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Posté par Isabelle le Vendredi 13/10/2017 à 12:00
Communication chez les plantes, un nouveau mécanisme basé sur une histoire d'eau
Dans la nature, les plantes sont soumises à des sollicitations mécaniques externes qui affectent leur croissance, parfois à très grande distance du point de stimulation. Des chercheurs de l'Inra, du CNRS et d'Aix-Marseille Université proposent que le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont...) qui induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en...) cette réponse provienne d'un couplage hydro-mécanique entre la déformation du tissu et la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) contenue dans le système vasculaire de la plante (Les plantes (Plantae Haeckel, 1866) sont des êtres pluricellulaires à la base de la chaîne alimentaire. Elles forment l'une des subdivisions (ou règne) des Eucaryotes. Elles sont, avec les autres végétaux l'objet...). Ces travaux ouvrent ainsi la voie à un nouveau mode de communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles...) chez les plantes. Ils sont publiés en ligne dans la revue PNAS le 02 octobre 2017.

Vent, pression du sol... les plantes sont sans cesse soumises à des contraintes mécaniques extérieures auxquelles elles répondent en modifiant leur croissance. Ainsi, quand on fléchit une branche ou une tige (La tige est chez les plantes à fleurs, l'axe, généralement aérien, qui prolonge la racine et porte les bourgeons et les feuilles. La tige se ramifie généralement en...), on observe habituellement un arrêt transitoire de la croissance longitudinale et une augmentation de la croissance en diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment....) de la tige. Une des caractéristiques de cette réponse est qu'elle peut se produire rapidement et à très grande distance du point (Graphie) de stimulation (Une stimulation est un événement physique ou chimique qui active une ou plusieurs cellules réceptrices de l'organisme. La cellule traduit la stimulation par un potentiel d'action, qui est transmis...), suggérant l'existence d'un signal rapide qui se propage dans l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) de la plante. L'origine et la nature de ce signal restent cependant inconnues à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son...).

Des chercheurs de l'Inra, du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et d'Aix-Marseille Université(1) ont mis en évidence que ce signal pourrait être purement mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...),...) et basé sur la propagation d'une surpression hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les champs d'investigation qu'elle propose regroupent plusieurs domaines :) générée par la flexion de la plante.

Des branches d'arbre biomimétiques pour comprendre

Sur la base d'une stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) biomimétique, les scientifiques ont conçu des branches d'arbre artificielles. Imitant les caractéristiques de base des tiges et branches naturelles, elles consistent en une poutre cylindrique percée de micro-canaux et remplie de liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.).

Quand la branche modèle est fléchie, les scientifiques ont constaté qu'une forte surpression hydraulique apparaît dans ses canaux, un phénomène qui n'est pas prédit par les modèles utilisés dans le domaine de la résistance des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.). La réponse est de plus non-linéaire: la pression hydraulique varie comme le carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la...) de la déformation mécanique. Pour expliquer l'origine de cette surpression, les scientifiques ont établi un modèle simple basé sur l'idée qu'une poutre poreuse en flexion tend à comprimer sa section transverse afin de minimiser l'énergie élastique (L'énergie élastique est l'énergie représentant la déformation élastique d'un objet solide ou d'un fluide (pression d'un gaz ou d'un liquide).) totale. Ce modèle leur permet de prédire quantitativement cette réponse poroélastique non linéaire et d'identifier les paramètres physiques clés qui contrôlent l'apparition de cette pression.

Des branches d'arbre naturelles pour confirmer un mécanisme universel

Les chercheurs de l'Inra, du CNRS et d'Aix-Marseille Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) ont ensuite confronté les prédictions du modèle à des expériences sur des branches naturelles d'arbre. Trois espèces représentatives des différents types d'anatomie (L'anatomie (provenant du nom grec ἀνατομία anatomia, provenant du verbe...) du bois rencontrés chez les arbres ont été étudiées: le pin sylvestre (Le pin sylvestre (Pinus sylvestris), (en anglais "Scots Pine"), est un arbre de la famille des Pinaceae naturellement présent dans une grande partie de l'Europe tempérée et boréale et jusqu'en Sibérie orientale.), le chêne (Le chêne est le nom vernaculaire de nombreuses espèces d'arbres et d'arbustes appartenant au genre Quercus, et à certains genres apparentés, notamment Cyclobalanopsis...) vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un...) et le peuplier (Les peupliers sont des arbres du genre Populus de la famille des Salicacées.) blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où...).

Comme dans le système biomimétique, la flexion de branches naturelles a généré une forte surpression hydraulique dans les canaux conducteurs. Plus encore, le modèle élaboré par les chercheurs permet de prédire l'ensemble des expériences réalisées sur les branches biomimétiques et les branches naturelles, illustrant l'universalité du mécanisme physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) proposé.

Ces résultats constituent les bases physiques d'un nouveau mode de communication à longue distance chez les plantes, basé sur la propagation rapide de signaux hydrauliques. Ils appellent à explorer, pour mieux les comprendre, les réponses physiologiques des plantes à une surpression hydraulique et les mécanismes moléculaires sous-jacents.

Note:
(1) Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) universitaire des systèmes thermiques industriels (Aix-Marseille Université, CNRS)


Référence publication:
Louf J.F., Guena, G., Badel E., Forterre Y. 2017. Universal poroelastic mechanism for hydraulic signals in biomimetic and natural (Natural est un langage de programmation semi-compilé, édité par la société allemande Software AG.) branches. Published online before print October 2, 2017, doi: 10.1073/pnas.1707675114. PNAS October 2, 201

Contact scientifique:
Eric Badel, UMR Physique et physiologie intégratives de l'arbre en environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une...) fluctuant (Inra, Univ. Clermont Auvergne)


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Source: INRA