a soulevé une nouvelle question : comment les plantes pouvaient-elles exactement percevoir la lumière ? Ils n’avaient aucun organe sensoriel évident. Les chercheurs ont commencé à soupçonner que les plantes devaient avoir des capacités sensorielles sophistiquées.

Les biologistes moléculaires ont pris le relais, démontrant que les plantes peuvent mesurer et réagir à un spectre de lumière beaucoup plus large que ce que nos yeux d'animaux peuvent faire, même s'ils ne disposent pas d'un organe de perception spécialisé. Cinq familles différentes de photorécepteurs, ainsi que des hormones et des voies de signalisation, travaillent ensemble pour dicter jusqu'au niveau cellulaire la direction dans laquelle une plante construit de nouveaux tissus, expliquant comment les tiges se tordent, se tournent et poussent vers le haut selon les besoins. Ces photorécepteurs sont répartis dans tout le corps végétal mais sont largement concentrés dans les tissus internes de la tige. Christian Fankhauser, biologiste végétal à l'Université de Lausanne en Suisse et auteur de la nouvelle étude.

Cependant, de simples capteurs ne suffisent pas à eux seuls à donner aux plantes la capacité de déterminer la direction de la lumière. Pour identifier au mieux la direction d’une forte illumination, une plante doit être capable de comparer les signaux entre différents photorécepteurs afin de pouvoir orienter sa croissance vers la lumière la plus intense. Et pour cela, ils ont besoin que la lumière entrante tombe sur leurs capteurs selon un dégradé allant du plus brillant au plus faible.

Les animaux ont résolu ce problème grâce au développement des yeux. Un organisme simple, comme un ver planaire, se débrouille avec des « ocelles » qui détectent simplement la présence ou l’absence de lumière. Dans les yeux d'animaux plus complexes comme le nôtre, des caractéristiques anatomiques comme le cristallin diriger la lumière vers la rétine, qui regorge de photocapteurs. Le cerveau compare ensuite la quantité de lumière arrivant à travers la lentille incurvée avec la quantité enregistrée sur des cellules séparées. Ce système, qui combine la manipulation physique de la lumière avec des capteurs moléculaires, permet de détecter des gradients fins de luminosité et d'ombre, ainsi que leur résolution dans l'image que nous appelons vue.

Mais comme les plantes n’ont pas de cerveau, elles ont besoin d’un système passif pour arriver aux mêmes conclusions. C'est pourquoi la capacité des plantes à former des gradients physiques est importante : elles créent des distinctions inhérentes entre les cellules sans obliger la plante à effectuer des comparaisons actives.

Les botanistes étaient donc confrontés à une énigme. Le phototropisme était-il entièrement un processus moléculaire, comme certains le soupçonnaient, ou les plantes pourraient-elles modifier les faisceaux lumineux pour créer un gradient et mieux orienter leur réponse ? Si cette dernière hypothèse était vraie, alors les plantes doivent avoir des structures physiques qui leur permettent de concentrer la lumière.

Cette structure serait finalement identifiée dans une version mutante d’une mauvaise herbe en bordure de route qui avait du mal à trouver la lumière.

Le mutant aveugle

Thale cress - connu en science sous le nom de Arabidopsis thaliana — n'est pas une plante particulièrement attrayante. Cette mauvaise herbe de 25 centimètres de haut affectionne les terrains perturbés, les bordures de champs et les accotements des routes. Originaire d'Afrique et d'Eurasie, on le trouve désormais sur tous les continents à l'exception de l'Antarctique. Les biologistes végétaux l'ont depuis adapté à un mode de vie scientifique : son cycle de vie court, son petit génome (entièrement cartographié en 2000) et sa tendance à produire des mutations utiles en laboratoire en font un excellent organisme modèle pour comprendre la croissance et la génétique des plantes.

Fankhauser a travaillé avec Arabidopsis depuis 1995 pour étudier comment la lumière façonne la croissance des plantes. En 2016, son laboratoire a analysé les gènes de semis pour trouver des plantes mutantes présentant des réponses inhabituelles à la lumière. Ils ont fait pousser les graines dans une pièce sombre avec des lumières bleues pour diriger les plants sur le côté. À partir de là, l'expérience s'est déroulée plus ou moins comme celle des Darwin il y a 150 ans : à mesure que les chercheurs changeaient la direction de la lumière, les plantes se réorientaient vers elle.

Cependant, une plante mutante a connu des difficultés. Même s’il n’avait aucun problème à détecter la gravité, il semblait incapable de suivre la lumière. Au lieu de cela, il se courba dans toutes les directions, comme s'il était aveugle et tâtonnait dans le noir.

Apparemment, quelque chose n'allait pas avec la capacité du mutant à détecter la lumière. Lorsque l'équipe a examiné la plante, elle a découvert qu'elle possédait les photorécepteurs typiques, selon la biologiste végétale Martina Legris, postdoctorante au laboratoire de Fankhauser et co-auteur du nouvel article. Mais lorsque l’équipe a examiné la tige au microscope, elle a remarqué quelque chose d’étrange.

Le sauvage Arabidopsis, comme la plupart des plantes, possède des canaux d'air entre ses cellules. Ces structures ressemblent à des puits de ventilation tissés autour des compartiments cellulaires scellés et sont connues pour jouer un rôle important à la fois dans la photosynthèse et dans l’oxygénation des cellules. Mais les conduits d’air de la plante mutante étaient inondés d’eau. L'équipe a suivi la mutation du gène abcg5, qui produit une protéine qui peut aider à imperméabiliser la paroi cellulaire afin de garantir l'étanchéité des conduits d'aération de la plante.

Intrigués, les chercheurs ont tenté une expérience. Ils ont rempli d’eau les conduits d’air intercellulaires des plantes non mutantes pour voir si cela affectait leur croissance. Comme les mutants, ces plantes ont eu du mal à déterminer d’où venait la lumière. "Nous pouvons voir que ces plantes sont génétiquement normales", a déclaré Legris. "La seule chose qui leur manque, ce sont ces canaux aériens."

Les chercheurs en ont déduit que la plante s’oriente vers la lumière grâce à un mécanisme basé sur le phénomène de réfraction – la tendance de la lumière à changer de direction lorsqu’elle traverse différents milieux. En raison de la réfraction, explique Legris, la lumière traversant une lumière normale Arabidopsis se dispersera sous la surface de la tige : chaque fois qu'elle se déplace à travers une cellule végétale, qui est principalement constituée d'eau, puis à travers un canal d'air, elle change de direction. Étant donné qu'une partie de la lumière est redirigée au cours du processus, les canaux d'air établissent un gradient de lumière abrupt à travers différentes cellules, que la plante peut utiliser pour évaluer la direction de la lumière, puis se développer dans cette direction.

En revanche, lorsque ces canaux d’air sont remplis d’eau, la diffusion de la lumière est réduite. Les cellules végétales réfractent la lumière de la même manière qu’un canal inondé, puisqu’elles contiennent toutes deux de l’eau. Au lieu de se disperser, la lumière passe presque directement à travers les cellules et les canaux inondés jusqu'au plus profond des tissus, diminuant ainsi le gradient de lumière et privant les plantules de différences d'intensité lumineuse.

Voir la lumière

La recherche suggère que ces canaux d’air jouent un rôle essentiel en aidant les jeunes plantes à suivre la lumière. Roger Hangarter, un biologiste végétal de l'Université d'Indiana à Bloomington, qui n'a pas participé à la nouvelle étude, a salué la découverte d'une solution intelligente à un problème de longue date. Fankhauser, Legris et leurs collègues « ont assez bien mis le doigt sur l’importance de ces espaces aériens », a-t-il déclaré.

L’idée a déjà été évoquée, a noté Hangarter. En 1984, une équipe de chercheurs de l'Université de York a suggéré que canaux d'air entre les cellules végétales pourrait aider à établir le gradient de lumière nécessaire. Mais comme l’équipe ne disposait pas des fonds nécessaires pour mener des expériences coûteuses, leur suggestion n’a pas été testée.

"Nous avons toujours été déconcertés par la façon dont ces petites, minuscules - presque transparentes - [plantes embryonnaires] pouvaient détecter un gradient", a déclaré Hangarter. « Nous n’avons jamais vraiment accordé beaucoup de crédit à l’histoire de l’air et de l’espace parce que nous étions distraits par la recherche des molécules impliquées. Vous vous engagez dans une certaine voie de recherche et vous mettez des œillères.

Le mécanisme de canal d’air rejoint d’autres dispositifs ingénieux développés par les plantes pour contrôler la façon dont la lumière les traverse. Par exemple, les recherches menées par Hangarter ont permis d'établir que les chloroplastes - les organites cellulaires qui effectuent la photosynthèse - danser activement à l’intérieur des cellules des feuilles pour déplacer la lumière. Les chloroplastes peuvent se regrouper avidement au centre de la cellule pour absorber une lumière faible ou fuir vers les marges pour laisser passer une lumière plus forte plus profondément dans les tissus végétaux.

Pour l’instant, les nouvelles découvertes concernant les canaux aériens ne s’appliquent qu’aux semis. Bien que ces canaux aériens apparaissent également dans les feuilles adultes, où il a été démontré qu'ils jouent un rôle dans la diffusion et la distribution de la lumière, personne n'a encore testé s'ils jouent un rôle dans le phototropisme, a déclaré Legris.

On ne sait pas exactement depuis combien de temps les chaînes aériennes jouent ce rôle. Les fossiles de plantes terrestres primitives datant d'il y a 400 millions d'années ne montrent ni racines ni feuilles, mais les tissus centraux des plantes montrent espaces aériens intercellulaires assez grands. Peut-être sont-ils apparus initialement pour l'aération des tissus ou les échanges gazeux, a déclaré Fankhauser, puis ont été adaptés à leur rôle dans le phototropisme. Ou peut-être que les plantes ont développé des espaces aériens dans les tiges en partie pour les aider à détecter la lumière, puis les ont récupérées pour remplir d'autres fonctions.

"Une meilleure compréhension de ces structures - comment elles sont construites, quel est le mécanisme qui les sous-tend - est intéressante pour les biologistes végétaux, au-delà de la question de savoir comment les plantes détectent la direction de la lumière", a déclaré Fankhauser.

Cela pourrait également aider à exorciser le fantôme d'Aristote, qui persiste encore dans la perception des plantes par les gens, a-t-il déclaré. « Beaucoup de gens ont le sentiment que les plantes sont des organismes très passifs : ils ne peuvent rien anticiper ; ils font simplement ce qui leur arrive.

Mais cette idée est basée sur nos attentes quant à l’apparence des yeux. Il s’avère que les plantes ont développé une façon de voir avec l’ensemble de leur corps, tissée dans les interstices entre leurs cellules. Ils n’ont pas besoin de quelque chose d’aussi maladroit qu’une paire d’yeux pour suivre la lumière.