Frontiers for Young Minds
Résumé
Les plantes font régulièrement face à des conditions sèches. Ne pas avoir assez d’eau constitue une menace sérieuse pour la capacité d’une plante à croître et à se développer ou même à survivre! Si les plantes meurent, nous n’aurons pas assez de nourriture à manger! Comment les plantes parviennent-elles à survivre en cas de pénurie d’eau? Ils doivent en quelque sorte être capables de détecter, de réagir et de s’adapter aux changements dans la disponibilité de l’eau. Ils le font grâce à une gamme de techniques qui permettent à une usine de lutter contre les pénuries d’eau. L' »armure” structurelle d’une plante l’aide à diminuer la quantité d’eau qu’elle perd dans l’environnement et à augmenter le stockage de l’eau. Les plantes réagissent aux pénuries d’eau de manière très complexe. Ces réactions peuvent inclure des changements dans la croissance des plantes et dans leur capacité à se protéger contre les produits chimiques toxiques qui s’accumulent dans la plante pendant les périodes sèches. Toutes les réponses d’une plante sont directement contrôlées par les gènes de la plante. Si nous pouvons comprendre les gènes impliqués dans la protection des plantes contre la sécheresse, nous pourrons peut-être à l’avenir fabriquer des cultures génétiquement modifiées capables de tolérer le réchauffement climatique et les changements climatiques.
Avez-vous entendu des gens parler du réchauffement climatique et du changement climatique? Savez-vous ce que ces termes signifient? Ces termes impliquent essentiellement que la terre devient plus chaude chaque année. Ces températures plus élevées entraînent des conditions météorologiques inattendues et inhabituelles. L’un de ces phénomènes météorologiques extrêmes est la fréquence et la gravité des sécheresses. Les sécheresses sont de très longues périodes sèches sans aucune pluie. Que signifient les sécheresses sévères pour les plantes? Eh bien, les plantes sont sessiles, ce qui signifie qu’elles restent au même endroit et ne peuvent pas se déplacer comme nous le pouvons. Ils ne peuvent pas remonter leurs racines et se déplacer dans un endroit ombragé ou humide. Par conséquent, les plantes doivent en quelque sorte faire face à ces conditions de sécheresse toujours croissantes, sinon elles mourront simplement. Rappelez-vous, les plantes sont notre nourriture. Nous mangeons des plantes crues ou cuites (ces légumes que ta mère insiste pour que tu les manges!) ou transformés, comme votre boîte de céréales de petit-déjeuner préférée. Donc, si les plantes meurent à cause de la sécheresse, nous n’aurons pas assez de nourriture à manger!
S’il n’y a pas d’eau autour, que peuvent faire les plantes pour survivre? Étonnamment, toutes les plantes semblent avoir un certain nombre de gènes pour les stratégies de défense contre la sécheresse codés dans leur ADN. Les gènes sont de petites sections d’ADN, comme des chapitres dans un livre. La façon dont ils utilisent ces gènes détermine leur capacité à survivre à la sécheresse.
Certaines plantes résistent à la sécheresse. Lorsque nous parlons de plantes résistantes à la sécheresse, nous entendons des plantes qui peuvent résister à des conditions sèches sans mourir. Une plante résistante à la sécheresse peut survivre à la sécheresse en utilisant trois stratégies de défense: s’échapper, éviter ou tolérer la perte d’eau. Les plantes tolérantes à la sécheresse sont assez rares dans la nature et peuvent supporter de longues périodes sans eau. Certaines des plantes les plus spectaculaires tolérantes à la sécheresse sont appelées plantes de résurrection. Les plantes de résurrection sont capables de survivre sur de longues périodes (jusqu’à 3 ans!) sans eau. Cependant, donnez-leur un peu d’eau et ils reprendront vie dans un jour ou deux. D’autres plantes résistantes à la sécheresse ne sont peut-être pas aussi spectaculaires, mais elles peuvent elles aussi survivre à de courtes périodes de sécheresse en utilisant des techniques spéciales et des stratégies de défense.
Certaines Plantes Ont des Structures Spéciales Qui Les Aident à Survivre dans des Conditions de sécheresse
Certaines plantes sont capables de survivre aux sécheresses en raison de leurs structures uniques. Ces caractéristiques structurelles comprennent l’armure externe des plantes qui les protège contre la perte d’eau, ainsi que des outils pour aider les plantes à absorber et à stocker l’eau. Les plantes résistantes à la sécheresse peuvent être spécialement adaptées pour vivre et survivre dans des environnements très secs. Ces plantes sont souvent très différentes des plantes vivant dans des zones où l’eau est facilement disponible. Les plantes résistantes à la sécheresse ont normalement un « évitement » spécial (l’une des adaptations de défense!) caractéristiques pour s’assurer que moins d’eau est perdue dans l’environnement ou que plus d’eau est absorbée et stockée dans l’usine. Les plantes appelées plantes succulentes du désert sont un bon exemple de plantes qui ont des stratégies d’évitement de la sécheresse. Les plantes succulentes du désert ont des feuilles charnues épaisses, qui ne ressemblent souvent pas du tout aux feuilles, et elles ont une épaisse couche cireuse pour éviter la perte d’eau. Les plantes succulentes du désert ont également de vastes systèmes racinaires qui recherchent de l’eau sous le sol sec du désert (figure 1). Certaines plantes succulentes ont des racines spécialisées qui forment de grandes structures de bulbes, qui sont en fait des réservoirs d’eau souterrains pour la plante. Ces plantes peuvent survivre à des années de sécheresse en utilisant l’eau stockée dans leurs bulbes.
- Figure 1 – Adaptations structurelles extrêmes trouvées chez les plantes pour lutter contre la perte d’eau et stocker plus d’eau.
La majeure partie de l’eau perdue par une plante est perdue à cause d’un processus naturel appelé transpiration. Les plantes ont de petits pores (trous ou ouvertures) sur la face inférieure de leurs feuilles, appelés stomates. Les plantes absorbent l’eau par leurs racines et libèrent de l’eau sous forme de vapeur dans l’air à travers ces stomates. Pour survivre dans des conditions de sécheresse, les plantes doivent diminuer la transpiration pour limiter leur perte d’eau. Certaines plantes qui vivent dans des conditions sèches ont évolué pour avoir des feuilles plus petites et donc moins de stomates. Des exemples extrêmes sont les plantes avec des feuilles qui ressemblent à des épines épineuses. Certaines plantes peuvent également complètement perdre leurs feuilles en cas de sécheresse, pour éviter la perte d’eau. La règle de base est que moins de feuilles signifie moins de perte d’eau par transpiration. Ces adaptations foliaires extrêmes peuvent également protéger les plantes contre les oiseaux et les animaux affamés et assoiffés (Figure 1). Vous n’aimeriez certainement pas prendre un repas épineux!
Certaines adaptations sont assez intelligentes et impliquent des plantes « échappant » à la sécheresse sous forme de graines (rappelez-vous, l’évasion est une autre stratégie de défense). Les graines survivent pendant les périodes sèches et germent très rapidement (germent), poussent et produisent plus de graines lorsque les pluies tombent. Ces graines sont ensuite dispersées et peuvent également survivre à des conditions extrêmes et difficiles pendant de longues périodes. En regardant de près les sols désertiques, vous trouverez beaucoup de graines qui traînent, attendant juste la pluie avant de germer à nouveau.
Certaines Plantes ont également des Défenses Internes Contre la sécheresse
En plus des structures spéciales, les plantes ont également des défenses internes pour les protéger contre le manque d’eau. Lorsqu’une plante subit des conditions de sécheresse, certaines réactions se produisent rapidement à l’intérieur de la plante pour aider la plante à supporter le stress de la sécheresse. Ces réactions qui se produisent dans la plante sont souvent assez complexes et sophistiquées. Nous vous donnerons quelques exemples.
Les plantes Doivent Encore Effectuer la photosynthèse Pendant la sécheresse
Les plantes sont vertes car elles contiennent un produit chimique vert appelé chlorophylle. La chlorophylle est emballée dans des structures spéciales appelées chloroplastes, qui sont les usines énergétiques des plantes. Avec l’eau et le dioxyde de carbone (CO2), la chlorophylle utilise la lumière du soleil pour créer des sucres. Ces sucres permettent à la plante de croître et de s’épanouir. C’est le processus de photosynthèse et il est lié à la disponibilité de l’eau.
Lorsqu’il n’y a pas beaucoup d’eau dans le sol de la plante, le processus de photosynthèse se produira un peu différemment et entraînera l’accumulation de produits chimiques nocifs appelés radicaux libres. Cela signifie que les plantes doivent contrôler soigneusement la façon dont elles utilisent l’énergie du soleil. Lors de la photosynthèse, le CO2 doit pénétrer dans la plante par ses stomates (les petits pores mentionnés précédemment). Mais rappelez-vous, les stomates ouverts signifient que l’eau sera perdue par la transpiration! Ainsi, la plante est confrontée au problème difficile de s’assurer qu’elle a suffisamment d’eau et aussi suffisamment de CO2 pour que la photosynthèse se produise. Pour ce faire, les plantes utilisent un « gestionnaire” appelé acide abscissique (ABA).
Lorsqu’une plante souffre d’une pénurie d’eau, l’ABA est rapidement produit et transporté vers les stomates. Dans les stomates, ABA contrôle la façon dont les stomates s’ouvrent et se ferment en manipulant quelque chose appelé pression de turgescence (Figure 2). La pression de turgescence est la pression appliquée sur la paroi de la cellule végétale par les fluides à l’intérieur de la cellule. Plus il y a d’eau dans la cellule (plus la cellule est pleine) et plus la pression est grande. La gestion de la pression de turgescence fournit un équilibre entre l’apport de CO2 et la perte d’eau, de sorte que la photosynthèse peut se produire. Mais, si l’eau reste limitée dans des conditions de sécheresse, la plante sera finalement incapable de faire face au stress de la sécheresse et tout le processus photosynthétique pourra cesser de fonctionner correctement. Cependant, les plantes résistantes à la sécheresse ont trouvé un moyen intelligent d’éviter le problème de la perte d’eau lors de la photosynthèse. Ils n’ouvrent leurs stomates que pendant la fraîcheur de la nuit pour absorber le CO2. Ils stockent ensuite ce CO2 et l’utilisent pendant la journée pour la photosynthèse. De cette façon, ils perdent moins d’eau pendant la journée car ils peuvent garder les stomates fermés, mais ils peuvent continuer à croître — bien qu’un peu plus lentement que la normale.
- Figure 2 – Défenses internes des plantes soumises au stress hydrique.
- (A). Lorsque beaucoup d’eau est disponible dans le sol, les plantes absorbent l’eau par ses racines. Cette eau sera utilisée par la plante ou libérée par la transpiration par les stomates ouverts dans les feuilles. La photosynthèse se produira également normalement, le CO2 et l’oxygène étant absorbés et libérés par les stomates ouverts. B). Mais lorsqu’il y a peu d’eau disponible dans le sol, les plantes essaient d’empêcher la perte d’eau. La perte d’eau par transpiration peut être réduite en fermant les stomates dans les feuilles à l’aide d’une substance appelée ABA. Lorsque les stomates sont fermés, la photosynthèse diminuera car aucun CO2 ne peut pénétrer à travers les stomates fermés. Moins de photosynthèse signifie moins d’énergie produite par la plante et la plante cesse de croître.
Les plantes doivent se protéger des radicaux libres dangereux
Dans des conditions de sécheresse, lorsqu’une plante ne semble pas équilibrer correctement la photosynthèse et la perte d’eau, la plante devra faire face à de petites molécules désagréables appelées radicaux libres. Les radicaux libres se produisent naturellement pendant la photosynthèse, mais lorsqu’il n’y a pas beaucoup d’eau disponible, plus de radicaux libres se forment. Les radicaux libres peuvent être très dangereux pour la cellule, car ils peuvent endommager l’ADN, les membranes cellulaires, les protéines et les sucres (toutes ces substances sont essentielles à la survie d’une cellule)!
Les plantes sont habituées à traiter de faibles quantités de radicaux libres. Cependant, les plantes tolérantes à la sécheresse sont vraiment bonnes pour traiter les radicaux libres, car elles accumulent des substances protectrices. Ces substances protectrices sont appelées piégeurs de radicaux libres. La présence de piégeurs de radicaux libres provoque souvent un changement de couleur de la plante. Les plantes deviennent souvent rouges ou violettes lorsque ces charognards s’accumulent (voyez-vous les feuilles violettes de la plante sèche sur la figure 3B?). Les piégeurs de radicaux libres sont largement présents dans la nature et sont très efficaces pour éliminer les radicaux libres pour protéger les plantes de leurs effets nocifs.
- Figure 3 – La plante de résurrection, Craterostigma pumilum.
- (A). Voici à quoi ressemble la plante lorsqu’elle pousse dans des conditions où suffisamment d’eau est disponible. B). Les deux images du milieu montrent la plante lorsqu’il n’y a pas d’eau disponible, après 3 semaines sans eau. Ça ne te semble pas mort ? (C). Si la même plante sèche et morte est arrosée, dans les 2 semaines, la plante se remettra de la sécheresse et commencera à produire des graines.
Les plantes Doivent contrôler la quantité d’eau dans Leurs cellules
L’osmose est un concept important en biologie. Fondamentalement, l’osmose est le mouvement de l’eau à travers une membrane (comme une membrane cellulaire) vers une zone où certaines molécules (comme les sels, les sucres et les radicaux libres) se produisent à des concentrations plus élevées. Ce faisant, l’eau diluera la concentration de ces molécules de sorte que la concentration soit égale des deux côtés de la membrane. Pensez maintenant à ce qui arrive à une plante qui souffre de la perte d’eau. Il n’y a pas assez d’eau pour permettre l’osmose, de sorte que les molécules deviennent super concentrées à l’intérieur des cellules végétales. Ce n’est généralement pas une bonne chose, surtout si ces molécules sont des radicaux libres.
Une fois de plus, les plantes tolérantes à la sécheresse ont des stratégies très intéressantes pour lutter contre ce problème. Aux premiers signes de sécheresse, les cellules de ces plantes vont accumuler un tas de molécules impliquées dans ce qu’on appelle l’ajustement osmotique (OA). OA est le changement de concentration en soluté dans une cellule. C’est comme lorsque vous dissolvez le sucre dans l’eau, où le sucre est le soluté. Ces molécules (solutés) peuvent être des sucres, des acides aminés ou de petites protéines. Le but de ces molécules est de limiter le mouvement de l’eau hors de la cellule. Ce qui rend ces molécules d’OA uniques en matière de tolérance à la sécheresse, c’est qu’elles remplissent de nombreuses fonctions. Les molécules d’OA peuvent se lier physiquement à l’ADN et aux protéines pour les protéger des radicaux libres. Ils peuvent également lier l’eau elle-même, l’empêchant de sortir des cellules végétales. Ces molécules d’OA se lient également aux membranes, stabilisant la structure de la plante lorsque l’eau est restreinte.
Les plantes de résurrection sont des exemples parfaits de la façon dont les plantes tolérantes à la sécheresse rassemblent les concepts que nous avons discutés jusqu’à présent. Les plantes de résurrection sont capables de survivre à une perte complète d’eau. Ils accumulent de grandes quantités d’OEA, libèrent des piégeurs de radicaux libres et produisent des protéines protectrices spéciales pour survivre à des sécheresses longues et sévères. Ils font tout cela pendant qu’ils replient également leurs feuilles et attendent que la pluie tombe (Figure 3). Le processus peut être comparé aux ours qui entrent en hibernation.
Les Gènes d’une Plante Contrôlent ses Réponses à la sécheresse
Gardez à l’esprit que nous avons discuté de ces processus utilisés pour protéger les plantes de la sécheresse de manière très simplifiée. Regarder de près ces processus est en fait très compliqué. Au niveau très basique, ces processus sont régulés par l’utilisation par la plante de son code génétique — ses gènes. Les substances nécessaires pour survivre à la sécheresse seront produites en accédant à ce code au bon moment. Cet accès au code génétique pour aider une plante à survivre à une sécheresse s’appelle la réponse génétique de la plante.
Les réponses génétiques d’une plante qui subit le stress d’une sécheresse sont très complexes — beaucoup de gènes sont activés ou désactivés. Grâce à des technologies informatiques avancées, les scientifiques sont maintenant en mesure d’identifier la plupart des gènes qui jouent un rôle dans la protection d’une plante contre la sécheresse. Cette technologie a révélé que des centaines de gènes sont allumés et désactivés, selon l’endroit et le moment où ils sont nécessaires! Nous ne pouvons pas énumérer tous ces gènes, car vous vous ennuierez complètement à la fin de la première page! Ce que nous dirons, c’est que ces gènes se divisent principalement en trois groupes: (1) gènes qui contrôlent d’autres gènes importants pour activer et désactiver les gènes; (2) les gènes qui produisent des substances qui aident à la protection contre la sécheresse dans la plante; et (3) les gènes impliqués dans l’absorption et le transport de l’eau.
Pourquoi pensez-vous qu’il pourrait être important de savoir quels gènes jouent un rôle pour aider les plantes à éviter ou à tolérer la sécheresse? La plupart de nos cultures ne sont en fait pas capables de survivre aux sécheresses. Comment allons-nous protéger nos cultures ou les rendre plus résistantes à ces sécheresses ? Nous devons utiliser la connaissance des gènes activés ou désactivés dans des conditions de sécheresse pour produire des plantes plus résistantes à la sécheresse.
Au fil des ans, les phytologues ont réussi à produire des cultures résistantes à la sécheresse. Ces cultures résistantes à la sécheresse ont été produites principalement en sélectionnant et en élevant des plantes individuelles qui ont bien survécu dans des conditions de sécheresse. Au cours des dernières décennies, les scientifiques travaillant sur les plantes génétiquement modifiées (GM) ont également commencé à se concentrer sur la production de cultures résistantes à la sécheresse.
Pour produire une plante GM, un nouveau gène (de toute source!) est inséré dans l’ADN de la plante. En insérant ce ou ces nouveaux gènes, le scientifique espère introduire un nouveau trait utile dans la plante GM. Imaginez pouvoir choisir parmi des centaines de gènes utiles dans une plante de résurrection et en introduire certains dans le blé! Malheureusement, seule une poignée de plantes génétiquement modifiées résistantes à la sécheresse (comme le maïs / maïs et la canne à sucre) ont été produites avec succès. Beaucoup plus de travail doit être fait, y compris convaincre le grand public que les plantes GM ne sont pas dangereuses!
Conclusion
Les plantes sont vraiment vulnérables face à la pénurie d’eau. La sécheresse influencera la croissance, le développement, la productivité d’une plante et, en fin de compte, sa survie. Cependant, les plantes ont une certaine protection intégrée contre la sécheresse. Ils peuvent avoir des adaptations structurelles pour éviter ou tolérer la déshydratation. Ils ont également des défenses internes qui sont activées pour essayer de limiter la perte d’eau lorsqu’ils se rendent compte que l’eau devient rare. Tous ces systèmes de défense sont régulés par les gènes de la plante. La connaissance de ces gènes et de la manière dont ils sont impliqués dans la protection de la plante contre la sécheresse donne à l’humanité l’espoir de fabriquer des cultures génétiquement modifiées résistantes à la sécheresse.
Glossaire
Sessile : Un organisme qui ne peut pas bouger et reste au même endroit, comme une plante.
Plantes succulentes: Plantes qui ont des feuilles et des tiges épaissies et charnues, dans lesquelles l’eau peut être stockée.
Transpiration : Processus par lequel les racines des plantes absorbent l’eau puis libèrent de la vapeur d’eau à travers les pores (stomates) des feuilles.
Stomates: Petits trous dans la surface inférieure d’une feuille à travers lesquels l’eau et le gaz peuvent entrer et sortir d’une plante.
Photosynthèse: Processus par lequel les plantes utilisent l’eau, la lumière et le CO2 pour produire leur propre nourriture (sous forme de sucres) et libérer de l’oxygène dans l’air.
Radicaux libres: Des molécules qui réagiront et endommageront tout ce avec quoi elles entreront en contact.
ABA: Une hormone végétale appelée acide abscissique qui aide à prendre soin de l’équilibre hydrique des plantes.
Pression de turgescence : Tension exercée sur une paroi cellulaire végétale par les fluides à l’intérieur de la cellule. Imaginez remplir un ballon que vous avez placé dans un bocal en verre. Lorsque vous remplissez davantage le ballon, il appuie contre le bocal en verre rigide, tout comme les fluides contre la paroi cellulaire rigide de la plante.
Osmose: Déplacement de l’eau à travers une membrane cellulaire d’une cellule à la cellule suivante. Pourquoi? Pour assurer des concentrations égales de solutés des deux côtés de la membrane.
Ajustement osmotique: Modification de la concentration des solutés dans une cellule végétale.
Soluté: La substance (comme le sucre) que vous dissolvez dans une solution (comme l’eau).
Déclaration sur les conflits d’intérêts
Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.
Remerciements
Les chiffres ont été créés dans l’esprit de la plate-forme Graphique (www.mindthegraph.com ).
Basu, S., Ramegowda, V., Kumar, A., et Pereira, A. 2016. Adaptation des plantes au stress de la sécheresse. F1000Res 5 (F1000 Rév. de la Faculté): 1554. doi: 10.12688/f1000recherche.7678.1
Dimmitt, M.A. 1997. Comment les plantes font face au climat désertique. Sonorensis. Vol. 17. Il s’agit de la première édition de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne de la série de jeux vidéo en ligne. Réponse des plantes au stress hydrique. Devant. Plante Sci. 5(86):1–8. doi: 10.3389/ fpls.2014.00086
Blum, A. 2014. La génomique pour la résistance à la sécheresse – se mettre sur terre. Fonction. Plante Biol. 41:1191–8. doi: 10.1071/FP14018