Une énigme centenaire en botanique révèle l’adaptation clé des plantes aux terres arides

Le monde vert dans lequel nous vivons n’aurait pas été possible sans des changements cachés dans le corps de la plante au cours des 400 derniers millions d’années. Pour pousser au-delà de quelques centimètres de hauteur en dehors des endroits les plus humides de la terre, les plantes ont dû réorganiser leurs tissus conducteurs d’eau pour les protéger de la sécheresse.

Une nouvelle étude de Martin Bouda de l’Institut de botanique de l’Académie tchèque des sciences et des co-auteurs, publiée dans la revue La sciencemontre comment la solution d’un débat centenaire en botanique révèle une adaptation clé qui a permis aux plantes de coloniser les terres arides.

Toutes les plantes, sauf les plus petites, ont besoin de tissus vasculaires pour fournir de l’eau à tout leur corps et éviter de se dessécher car elles captent le carbone de l’air ambiant. Si une plante est soumise à la sécheresse, la chaîne de molécules d’eau tirée vers le haut de la tige peut se rompre, formant une embolie : une bulle de gaz qui bloque le transport de l’eau dans tout un conduit vasculaire. Si l’embolie se propage à partir de ce conduit dans tout le tissu, le système vasculaire d’approvisionnement en eau de la plante se bloque efficacement, la plante se dessèche et meurt.

La nouvelle découverte montre que la disposition originale des tissus vasculaires – un cylindre au centre de la tige – devient de plus en plus vulnérable à l’embolie propagée avec la taille. « Si les conduits sont tous regroupés, la plante peut faire face à une propagation exponentielle de l’embolie sur le réseau vasculaire résultant. S’ils sont étirés dans une forme longue et étroite, l’embolie doit surmonter de nombreuses parois cellulaires successives pour aller très loin, ce qui peut sauver le la vie des plantes en période de sécheresse », explique le Dr Bouda, l’auteur principal de l’étude

Les premières plantes vasculaires ne mesuraient que quelques centimètres de haut et étaient contraintes de vivre là où l’eau était facilement disponible. Pour grandir et commencer à explorer le paysage, ils ont d’abord dû trouver des alternatives à leur disposition vasculaire ancestrale. « Nous avons été frappés par le fait que très peu de plantes vivantes ont conservé la disposition originale de la tige, qui place le tissu vasculaire dans un cylindre en plein centre. Ce détail apparent détenait en fait la clé pour déchiffrer tout cet épisode évolutif », ajoute Bouda.

Les archives fossiles montrent une diversité croissante dans la façon dont la tige est assemblée, tout comme la plante rayonne à partir des sources d’eau. Les arrangements de tissus vasculaires se diversifient pour prendre une vaste gamme de formes dans la tige, des ellipses et des lanières aux étoiles en passant par les anneaux – de forme divergente, probablement de fonction convergente. Les lignées végétales qui ont réussi sur terre ont dû chacune trouver leur propre solution au problème de l’embolie. La force de cette pression évolutive augmente avec la taille de la plante.

La recherche résout une énigme centenaire en botanique. L’observation que les tissus vasculaires prennent des formes de plus en plus complexes dans les grandes plantes a été faite pour la première fois par FO Bower (président de la Royal Society of Edinburgh) et son étudiant CW Wardlaw. Bower a présenté leurs résultats dans son discours d’ouverture lors de la réunion de la Société en 1920, mais n’a pas pu expliquer la découverte.

Un siècle de débats s’est finalement installé sur le consensus inconfortable selon lequel la complexité des arrangements de xylème augmentait simplement par coïncidence à mesure que les corps végétaux grandissaient et se ramifiaient. La nouvelle étude montre que les plantes maintiennent des arrangements vasculaires résistants à la sécheresse en limitant la largeur des tissus. Avec une taille accrue, le tissu doit prendre des formes allongées, étroites et de plus en plus complexes, ce qui fournit une réponse à l’énigme de Bower et Wardlaw.

La recherche était un effort de collaboration dirigé par le Dr Bouda et le prof. Craig Brodersen de l’Université de Yale (École de l’environnement). Les autres membres de l’équipe étaient Kyra Prats (Yale School of the Environment), Brett Huggett (Bates College), Jay Wason (U. of Maine) et Jonathan Wilson (Haverford College).

Pour évaluer leur hypothèse, l’équipe de scientifiques a échantillonné les brins de xylème de plantes vasculaires sans pépins vivantes et éteintes couvrant plus de 400 millions d’années d’évolution. Ils ont examiné l’emballage des cellules conductrices dans différentes formes de brins vasculaires et ont analysé la topologie des réseaux de conduits résultants. Des simulations numériques de la façon dont l’embolie induite par la sécheresse se propage à travers les réseaux vasculaires de plantes réelles et idéalisées pour devenir létales ont confirmé que la défaillance hydraulique devrait sélectionner des formes plus étroites et de plus en plus complexes.

« En développant de nouvelles façons de quantifier comment la topologie du réseau de conduits affecte la propagation de l’embolie, et en appliquant ces méthodes à la fois aux premiers enregistrements fossiles et aux plantes vivantes, nous avons finalement pu poser la question de la bonne manière », explique le Dr. Bouda.

Les applications de cette avancée fondamentale incluent le potentiel d’assurer la résistance à la sécheresse dans les programmes de sélection des cultures pour un climat changeant. « Maintenant que nous comprenons mieux comment les systèmes vasculaires sont assemblés et comment cela influence la capacité d’une plante à tolérer la sécheresse, c’est le genre de chose qui pourrait être utilisée comme cible pour les programmes de sélection », explique le professeur Brodersen.

La recherche de suivi demandera comment les plantes ont éludé les contraintes nouvellement découvertes pour obtenir des formes de croissance ligneuses.