Chez les plantes, les cellules qui forment la structure interne des feuilles commencent sous forme de sphères étroitement compactées aux premiers stades du développement des feuilles. Au fur et à mesure que la feuille se développe et s’étend, ces cellules prennent de nouvelles formes et se détendent. Pourtant, la microstructure de la feuille reste robuste et intacte.
Une équipe de chercheurs, comprenant un ingénieur en mécanique, un biologiste végétal et un physicien appliqué, a découvert comment cela se produit. Cela répond non seulement à des questions qui ont longtemps dérouté le monde végétal, mais cela pourrait également conduire à la fabrication de matériaux photosynthétiques producteurs d’énergie. Les résultats de leurs travaux figurent dans le Journal de l’interface de la société royale.
La couche intermédiaire des feuilles des plantes est connue sous le nom de mésophylle spongieux, qui est un réseau poreux de cellules où se produit la photosynthèse. Dans ce processus, le dioxyde de carbone (CO2) monte par le bas de la feuille, la lumière du soleil entre par le haut, puis les deux interagissent dans la couche intermédiaire des cellules. Aux premiers stades d’une feuille, les cellules de cette couche sont presque sphériques et étroitement regroupées. Cependant, si les cellules restent ainsi, la lumière et le dioxyde de carbone n’ont pas de place pour interagir. Ainsi, les cellules se desserrent pour faire place à la photosynthèse. Mais ce faisant, pourquoi la feuille ne perd-elle pas sa structure et ne se désagrège-t-elle pas ?
« Le mésophylle spongieux est capable de se développer en un matériau très poreux, tout en conservant les propriétés d’un solide », a déclaré Corey O’Hern, professeur de génie mécanique et de science des matériaux. « C’est le paradoxe, que la feuille doit créer cette structure labyrinthique de l’espace aérien pour permettre la diffusion du CO2, mais la feuille doit encore rester mécaniquement stable. »
Pour comprendre ce processus contre-intuitif, O’Hern et les autres chercheurs ont utilisé des images réalisées par microscopie confocale des cellules à différentes phases du développement de la feuille.
« Nous avons créé un modèle informatique pour décrire les formes des cellules individuelles et combien elles collent les unes aux autres », a déclaré O’Hern. « Ensuite, nous avons modélisé le développement du mésophylle spongieux en tirant sur le tissu de tous les côtés. »
Ces études comprenaient la mesure des formes de toutes les cellules et de la porosité du mésophylle (c’est-à-dire la quantité de matériau constituée de cellules et la quantité constituée d’air). Les chercheurs ont tracé le cours du développement des cellules des stades précoces aux derniers stades de développement et ont observé comment les cellules se transforment de sphères serrées en formes allongées et multilobées.
Ils ont découvert que, plutôt que de provoquer la décomposition de la structure de la feuille, les cellules qui s’étalent maintenaient la structure de la feuille. « Ce qui se passe, c’est que les cellules du mésophylle spongieux poussent toujours vers l’extérieur, tandis que le tissu épidermique de la feuille la maintient à l’intérieur », a déclaré O’Hern.
La plante spécifique qu’ils ont examinée est l’arabette, une fleur sauvage connue des scientifiques sous le nom d’Arabidosis thaliana. Il est considéré comme la mouche des fruits des plantes en ce sens qu’il est particulièrement utile pour les expériences. Elle germe très rapidement et les gènes de la plante sont bien connus.
Pour de futures études, les chercheurs prévoient d’appliquer leur modèle informatique à d’autres espèces végétales pour voir si le modèle peut expliquer la grande diversité de la structure du mésophylle spongieux. De plus, ils veulent appliquer ce qu’ils ont appris à la création de tissus végétaux artificiels.
« Si nous pouvons comprendre comment les plantes sont si efficaces pour la photosynthèse et comprendre l’auto-assemblage du mésophylle des feuilles, nous pourrons peut-être créer des matériaux photosynthétiques similaires en laboratoire. »
Plus d’information:
John D. Treado et al, La croissance et le remodelage localisés entraînent la morphogenèse du mésophylle spongieux, Journal de l’interface de la Royal Society (2022). DOI : 10.1098/rsif.2022.0602