Sensibilité des plantes

Guêpe prise au piège d'une Dionée attrape-mouche.

En réponse à des températures froides, ce Rhododendron (sorte de «  thermomètre naturel ») montre des mouvements thermonastiques au niveau de ses feuilles qui s'enroulent. Ce moyen de lutte contre un tel stress abiotique évite à la plante de voir l'intégrité de ses canaux membranaires rompue et la déstructuration de ses protéines membranaires (photosystème, chaîne respiratoire et autres systèmes métaboliques)[10].

Plus de 700 capteurs sensoriels ont été caractérisés chez les végétaux : capteurs mécaniques, thermiques, chimiques, photosensibles et gravitationnels. Les capteurs gravitationnels sont ultra sensibles. Ils transmettent l’information de cellule en cellule afin de modifier la croissance pour retrouver au plus vite le bon équilibre.

Des capteurs mécaniques perçoivent chez les plantes carnivores le contact et induisent la contraction de certaines cellules pour enfermer la proie. Des mécano-récepteurs détectent également les stimuli mécaniques provoqués par la présence soudaine d'insectes défoliateurs sur les feuilles (rôle de défense des plantes contre les herbivores) ou de pollinisateurs sur les fleurs. La thigmomorphogenèse regroupe l'ensemble des réponses de croissance d'une plante à la suite d'une stimulation mécanique transitoire (vent, courant d'une rivière, piétinement, arrachement...) détectée par ces capteurs mécaniques[11].

Les capteurs photosensibles induisent l’intervention des gènes impliqués dans la croissance. Celle-ci se modifie pour éviter l’ombre et aller chercher la lumière. Ces capteurs comptabilisent également les durées relatives de jour et de nuit de façon à réguler les étapes de la floraison. Les capteurs thermiques perçoivent les variations de température. Celles-ci ont une incidence sur la photosynthèse, la respiration, l’évapotranspiration et l’absorption d’eau et de sels minéraux. Certaines plantes perçoivent les odeurs, voire les bruits[12].

Tout stimulus provoque une élévation transitoire de la teneur en calcium dans la cellule ainsi que des modifications de protéines. Ces modifications sont spécifiques au stimulus. L’information est transmise par des macromolécules. Une macromolécule est une molécule de grande taille composée d’un enchaînement de petites unités moléculaires. L’ordre dans lequel sont disposées ces petites unités est un code qui donne une signification à la macromolécule. C’est un peu analogue à la façon dont l’ordre d’enchaînement des 26 lettres de l’alphabet constitue un mot dans une phrase et donne une signification à cette dernière. L’information déclenche la réaction après avoir activé les gènes impliqués[13]. L’information qui déclenche les réactions de défense a pour source soit l’agent pathogène soit la cellule de la plante qui a subi un début d’attaque[14].

L’adaptation des végétaux à leur environnement nécessite l’échange d’informations entre la plante et les organismes extérieurs, qu’ils soient de la même espèce ou d’espèces différentes[15]. Tous les organismes vivants synthétisent des molécules de communication. Celles que fabriquent les plantes sont d’une immense variété grâce à leur adaptation évolutive. Ces échanges servent à la défense des plantes contre les herbivores ou à établir des relations symbiotiques à bénéfices réciproques. La communication passe par des signaux chimiques. Ceux-ci sont perceptibles à des distances pouvant aller jusqu’à plusieurs kilomètres^{[réf. souhaitée]}. Les molécules chimiques sont spécifiques à l’organisme émetteur. Les organismes qui les perçoivent peuvent modifier leur comportement. Leur synthèse est déclenchée par un stimulus qui peut être physique (agression, blessure…) ou chimique (l’approche d’un ami ou d’un ennemi potentiel détecté par les messages chimiques). Les plantes perçoivent la lumière réfléchie par des plantes voisines grâce à des capteurs (pigments photosensibles) qui détectent la modification de la composition spectrale et adaptent leur croissance pour « échapper » à la concurrence avant même d'être à l'ombre[16].

Certaines molécules sont volatiles, facilement diffusibles dans l’air[17]. Ainsi l’éthylène est capable de transmettre des messages d’alerte pour signaler la présence d’un danger (herbivore ou insecte phytophage). Ce composé allélochimique se transmet très rapidement de plante à plante où il induit l’expression de gènes de défense et la synthèse de molécules de défense qui repousse l’agresseur ou le tue. Attaqués par des chenilles, des saules[18], des peupliers ou des érables à sucre[19] envoient à leurs congénères sains un message phéromonal qui signale l'attaque des ravageurs. Les arbres à proximité de ceux touchés par l'attaque peuvent ainsi sécréter à temps, dans leurs feuilles, des substances chimiques phénoliques et tanniques qui les rendent désagréables pour les insectes. Attaqués par l’acarien ravageur Tetranychus urticae, les plants de haricots et de concombres émettent des molécules volatiles qui attirent un acarien prédateur Phytoseiulus persimilis, lequel extermine alors la population de Tetranychus[20]. Lorsque les feuilles du tabac sauvage (en) se font croquer par la chenille du Sphinx du tabac, elles émettent des substances volatiles spécifiques à l'odeur de gazon fraîchement coupé[21]. L'acide jasmonique et le méthyljasmonate sont des phytohormones impliquées dans l'induction des réactions de défense chez de nombreuses plantes (maïs, tomate)[22].

D’autres molécules sont solubles dans l’eau. Elles sont émises par les racines des plantes et entraînent la destruction de graines de plantes parasites se trouvant dans le sol ou au contraire attirent d’autres organismes. Les plantes à fleurs sélectionnent les pigments auxquels sont sensibles leurs pollinisateurs afin de les attirer. L’attractivité d’une espèce végétale pour un pollinisateur repose aussi sur l’émission de molécules odorantes[23].

La communication peut également être sonore[24]. Des chercheurs en 2011[25] ont montré qu'une vigne baptisée Marcgravia evenia (en) a adapté la forme de ses feuilles pour qu'elles renvoient les ultrasons dont se servent les Glossophages de Pallas pour naviguer. Un système qui permettrait de localiser plus facilement la fleur et son nectar dont se nourrit cette chauve-souris pollinisatrice et nectarivore[26]. Une étude en 2019[27] montre que les pétales de la primevère nocturne (es) ont une forme d'antenne parabolique qui permet de mieux percevoir les vibrations des abeilles pollinisatrices et des papillons de la famille des sphingidés. Ces pétales vibrent quand les ondes sonores à la fréquence produite par les ailes de pollinisateurs s’approchent, et la fleur libère en quelques minutes un nectar plus concentré[28].

Cette faculté de communiquer est connue, dans la culture populaire et chez les chercheurs avides de métaphores anthropomorphiques, à travers la notion d'« arbres parlants » ou de « plantes parlantes »[29].

Lorsque les organismes unicellulaires se sont assemblés et ont commencé à se différencier les individus situés loin de la surface ne pouvaient plus prélever leur nourriture dans le milieu. Les individus situés en surface les ont aidés à se nourrir en établissant des relations de mutualisme entre cellules. Les échanges symbiotiques entre individus se font par contact ou par fusion. Des cellules ont fusionné dès les sorties de l’eau pour réussir leur adaptation terrestre. Les bactéries qui avaient acquis la photosynthèse ont fusionné avec celles expertes dans l’utilisation de l’énergie. L’acquisition de la respiration a optimisé l’utilisation de l’énergie pour le développement des cellules. De nouvelles espèces ont pu être créées dont sont issues les lignées végétales et animales. Le mutualisme a été un facteur clé dans l’évolution du monde vivant[30].

C’est par contact que s’est établie la symbiose entre les végétaux producteurs d’énergie grâce à la photosynthèse et les bactéries capables d’assimiler l’azote minéral. L’azote est le troisième élément, après l’eau et la lumière, qui limite la croissance des plantes. La plante n’assimile pas l’azote minéral. Les bactéries qui assimilent l’azote fournissent en symbiose à la plante l’azote organique directement assimilable. Elles reçoivent en retour de la plante l’énergie dont elles ont besoin sous forme de sucres.

Certaines bactéries qui se développent sur les racines améliorent la croissance des plantes en produisant des hormones végétales. Elles peuvent aussi empêcher le développement d’agents pathogènes ou favoriser la résistance de la plante en induisant ses mécanismes de défense[31].

Presque toutes les espèces végétales ont des associations entre leurs racines et des champignons. Ces associations ont vraisemblablement aidé il y a 400 à 450 millions d’années les premières plantes terrestres à coloniser rapidement les terres émergées en leur facilitant l’absorption de l’eau et des éléments minéraux. Les champignons fournissent à la plante vitamines, antibiotiques et hormones ainsi que du phosphore organique et minéral. Ils reçoivent en échange les sucres issus de la photosynthèse. Les filaments des champignons augmentent la surface de prélèvement de la racine et lui permet un accès élargi aux ressources du sol[32].

Les lichens poussent dans les milieux difficiles. Ils résultent de l’association symbiotique entre un champignon et une algue. Les algues trouvent un abri dans le mycélium du champignon. Elles lui fournissent, en échange, les sucres qui lui sont nécessaires. Parfois l’association inclut des bactéries fixatrices d’azote qui procurent les composés azotés[33].

Les orchidées ont besoin de champignons pour faire germer leurs graines. Ce sont les champignons qui fournissent aux graines d’orchidées l’eau et les sucres nécessaires à la germination. Le champignon, ne bénéficiant pas de la photosynthèse, reçoit son énergie de l’orchidée[34].

Dans ces associations la plante procure aux fourmis un site de nidification protégé, la domatie. Les fourmis apportent à la plante une protection efficace contre les prédateurs qui se nourrissent de végétaux et contre des agents pathogènes. Les fourmis sont des prédatrices efficaces car elles bénéficient de mandibules puissantes, d’aiguillons et de sécrétions chimiques dangereuses. L’établissement de ces symbioses se fait par médiation chimique, les plantes et les fourmis étant particulièrement inventives dans la synthèse de molécules de communication. Ainsi une feuille blessée par un insecte phytophage émet du salicylate de méthyle volatil. Cette molécule attire les fourmis qui viennent manger les phytophages[35].

Les symbioses font appel à des mécanismes souvent très complexes qui mettent en jeu plusieurs partenaires. Pour se défendre d’insectes ravageurs les plantes émettent des signaux chimiques ou olfactifs qui attirent des prédateurs de ces insectes. Ceux-ci pondent leurs œufs dans l’agresseur et le détruisent. Les principaux acteurs de cette lutte biologique sont les coccinelles et les punaises qui se nourrissent de pucerons. En Amérique du Sud ou en Afrique des communautés symbiotiques offrent aux partenaires des conditions de croissance et de reproduction idéales. Certains champignons s’insèrent dans les symbioses plantes-fourmis. Les fourmis apportent aux champignons certains nutriments indispensables puis utilisent les champignons à leur tour comme source de nourriture[36].

La mémoire c’est stocker une information puis la rappeler. Lorsque les personnes âgées commencent à ne plus trouver les mots dont elles ont besoin elles se plaignent de perdre la mémoire. En fait ce n’est pas la mémorisation qui est affectée car elle est toujours en place mais l’évocation qui commence à dysfonctionner[38].

La mémoire est sélective. Les plantes et les animaux ne retiennent pas le même type d’information. Les animaux étant des êtres mobiles ont besoin de se rappeler les lieux pour s’y retrouver dans l’espace. Ils peuvent fuir en cas de danger ou se déplacer en cas de pénurie. En revanche les végétaux enregistrent les réponses qu’ils apportent aux stimulus et non les stimulus. N’ayant aucun moyen de se déplacer ils peuvent ainsi réagir rapidement aux modifications environnementales ou aux agressions[39].

Des études ont été effectuées sur de jeunes plants de bident. Lorsque l’on soumet ces plantes à un stimulus de piqûres et qu’elles se trouvent sur une solution nutritive classique elles ne réagissent pas. Si par contre elles sont cultivées sur une solution extrêmement diluée leur allongement journalier est diminué de 30 %. Il n’y a donc réaction que lorsqu’elles se trouvent dans un environnement défavorable. Lorsque les plantes sont cultivées d’abord sur une solution normale puis transférées sur une solution diluée, mais sans piqûre, leur allongement journalier n’est pas modifié. Par contre si elles subissent les piqûres alors qu’elles sont en solution normale puis sont transférées sur une solution diluée leur allongement est diminué de 30 %. Ce qui signifie que le stimulus pratiqué lorsqu’elles étaient en solution normale a été enregistré mais n’a pas provoqué de réaction tant qu’elles étaient en solution normale. Ce n’est qu’après avoir été transférées sur une solution diluée qu’a eu lieu la réaction. Il y a donc eu stockage lorsqu’elles étaient en solution normale et rappel plus tard lorsqu’elles étaient en solution diluée. Une information a pu ainsi être enregistrée sans provoquer de réaction et utilisée 2 jours plus tard. En d’autres termes la fonction stockage et la fonction rappel sont dissociées[40].

L’aptitude à rappeler une information stockée dépend du moment de la journée où a lieu le stimulus. Un stimulus effectué le matin provoque le rappel de l’information déjà stockée. Mais si le stimulus a lieu à midi l’information n’est pas rappelée. Le processus de mémorisation est associé au rythme de la plante. On a constaté que des plantes cultivées en conditions artificielles conservent très longtemps une mémoire du cycle journalier[41]. Les fleurs de tournesol se tournent vers le soleil, le suivant dans sa ronde journalière. Des chercheurs ont cultivé des tournesols dans une chambre à lumière artificielle. Tant que la lumière se déplaçait dans un cycle proche de 24 heures les plants suivaient ce mouvement. Quand ce cycle atteignait trente heures les plants étaient incapables de se caler sur ce rythme. L’héliotropisme n’est pas le simple effet direct de la lumière sur la plante. Il vient d’un apprentissage lié à l’horloge interne[42].

Les plantes réagissent à des contacts par des fermetures de folioles ou par une pression osmotique de certaines cellules qui se contractent et se relâchent à la façon des cellules musculaires des animaux. Ces mouvements utilisent de grandes quantités d’énergie. De trop nombreux contacts peuvent entraîner la mort de la plante par épuisement. On a montré que des plantes peuvent mémoriser le fait qu’elles ont déjà été touchées une première fois sans danger. Dans ce cas elles ne réagissent plus à ce stimulus et ne mettent en place la réaction explosive de défense que si c’est nécessaire. Elles économisent ainsi leur énergie[43].

Il y a accommodation sensorielle (parfois assimilée à de l'apprentissage) lorsqu’une plante modifie sa façon de réagir à de nouvelles perceptions du même stimulus. L’équipe de Paul Sabatier (CNRS/Université Toulouse III) a démontré qu’un organisme unicellulaire, le Physarum polycephalum est capable d’accommodation. Après avoir été confronté plusieurs fois à un obstacle imprégné de caféine il a « appris » à ne plus le craindre[44]. Chez de jeunes arabettes un choc de froid induit une augmentation du calcium dans les cellules. Si les chocs de froid sont répétés cette augmentation est atténuée. De même si l’on fait passer les algues bleues d’un milieu nutritif pauvre en phosphate à des milieux où l’on augmente graduellement la concentration les échanges entre la cellule et le milieu extérieur diminuent progressivement d’intensité. Les avantages d’une « mémoire d’apprentissage » sont évidents. La mémoire de type apprentissage conserve la rapidité de la réaction tout en permettant de moduler l’intensité de la réponse selon les stimulus perçus[45].