Visualisation en temps réel des communications plante-plante grâce aux substances volatiles en suspension dans l’air

Les plantes émettent des composés organiques volatils (COV) dans l’atmosphère lors de dommages mécaniques ou d’attaques d’insectes. Les usines voisines en bon état perçoivent les COV libérés comme des signaux de danger pour activer des réponses de défense contre les menaces à venir. Ce phénomène de communication aérienne entre les plantes via les COV a été documenté pour la première fois en 1983 et a depuis été observé chez plus de 30 espèces végétales différentes. Cependant, les mécanismes moléculaires sous-jacents à la perception des COV et à l’induction de la défense restent flous.

Une équipe de recherche, dirigée par le professeur Masatsugu Toyota (Université de Saitama, Japon), a visualisé les communications entre plantes via les COV en temps réel et a révélé comment les COV sont absorbés par les plantes, déclenchant ainsi des réponses de défense dépendantes du Ca2+ contre les menaces futures.

Cette recherche révolutionnaire est publiée dans Communications naturelles. Yuri Aratani et Takuya Uemura ont dirigé les travaux en tant que doctorants. respectivement étudiant et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Toyota et a collaboré avec le professeur Kenji Matsui de l’Université de Yamaguchi, au Japon.

« Nous avons construit un équipement pour pomper les COV émis par les plantes nourries par les chenilles vers les plantes voisines intactes et l’avons combiné avec un système d’imagerie fluorescente en temps réel en champ sauvage », explique Toyota.

Cette configuration innovante a permis de visualiser des éclats de fluorescence se propageant dans une plante de moutarde Arabidopsis thaliana après exposition aux COV émis par les plantes endommagées par les insectes. Les plantes créent des capteurs de protéines fluorescentes pour le Ca2+ intracellulaire et, par conséquent, les changements dans la concentration intracellulaire de Ca2+ peuvent être surveillés en observant les changements de fluorescence.

« En plus des attaques d’insectes, les COV libérés par les feuilles écrasées manuellement ont induit des signaux Ca2+ dans les plantes voisines non endommagées », explique Toyota.

Pour identifier quel type de COV induisait des signaux Ca2+ dans les plantes, l’équipe de scientifiques de Toyota a étudié divers COV connus pour induire des réponses de défense chez les plantes. Ils ont découvert que deux COV, le (Z)-3-hexenal (Z-3-HAL) et le (E)-2-hexenal (E-2-HAL), tous deux aldéhydes à six carbones, induisent des signaux Ca2+ chez Arabidopsis. Le Z-3-HAL et l’E-2-HAL sont des produits chimiques en suspension dans l’air avec des odeurs d’herbe et sont connus sous le nom de substances volatiles des feuilles vertes (GLV) émises par les plantes endommagées mécaniquement et par les herbivores.

L’exposition d’Arabidopsis à Z-3-HAL et E-2-HAL a entraîné une régulation positive des gènes liés à la défense. Pour comprendre la relation entre les signaux Ca2+ et les réponses de défense, ils ont traité Arabidopsis avec l’inhibiteur du canal Ca2+, LaCl3 et l’agent chélateur du Ca2+, EGTA.

Ces produits chimiques ont supprimé à la fois les signaux Ca2+ et l’induction de gènes liés à la défense, fournissant ainsi la preuve qu’Arabidopsis perçoit les GLV et active les réponses de défense d’une manière dépendante du Ca2+.

Cellules de garde : la porte d’entrée vers la conscience

Ils ont également identifié quelles cellules spécifiques présentaient les signaux Ca2+ en réponse aux GLV en concevant des plantes transgéniques exprimant les capteurs de protéines fluorescentes exclusivement dans les cellules de garde, de mésophylle ou épidermiques.

Lors de l’exposition au Z-3-HAL, des signaux Ca2+ ont été générés dans les cellules de garde en 1 minute environ, puis dans les cellules mésophylles, tandis que les cellules épidermiques ont généré des signaux Ca2+ plus lentement. Les cellules de garde sont des cellules en forme de haricot situées à la surface des plantes et forment des stomates, de petits pores qui relient les tissus internes et l’atmosphère.

« Les plantes ne possèdent pas de » nez « , mais les stomates servent de passerelle végétale permettant une entrée rapide du GLV dans les espaces interstitiels des tissus foliaires », explique Toyota.

En fait, l’équipe a découvert que le prétraitement avec de l’acide abscissique (ABA), l’une des phytohormones connues pour sa capacité à fermer les stomates, réduisait les réponses Ca2+ dans les feuilles de type sauvage. D’autre part, les mutants présentant des fermetures stomatiques altérées induites par l’ABA maintenaient des signaux Ca2+ normaux dans les feuilles, même lorsqu’ils étaient traités avec l’ABA.

« Nous avons enfin dévoilé l’histoire complexe de quand, où et comment les plantes réagissent aux ‘messages d’avertissement’ aériens de leurs voisins menacés », dit-il. « Ce réseau de communication éthéré, caché à notre vue, joue un rôle central dans la protection en temps opportun des usines voisines contre les menaces imminentes. »

Cette recherche pionnière approfondit non seulement notre appréciation du monde étonnant des plantes, mais souligne également les façons remarquables dont la nature les a équipées pour prospérer et s’adapter face à l’adversité. Les implications profondes de ces découvertes résonnent bien au-delà des frontières de la science végétale, offrant un aperçu de la tapisserie complexe de la vie sur Terre.