Quelles plantes survivront aux sécheresses, au changement climatique ?

Les sécheresses s'aggravent dans le monde entier, posant un grand défi pour les plantes dans tous les écosystèmes, a déclaré Lawren Sack, professeur d'écologie et de biologie évolutive à l'UCLA et auteur principal de la recherche. Les scientifiques débattent depuis plus d'un siècle sur la manière de prédire quelles espèces sont les plus vulnérables.

Feuilles d'arbre fanées dans une forêt hawaïenne pendant la sécheresse extrême de 2010-11, qui a été la pire depuis au moins 11 ans et a été désignée par le gouvernement fédéral comme une catastrophe naturelle. L'arbre est un alahee (Psydrax odorata). Crédit d'image: Faith Inman-Narahari

Sack et deux membres de son laboratoire ont fait une découverte fondamentale qui résout ce débat et permet de prédire comment diverses espèces végétales et types de végétation dans le monde toléreront la sécheresse, ce qui est essentiel compte tenu des menaces posées par le changement climatique, a-t-il déclaré.

La recherche est actuellement disponible dans l'édition en ligne d'Ecology Letters, une prestigieuse revue écologique, et sera publiée dans une prochaine édition imprimée.

Pourquoi un tournesol se flétrit-il et se dessèche-t-il rapidement lorsque le sol sèche, alors que les arbustes chaparral indigènes de Californie survivent aux longues saisons sèches avec leurs feuilles persistantes ? Étant donné qu'il existe de nombreux mécanismes impliqués dans la détermination de la tolérance à la sécheresse des plantes, il y a eu un débat vigoureux parmi les scientifiques des plantes sur quel trait est le plus important. L'équipe de l'UCLA, financée par la National Science Foundation, s'est concentrée sur un trait appelé «point de perte de turgescence, qui n'avait jamais été prouvé auparavant pour prédire la tolérance à la sécheresse parmi les espèces végétales et les écosystèmes.

Une différence fondamentale entre les plantes et les animaux est que les cellules végétales sont entourées de parois cellulaires, contrairement aux cellules animales. Pour maintenir leurs cellules fonctionnelles, les plantes dépendent de la « pression de turgescence » - la pression produite dans les cellules par l'eau salée interne poussant contre et soutenant les parois cellulaires. Lorsque les feuilles ouvrent leurs pores, ou stomates, pour capturer le dioxyde de carbone pour la photosynthèse, elles perdent une quantité considérable de cette eau par évaporation. Cela déshydrate les cellules, induisant une perte de pression.

En période de sécheresse, l'eau de la cellule devient plus difficile à remplacer. Le point de perte de turgescence est atteint lorsque les cellules des feuilles atteignent un point où leurs parois deviennent flasques ; cette perte de turgescence au niveau cellulaire rend la feuille molle et flétrie, et la plante ne peut pas pousser, a déclaré Sack.



Feuilles d'arbre fanées dans la forêt hawaïenne pendant la sécheresse extrême de 2010-11, qui a été la pire depuis au moins 11 ans et a été désignée par le gouvernement fédéral comme une catastrophe naturelle. Cet arbre est un bois de santal (Santalum paniculatum). Crédit d'image: Faith Inman-Narahari

'Le séchage du sol peut amener les cellules d'une plante à atteindre le point de perte de turgescence, et la plante sera confrontée au choix de fermer ses stomates et de risquer la famine ou de faire la photosynthèse avec des feuilles fanées et de risquer d'endommager ses parois cellulaires et ses protéines métaboliques', a déclaré Sack. 'Pour être plus tolérante à la sécheresse, la plante doit changer son point de perte de turgescence afin que ses cellules puissent conserver leur turgescence même lorsque le sol est sec.'

Les biologistes ont montré que dans les écosystèmes et dans le monde, les plantes plus tolérantes à la sécheresse avaient des points de perte de turgescence inférieurs ; ils pouvaient conserver leur turgescence malgré un sol plus sec.

L'équipe a également résolu d'autres controverses vieilles de plusieurs décennies, renversant les hypothèses de longue date de nombreux scientifiques sur les traits qui déterminent le point de perte de turgescence et la tolérance à la sécheresse. On pense que deux traits liés aux cellules végétales affectent le point de perte de turgescence des plantes et améliorent la tolérance à la sécheresse : les plantes peuvent rendre leurs parois cellulaires plus rigides ou rendre leurs cellules plus salées en les chargeant de solutés dissous. De nombreux scientifiques éminents se sont penchés sur l'explication de la « paroi cellulaire rigide », car les plantes des zones sèches du monde entier ont tendance à avoir de petites feuilles dures. Les parois cellulaires rigides pourraient permettre à la feuille d'éviter le flétrissement et de retenir son eau pendant les périodes sèches, ont estimé les scientifiques. On savait peu de choses sur la salinité des cellules des plantes du monde entier.

L'équipe de l'UCLA a maintenant démontré de façon concluante que c'est la salinité de la sève cellulaire qui explique la tolérance à la sécheresse chez les espèces. Leur première approche était mathématique ; l'équipe a revisité les équations fondamentales qui régissent le comportement de flétrissement et les a résolues pour la première fois. Leur solution mathématique a souligné l'importance de la sève cellulaire plus salée. La sève des cellules plus salées dans chaque cellule végétale permet à la plante de maintenir la pression de turgescence pendant les périodes sèches et de poursuivre la photosynthèse et la croissance à mesure que la sécheresse s'ensuit. L'équation a montré que les parois cellulaires épaisses ne contribuent pas directement à prévenir le flétrissement, bien qu'elles offrent des avantages indirects qui peuvent être importants dans certains cas - une protection contre le rétrécissement excessif des cellules et contre les dommages dus aux éléments ou aux insectes et aux mammifères.

L'équipe a également collecté pour la première fois des données sur les traits de tolérance à la sécheresse pour les espèces du monde entier, ce qui a confirmé leur résultat. À travers les espèces dans les zones géographiques et à travers le monde, la tolérance à la sécheresse était corrélée avec la salinité de la sève cellulaire et non avec la rigidité des parois cellulaires. En fait, des espèces à parois cellulaires rigides ont été trouvées non seulement dans les zones arides mais aussi dans les systèmes humides comme les forêts tropicales humides, car là aussi, l'évolution favorise des feuilles vivaces protégées des dommages.

L'identification de la salinité des cellules comme principal moteur de la tolérance à la sécheresse a dissipé des controverses majeures et ouvre la voie à des prédictions sur les espèces qui pourraient échapper à l'extinction du changement climatique, a déclaré Sack.

'Le sel concentré dans les cellules retient plus étroitement l'eau et permet directement aux plantes de maintenir leur turgescence pendant la sécheresse', a déclaré Christine Scoffoni, co-auteur de la recherche, doctorante à l'UCLA au département d'écologie et de biologie évolutive.

Le rôle de la paroi cellulaire rigide était plus insaisissable.

'Nous avons été surpris de voir que le fait d'avoir une paroi cellulaire plus rigide réduisait légèrement la tolérance à la sécheresse - contrairement aux idées reçues - mais que de nombreuses plantes tolérantes à la sécheresse avec beaucoup de sel avaient également des parois cellulaires rigides', a déclaré l'auteur principal Megan Bartlett, diplômée de l'UCLA. étudiant au département d'écologie et de biologie évolutive.

Cette contradiction apparente s'explique par le besoin secondaire des plantes tolérantes à la sécheresse de protéger leurs cellules déshydratantes du rétrécissement lorsqu'elles perdent la pression de turgescence, ont déclaré les chercheurs.

'Bien qu'une paroi rigide ne maintienne pas la turgescence cellulaire, elle empêche les cellules de rétrécir à mesure que la turgescence diminue et retient l'eau de sorte que les cellules sont toujours volumineuses et hydratées, même au point de perte de turgescence', a expliqué Bartlett. « Donc, la combinaison idéale pour une plante est d'avoir une concentration élevée de soluté pour maintenir la pression de turgescence et une paroi cellulaire rigide pour l'empêcher de perdre trop d'eau et de rétrécir lorsque la pression d'eau des feuilles diminue. Mais même les plantes sensibles à la sécheresse ont souvent des parois cellulaires épaisses, car les feuilles coriaces sont également une bonne protection contre les herbivores et l'usure quotidienne.

Même si l'équipe a montré que le point de perte de turgescence et la sève des cellules salées ont un pouvoir exceptionnel pour prédire la tolérance à la sécheresse d'une plante, certaines des plantes du désert les plus célèbres et les plus diverses - y compris les cactus, les yuccas et les agaves - présentent la conception opposée, avec de nombreuses parois flexibles des cellules qui retiennent la sève diluée et perdraient rapidement de la turgescence, a déclaré Sack.

'Ces plantes grasses sont en fait terribles pour tolérer la sécheresse, et au lieu de cela, elles l'évitent', a-t-il déclaré. 'Parce qu'une grande partie de leurs tissus sont des cellules de stockage d'eau, ils peuvent ouvrir leurs stomates de manière minimale pendant la journée ou la nuit et survivre avec leur eau stockée jusqu'à ce qu'il pleuve. Les parois cellulaires flexibles les aident à libérer de l'eau pour le reste de la plante.

Cette nouvelle étude a montré que la salinité des cellules dans les feuilles des plantes peut expliquer où vivent les plantes et les types de plantes qui dominent les écosystèmes du monde entier. L'équipe travaille avec des collaborateurs des jardins botaniques tropicaux de Xishuangbanna dans le Yunnan, en Chine, pour développer une nouvelle méthode de mesure rapide du point de perte de turgescence sur un grand nombre d'espèces et rendre possible l'évaluation critique de la tolérance à la sécheresse pour des milliers d'espèces pour la première temps.

'Nous sommes ravis d'avoir un indicateur de sécheresse si puissant que nous pouvons mesurer facilement', a déclaré Bartlett. « Nous pouvons appliquer cela à des écosystèmes entiers ou à des familles de plantes pour voir comment les plantes se sont adaptées à leur environnement et développer de meilleures stratégies pour leur conservation face au changement climatique. »

UCLA est la plus grande université de Californie, avec un effectif de près de 38 000 étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs. Le Collège des lettres et des sciences de l'UCLA et les 11 écoles professionnelles de l'université abritent des professeurs renommés et proposent 337 programmes menant à un diplôme et à des majeures. L'UCLA est un leader national et international dans l'étendue et la qualité de ses programmes universitaires, de recherche, de soins de santé, culturels, de formation continue et sportifs. Six anciens élèves et cinq professeurs ont reçu le prix Nobel.

ParStuart Wolpert