Comment les plantes respirent-elles ?

Que vous aimiez les choux ou pas, les plantes font forcément partie de votre régime alimentaire : les céréales, le pain, les pommes de terre, les pâtes, le riz, les frites, etc. Tous sont issus de plantes. Le riz, le maïs et le blé constituent à eux seuls 60% de la nourriture mondiale. Non seulement les plantes sont essentielles à la sécurité alimentaire, mais elles entrent aussi dans la fabrication de la plupart de vos vêtements, par exemple tous les produits à base de coton ou de lin. Les plantes jouent donc un rôle indispensable dans notre vie. De plus, sans photosynthèse nous n'aurions même pas d'oxygène à respirer. Les plantes et les algues réalisent la photosynthèse, qui convertit le dioxyde de carbone et l'eau en sucre en utilisant l'énergie du soleil. Ce processus produit de l'oxygène en tant que sous-produit et on pense que ce sous-produit issu des formes de vie «vertes» a conduit au niveau actuel d'oxygène dans l'atmosphère qui est d'environ 20%. Pour le dire simplement, nous inspirons de l'oxygène et expirons du dioxyde de carbone, et les plantes font l'inverse. Nous inspirons et expirons par la bouche mais comment les plantes respirent-elles ?

Les plantes aussi ont des bouches. Les parties vertes des plantes terrestres sont recouvertes de minuscules éléments appelés les stomates, un mot d'origine grecque qui signifie «bouche». Les stomates sont formés de deux cellules, appelées les cellules de garde, qui sont chacune une image miroir de l'autre, et qui ensemble forment un anneau qui ressemble un peu à un donut (ceux avec un trou au milieu). Contrairement aux donuts, les stomates sont magnifiquement régulés et dynamiques. La lumière entraîne l'ouverture et la fermeture des stomates. Généralement, ils sont ouverts pendant la journée et fermés la nuit, comme la bouche de certaines personnes. Beaucoup d'autres signaux font que les stomates s'ouvrent et se ferment. Lorsqu’ils sont ouverts, ils permettent au dioxyde de carbone de pénétrer dans la plante et en même temps, de la condensation d'eau peut s'échapper. La régulation des stomates est donc essentielle au maintien du niveau d'eau dans la plante.

Nous voulions comprendre comment cette ouverture et cette fermeture fonctionnent. Les cellules d’une plante sont entourées d'une paroi cellulaire qui apporte un soutien mécanique. Nous savons que lorsque des signaux déclenchent l'ouverture des stomates, la pression interne des cellules de garde augmente et les cellules de garde se courbent vers l'extérieur, un peu comme quand on pompe de l'air dans la chambre à air d'un vélo, si ce n'est que la pression peut atteindre 50 atmosphères (équivalent à la pression hydrostatique de 500 m d'eau). Mais comment cela fonctionne-t-il exactement ? Quelle est l'importance de la forme des cellules de garde ? Comment le matériau doit-il être formé pour résister à des pressions si élevées tout en s'ouvrant et en se fermant rapidement ? Nous avons récemment étudié ces questions à l'aide d'une combinaison de modèles mathématiques et d'expériences biophysiques. L'élaboration du modèle mathématique d'un processus aide à comprendre les facteurs importants qui contribuent au comportement global du système. Le modèle requiert plusieurs ingrédients clés : la pression, la forme des cellules de garde et les propriétés mécaniques des parois cellulaires.

Nous avons construit un modèle mécanique 3D informatisé pour explorer les questions ci-dessus. Bien que le calcul sous-jacent ne soit pas facile, l'idée de base est simple : choisir une forme pour les cellules de garde, choisir quelques propriétés pour le matériau (élasticité, rigidité dans différentes directions), puis augmenter la pression et voir ce qui se passe. Si les stomates ne s'ouvrent pas, modifier la forme et/ou les propriétés du matériau et réessayer. En utilisant cette approche, nous avons d'abord essayé des matériaux élastiques simples et avons constaté que les stomates ne s'ouvraient pas. Manifestement, il manquait un ingrédient clé au modèle. La paroi cellulaire est un matériau complexe, composé de fibres réticulées et enrobées dans un gel de sucres. Dans les parois cellulaires des stomates, les fibres sont orientées autour des tubes de la cellule de garde - comme cela se produirait si l'on tirait plusieurs fois une ficelle à travers le centre d'un donut pour ensuite l'enrouler autour de la partie extérieure en la tirant à nouveau par le centre. Ces fibres sont beaucoup plus résistantes que le reste de la paroi cellulaire. Elles donnent donc naissance à ce que l'on appelle le comportement anisotrope, ce qui signifie que la résistance de la paroi cellulaire dépend de la direction. Lorsque cet ingrédient est ajouté au modèle, les stomates s'ouvrent à mesure que la pression augmente.

Il y avait cependant un problème: même si le modèle s'ouvrait, la dynamique d'ouverture ne correspondait pas aux données expérimentales. Cela signifiait que nous ne capturions toujours pas correctement le comportement et qu’il nous manquait donc un aspect important de la mécanique sous-jacente. Certains matériaux sont connus pour présenter un phénomène appelé durcissement par déformation extensionnelle, c’est-à-dire qu’il devient de plus en plus difficile d'étirer la substance au fur et à mesure de son allongement. S’agissait-il là de l'ingrédient manquant? Lorsque l'on tient compte de ce durcissement de la paroi cellulaire lors de déformations, le modèle peut reproduire fidèlement les données expérimentales, ce qui suggère qu'il s'agit effectivement d'une propriété importante pour l’ouverture et la fermeture des stomates. Ce travail a donc permis de révéler les facteurs clés qui sont nécessaires pour que les stomates s'ouvrent et se ferment.

Ces connaissances peuvent être exploitées pour améliorer la façon dont les plantes réagissent au changement climatique et, en particulier, pour orienter les recherches visant à améliorer la tolérance des cultures à la chaleur et à la sécheresse, contribuant ainsi à la sécurité alimentaire.

Traduit par TranslationBunny, Bunny Inc.